EAST46GHz低杂波器件水冷结构设计与优化-核聚变与等离子体物理.PDF

第 33 卷 第 2 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.33, No.2 2 0 1 3 年 6 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics June 2013 文章编号：0254−6086(2013)02−0155−06 EAST 4.6GHz 低杂波器件水冷结构设计与优化 李 波，吴杰峰，朱文华，赵连敏，刘 亮 (中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031) 摘 要：设计了 EAST 4.6GHz 低杂波器件的一系列主动水冷冷却结构，阐述了直波导、波导弯头、天线单 元的水冷结构设计，并使用有限元模拟软件 ANSYS 计算了这些部件的发热和对流冷却，计算并展示了部件上的 温度分布二环结构变形。通过计算，优化直波导单面水冷结构为双面水冷。计算结果表明，立弯波导弯头的水冷 结构明显好于侧弯弯头。原天线单元前端温度分布集中，热应力很大，不符合实验要求。优化后的天线单元前端 的温升和热变形可以达到 LHCD 实验要求。 关键词：EAST ；4.6GHz低杂波系统；水冷结构；ANSYS热应力分析 + 中图分类号：TL61 4 文献标识码：A 1 引言 耗。另外，矩形波导中填充的也不是理想介质，也 低杂波电流驱动(LHCD)是目前应用于 EAST 将引起波的衰减。这两种损耗构成了矩形波导在传 上的一种重要的辅助加热手段，其科学目标主要是 输电磁能量中的全部损耗。通常介质损耗远小于金 维持 EAST 托卡马克长脉冲稳态运行和调控等离子 属波导壁上的欧姆损耗。欧姆损耗 [1]为： 体的电流分布，实现高约束运行模式。目前 EAST 1 πf μ Rs (1) 装置上正在建设总功率 6MW 频率 4.6GHz 的低混 δσ σ 杂波辅助加热系统，除速调管外结构上还包括馈线 各种不同的微波器件的损耗比例[2]列于表 1。 和天线两个子系统。通过速调管产生微波能量，经 表 1 传输线系统损耗 由 LHCD 馈线系统馈送到多结波导阵天线，通过天 微波器件 损耗 线向托卡马克内等离子体耦合微波能量。 3db 功分器 1.8% 速调管放大器输出的微波能量通过矩形波导 弯头 2.7% 传输线(按最长 10m 计算) 7% 和各种微波器件馈送到耦合天线的输入端口，整个 传输系统由 24 条相同的微波波导传输线组成，每 传输线结构示意图如图 1 所示。按照图 1 中的 条传输线由 250kW 的速调管提供能量。传输线中 传输线结构来说，自速调管输出能量后，第一个标 的其他微波器件有 WR229 标准波导、铁氧体隔离 准波导沉积热量功率为： 器、软波导、扭波导、定向耦合器、隔直器、陶瓷 P P (1− P )(1− P )3 P (2)