CN1731914A - 托卡马克装置中晕电流的测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种托卡马克装置中晕电流的测量方法及装置，在托卡马克装置真空室内壁上布置相互并联的具有高频响应的螺口线圈，通过测量螺口线圈上的感应电流，可以得到真空室内部磁场的变化情况，在此基础上根据托卡马克装置中高温等离子体、周围纵场磁体、极向场磁体以及真空室本体包通过托卡马克装置真空室内部布置螺口线圈进行测量，不仅可以获得晕电流的大小，而且可以获得晕电流沿装置环向分布的不均匀性。

Description

托卡马克装置中晕电流的测量方法及装置
技术领域
本发明涉及聚变等离子体及电子领域，具体的说是一种托卡马克装置中晕电流的测量方法及装置。
背景技术
随着聚变等离子体物理研究的不断深入和发展，对于托卡马克装置的研究，人们开始更加追求其等离子体的品质参数和约束性能，并积极探索一些与未来稳态先进托卡马克聚变堆相关的工程技术和物理问题，从常规圆截面等离子体位形研究转向超导非圆截面拉长等离子体位形研究是近些年托卡马克核聚变装置发展的主要方向。具有等离子体拉长截面的托卡马克装置有利于提高等离子体参数，特别是比压值β，而β值的大小又直接与将来聚变堆的经济品质有关，β值越高，装置的经济效能越好，因此现代托卡马克装置中等离子体的位形一般都采用拉长截面。然而拉长截面却十分容易诱发等离子体的垂直位移事件，一旦由于某种扰动或系统失控，其约束平衡被打破，等离子体就会向上或向下随机沿垂直方向朝X-POINT处快速运动，随之出现等离子体能量猝灭和电流崩溃。在这一瞬间过程中，就会产生一种晕电流即晕电流(其流动领域的极向断面形状类似于月蚀时的晕)沿着磁力线不闭合的最外层磁面外侧的刮削层经X-POINT两侧进入偏滤器靶板或真空室壳壁，形成闭合回路。由于这种电流产生的随机性较大，沿大环方向分布不对称，作用时间短，所以对装置的危害性非常大。不仅会使与等离子体靠近或直接接触的限制器、天线、偏滤器、靶板或垫块等部件发生局部过热甚至烧蚀，而且还会通过磁场耦合在等离子体周围的金属部件上感应局部涡流，产生巨大的瞬时电磁载荷，致使真空室及其支撑系统承受巨大的冲击作用。对于超导托卡马克还有可能在极向场磁体中感生相当大的过电压，最终引起导体失超。晕电流这种对装置的危害性，最早是在一些大中型托卡马克装置的物理实验中发现的，如在JET装置上发现石墨瓦脱落及其固定轨道变形，在Alcator C-MOD和JT-60等装置上发现面临等离子体第一壁部件固定螺栓弯曲、瓦片破损和真空室壳体的局部变形。因此对于建造未来托卡马克聚变堆来说，晕电流是不可回避的焦点问题之一，该项工作的研究具有十分重要意义。
国际上由于对HALO电流的研究起步甚晚，直到欧洲JET装置、日本的JT-60等第三代托卡马克投入运行后，装置不断遭受到严重的垂直位移事件冲击，破裂物理及HALO电流的研究才日益为人们所重视。后来ITER(国际热核聚变堆)进入工程设计阶段，HALO电流的研究就被列为R&D紧急研究课题。目前在JET等装置上也正在开展一些实验测量方法，国际上研究HALO电流对托卡马克装置的最基本方法还是依靠对相近位形装置的实验运行数据加以归纳统计，假设等离子体为对称分布，然后借助TSC、EFIT等托卡马克放电模拟程序进行两维数值模拟，这种方法最大的缺陷是很难模拟HALO电流沿大环方向分布的不对称性规律，从而无法得到HALO电流的三维空间场分布，而对于托卡马克装置来说，这种非对称性环向分布电流引起的不均匀电磁载荷是设计时必须加以考虑的最危险工况之一，它对装置结构有着极大的破坏性。
