高功率、连续波稳态运行离子回旋加热天线关键科学问题研究

The aim for this project research is to urgently solve the key points for ICRF antenna under high power, continous-wave and stable-state operation. Research will be performed for the mechanism of RF sheath coming into being by varying the structural parameters of ICRF antenna and bumper electrical connection mode, which help to obtain the effective methods to control or lower the affection of ICRF antenna coupling and plasma performance from RF sheath. As deeply understanding the behavior between the complex plasma edge and ICRF antenna so as to analyze the heat load distribution behavior on the ICRF antenna due to convection, radiation, diffusion and transportation loss at the vicinity of antenna as well as hot spot forming on the ICRF antenna components. Base on the results of analysis and research a new theory of augmented heat exchanger, they will help to successfully apply a new augmented heat exchanger technology in the ICRF antenna components with high heat loads。Summarizing the research results into one practical, effective and science simulation method and guide theory for engineer design, they will provide theory and technology guide for the construction of ICRF antenna with the capacity of high power, continous wave and stable-state operation on the EAST and ITER device as well as DEMON device.

本项目旨在解决ICRF加热天线在高功率，连续波稳态运行时所必须解决的关键问题。通过开展天线几何结构和保护板电连接模式对RF鞘层形成机理研究，获得可以控制或减小射频鞘对天线和等离子体性能不利影响的有效途径。清楚理解复杂的边界与天线的相互作用行为，探析在天线附近存在对流、辐射、扩散和平行输运损失，局部热斑形成的情况下天线部件上热流沉积规律，研究探索出一种新的换热强化理论，解决换热强化技术在ICRF天线高热流承载部件上应用问题。总结上述研究内容并从理论上加以论述，形成一套切实可行的科学计算方法和工程设计指导理论，为EAST装置和ITER装置及DEMON 高功率，连续波稳态运行ICRF天线建设奠定理论基础和提供技术储备。

ICRF天线表面RF鞘层导致天线附近产生杂质，热斑甚至打火产生更多的杂质，而且由于打火，产生杂质导致等离子体品质和性能降低，带来天线附近耦合阻抗降低，造成波的大功率反射，这制约着整个天线未能高功率，稳态运行，而且还威胁着整个天线系统的安全性。另外，直接面对和靠近等离子体的ICRF天线关键部件，如法拉第屏蔽，电流带等部件，这些部件不仅承载着高温等离子体热辐射，还承载着俘获粒子沉积的热量和射频损耗沉积的热量，若不及时带走，不但在真空环境下释放更多的杂质，降低等离子体品质和性能，而且严重时由于热应力的作用产生塑性变形，甚至局部温度过高对部件产生烧蚀而遭到损坏。这直接制约着ICRF天线辐射功率的提升和稳态连续运行，严重时还威胁整个天线的安全性。.鉴于上述关键科学问题，借助EAST核聚变实验装置研究平台，开展ICRF天线射频鞘和打火形成的物理机制研究，解析射频鞘形成的主要机理，以及打火产生的主要因素，获得了可以降低ICRF天线射频鞘电势有效方式和手段。同时在清楚打火产生主要因素的基础上，获得可降低甚至可避免打火的有效方式，为EAST装置甚至未来聚变堆高功率，稳态的ICRF天线设计优化和运行提供理论支撑。另外，通过开展ICRF天线高热负荷部件热流密度和热沉积规律研究，清楚高热负荷部件热沉积产生的主要因素。基于ICRF天线高热负荷部件热流密度和热沉积规律，开展高热负荷部件热-结构分析，优化和研究，获得了高热负荷部件温度分布规律，为ICRF天线运行和开展换热强化理论和技术研究提供数据支撑。基于ICRF天线高热负荷部件热沉积和温度分布研究数据和结果，开展适合ICRF天线高功率, 连续波稳态运行要求条件下高热负荷部件换热强化理论研究，确定了适合高功率、连续波稳态运行的ICRF天线高热流承载部件的换热强化技术，为解决ICRF加热天线运行时因高热流承载部件温度过高限制加热功率上升和运行时间提高的关键问题提供有效手段。