一种托卡马克等离子体破裂模拟装置及模拟方法

摘要

本发明公开了一种托卡马克等离子体破裂模拟装置及模拟方法，包括供电电容、放电开关、续流二极管、欧姆线圈、铁芯、等离子体线圈、破裂模拟开关、破裂模拟电阻以及触发控制单元；供电电容用于对欧姆线圈供电，在等离子体线圈中感应产生电流，当放电开关导通时供电电容对后续电路放电；当放电开关关断时所述供电电容不放电，供电电容的电压保持不变；续流二极管用于在放电开关断开后与欧姆线圈构成回路，并对欧姆线圈的电流进行续流。欧姆线圈用于模拟托卡马克装置的欧姆场线圈，通过供电电容对其供电，在副方等离子体线圈中感应产生并控制维持等离子体线圈电流；等离子体线圈用于模拟托卡马克装置的等离子体电流环，该线圈中的电流用以模拟等离子体电流。

说明书

技术领域

本发明属于磁约束核聚变等离子体破裂领域，更具体地，涉及一种可用于模拟托卡马克等离子体破裂过程的装置及其模拟方法。

背景技术

托卡马克装置正常放电过程中，欧姆场线圈与等离子体电流环构成两绕组变压器结构，通过电源对原方欧姆场线圈供电，使得副方真空室内感应一定的环电压，激发产生等离子体电流。等离子体电流产生后，根据变压器原方与副方电流成比例的原理，增大欧姆场线圈电流即可拉升等离子体电流，待等离子体电流上升至预设值大小时，维持该值不变，即获取了放电所需的等离子体电流平顶。实际托卡马克装置运行中常会出现等离子体破裂现象，表现为等离子体电流快速下降为零，等离子体内能及储存在装置内的电磁能量快速释放。未来大型托卡马克装置储能可达数百兆焦，一旦发生等离子体破裂，如此高的能量的瞬时释放在装置真空室内可能会对装置产生严重损害。

等离子体破裂能量越高，可能对装置造成的危害越大，从减小破裂阶段耗散在真空室内的能量的角度出发，对托卡马克等离子体破裂危害缓解方法进行研究是目前磁约束核聚变领域的研究热点之一。J-TEXT实验室正在针对一种基于电磁能量转移的破裂危害缓解方法开展研究。该方法通过在破裂瞬间投入一组能量转移线圈，利用变压器耦合原理，将破裂阶段耗散在真空室内的部分电磁能量耦合出装置，达到减少破裂阶段耗散在真空室内的总能量的目的，起到缓解破裂危害的效果。该方法所能起到的破裂缓解效果极大程度上依赖于能量转移线圈的安装位置、匝数以及阻抗等参数。实际托卡马克装置结构复杂，主机各系统线圈等安装紧密，可供安装能量转移线圈的位置有限；并且，针对这些参数进行研究需开展大量破裂实验，耗费大量机时，且无法保障装置的安全运行。利用破裂模拟装置开展电磁能量转移模拟实验，可解决直接在托卡马克装置上开展相关验证性实验难度高的问题，为装置实验进行预研。该破裂模拟装置应能对破裂电流波形以及破裂电磁能量流动过程进行模拟；同时，需预留足够的空间方便后续能量转移线圈的安装。

发明内容

针对现有技术的以上需求，本发明提供了一种托卡马克等离子体破裂模拟装置及模拟方法，其目的在于对托卡马克等离子体破裂电流波形以及破裂电磁能量流动过程进行模拟，并方便开展针对电磁能量转移方法的预研。