发明内容
本专利就是从未来建造聚变堆的角度，运用实验测量方法，在托卡马克装置真空室内部布置罗口线圈进行测量，不仅可以获得HALO电流的大小，而且可以获得HALO电流沿装置环向分布的不均匀性。
技术方案
托卡马克装置中HALO电流的测量方法，其特征在于：在托卡马克装置真空室内壁上布置相互并联的具有高频响应的罗口线圈，当托卡马克装置真空室内部等离子体发生垂直不稳定时，具有高频响应的罗口线圈产生电压信号，通过积分器回路对来自罗口线圈的电压信号进行滤波放大和信号分离，变化成电流信号经计算机数据采集模块进行数据采集并存储，将采集的数据送至计算机，通过测量罗口线圈上的感应电流，可以得到真空室内部磁场的变化情况，在此基础上根据托卡马克装置中高温等离子体、周围纵场磁体、极向场磁体以及真空室本体包括内部部件的电感系数和各个罗口线圈上的电流值，推算由于等离子体发生垂直不稳定时，在真空室内部各个不同位置HALO电流大小，进而还可以通过现有的计算机商业可视化程序反演等离子体在真空室内部快速移动及率减的全过程，获得等离子体发生垂直不稳定时产生的HALO电流彩色云图。
托卡马克装置中HALO电流的测量装置，包括计算机处理中心、积分器、罗口线圈，其特征在于：将在托卡马克装置真空室内壁上布置有并联的罗口线圈，罗口线圈的电压信号输出端联接积分器回路电压信号输入端，积分器回路电流信号输出端联接计算机数据采集系统的信号采集端，计算机数据采集系统数据输出端联接计算机处理中心数据输入端。
所述的高频响应罗口线圈响应时间为2E-4s。
所述托卡马克装置真空室内壁上布置的罗口线圈是按照真空室大环方向的极向截面布置，在每一个极向截面位置至少布置二个，沿极向截面布置的罗口线圈沿大环方向圆周每间隔22.5度对称排列。
所述的极向截面布置有二个罗口线圈，分别位于极向截面的底部与顶部。
发明原理
根据等离子体发生垂直不稳定时的性能参数(等离子体一旦发生不稳定时，会迅速移动并率减，其速度达到50米/秒)，研制高频响应罗口线圈(响音时间为2E-4s)，使其能够对等离子体发生垂直位移事件时的磁场变化作出瞬时反应，产生瞬时电流变化，测量精度不大于0.3％。将托卡马克装置真空室内部沿环向和极向布置的罗口线圈逐个并联起来，然后通过积分器回路对来自罗口线圈的电流信号进行滤波放大和信号分离，并经计算机数据采集系统，将全部测量数据送至计算机处理中心，通过测量罗口线圈上的感应电流，可以得到真空室内部磁场的变化情况。在此基础上根据托卡马克装置中高温等离子体、周围纵场磁体、极向场磁体以及真空室本体包括内部部件的电感系数和各个罗口线圈上的电流值，推算由于等离子体发生垂直不稳定时，在真空室内部各个不同位置HALO电流大小，进而还可以通过现有的计算机商业可视化程序反演等离子体在真空室内部快速移动及率减的全过程，获得等离子体发生垂直不稳定时产生的HALO电流彩色云图。
发明效果
在托卡马克装置真空室内部布置罗口线圈进行测量，不仅可以获得HALO电流的大小，而且可以获得HALO电流沿装置环向分布的不均匀性。
附图说明
图1是本发明罗口线圈在托卡马克装置真空室内壁沿大环方向布置示意图。
图2本发明罗口线圈在托卡马克装置真空室内壁沿极向截面的布置示意图。
图3本发明的罗口线圈结构示意图。
图4本发明的HALO电流测量积分线路结构示意图。
具体实施方式
参见图1～4。
