JTEXT托卡马克电场漂移电子注入电源系统的研制

华中科技大学硕士学位论文J-TEXT托卡马克电场漂移电子注入电源系统的研制姓名：刘德全申请学位级别：硕士专业：脉冲功率与等离子体指导教师：于克训2011-01-06HJ-TEXTJ-TEXT20KV15KV-800—800VTMS320F2812PI0-400V0-800V100APCIIO1750AD1713QNXJ-TEXTJ-TEXTTMS320F2812AbstractElectricdriftelectroninjectionisinplasmaedgeareanormaltothedirectionofthelongitudinalfieldontheappliedelectricfieldfromanelectronguninthisorthogonalundertheeffectofelectromagneticfieldlevelsinthedrifttotheplasma.ElectricdriftelectronicinjectionsystemissignificanttorealizethetokamakplasmalowcentralpressurestartandH-mode.J-TEXTtokamakhassetupitsownelectricdriftelectronicinjectionsystem,includingtheinjectorandpowersupplysystemintwoparts.Oneinjectorincludeshotcathode,plates,mechanical,vacuumflangeetc.ThisarticleisbasedonelectronicinjectiondriftJ-TEXTelectricsystemrequirementsforthedesignanddevelopmentofthepowersystemanditscontrolsystem,powersystemisanimportantpartofelectricdriftelectronicinjectionsystemaselectricdriftelectroninjectionprovidesimportantprotectionofrealization.Powersupplysystemincludinghighvoltagepowersupply,biaspower,scanningpower,hotcathodeheatedpowersupplyandcontrolsystem.Highvoltagepowersupplyisdividedintopositivehigh-voltage20KVand15KVnegativevoltagepowersupply,usingthesametopology,youcanremotecontrolfunctionistriggered,theplatebetweenhomogenouselectricalfield.Biaspowersupplyforthe-800-800Vhighprecisionadjustablepower,useofTMS320F2812controller,PIcontrolalgorithm,keyboardandserialporttwosetvalueinputmethodandliquidcrystaldisplayreal-time,withfasttrackpresetwaveformscharacteristic.Scanningpowerinadjustablebase-wideimplementationofscanning,thebasevaluerangeis0-400V,scanrangeis0-800V.Hotcathodeheatedpowerto100Acurrentheatingpowersupply.TheentirepowersystemcontrolsystemhardwarebyIPC,twoPCIcards:IO1750cardandAD1713card,digitalisolationtankandanalogisolationboxform,canbepresetcontroltimingwaveforms,andwiththecentralcontrolandpowercontrolsystemofcommunication.TheentireJ-TEXTtokamakelectricdriftelectroninjectionpowersupplysystemhasbeendesignedtocompleteandpassthetest,thepowerrunningwell,testwaveformmeetthedesignrequirements.TheentireJ-TEXTtokamakelectricdriftelectroninjectionpowersupplysystemhasbeendesignedtocompleteandpassthetest,thepowerrunningwell,testwaveformmeetthedesignrequirements.Keywords:J-TEXTtokomak,electricdriftelectroninjection,powersystems,TMS320F2812,IPC□□“√”华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1能源问题与核聚变能发展的必要性能源是现代文明社会发展的基础，工业生产和人们的日常生活都离不开能源。随着社会的发展，工农业生产规模和水平、人口总量和生活水平的提高，全球的能源消耗总量将不断增加。煤，石油、天然气和铀为人类的能源需求提供了基本保证，但它们都是不可再生能源，已经面临着枯竭，预计到2100年石油、天然气和铀将被耗尽，到2200年煤将被耗尽。