附录Y 外文原文
The mechanical structure of the WEST Ion Cyclotron Resonant
Heating launchers
Highlights
bull; The design of a CW ICRH launcher for WEST was achieved.
bull; Major upgrade were made on the launcher to improve performances and reliability.
bull; 3 launchers are about to be built to be operated on WEST in 2015.
bull; Increasing information will decrease quality if hospital costs are very different.
bull; The compete RF and mechanical structure were analyzed by FEM.
Article info
Article history:
Received
2 September 2014
Accepted
8 June 2015
Available
online 5 July 2015
Keywords:
ICRH
launcher
CW
operation
WEST
project
ITER
RF
mechanical design
Abstract
The WEST ICRH system has to deal with two challenging issues that no other ICRH system before ITER has faced simultaneously so far, i.e. ELMs resilience and Continuous Wave (CW) RF operation. The technical solution
chosen to meet the requests imposed by the WEST scenarios is to build three new launchers based on the RF structure successfully tested in short pulses in 2007 on Tore Supra prototype launcher. This paper gives an overview of the mechanical structure of the CW ELMs resilient WEST ICRH launchers. The technical solutions chosen to drive the mechanical design are presented, in regard of the past experience on the 2007 TS prototype, together with the significant work carried out on the mechanical design to improve the launcher structure. The thermal and electro-mechanical analyses conducted and their impact on the launcher design are also presented. These three new CW ELMs resilient ICRH launchers are foreseen
To be installed on WEST in 2016, and operational for the first plasmas.
To explain the initiation mechanism of alternating current in an electric circuit containing the dynamic capacitor a model of mechanic- electrical transformation is suggested to use. In such a model, electric charges disposed between the capacitor plates serve as a cause of measured signal in contrast to the contact potential difference, which is considered as the main base in the Kelvinrsquo;s model. If one of the plates moves periodically, then the conditions of the charges screening are changed and thereby the capacitor recharging current is arise. The measuring is based on compensation of the recharging current by current, which generated by a source of electromotive force (EMF). The compensation voltage depends on both the distribution of ions or dipoles over the studied surface and the charges creating the surface potential barrier. This voltage is independent on the bulk electro-physical characteristics of a solid.
- Introduction
The upgrade of the Tore Supra (TS) RF heating system [1] is one of the elements of the WEST (Tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak) project, that imply the development of new Ion Cyclotron Resonant Heating (ICRH) [2] launchers. The integration of an X-point divertor impacts the RF heating systems. To cope with the ambitious ITER relevant objectives of WEST plasma [3], the ICRH launchers shall ensure not only a steady state operation but also have to be resilient to Edge Local Modes (ELMs). The com-bination of the two constraints provides real challenges for its RF
and mechanical design. Based on the so-called internal conjugate-T layout RF electrical circuit proposed in 2001 for ITER launcher [4,5] to solve the ELMs resilience issues inherent to IC heating in H-mode operation, an ICRH prototype launcher was build and tested on Tore Supra (TS) [6]. The results obtained both by the TS prototype [7,8] and later on by the JET-EP antenna [9,10] (a launcher designed on a similar electrical layout) have demonstrated the load resilience capacity to plasma edge transients during ELMs of the conjugate-T.The choice of the launcher electrical scheme was therefore rather self-evident at the beginning of the project. Several concepts of antenna based on conjugate-T layout were then studied. After a design review, the choice was made to work on an updated ver-
sion of the TS prototype, based on internal matching with vacuum capacitor, in order to take full benefits of the experience harvested with this launcher. The main drawbacks of the alternative concepts
Fig. 1. Cut-view of the CW WEST IC launcher.
were their poor technological maturity for steady state operation (tunable stub with RF sliding contact, 3 dB coupler). Once the design
baseline agreed with the WEST project, an international team was gathered by to work on the design.Whereas the work of the mechanical vibrator in the Kelvin method does not change the electrons energy, instead, it isconverted into the energy of alternating electric current. Since the mechanisms of transformation of external energy into measured signal are essentially different in these methods then the measure-ment results may reflect in different ways the properties of the studied surface. In this work, attention is drawn to the fact that signal measured by the Kelvin method does not possess the same connection with work function as it takes place for the model of surface energy barriers accepted in the emission methods.