本发明提供了一种托卡马克等离子体破裂模拟装置，包括供电电容、放电开关、续流二极管、欧姆线圈、铁芯、等离子体线圈、破裂模拟开关、破裂模拟电阻以及触发控制单元；供电电容的正极与放电开关一端相连，放电开关的另一端与欧姆线圈的电流输入端相连，欧姆线圈的电流输出端与供电电容负极相连；所述放电开关的控制端与所述触发控制单元的第一输出端连接，且所述放电开关的控制端用于控制所述放电开关的一端与另一端之间的导通或断开；所述续流二极管的阴极与所述欧姆线圈的电流输入端连接，所述续流二极管的阳极与所述欧姆线圈的电流输出端连接；所述等离子体线圈为一有断口的导体环，所述破裂模拟开关的电流输入端和电流输出端分别接在所述等离子体线圈断口的两端；所述破裂模拟电阻与所述破裂模拟开关并联连接；所述破裂模拟开关的控制端与所述触发控制单元的第二输出端连接，且所述破裂模拟开关的控制端用于控制所述破裂模拟开关的电流输入端与电流输出端之间的导通或断开；所述铁芯为“日”字型结构，中心柱为圆截面；所述欧姆线圈为多匝结构，紧密绕制在铁芯中心柱上，且关于铁芯中平面呈上下对称分布；所述等离子体线圈为一匝，以铁芯中心柱为轴安装于铁芯中平面位置处。

更进一步地，所述供电电容用于对所述欧姆线圈供电，在等离子体线圈中感应产生电流，所述供电电容的电压大小决定了所述等离子体线圈中电流平顶值的大小。

更进一步地，所述放电开关用于控制所述供电电容的工作状态，当所述放电开关导通时所述供电电容对后续电路放电；当所述放电开关关断时所述供电电容不放电，所述供电电容的电压保持不变；所述续流二极管用于在所述放电开关断开后与所述欧姆线圈构成回路，并对所述欧姆线圈的电流进行续流。

更进一步地，所述欧姆线圈用于模拟托卡马克装置的欧姆场线圈，作为变压器结构的原方线圈，通过供电电容对其供电，在副方等离子体线圈中感应产生并控制维持等离子体线圈电流；所述等离子体线圈用于模拟托卡马克装置的等离子体电流环，作为变压器结构的副方线圈，该线圈中的电流用以模拟等离子体电流。

更进一步地，所述铁芯用于提供破裂模拟装置的磁通流通路径，使几乎所有的磁力线均流经铁芯，以获取线圈间更好的耦合效果。

更进一步地，破裂模拟开关在等离子体线圈电流上升及平顶阶段导通，与等离子体线圈构成低回路电阻回路，绝大部分电流流经破裂模拟开关；在模拟破裂瞬间关断，将破裂模拟电阻快速接入，形成高回路电阻回路，模拟破裂过程；所述破裂模拟电阻破裂模拟电阻用以在模拟破裂瞬间接入等离子体线圈回路，瞬时增大等离子体线圈回路电阻，使线圈电流快速下降，模拟破裂过程。

更进一步地，所述供电电容包括多个并联的同型号的电容器。以增大电容容量，降低放电过程中的电压减少量，维持更稳定的等离子体线圈电流平顶值。

更进一步地，等离子体线圈为一匝截面积为方形电阻值较小的铜导体环。以提升线圈电流并拉长电流平顶时间，同时方便破裂模拟开关的安装。

更进一步地，破裂模拟开关为MOSFET开关；所述破裂模拟电阻阻值远高于MOSFET开关通态电阻，可选用阻值高于50mΩ的电阻丝。

本发明还提供了一种基于上述的托卡马克等离子体破裂模拟装置的托卡马克等离子体破裂模拟方法，包括下述步骤：

(1)当破裂模拟装置开始工作之前，通过触发控制单元控制放电开关和破裂模拟开关均处于关断状态；

(2)当破裂模拟装置开始工作后，通过触发控制单元控制破裂模拟开关导通，使等离子体线圈形成低回路电阻回路；

(3)通过触发控制单元控制放电开关导通，供电电容对欧姆线圈供电，等离子体线圈上产生感应电流；

(4)当等离子体线圈电流达到平顶后，通过触发控制单元控制放电开关和破裂模拟开关同时断开，并联在破裂模拟开关上的破裂模拟电阻接入等离子体线圈回路，使得回路电阻瞬时大幅度增大，等离子体线圈上电流快速下降，完成破裂模拟。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得下列有益效果：

