核工业西南物理研究院科学技术丛书 托卡马克装置工程基础PDF电子书下载

第一章 托卡马克装置的历史和现状 1

1.1 引言 1

1.2 托卡马克装置发展历史 3

1.3 托卡马克装置的现状 8

1.3.1 托卡马克装置概况 8

1.3.2 低环径比托卡马克装置 11

1.3.3 工程技术成就 13

1.4 托卡马克装置的下一步 17

1.5 我国托卡马克装置研究概况 18

参考文献 20

第二章 托卡马克装置的结构和工作原理 24

2.1 托卡马克装置的结构和参数 24

2.1.1 托卡马克装置的结构 24

2.1.2 托卡马克装置的参数 27

2.2 托卡马克装置工作原理 36

2.2.1 等离子体约束 36

2.2.2 磁场位形 37

2.2.3 等离子体电流启动 38

2.3 装置的放电运行 48

2.3.1 装置放电准备 48

2.3.2 装置放电 49

2.4 托卡马克装置运行的参数限制 50

2.5 托卡马克装置的运行方式 52

参考文献 55

第三章 等离子体平衡及其重建 59

3.1 托卡马克等离子体平衡 59

3.2 托卡马克等离子体平衡方程的建立 61

3.3 等离子体平衡位形的计算 63

3.3.1 空芯变压器等离子体平衡位形的计算 64

3.3.2 带铁芯变压器等离子体平衡位形的计算 69

3.4 等离子体平衡编码简介 71

3.4.1 空芯装置等离子体平衡编码SWEQU 71

3.4.2 带铁芯装置等离子体平衡编码HLME 72

3.5 等离子体平衡的重建 73

3.5.1 等离子体平衡重建的意义 74

3.5.2 等离子体边界重建的方法 74

3.5.3 电流丝方法 76

3.5.4 可移动电流丝方法 80

3.5.5 全平衡重建 84

参考文献 87

第四章 磁体 91

4.1 环向磁场线圈 91

4.1.1 环向磁场线圈结构 92

4.1.2 超导环向场线圈的导体 95

4.1.3 环向场的参数 96

4.1.4 设计要求 97

4.1.5 环向磁场的计算 97

4.1.6 环向磁场的纹波 98

4.1.7 环向磁场线圈电感 101

4.1.8 环向磁场线圈的受力 102

4.1.9 环向磁场线圈的接线和供电要求 103

4.2 极向磁场线圈 104

4.2.1 极向磁场线圈结构 104

4.2.2 极向磁场线圈产生的磁场 109

4.2.3 极向磁场线圈电感 112

4.2.4 极向磁场线圈的受力 117

4.2.5 极向磁场线圈提供的伏秒数 118

4.2.6 极向磁场线圈对供电的要求 120

4.3 误差场及其校正 120

4.3.1 误差场分析 121

4.3.2 误差场的校正 123

4.4 共振磁扰动线圈 127

参考文献 132

第五章 真空室及其内部部件 138

5.1 引言 138

5.2 真空室的结构 139

5.2.1 单层真空室 139

5.2.2 双层真空室 142

5.3 真空室的设计 146

5.3.1 真空室受力计算 146

5.3.2 真空室对等离子体平衡的影响 147

5.4 真空室材料的选择 148

5.5 制造工艺 149

5.6 密封 150

5.7 第一壁 151

5.8 无源稳定导体 152

5.9 限制器 153

5.10 偏滤器 155

5.10.1 偏滤器的任务 155

5.10.2 偏滤器历史的回顾 156

5.10.3 偏滤器结构和工作原理 157

5.10.4 偏滤器的运行模式 161

5.10.5 偏滤器的基本问题 162

5.10.6 偏滤器的设计 165

5.10.7 偏滤器的发展 168

5.11 抽气系统和真空室壁的清洗 172

5.11.1 对抽气系统的要求 173

5.11.2 装置抽气系统的配置 174

5.11.3 真空室壁的清洗 178

5.12 加料系统 183

5.12.1 喷气 183

5.12.2 冷冻弹丸加料 185

5.12.3 超声分子束注入 185

5.12.4 紧凑环注入 187

参考文献 192

第六章 电源 201

6.1 引言 201

6.2 交流脉冲发电机组 203

6.3 环向场线圈电源 206

6.3.1 环向场线圈电源参数的确定 206

6.3.2 环向场线圈电源线路 208

6.4 欧姆线圈电源 209