更不幸的是这些矿物燃料的燃烧和使用带来了严重的环境问题。燃料的燃烧产生了大量的二氧化碳，造成温室效应，是地球大气变暖，冰川融化，海平面上升；燃料燃烧产生二氧化硫，在空中受紫外线、灰尘、水蒸气的作用生成酸雨，影响动植物的生长，使土壤酸化，腐蚀建筑，破坏人类的生态环境。以铀为原料的核裂变产生的核废料具有严重的放射性，很难处理，另外铀资源短缺是共同问题，必须考虑核燃料的增值。因此寻找新型能源及可再生能源来解决目前的能源问题显得非常迫切[1][2][3]。水能、风能、太阳能、潮汐能、生物能是可供选择的新能源。中国有居世界第一的水能资源蕴藏量，但分布极不均匀，而且远离东部的负荷区，输送距离长，再加上地质结构复杂，开发难度大，所以中国的水能资源开发程度低。风能、太阳能、潮汐能、生物能，它们受地域、时间、环境和生态限制或受储能环节限制，不能成为人类长期的能源方案，当然它们更不可能满足日益增长的能量消耗水平。核聚变的燃料成本低、储量极其丰富，并且聚变堆安全度高，其燃料循环各环节不含裂变物质，堆运行中的放射性最大程度的被降低，还有放射性寿命都较短，聚变的产物是非放射性的。在所有的核聚变反应中，氢的同位素氘和氚的核聚变反应相对来说比较容易实现。氘在海水中储量极为丰富，一公升的海水里提取出的氘，完全反应中可释放相当于300升汽油燃烧释放的能量；而氚可以通过锂再生，锂在地壳和海水中存在，储量充足。氘氚反应的产物为氦和中子，没有放射性，而且也不会产生污染环境的硫、氮氧化物，不释放引起温室效应的气体。更重要的是，聚变堆由于与裂变堆有原理上的不同，不存在安全问题。聚变是一种战略能源，也是21世纪的换代华中科技大学硕士学位论文2能源，距边能源的储量巨大，可以一劳永逸的解决人类能源的需求，对中国和亚洲等能源需求巨大的发展中国家和地区有特别的意义。因此，聚变能能满足人类未来长期的能量需求，并能满足人类对环境的要求，而可能成为人类长期的能源方案[4][5]。1.2热核聚变与托卡马克聚变指的则是两个轻核聚合反应成较重的原子核，并因质量亏损释放出能量的过程。宇宙间所有的恒星，如太阳，它们释放的光和热，源于核聚变产生的能量。我们给出可以利用的主要聚变反应并列出产物的能量：D+D→T(1.01MeV)+p(3.03MeV)(1-1)D+D→3He(0.82MeV)+n(2.45MeV)(1-2)D+T→4He(3.52MeV)+n(14.06MeV)(1-3)D+3He→4He(3.67MeV)+p(14.67MeV)(1-4)其中，前两个式子称氘氘反应，具有同样的几率。聚变只有两个核非常接近时才能进行聚合反应，由于核力是非常短程的力，两个核非常接近才能克服它们之间的库仑斥力。两核必须克服它们之间的位垒才能发生聚合反应，这只能在两核必须具有很高的动能，相对高速运动时才可能发生。聚变反应的截面)(vσ只有在粒子具有很高的动能v时才有意义值。通常氘氚反应的最大碰撞截面在10keV左右。由于聚变反应只能在高温下实现，在这种情况下，所有的反应粒子已经完全离化，且以很高的速度进行无规运动，处于一种热平衡状态，因此也称热核反应[4]。从核武器研究开始之时，人类就希望把它的能量用于和平目的。美国、英国和前苏联于研制核武器的同时，在20世纪50年代初，也在从事受控热核聚变的工作，并且不约而同的是，约束高温等离子体的手段都是想到了用磁场。为了更好的共同探求克服困难的途径，在1958年日内瓦召开的国际第二届和平利用原子能会议上公开了所有的研究。从此，聚变成为国际合作的主题，并陆续出现了各种形式的脉冲放电和磁约束位形，经过艰难探索之后主要集中在托卡马克（tokamak）、仿星器位形上，而以托卡马克发展最快，同时也是最接近聚变点火参数的装置。1955年前苏联库尔恰托夫研究所阿奇莫维奇等人建成世界上第一个托卡马克；1968年前苏联报道了其T-3托卡马克装置的离子温度超过1keV，这个消息在聚变界华中科技大学硕士学位论文3引起轰动；1977年，前苏联研制了第一个使用超导环向场磁体的托卡马克T-7；1980年，前西德ASDEX装置投入运行，并在1982年首次发现了H-模；1991年，JET和TFTR使用氘和氚作为燃料，先后实现了聚变功率的输出；JT-60的改造装置JT-60U则在1997年使用氘获得了聚变功率的输出，且获得了最高的等效Q值1.25；同年JET创下了输出聚变功率16.1MW、聚变能21.7MJ的世界最高纪录；2006年11月21日，ITER的7个成员政府签署了合作建造ITER的协议，表明使用托卡马克建造聚变堆被认为是最有希望的途径[4]。图1.1J-TEXT托卡马克装置图从整体上看，我国的聚变等离子体研究距离国际先进水平还有较大差距，但我国的等离子体物理与核聚变的发展的基础较好，符合中国国情，在国际上很有特色，国际地位不断提高。20世纪70年代以来在一系列中小装置（CT-6B，HT-6B，HT-6M，KT-5C，HL-1，HL-1M等）上取得了大量成果；20世纪90年代中国科学院等离子体物理研究所建成超导装置HT-7，它是在前苏联的一套纵向磁体超导的托卡马克实验装置的基础上改造而来，实验中取得重大突破，成为世界第二个超过一分钟的等离子体华中科技大学硕士学位论文4放电的装置，后来等离子体物理研究所继续将其改造，取名为HT-7U，又自行设计了全超导托卡马克EAST；J-TEXT是华中科技大学建造的中型常规托卡马克装置，前身是美国德州大学的TEXT装置。2003年由美国德州大学赠予华中科技大学，2004年开始拆运回国，并于2006年完成了装置的重建和调试工作，2007年获得第一等离子体，进入了正常的放电运行。J-TEXT是一个圆形截面的托卡马克装置，装置外形如图1.1所示，装置主要设计参数为：大环半径1.05m，等离子体截面半径0.30m，纵场磁感应强度3.0T，等离子体电流350kA，等离子体密度为3x1013cm-3，中心电子温度1keV，中心离子温度1keV。装