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EAST离子回旋共振加热天线是EAST托卡马克装置中非常重要的辅助加热设备之一,质量的优劣将直接影响着EAST装置将来运行时等离子体的各项基本物理参数。本课题的意义在于从整个工程的安全、优质等方面考虑,在离子回旋共振加热天线设计、加工、制造之前,对离子回旋共振加热天线的总体结构进行了全面地分析研究,并根据电磁学,静力学,热力学等理论和运用有限元数值方法对离子回旋共振加热天线关键部件进行了一系列相关的结构性能仿真,评定了离子回旋共振加热天线关键部件在不同工况下的应力强度,考察设计结果是否符合离子回旋共振加热天线设计要求,并通过相关的检漏实验,焊接装配和工程调试实验以及加热实验验证了离子回旋加热天线理论分析的可靠性和结构设计的合理性,不仅为整个离子回旋加热天线系统工程建设做出了积极贡献,而且为我国未来离子回旋共振加热天线的进一步改进或设计更高功率的离子回旋共振加热天线获得了技术储备和提供了有益的参考。
论文首先介绍了离子回旋共振加热天线系统组成,其次详细地介绍了离子回旋共振加热天线的基本构成和离子回旋共振加热天线设计准则,然后根据离子回旋共振加热天线关键部件的物理和工程设计要求,结合充分地调研,完成了离子回旋共振加热天线结构材料的选择和离子回旋共振加热天线中的法拉第屏蔽,电流带,真空馈口关键部件以及离子回旋共振加热天线液压移动结构的结构设计,为后面的相关分析提供基本依据。
在分析阶段,根据离子回旋共振加热天线中的法拉第屏蔽和电流带实验工况,首先分析了法拉第屏蔽、电流带关键部件上感应电流和电磁力产生机理,给出了法拉第屏蔽、电流带在等离子体破裂后不同时刻的感应电流分布和所受电磁力大小的情况以及由Halo电流和环向磁场在法拉第屏蔽,电流带上产生的电磁力的大小情况。同时通过分析计算获得了实验时真空馈口的电场强度分布和不同加热频率下的电压驻波比大小情况,详细地评估了真空馈口的电物理特性。其次根据EAST离子回旋共振加热天线运行的特点,详细地分析了法拉第屏蔽,电流带和真空馈口实验时的传热机制,同时参考国外同类装置在实验时获得的数据和结合本国离子回旋共振加热天线的运行基本物理参数分别对法拉第屏蔽和电流带进行了不同水流速下的传热分析,获得了不同流速下的温度场分布。论文还对对真空馈口在内、外导体材料不同的情况下分别在自然冷却和主动冷却的条件下进行了相应的传热分析,获得了真空馈口在内、外导体材料不同的情况下在自然冷却和主动冷却的条件下温度场分布。最后通过运用工程有限元的的方法对法拉第屏蔽,电流带,真空馈口关键部件在不同的工况下进行了结构有限元分析,获得了法拉第屏蔽,电流带和真空馈口在不同工况下的应力云图和位移云图,根据分析数据详细地考察了法拉第屏蔽,电流带和真空馈口关键部件在不同工况下的结构强度性能。通过这样大量的、系统的分析研究,详细地评价了法拉第屏蔽结构,电流带和真空馈口设计的合理性以及结构的安全性和可靠性,并获得了丰富的分析数据。
所设计制造的法拉第屏蔽,真空馈口经过检漏实验以及真空馈口成功地完成焊接装配,进一步验证了法拉第屏蔽和真空馈口结构设计的合理性和焊接方法选择的正确性。另外整个离子回旋共振加热天线成功地进行了工程调试实验和参加了2008年首次物理实验,获得了一些相关的实验数据,综合评价了整个离子回旋加热天线的结构使用性能并验证了有限元仿真分析结果。