(1)本发明所述的破裂模拟装置，利用纯电路结构模拟了实际托卡马克装置的等离子体破裂电流波形，模拟了破裂阶段电磁能量流动过程，便于对破裂电磁能量展开研究；

(2)本发明所述的供电电容为多台同型号电容器的并联结构，增大了整体的电容容量，使得在同样的初始电压下进行放电时，放电过程中电容电压的减小量比单台电容器放电要小得多，保证了供电电压在放电过程中基本不变，使得等离子体线圈电流达到最大值后能基本维持在该值，与实际托卡马克放电等离子体电流波形有更优的等效性；

(3)铁芯结构有利于增强原副方线圈的耦合，方便在实验中进行参数测量；

(4)在等离子体线圈中建立电流时，等离子体线圈与破裂模拟开关串联形成的回路具有回路电阻小的特点，可用于模拟托卡马克正常放电电流平顶阶段等离子体等效电阻小的特性；

(5)等离子体线圈采用截面积为方形的铜导体环结构，可方便在线圈上打孔进行破裂模拟开关以及破裂模拟电阻的安装，同时相比较普通导线，铜导体环结构所占空间小，且形状固定，有利于其精确定位与安装。

(6)破裂模拟开关与破裂模拟电阻的并联结构，可实现模拟破裂瞬间等离子体等效电阻突增及等离子体电流快速下降现象，进而完成对破裂电磁能量流动的模拟；

(7)触发控制单元可实现多路触发控制信号不同时序设置与信号的同时输出，根据模拟装置特性设置其输出脉冲时序，实现模拟装置中各开关的导通、关断配合，有效提高了开关动作的准确性与配合的紧密型。

(8)本发明所述的破裂模拟装置各线圈的安装移动具有较高灵活性，预留空间较多，可方便安装能量转移线圈开展电磁能量转移实验。

附图说明

图1是托卡马克装置的三维结构示意图(不含位形控制线圈)；

图2是托卡马克装置等离子体破裂电流波形示意图；

图3是托卡马克等离子体破裂模拟装置的三维结构示意图；

图4是本发明实施例托卡马克等离子体破裂模拟装置的等离子体线圈回路三维结构示意图；

图5是本发明实施例托卡马克等离子体破裂模拟装置系统框图；

图6是本发明实施例托卡马克等离子体破裂模拟装置的开关触发时序图；

图7是本发明实施例托卡马克等离子体破裂模拟装置的等离子体线圈电流波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种托卡马克等离子体破裂模拟装置，包括供电电容、放电开关、续流二极管、欧姆线圈、铁芯、等离子体线圈、破裂模拟开关、破裂模拟电阻以及触发控制单元。

铁芯为“日”字型结构，中心柱为圆截面。欧姆线圈为多匝结构，紧密绕制在铁芯中心柱上，关于铁芯中平面呈上下对称分布；等离子体线圈为一匝，以铁芯中心柱为轴安装于铁芯中平面位置处。欧姆线圈、铁芯及等离子体线圈构成两绕组变压器结构，其中欧姆线圈作为变压器原方，等离子体线圈作为变压器副方。

续流二极管与欧姆线圈并联，其中，欧姆线圈的电流输入端与续流二极管阴极相连，欧姆线圈的电流输出端与续流二极管的阳极相连。

供电电容、放电开关和欧姆线圈依次相连形成回路。供电电容正极与放电开关一端相连，放电开关的另一端与欧姆线圈的电流输入端相连，欧姆线圈的电流输出端与供电电容负极相连。