托卡马克装置中HALO电流的测量装置，包括计算机处理中心、积分器、罗口线圈，罗口线圈是按照真空室大环方向的极向截面布置(见图1)，沿极向截面(也称为小环方向)布置的罗口线圈沿大环方向圆周每间隔22.5度对称排列。在每一个极向截面的顶部和底部位置分别布置一个罗口线圈。罗口线圈在真空室内壁可以任意布置，其目的是为了通过测量该处罗口线圈的电流，进而推导出托卡马克装置中各部位HALO电流，应当说，只要真空室内壁位置允许，罗口线圈排布越多越好。图2表示在一个极向截面(沿小环方向)上布置了五个罗口线圈。
各罗口线圈相互并联，罗口线圈的电压信号输出端联接积分器回路电压信号输入端，积分器回路电流信号输出端联接计算机数据采集系统的信号采集端，计算机数据采集系统数据输出端联接计算机处理中心数据输入端。
通过测量罗口线圈上的感应电流，可以得到真空室内部磁场的变化情况，在此基础上根据托卡马克装置中高温等离子体、周围纵场磁体、极向场磁体以及真空室本体包括内部部件的电感系数和各个罗口线圈上的电流值，推算由于等离子体发生垂直不稳定时，在真空室内部各个不同位置HALO电流大小，进而还可以通过现有的计算机商业可视化程序反演等离子体在真空室内部快速移动及率减的全过程，获得等离子体发生垂直不稳定时产生的HALO电流彩色云图。
所选罗口线圈的具体参数：端口电压变化dI/dt~1KA/ms、考虑周边金属涡流的影响的响应频率为25KHz、绕制层数4层、交错面积NS/1~0.87m2/m、S/N比为：10、绕组磁漆线直径0.5mm，节距为1.25mm、大小：长5cm，高2.8cm，厚0.7cm。

Claims (5)

1、托卡马克装置中HALO电流的测量方法，其特征在于：在托卡马克装置真空室内壁上布置相互并联的具有高频响应的罗口线圈，当托卡马克装置真空室内部等离子体发生垂直不稳定时，具有高频响应的罗口线圈产生电压信号，通过积分器回路对来自罗口线圈的电压信号进行滤波放大和信号分离，变化成电流信号经计算机数据采集模块进行数据采集并存储，将采集的数据送至计算机，通过测量罗口线圈上的感应电流，可以得到真空室内部磁场的变化情况，在此基础上根据托卡马克装置中高温等离子体、周围纵场磁体、极向场磁体以及真空室本体包括内部部件的电感系数和各个罗口线圈上的电流值，推算由于等离子体发生垂直不稳定时，在真空室内部各个不同位置HALO电流大小，进而还可以通过现有的计算机商业可视化程序反演等离子体在真空室内部快速移动及率减的全过程，获得等离子体发生垂直不稳定时产生的HALO电流彩色云图。
2、托卡马克装置中HALO电流的测量装置，包括计算机处理中心、积分器、罗口线圈，其特征在于：将在托卡马克装置真空室内壁上布置有并联的罗口线圈，罗口线圈的电压信号输出端联接积分器回路电压信号输入端，积分器回路电流信号输出端联接计算机数据采集系统的信号采集端，计算机数据采集系统数据输出端联接计算机处理中心数据输入端。
3、根据权利要求1所述的托卡马克装置中HALO电流的测量方法，其特征在于所述的高频响应罗口线圈响应时间为2E-4s。
4、根据权利要求2所述的托卡马克装置中HALO电流的测量装置，其特征在于所述罗口线圈是按照真空室大环方向的极向截面布置，在每一个极向截面位置至少布置二个，沿极向截面布置的罗口线圈沿大环方向圆周每间隔22.5度对称排列。
5、根据权利要求2所述的托卡马克装置中HALO电流的测量装置，其特征在于所述的极向截面布置有二个罗口线圈，分别位于极向截面的底部与顶部。
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