6.4.1 欧姆线圈电流 210

6.4.2 欧姆线圈电源的工作电压 210

6.4.3 欧姆线圈电源线路 211

6.5 垂直场线圈电源 218

6.5.1 主要参数的确定 219

6.5.2 垂直场线圈电源 220

6.6 水平场线圈电源 220

6.7 成形场线圈电源 222

6.8 偏滤器线圈电源 223

6.9 混合极向场线圈电源 224

6.9.1 一体化电源 225

6.9.2 分离式电源 227

6.10 特殊电源 228

6.10.1 IGBT电源 228

6.10.2 大功率晶体管电源 229

6.10.3 斩波器电源 230

6.10.4 GTO电源 230

6.10.5 IGCT电源 232

6.11 电源的保护 234

6.11.1 过压保护 234

6.11.2 晶闸管短路器 235

6.11.3 晶闸管开关 238

6.12 高压电源 238

6.12.1 高压电源的结构 239

6.12.2 高压电源技术的发展 240

6.12.3 其他大托卡马克装置使用的高压电源 248

6.13 几个问题的讨论 249

6.13.1 与电网的相互作用 249

6.13.2 供电系统的稳定性 251

参考文献 253

第七章 装置的控制 258

7.1 时序控制系统 258

7.1.1 EAST时序控制系统 259

7.1.2 KSTAR时序控制系统 261

7.1.3 HL-2A时序控制系统 262

7.1.4 NSTX时序控制系统 263

7.1.5 DIII-D时序控制系统 264

7.2 逻辑控制系统 265

7.2.1 逻辑控制系统的任务 265

7.2.2 HL-2A逻辑控制系统简介 266

7.3 计算机网络 269

7.3.1 现场总线 269

7.3.2 以太网和工业以太网 270

7.3.3 ATM网络 270

7.3.4 Myrinet网络 271

7.3.5 反射内存网络 272

7.3.6 实时网络 275

7.3.7 几个装置的网络概况 276

7.4 控制系统的组织形式 279

参考文献 280

第八章 等离子体控制 284

8.1 等离子体控制的意义及其研究内容 284

8.2 等离子体电磁测量传感器 286

8.2.1 磁探针 286

8.2.2 磁通环、鞍形线圈和反磁线圈 289

8.2.3 Rogowski线圈 290

8.2.4 霍尔传感器 292

8.3 从外磁测量导出等离子体的一些参数 293

8.3.1 等离子体电流 293

8.3.2 等离子体位置 293

8.3.3 反磁磁通测量 298

8.4 等离子体控制系统的结构 301

8.4.1 SISO控制系统 301

8.4.2 MIMO控制系统 302

8.5 控制器结构和操作系统 305

8.5.1 并行计算机群 305

8.5.2 并行数字信号处理机群 306

8.5.3 实时操作系统 308

8.6 实时平衡重建算法 311

8.7 等离子体形状的控制方法 316

8.7.1 缝隙控制方法 316

8.7.2 等磁通控制方法 316

8.8 等离子体响应模型 317

8.8.1 CREATE-L模型 317

8.8.2 RZIP模型 320

8.8.3 非刚性等离子体响应模型 324

参考文献 325

第九章 等离子体垂直不稳定性及其控制 330

9.1 引言 330

9.2 垂直不稳定性的产生 331

9.2.1 拉长引起的垂直不稳定性 331

9.2.2 ELMs引起的垂直不稳定性 332

9.3 垂直不稳定性的描述 333

9.3.1 稳定性参数f和稳定裕度ms 333

9.3.2 增长率γ 335

9.3.3 最大可控位移 336

9.4 垂直稳定性系统的模型 338

9.4.1 电流丝模型 338

9.4.2 简化模型 338

9.4.3 RZIP模型 340

9.4.4 CREATE-L模型 340

9.5 无源导体 341

9.6 垂直不稳定性的控制 346

9.6.1 有源快速反馈控制系统 346

9.6.2 JET的有源快速反馈控制系统 348

9.6.3 TCV的有源快速反馈控制系统 350

9.7 结束语 355

参考文献 356

第十章 ITER设计概况 360

10.1 引言 360

10.1.1 技术路线和目标 361