等离子体线圈为一有断口的导体环；破裂模拟开关的电流输入端和电流输出端分别接在等离子体线圈断口的两端；所述破裂模拟电阻并联在破裂模拟开关上。

触发控制单元的第一输出端与放电开关的控制端相连，第二输出端与破裂模拟开关的控制端相连。

供电电容为破裂模拟装置的电源，用于对欧姆线圈供电，在等离子体线圈中感应产生电流，电容电压大小决定了等离子体线圈电流平顶值的大小。

放电开关用以控制供电电容的工作状态，当放电开关导通时供电电容对后续电路放电，当放电开关关断时供电电容不放电，电容电压保持不变。

续流二极管用以在放电开关断开后与欧姆线圈构成回路，对欧姆线圈电流进行续流。

欧姆线圈用以模拟托卡马克装置的欧姆场线圈，是变压器结构的原方线圈，通过供电电容对其供电，在副方等离子体线圈中感应产生并控制维持等离子体线圈电流。

铁芯提供了破裂模拟装置的磁通流通路径，使几乎所有的磁力线均流经铁芯，以获取线圈间更好的耦合效果。

等离子体线圈用以模拟托卡马克装置的等离子体电流环，是变压器结构的副方线圈，该线圈中的电流用以模拟等离子体电流。

破裂模拟开关在等离子体线圈电流上升及平顶阶段导通，与等离子体线圈构成低回路电阻回路，绝大部分电流流经破裂模拟开关；在模拟破裂瞬间关断，将破裂模拟电阻快速接入，形成高回路电阻回路，模拟破裂过程。

破裂模拟电阻用以在模拟破裂瞬间接入等离子体线圈回路，瞬时增大等离子体线圈回路电阻，使线圈电流快速下降，模拟破裂过程。

触发控制单元中预设有模拟装置中供电开关和破裂模拟开关的导通以及关断时序信息，其输出信号用于控制各开关的导通与关断。

在本发明实施例中，供电电容由多台同型号的电容器并联而成，以增大电容容量，降低放电过程中的电压减少量，维持更稳定的等离子体线圈电流平顶值。

在本发明实施例中，放电开关可选用IGBT、可控晶闸管等电力电子开关，以实现其可控导通与关断，放电开关的控制端与触发控制单元的第一输出端相连。

在本发明实施例中，等离子体线圈可选用为一匝截面积为方形电阻值较小的铜导体环，以提升线圈电流并拉长电流平顶时间，同时方便破裂模拟开关的安装。

在本发明实施例中，破裂模拟开关需满足通态电阻较小、关断时间在1us以内并且易安装的要求，可选用MOSFET开关，破裂模拟开关的控制端与触发控制单元的第二输出端相连。

在本发明实施例中，破裂模拟电阻可采用电阻率较高的电阻丝，以实现不同大小阻值的灵活选择与安装。

本发明还提供了一种托卡马克等离子体破裂模拟方法，具体如下：

破裂模拟装置开始工作之前，在触发控制单元的控制下，放电开关和破裂模拟开关均处于关断状态。破裂模拟装置开始工作后，在触发控制单元的控制下，首先控制破裂模拟开关导通，使等离子体线圈形成低回路电阻回路；随后，控制放电开关导通，供电电容对欧姆线圈供电，等离子体线圈上产生感应电流；待等离子体线圈电流达到平顶后，触发控制单元控制控制放电开关和破裂模拟开关同时断开，此时，并联在破裂模拟开关上的破裂模拟电阻接入等离子体线圈回路，使得回路电阻瞬时大幅度增大，等离子体线圈上电流快速下降，完成破裂模拟。

为了更进一步的说明本发明，现结合附图和具体实例详述如下：

图1为托卡马克装置的三维结构示意图(不含位形控制线圈)，1是欧姆场线圈(包含欧姆场内线圈1A、欧姆场小线圈1B、欧姆场大线圈1C)，2是铁芯，3是真空室，4是等离子体。欧姆场线圈1与铁芯2、等离子体电流4构成变压器结构。原方欧姆场线圈1通电后利用变压器原理在副方激发产生等离子体，形成等离子体电流。

图2是托卡马克装置等离子体破裂电流波形示意图，I_p为等离子体电流，t1时刻为放电起始时刻，t2时刻等离子体电流达到平顶值，约为200kA，t3时刻为破裂起始时刻，t4时刻破裂结束，等离子体电流下降为零，整个破裂过程约为几个毫秒。

图3是托卡马克等离子体破裂模拟装置的三维结构示意图。5是供电电容，6是放电开关，7是续流二极管，8是欧姆线圈，9是铁芯，10是等离子体线圈，11是破裂模拟开关，12是破裂模拟电阻。图4为本发明实施例图3破裂模拟装置三维结构图中的等离子体线圈回路三维结构放大示意图。

