CFETR诊断系统的概念设计与诊断窗口的集成研究

摘要

中国聚变工程试验堆(CFETR)，是一个为了填补国际热核聚变实验堆(ITER)和未来聚变示范堆(DEMO)之间的技术差距而设计的托卡马克装置，它的主要科学目标是获得Ⅰ期200MW和Ⅱ期1GW的聚变功率、演示聚变堆的稳态运行（运行因子为0.3-0.5）以及实现氚的自持（氚增值比大于1.0）。诊断系统是托卡马克装置的重要子系统，是装置保护、基本控制以及改善等离子体表现的重要方式。CFETR诊断系统的设计是一项重要而富有挑战的研究工作。本论文主要包括以下四部分内容。
　　第一部分介绍的是ITER诊断系统。ITER将集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，因此可以在消化和吸收ITER诊断系统的基础上设计CFETR诊断系统。ITER诊断系统复杂而全面，将利用涵盖了磁、激光、微波、光谱、中子和聚变产物等领域的约70项诊断系统提供近100项测量参数。
　　第二部分为本论文的主体内容，介绍了目前CFETR诊断系统概念设计的进展。首先评估了CFETR诊断系统所面临的挑战，计算了CFETR环境下的中子壁负载、中子通量和中子积分通量的值;然后给出了CFETR诊断系统的设计流程;接着根据CFETRⅠ期和Ⅱ期的不同特点，给出了CFETR诊断系统的规划，提出了在CFETR前期和后期分别采用ITER-like和面向DEMO的两套诊断方案;最后阐述了三个具有不同功能和冗余度的ITER-like诊断系统方案，并对这些诊断技术在应用到CFETR环境下可能面临的挑战做了描述。
　　第三部分为CFETR诊断窗口集成设计研究，描述了诊断窗口集成的挑战、诊断窗口集成的流程以及诊断子系统布局时需要考虑的因素;利用CATIA软件对CFETR装置和诊断窗口插件进行了三维建模，并将偏振干涉仪、H-α光谱和可见红外成像三项诊断子系统集成到同一个诊断窗口上。
　　第四部分介绍的是一项面向反应堆诊断的先行研究工作:远红外激光补偿干涉仪的系统设计。在未来的聚变堆装置条件下，用于电子密度测量的短波长远红外激光干涉仪将面临振动误差的严重问题。补偿干涉仪利用双波长激光同时测量的方法，将振动误差从测量结果中消除，是未来聚变堆的远红外诊断的必要技术。本部分内容首先介绍了补偿干涉仪的基本原理;其次利用双声光调制器获得了1MHz的调制信号，并测定了其稳定性;然后准确测量了纳米级别的精细位移。最后，基于EAST托卡马克装置的环境条件，完成了补偿干涉仪的系统设计。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 核聚变原理

1．2 托卡马克与国际热核聚变试验堆ITER

1．3 中国聚变工程试验堆CFETR

1．4 本论文的结构

第2章 ITER诊断系统

2．1 ITER诊断系统的设计流程

2．2 ITER诊断系统的测量参数

2．3 ITER诊断技术

2．3．1 磁诊断

2．3．2 中子和聚变产物诊断

2．3．3 激光诊断

2．3．4 辐射量热测量仪

2．3．5 光谱和中性粒子分析系统

2．3．6 微波诊断

2．3．7 面向等离子体和运行诊断

2．4 ITER诊断窗口集成

2．5 本章小结

第3章 CFETR诊断系统的概念设计

3．1 CFETR诊断系统所面临的挑战

3．1．1 燃烧等离子体

3．1．2 可用于诊断的空间有限

3．2 CFETR诊断系统设计流程和原则

3．3 CFETR诊断系统设计方案

3．3．1 CFETR诊断系统规划设计

3．3．2 CFETR诊断系统的ITER-like方案

3．3．3 ITER-like方案中的诊断技术分析

3．4 本章小结

第4章 CFETR诊断窗口集成设计研究

4．1 诊断窗口集成的挑战

4．2 诊断窗口集成的基本步骤

4．3 CFETR诊断方案的布局

4．4 CFETR中平面诊断窗口集成设计研究

4．4．1 CFETR装置结构和诊断区域划分

4．4．2 CFETR中平面诊断窗口插件设计

4．4．3 CFETR中平面诊断窗口集成设计

4．5 本章小结

第5章 面向反应堆的补偿干涉仪的台面实验研究

5．1 背景介绍

5．2 补偿干涉仪的基本原理

5．3 补偿干涉仪的系统设计

5．4 精细位移的测量

5．5 EAST装置上的补偿干涉仪研究

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

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