- Antenna description: main mechanical features
An important work was first conducted to optimize the RF per-formances of the original design. These studies (discussed in [11]this conference)initiated for the design review, have then followed closely the mechanical studies, driving and/or counter-checking options imposed by mechanical constraints, in an iterative way the design of the launcher structure. The original concept of the prototype was used has a basis to be improved in term of RF per-formances and mechanical integration. The TS prototype develop in 2005 was build using on a spare classical Resonant Dou
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附录X 译文
西离子回旋共振加热发射器机械结构
突出亮点:
bull;成功实现了西部连续红外发射装置的设计。
bull;对发射器进行了重大升级，用来提高机器的性能和可靠性。
bull;3个发射器将于2015年在西部建成并投入使用。
bull;如果医院成本的差异很大，增加信息将会使得质量降低。
bull;通过有限元分析竞争射频和机械结构。
文章信息
文章历史：
2014年9月2日收到
接受了2015年6月8日的解决方案，
2015年7月5日在线发布
关键词：
ICRH发射器
连续波工作
西部项目
伊特尔
射频机械设计
摘要
在ITER之前，西方ICRH系统必须同时处理好两个其他ICRH系统所没有同时面对的具有挑战性的问题，这些问题包含榆树弹性和连续波RF操作。为了更好的满足西方场景的要求，所选择的技术解决方案是在2007年在tore supra原型发射器上，基于短脉冲成功测试的射频结构建造了三个新的发射器。本文给出了一个框架关于连续波榆树弹性体西ICRH发射装置的机械结构。通过结合2007年TS样机的设计经验，以及在机械设计方面所做的重要工作，最终提出了驱动机械设计的技术解决方案改进发射装置结构。并对发射装置进行了热分析和机电分析，并且展现出了热分析和机电分析对发射装置设计的影响。这三套新的CW ELMs弹性ICRH发射装置预计将有希望于2016年安装在WEST上，并用于第一套等离子体的相关操作。并且解释含有动态电流的电路中交流电的启动机制电容器模型建议采用机电转换。在这种模式下，电动与电容器板之间的电荷相比，电容器板之间的电荷是测量信号的原因。接触电位差是开尔文模型的主要基础。如果其中一个盘子周期性移动，然后改变电荷筛选的条件，从而电容器出现充电电流。测量基于充电电流的补偿通过 由电动势（EMF）源产生的电流。补偿电压取决于在离子或偶极子在研究表面上的分布和产生表面的电荷潜在的屏障。这种电压与固体的体电物理特性无关。
1. 介绍
