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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SWEQU71

3.4.2 带铁芯装置等离子体平衡编码HLME72

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ms333

9.3.2 增长率γ335

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