图5是本发明实施例托卡马克等离子体破裂模拟装置系统框图，包括供电电容、放电开关、续流二极管、欧姆线圈、铁芯、等离子体线圈、破裂模拟开关、破裂模拟电阻以及触发控制单元。放电过程中，欧姆线圈与等离子体线圈通过铁芯构成两绕组变压器结构，欧姆线圈为变压器原方，等离子体线圈为变压器副方。

本发明实施例的供电电容5采用10个8200uF的电容器并联，以增大整体电容值，达到维持放电电压稳定的目的，使得等离子体线圈电流在平顶阶段可基本维持不变。

本发明实施例的放电开关6用以控制破裂模拟装置放电的开始与结束，需可控地导通与关断，并可承受几十安培的电流，因此，可选用IGBT作为放电开关。

本发明实施例的欧姆线圈8采用40匝截面积为6mm2的铜导线绕铁芯中心柱呈上下对称分布。欧姆线圈的作用是，通电后作为变压器原方线圈，在副方等离子体线圈中感应产生电流，模拟等离子体电流上升及平顶过程；在模拟破裂阶段，欧姆线圈与续流二极管7构成续流回路，保护线圈回路。

本发明实施例的铁芯9为“日”字型结构，中心柱为圆柱，采用30Q130型硅钢片叠制而成。铁芯的作用是提供磁通路径，几乎所有的磁力线均流经铁芯。

本发明实施例的等离子体线圈10为一匝铜导体环，截面积为长方形以方便破裂模拟开关的安装，线圈位于铁芯中平面位置处，线圈电阻约为1mΩ。等离子体线圈用以模拟等离子体电流环，需能承受1kA脉宽为几个毫秒的脉冲电流。

本发明实施例的破裂模拟开关11为两个型号均为IPB010N06N的MOSFET开关并联结构，该并联结构的MOSFET开关等效通态电阻约为0.5mΩ，通流能力达1.4kA，关断时间约为100ns，满足破裂模拟装置需求。通过断开破裂模拟开关使具有大阻值的破裂模拟电阻12接入等离子体线圈回路，使得回路电阻能瞬时增大，线圈电流快速下降，模拟破裂过程。本发明实施例的破裂模拟电阻12选用阻值约为100mΩ的康铜电阻丝，该阻值远大于等离子体线圈电阻，满足破裂模拟需求。

本发明实施例的控制触发单元包括脉冲输出模块和驱动控制模块，其中脉冲输出模块是通过在工控机的QXN平台上编程实现多路数字脉冲同时输出，经过隔离放大箱进行放大，成为幅值为5V的带负载能力强的脉冲信号，再经过各开关对应的驱动控制模块实现对各开关的导通与关断控制。

图6为本发明实施例对应的破裂模拟装置中各开关的触发信号时序图。a时刻破裂模拟开关导通，破裂模拟开关与等离子体线圈形成闭合回路，其余各开关均处于断开状态；b时刻放电开关导通，供电电容对欧姆线圈放电，等离子体线圈中产生感应电流；待等离子体线圈电流达到平顶值后维持约3ms，在c时刻同时断开放电开关与破裂模拟开关，破裂模拟电阻接入等离子体线圈回路模拟破裂。

图7为本发明实施例在图6所示触发时序下的等离子体线圈电流波形示意图，I_pc为等离子体线圈电流。b时刻为放电起始时刻，c时刻为破裂模拟起始时刻，d时刻为等离子体线圈电流下降为零时刻。在c-d时刻之间，等离子体线圈与破裂模拟电阻构成高回路电阻回路，等离子体线圈电流迅速下降，欧姆线圈与续流二极管构成续流回路。

本发明实施例提供的托卡马克等离子体破裂模拟装置可对托卡马克等离子体破裂电流波形及破裂电磁能量流动过程进行模拟，该破裂模拟装置具有灵活性强的特点，可通过在该模拟装置上开展关于破裂电磁能量转移这一破裂缓解方法的预研，弥补难以直接在托卡马克装置上开展相关实验的不足。利用该破裂模拟装置还可以开展其他与等离子体破裂电磁能量相关的实验研究。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。