EAST離子回旋加熱(ICRF)天線真空饋口電分析

真空系統 王成昊 中科院等離子體物理研究所

  真空饋口作為EAST 新型離子回旋加熱(ICRF)天線最關鍵部件之一,起到隔絕真空與熱氮氣的作用。在ICRF 天線運行過程中,饋口所連接的內外導體之間電壓可高達45KV,因此,提高饋口的擊穿電壓以及降低其介質損耗是饋口設計中的關鍵技術之一。本文針對真空饋口的電磁特性進行設計及分析計算,驗證其結構的可行性。

  離子回旋加熱(ICRF)作為主要的輔助加熱方式之一已經被證實并且廣泛的應用于世界上各個聚變裝置。而真空饋口是離子回旋(ICRF)天線中最為關鍵的部分。在實驗運行過程中,真空饋口起到隔絕高真空與外界高壓熱氮氣的作用,其結構設計及其性能直接影響ICRF 天線運行狀況甚至是EAST 裝置的穩定性,而其電物理特性是最為重要的性能之一。提高饋口的耐壓能力,可以降低打火事件的發生從而有效地提高ICRF天線乃至整體裝置的安全性。

一、真空饋口結構

  EAST 新型ICRF 天線的設計目標是為等離子體提供1000s 長脈沖可連續波加熱,頻率范圍為30~100MHz,傳輸線阻抗為50Ω,加熱功率為1.5~3MW。在ICRF 天線裝置中,真空饋口位于真空傳輸線和高壓氣體傳輸線之間,起到隔絕真空的作用。真空饋口是ICRF 天線中最為脆弱也是最容易發生“打火”現象的部件。一旦發生打火現象,將有可能破壞饋口的密封性能,同時也有可能因為將絕緣陶瓷擊穿而發生短路現象,從而造成ICRF 天線的故障甚至于導致整個實驗裝置的故障。因此當傳輸能量達到MW 量級時,真空饋口必須可以承受高達幾十KV 的電壓。真空饋口作為關鍵部件,其穩定性直接關系到ICRF 系統甚至是整個實驗裝置。正因為如此,世界各國的裝置也都在不斷地探索不同形式的饋口以滿足實驗要求。雖然各國的真空饋口結構形式各不相同,但是按照陶瓷的結構形狀劃分,真空饋口的結構可以劃分為四種類型:分別是曲柄形狀真空饋口,圓盤形狀真空饋口,圓錐形狀真空饋口和圓柱體形狀的真空饋口(圖1)。在LHD 裝置中對這四種饋口的耐壓性能進行了測試,結果如圖2 所示,其中以圓柱及圓錐形饋口的耐壓性能最好。

  EAST 新型ICRF 天線真空饋口設計采用的是圓錐形饋口結構,其優點是可以提高耐壓能力;又可以盡量減少因為導體變徑所帶來的特征阻抗的變化,降低駐波比;還可以增加電長度減少爬電現象的發生。其基本結構如圖3 所示,

  饋口由外導體,內導體及絕緣陶瓷焊接件三個主要部分組成。內外導體之間通過絕緣陶瓷焊接件進行真空隔絕,絕緣陶瓷兩個端面焊接金屬法蘭,通過金屬法蘭與內外導體焊接從而實現密封的目的。絕緣陶瓷的材料為95 陶瓷,因為其低出氣率,良好的絕緣性能以及成熟的制備技術成為真空饋口絕緣材料的首選。在圖3 中,絕緣陶瓷左面充滿了3atm 的熱氮氣,以提高傳輸線的耐壓能力;右面是與EAST 真空室相同的真空環境。ICRF 天線運行時,內外導體之間電勢差可達幾十KV,所以對于真空饋口來說,如何在保證其密封性能的基礎上,盡量提高其耐壓能力,是關鍵之一。陶瓷錐度的選擇應該盡量使得電勢等勢線平行于陶瓷表面,這樣可以使得電場近乎垂直于陶瓷表面,從而降低了打火的可能性。

  但減小陶瓷錐度的同時,陶瓷長度過長可能會使得絕緣陶瓷更加脆弱,也增加了制備成本。所以在EAST 新型ICRF 天線真空饋口中,絕緣陶瓷的錐度選擇為11°,長度為275mm。

二、饋口分析

  由于真空饋口是ICRF 天線中最容易產生打火現象的部件,在很多裝置中,真空饋口已成為制約ICRF 波加熱性能的瓶頸。因此,在設計中必須將饋口耐壓能力作為首要考慮的因素。對饋口的設計進行分析計算是非常必要的。在天線運行狀態下,同軸傳輸線的許用電壓(即傳輸線的擊穿電壓)可以用公式(1)得出:

  V=2.42*106*Blog10(A/B) (1)

  其中A,B 分別為傳輸線外導體內徑及內導體外徑,V 為傳輸線的許用電壓。EAST 離子回旋加熱天線的傳輸線外導體內徑及內導體外徑分別為230mm 及100mm,根據公式(1)可以算出同軸傳輸線的許用電壓約為87KV。而對于真空饋口段,因為其結構復雜而且電壓駐波比在此發生波動。

  因此考慮到實際工況,為了提高安全系數,將許用電壓設為45KV。將此電壓值視為ICRF 運行時的工作電壓,對于饋口結構進行分析計算。有限元計算模型如圖4 所示。

  以內導體電壓為45KV,外導體接地作為邊界條件施加到模型上。分析結果如圖5所示:

  從圖5中可以看出,饋口段電勢線大致處于平行狀態,絕緣陶瓷上的電勢分布隨著位置的不同而不同。距離絕緣陶瓷中心越近,電勢線與陶瓷表面的夾角越小,最小夾角大約為45°,而距離中心越遠的地方,電勢越為平緩,陶瓷端面連接處電勢線與陶瓷表面夾角約為30°。

  此饋口結構中,最容易產生打火的地方應該在陶瓷與內外導體連接的地方,此處如上所述為夾角最小處,因此降低了打火現象發生的可能性。所以此種結構饋口在ICRF 天線運行時,可以滿足實驗要求。

三、結論:

  作為ICRF 天線系統中最脆弱的部件之一,真空饋口既要保證隔絕高真空與高壓熱氮氣,同時還要有一定程度的耐壓性能,從而保證天線在輸出MW 級功率時不產生打火現象。本文通過對真空饋口設計的闡述以及對其進行的電勢分析,驗證了此種真空饋口結構的可行性,為工程實踐提供了理論依據。