10.1.2 设计方案的模型 362

10.1.3 轮廓设计 363

10.2 设计概述 364

10.2.1 设计 364

10.2.2 运行方案和阶段 368

10.3 等离子体性能 370

10.3.1 ITER等离子体电流和尺寸 370

10.3.2 等离子体约束的外推 371

10.3.3 H模平台和边缘局域模 371

10.3.4 内部约束垒 372

10.3.5 非轴对称不稳定性，磁岛和β限制 372

10.3.6 偏滤器和功率交换 373

10.3.7 等离子体性能 374

10.4 磁体系统 375

10.4.1 环向场线圈 375

10.4.2 极向场线圈 378

10.4.3 误差场校正线圈 380

10.4.4 超导线圈的保护 380

10.4.5 超导线圈低温冷却 381

10.5 真空室及其内部系统 381

10.5.1 真空室 381

10.5.2 中子防护 383

10.5.3 包层模块 384

10.5.4 包层的维护 385

10.5.5 偏滤器 385

10.5.6 诊断 386

10.5.7 真空室内部部件的水冷 386

10.5.8 低温泵 386

10.5.9 真空室压力抑制系统 386

10.5.10 ELM/VS线圈 387

10.6 低温恒温器 387

10.7 电磁载荷 388

10.8 燃料循环 389

10.9 ITER的运行和控制 390

10.10 研发概述 392

10.10.1 磁体模型和研发 393

10.10.2 真空室扇形段 395

10.10.3 包层模块 395

10.10.4 第一壁 396

10.10.5 偏滤器盒子 396

10.10.6 包层和偏滤器远程处理系统 397

10.10.7 加热和电流驱动 399

10.10.8 其他的研发情况 400

10.10.9 设计修改情况 401

10.11 安全和环境的评估 405

10.11.1 目的和途径 405

10.11.2 对环境的影响 405

10.11.3 废料和退役 405

10.11.4 工作人员安全 406

10.11.5 安全分析 406

10.11.6 最终安全裕度的研究 408

10.11.7 安全评估结论 409

10.12 结论 409

参考文献 409

第十一章 强流离子源和中性束注入器 411

11.1 引言 411

11.1.1 中性束注入在受控核聚变研究中的地位 411

11.1.2 受控核聚变研究对中性束的要求 412

11.1.3 强流离子源和中性束注入技术发展简述 415

11.2 强流离子源 417

11.2.1 强流等离子体源的主要技术指标 417

11.2.2 多磁极会切场离子源（桶式离子源） 419

11.2.3 高频离子源 424

11.2.4 负离子源 425

11.3 强流离子源的离子光学系统 432

11.3.1 离子引出特性 432

11.3.2 离子光学系统结构 434

11.3.3 三电极加-减速系统 435

11.3.4 四电极引出加速-减速系统 436

11.3.5 负离子束离子光学系统 438

11.4 离子束的中性束转换 440

11.4.1 中性束的产生和中性化效率 440

11.4.2 正离子束中性化器 443

11.4.3 负离子束中性化器 443

11.5 中性束注入器工作原理和基本结构 444

11.5.1 中性束注入器的工作原理 444

11.5.2 中性束注入器的组成和主机系统主要部件 445

11.5.3 负离子中性束注入系统 449

参考文献 453

第十二章 射频加热和电流驱动 463

12.1 射频加热的基本原理 464

12.1.1 等离子体中的波 464

12.1.2 波的传播和吸收 469

12.2 电子回旋频率范围的加热和电流驱动（ECH和ECCD） 470

12.2.1 ECH和ECCD射频系统 471

12.2.2 ECH和ECCD的应用和实验研究 478

12.3 离子回旋频率范围（ICRF）的射频波加热和电流驱动 479

12.3.1 ICRF射频系统 481

12.3.2 ICRF波的应用与实验研究 488

12.4 低杂波电流驱动（LHCD） 490

12.4.1 LHCD系统 490

12.4.2 LHRF波的应用与实验研究 495

参考文献 498