佳拉洁雅型磁约束装置磁系统的磁场-分析与设计

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要佳拉洁雅型磁约束装置作为受控热核聚变等离子体捕获器的初级研究装置，与托卡马克、仿星器等磁约束装置相比，具有结构简单、体积小、可控性好、能自动抑制等离子体的互换不稳定性等优点，在国外已开展广泛的实验研究，国内正在计划对其加以引进。但关于它的核心部分—磁系统的电磁场分析、计算和设计的描述未见文献报道。因此，本文从电磁场数值计算和优化设计两方面入手，给出了磁系统各组成部分的磁场分布及电动力的解析解、磁场空间结构、相应物理参数对磁场空间分布的影响，完善了磁系统的部分物理参数的设计，这对现有佳拉洁雅型磁约束装置的利用及改进具有重要意义。本文首先分析了几种常用的电磁场数

2、值计算方法，如数值积分法、有限差分法和有限元法，并给出了各自的使用方法及优缺点；研究了遗传算法的原理及实现过程，为磁系统的电磁场分析、计算和物理参数的设计奠定了基础。其次，分析了佳拉洁雅型磁约束装置的具体结构及工作原理，给出了磁系统的组成部分及各部分物理参数设计的关键。研究了等离子体电流、压强、互换不稳定性与磁场空间分布的关系，给出了理想磁场位形应满足的条件。以此为出发点，对磁阱线圈的物理参数进行设计。将磁阱线圈的空间位置参数作为已知量，采用数值积分的方法计算了磁阱线圈的磁场分布、电动力。使用有限元软件分析了磁阱线圈安匝数的变化对磁场位形的影响。基于以上两点，建立了遗传算法的目标函数，经迭代

3、寻优，得到了理想的磁场位形。再次，给出了全等离子体通道线圈的磁场分布特点，研究了线圈间距与轴线上匀强磁场区的关系，采用遗传算法对全等离子体通道线圈进行优化设计，确定了全等离子体通道的线圈间距、电流等参数。最后，采用有限元软件分析了溜槽线圈的位置、电流对障壁磁场的影响，设计出了合理的溜槽线圈参数，使其能够将障壁磁场打开一个“缺口”。关键词：佳拉洁雅型磁约束装置；电磁场；数值计算；磁场位形；遗传算法-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractGalateamagneticconfinementdeviceistheprimaryresearchunitofthecontrolledthe

4、rmonuclearfusionplasmacatcher.Comparedwithothermagneticconfinementdevicessuchastokamaks,stellarators,ithasthecharacteristicsofSimplestructure,Smallvolumeandgoodcontrollability,anditcanautomaticallysuppresstheinstabilityoftheplasmaexchange.Inforeigncountriesithasbeenwidelystudied.Ourcountryisplannin

5、gtomakearesearchonit.Electromagneticfieldanalysis,calculationanddesignofmagneticsystemareitscorepart,buttherearenopapersaboutthem,thereforetheelectromagneticfieldnumericalcalculationandoptimizationdesignarestudiedinthispaper.Magneticfielddistributionsofeachcomponentinthemagneticsystem,analyticalsol

6、utionsofelectricpower,spatialdistributionofthemagneticfieldandtheinfluenceofphysicalparametersonspatialdistributionofmagneticfieldaregiveninthispaper.Partofphysicalparametersinmagneticsystemaredesignedwhichisofgreatsignificanceinusingandimprovingtheexistinggalateamagneticconfinementdevice.Severalco

7、mmonlyusedelectromagneticfieldnumericalmethodssuchasnumericalintegrationmethod,finitedifferencemethodandfiniteelementmethodarestudiedinthepaper,andtheadvantagesanddisadvantagesofthemethodsaboveareanalyzed.T