J-TEXT托卡马克等离子体破裂电磁能量处理系统研究

摘要

托卡马克等离子体破裂时，巨大的电磁能量和内能快速耗散作用在装置上，通常会对装置产生很大的冲击和破坏，因而破裂防护是必须解决的问题。J-TEXT正在开展一种全新的基于等离子体破裂电磁能量转移的破裂防护方法研究，而能量处理系统是这种全新的破裂防护方法必不可少的部分，将直接影响能量转移的效率，进而影响破裂缓解的效果。
　　本研究主要内容包括：⑴根据J-TEXT转移出来的能量特征及对能量处理系统需求，设计了能量处理系统方案。能量处理系统主要包含四个单元，即基于氧化锌压敏电阻的能量吸收与过电压保护单元，以保护能量转移系统；基于脉冲电容器的能量吸收储存单元，以储存转移出来的等离子体破裂电磁能量；电阻耗能单元，作为能量吸收储存单元故障时的备用处理单元；能量逆变回馈单元，以将储存在电容中破裂电磁能量回收再利用。⑵根据能量处理系统方案，分别对各单元展开了研究。建模分析了等离子体破裂过电压产生原理，设计及研制了能量吸收与过电压保护单元，并在J-TEXT上进行了实验测试并取得良好的效果，过电压可有效限制在330V以下。在仿真研究的基础上，设计及研制了脉冲电容储能单元，并在J-TEXT装置上做了实验测试，转移出来的电磁能量可达总破裂电磁能量的27.9％，储存能量可达14%。在仿真研究的基础上，设计及研制了电阻耗能单元，并在J-TEXT装置上进行了实验测试，通过电阻耗能单元的处理，转移出来的电磁能量可达总破裂电磁能量的43.4%。设计了逆变回馈单元方案，并利用PSIM软件进行了仿真研究，从而为下一步的实验测试提供指导。⑶所研究设计的能量处理系统，通过实验测试验证了其有效性，达到了J-TEXT能量转移的需求，为这种全新的破裂防护方法研究提供了可靠的保证，并将为ITER及未来聚变装置的破裂防护提供参考。

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1 绪论

1.1 磁约束核聚变与托卡马克

1.2 等离子体破裂及其防护

1.3 基于等离子体破裂电磁能量转移的破裂防护方法

1.4 论文的主要工作

2 能量处理系统方案设计

2.1 能量处理系统需求分析

2.2 能量处理技术研究分析

2.3 能量处理系统方案设计

2.4本章小结

3 能量吸收与过电压保护单元研制及测试

3.1 氧化锌压敏电阻

3.2 加热场过电压研究和单元测试

3.3 本章小结

4 能量吸收储存单元研制及测试

4.1 金属化膜脉冲电容器

4.2 能量吸收储存仿真研究

4.3 能量转移脉冲电容储能单元研制及实验测试

4.4 本章小结

5 电阻耗能单元研制及测试

5.1 电阻耗能仿真研究

5.2 线路杂散电感对能量转移影响的仿真研究

5.3 能量转移电阻耗能实验测试

5.4 本章小结

6 能量逆变回馈单元设计及仿真

6.1 硬件设计

6.2 三相并网逆变器数学模型

6.3 控制系统设计

6.4 能量逆变回馈仿真研究

6.5 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文