J-TEXT托卡馬克極向場控制策略及等離子體放電運行控制的研究和實現(xiàn).pdf

1、J-TEXT是一個中型帶鐵芯常規(guī)磁體的托卡馬克裝置，隸屬于聚變與電磁新技術(shù)教育部重點實驗室，為國內(nèi)高校中唯一的中型托卡馬克裝置。該裝置原為美國德克薩斯州TEXT-U 裝置，2002年由美國贈送給中國華中科技大學。J-TEXT 托卡馬克裝置參數(shù)為：等離子體大半徑為1.05m，小半徑為0.25-0.29m（可移動的限制器位形），最大等離子體電流350kA，中心等離子體線平均密度為3×1019m-3，等離子體中心電子和離子溫度約為1keV，真

2、空室中心最大縱場強度可達3T。裝置于2005年開始重建，2007年年底實現(xiàn)150kA/200ms的第一等離子體放電。本文結(jié)合J-TEXT 裝置特點，從理論上分析了J-TEXT 裝置等離子體擊穿和電流建立對極向磁場控制的需求，重點研究了J-TEXT 裝置擊穿時零場區(qū)的建立，并通過實驗進行了驗證；結(jié)合J-TEXT 裝置等離子體電流爬升特點，通過實驗得出建立不同等離子體電流平頂所對應(yīng)加熱場電源電容器組的配合關(guān)系，用于指導(dǎo)今后的實驗；由J-TE

3、XT 裝置等離子體電流和加熱場線圈電流的耦合關(guān)系，結(jié)合加熱場電路方程，得到等離子體電流反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并進行相關(guān)仿真，建立了等離子體電流控制系統(tǒng)；根據(jù)J-TEXT 裝置電源特點，對等離子體電流進行分段控制，給出段間銜接的詳細設(shè)計；對不同大小等離子體電流（100-200kA）進行反饋，驗證了控制系統(tǒng)的控制精度和可靠性。
　　 本文基于先進的陶瓷基板PCB 技術(shù)，結(jié)合J-TEXT 裝置需求，設(shè)計了兩套磁測量線圈，分別用于測量

4、等離子體水平和垂直位移；同時可為位置反饋控制系統(tǒng)提供信號；每套線圈均由一組變型的羅科夫斯基線圈和一組鞍型線圈組成。線圈放置于真空室內(nèi)，采用不銹鋼進行固定和保護，滿足J-TEXT 裝置放電的高溫高真空要求，測量所得等離子體電流重心位置同其他輻射測量結(jié)果一致。該磁測量線圈設(shè)計所采用的技術(shù)方案為國內(nèi)外首例，對ITER 及商業(yè)堆的磁測量線圈設(shè)計有重要參考意義。本文采用電流絲模型，從等離子體在水平和垂直方向的受力平衡方程出發(fā)，在一定等離子體電流情

5、況下，獲得水平位移（垂直位移）和外加垂直場（水平場）的關(guān)系，結(jié)合垂直場（水平場）線圈電流在真空室中產(chǎn)生的垂直（水平）磁場系數(shù)和垂直場（水平場）線圈電路方程，得到等離子體水平（垂直）位移反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，進行仿真同時在實驗中進行驗證；根據(jù)J-TEXT 裝置放電運行特點，對等離子體水平（垂直）位移進行分段控制，對每段的控制策略和段間銜接進行詳細分析；在等離子體電流平頂段，控制系統(tǒng)能穩(wěn)定控制等離子體電流水平位移在-2 至+4cm（正為低

6、場側(cè)，負為高場側(cè)）范圍，垂直位移在-3 至+3cm（正為上，負為下）范圍。本文主要考慮J-TEXT 裝置等離子體運行控制的需求，建立等離子體電流、水平和垂直位置反饋控制系統(tǒng)，通過相關(guān)理論和實驗研究，保障了J-TEXT 裝置可靠地產(chǎn)生、加熱、維持和穩(wěn)定等離子體。其中，J-TEXT 裝置等離子體擊穿的理論模型以及實驗驗證結(jié)果，給出了適合于J-TEXT 裝置的擊穿方法和較好擊穿點；不同等離子體電流對應(yīng)的加熱場電容器組的配合關(guān)系，為等離子體放電