离子源电源传输线系统研究与设计

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EAST的科学目标是瞄准国际核聚变能研发前沿,开展国内外联合科学研究,利用已建成的世界首个全超导托卡马克EAST装置开展稳态、安全、高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理和工程问题实验研究,为我国工程试验堆的设计建造提供科学依据。  中性束注入是当今世界大型托卡马克装置及下一代聚变堆ITER所采用的芯部辅助加热和非感应电流驱动主要手段之一。相对于射频波(ICRF,IBW,ECRH,LHCD)加热,中性束注入加热和驱动在物理上已相当清楚。但是对于EAST-NBI系统的建设在国内还是处于摸索阶段,在EAST NBI系统建设过程中有很多问题需要深入的研究和探讨,本文研究主要围绕EAST-NBI电源系统中高压传输线相关的内容进行展开,为即将建设的EAST NBI电源系统的建设提供足够的技术支持。主要内容为:  (1)基于美国GA DIIID100kV NBI系统的设计理论以及EAST-NBI系统的建设实际,对NBI电源传输线系统的结构和设计要求进行了深入的研究探讨,得到了电源传输线系统设计施工工程中的需要注意的问题以及电源传输线系统的具体设计指标,为合理设计EAST-NBI电源传输线系统打下坚实的理论基础;  (2)根据电源传输线的设计要求和指标,对三种不同电源传输线结构设计方案进行比较论证,得到三种不同传输线设计方案各自的性能和特点,然后根据EAST-NBI电源大厅和主机大厅的实际布局情况,选择同轴传输线结构方案作为本文传输线系统的设计基础,研究设计了EAST-NBI电源大厅到EAST主机大厅电源传输线的施工方案;  (3)根据EAST-NBI系统结构布局的特点,对传输导线可能选择的电缆和母排的性能特点进行了比较对比,为传输线的选择提供依据,由于电源传输线分布电容在打火瞬间会释放储能可能损坏离子源,本文对EAST-NBI实验测试平台的电源传输线的分布电容进行了仿真计算,得到了传输线系统的分布电容大小,同时还计算得到电缆和母排两种导线的压降和电功率损失大小;  (4)电缆线束的散热问题一直传输线设计的重点和难点问题,特别是对于需要直流缓冲器进行电路保护的传输线系统,直流缓冲器的磁环套在电源传输线上,使得EAST-NBI电源传输线系统的散热条件更加恶劣,而本文通过对EAST-NBI测试平台电源传输线系统的1∶1三维建模和数值仿真,分析了EAST-NBI测试平台在离子源连续工作时传输导线温度上升和分布的特点,得到了缓冲器外部传输线束的长度对缓冲器内部传输线温度分布的影响以及缓冲器自身长度对内部传输线温度上升的影响,为EAST-NBI电源传输线系统的可靠运行提供了设计基础和参考;  (5)针对弧流和灯丝电源快速地启动和关断产生的时变场电磁波会对周围电子设备或相反作用造成的强电磁互扰,本文深入进行了电磁场屏蔽的相关理论以及磁场屏蔽效能的研究,根据电磁场屏蔽的原理对NBI电源系统的高压平台、隔离变压器、离子源传输线以及等离子体电极电源的屏蔽性能进行了理论分析和数值仿真,得到了与NBI电源系相关的分布电容,电场强度,磁场强度等重要电磁性能参数;  (6)由于离子源频繁打火容易受到损坏,电源传输线电路上需要使用直流缓冲器来限制故障电流并吸收分布电容所释放的能量。本文在分析直流缓冲器性能特点的基础上,研究了不同铁芯磁环材料直流缓冲器在离子源电源传输线上串联使用的思路,并通过对串联缓冲器传输线电路的缩比试验和论证,得到了不同铁磁材料直流缓冲器串联使用的特点和规律,为EAST-NBI电源传输线的设计以及传输线上的直流缓冲器性能的改进提供参考;  论文的贡献在于对EAST NBI辅助加热系统高压传输线的具体施工方案进行了详细的研究,为下一步即将进行的高压传输线设计施工提供参考,并结合实验数据对EAST NBI实验平台高压传输线的选择、分布电容、压降和电功率损失以及散热性能进行研究,与之前以美国GA DIIID NBI系统为基础进行的研究相比,本研究掌握了EAST NBI高压传输线系统设计研究的最新资料,针对性更强,具有可操作性,数据和结论更有应用参考价值;同时本文根据对电磁场屏蔽理论的研究,对高压平台、隔离变压器、等离子体电极以及传输线的电磁性能进行了理论分析和数值仿真,得到了与之相关的电磁性能参数。本文另一个创新点是研究了在中性束传输线上使用不同铁芯磁环串联的性能,得到了不同铁磁材料直流缓冲器串联使用的特点和规律,为EAST-NBI电源传输线的设计以及传输线上的直流缓冲器性能的改进提供参考。
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