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被动反馈系统的作用主要是在等离子体在短时间内发生垂直不稳定性时起到被动稳定的作用。利用真空室内部的铜热沉结构,在大环方向连成一体后通过电连接桥将上、下热沉连成闭合的回路,作为抑制等离子体垂直不稳定性的被动反馈系统。由于被动反馈系统同样具有第一壁材料和热沉以及水冷结构,在等离子体启动时可以作为限制器使用,在稳态运行时限制来自等离子体的热辐射,保护真空室。另外它还可以起到中性束屏蔽的作用。
本文分析了垂直不稳定性产生的原因,并解释了晕电流产生的机理和其对装置的破坏性,并联系国内外各大装置的测量数据和现有的理论基础,对等离子体垂直位移事件的各种因素和影响进行了充分的了解。
由于对非圆截面托卡马克来说,等离子体的垂直不稳定性是焦点更是不可避免的,而到目前为止,对于垂直不稳定性的控制主要通过主动控制线圈来完成,但是,从垂直位移发生到主动线圈的响应需要一定的时间,因此,提出一种合理的被动反馈控制模型,用以抑制等离子体的垂直位移显得尤为必要。本文提出了提出了一种被动反馈控制的方法,利用EAST装置现有的结构,加以改造,构建了一个被动反馈系统,用以抑制等离子体的垂直位移。
设计了三种用于被动反馈系统电气连接的结构,以应对真空室中不同的条件。针对被动反馈系统中,电流桥电磁力较大的问题,设计了同轴电流桥结构,用以抵消电磁力对电流桥结构的影响。电流桥采用了对称、同轴的设计,内芯与外壳之间使用玻璃丝布进行绝缘处理。在运行过程中,内芯和外壳会有等大异向电流流过,在磁场作用下,产生等大反向的电磁力,对称同轴的结构能够很好的让这两个力相互抵消,降低载荷对结构的影响。在对相关技术难点进行试验测试后,成功完成了被动反馈系统的设计、制造与装配。并在2010年EAST物理实验中进行了使用。
研究了被动反馈系统对等离子体的响应,采用理论推倒和有限元数值模拟两种方法,分别计算得到了等离子体发生垂直不稳定和等离子体破裂两种情况下,被动反馈系统中产生的感应电流大小。数值模拟计算的结果与一致。
研究了被动反馈系统对等离子体垂直不稳定性的影响,通过数值模拟和EAST实验数据,对比了在有无被动反馈系统的两种情况下等离子体垂直位移增长率的变化情况。通过2010年EAST实验数据可以发现,在安装使用了被动反馈系统后,等离子体的垂直位移增长率降低了一个量级,稳定性增强。