Tore-Supra（TS）射频加热系统的升级[1]是西部（Steadystate Tokamak中的钨（W）环境）项目的要素之一，这意味着将会产生对新的离子回旋共振加热（ICRH）[2]发射器的开发。X点偏滤器的集成将会影响射频加热系统。为了更好应对西电浆的雄心勃勃的ITER相关目标[3]，ICRH发射器不仅应当确保稳定运行，还必须能够适应边缘本地模式（ELM）。这两个方面的约束的结合为其射频以及机械设计提供了真正的挑战。基于2001年为ITER发射器提出的所谓内部共轭T布局射频电路[4,5]以解决H模式操作中IC加热固有的ELMS弹性问题，在tore supra（TS）[6]上构建并测试了ICRH原型发射器。通过TS原型[7,8]和随后由Jet-EP天线[9,10]获得的相关结果（在类似的电气布局上设计的发射器）已经证明了共轭T的ELMS期间等离子体边缘瞬态的负载弹性能力。因此，发射器电气方案的选择在这个项目的开始时是相当明显的。然后研究了基于共轭T布局的天线的几个概念。经过了一番认真的设计审查后，根据与真空电容器的内部匹配，选择对TS原型的更新的版本进行工作，以便于充分利用该发射器获得的相关经验。替代概念的主要缺点是其在稳态运行的情况下其技术成熟度较差（带射频滑动触点的可调短截线，3分贝耦合器）。一旦设计基线在与西部项目达成一致，一个国际团队就会为了完成这个设计而聚集在一起。而机械振动器的工作在开尔文方法不会改变电子的能量，而是转换成交流电的能量。自从外部能量转化为被测能的机制信号在这些方法中本质上是不同的，然后测量-结果可能以不同的方式反映研究表面。在这部作品中，人们注意到开尔文法测得的信号不具有相同的性质。与工作功能的联系在发射方法中接受的表面能屏障。
图1.CW西部IC发射器的剖视图
2.天线说明：机械主要的相关功能
首先最重要的一个工作是对原设计的射频性能进行了优化。这些研究（在本次会议的[11]中讨论）最初发起者是为设计审查而启动的，然后以迭代的方式，密切跟踪机械约束所施加的机械研究、驱动和/或反检查选项，即发射装置结构的设计。原型的原始概念在射频性能和机械集成方面具有一定的有待改进的基础。2005年开发的TS原型是在备用经典共振双环（RDL）[12]发射器上构建的，并且付诸于努力来节省时间/成本。天线大部分的相关的部件都保持不变，对射频性能有着更加明显的影响。当时，发射器的目标是验证共轭T概念[3]，却并没有解决使得射频电路的优化以及连续波（CW）操作。在使用原型发射器进行的实验活动中遇到的大多数困难和带来的相关的危险往往直接与重新利用现有部件所施加的严重限制有关。现有的三个TS RDL发射器上只有少数几个部件保持在集成不影响射频/机械设计的条件下：四分之一波长短管、真空直通、端口法兰、主波纹管、高压柔性水接头和辅助系统，如天线的液压执行器。NNA〔13〕。其他一些的系统，例如射频探头和电容驱动系统[14]只是作了非常小幅度修改[11]。
发射器的共轭T结构（图1）由两条极性电流带组成，在法拉第屏幕（fs）的一侧短路，并串联到另一侧的可变电容器上。调谐单元[5]由两个并联的电容器组成，由两级四分之一波长阻抗变压器供电（从30个馈电线路转换为天线/调谐组件的3个）。发射装置的机械结构设计有三个目标：提高可靠性、简化装配和简化等离子体操作。利用原型发射器在两次实验活动中获得的反馈，确定了一些改进和增强的轨迹，目的是为了提高等离子操作可靠性性能以及易于组装的特点。发射装置结构分为5组：正面（fs和带状）、匹配单元（电容器、电桥和执行系统）、馈电线（阻抗变压器和真空窗）、外部结构（后法兰、底架、辅助系统）和仪表装置（射频探头、电弧检测系统）。
为了提高发射装置的耦合性能和耐压性能，我们在射频研究和机械设计之间已经进行了大量的往复研究。尤其是皮带和FS需要特别注意。事实上，发射装置正面复杂几何结构的微小变化往往对射频性能会产生很大的影响。fs（图2）是主动冷却结构，应在连续运行（30巴/70_C下的水）下运行，等离子体热流密度高达1 mw mminus;2（快速离子）。这个部件的设计是-2 不仅只是考虑热机械和射频载荷，还要考虑施加在焊缝上的具体设计约束。设计中考虑了焊缝通道及其在FS结构上的位置，以便真空/水密焊缝不会面对等离子，并保持可接近性进行维修。与TS原型相比，FS垂直间隔厚度已降至最小。为了更好的限制相邻条带之间的相互耦合，将条带定位在中隔下方，以便于用来降低发射装置性能，但是却减轻了等离子操作[15]。中隔最好尽可能薄，这样往往便于组装和制造，呈平面水平形状。随着IC发射器横向缓冲器[16,17]的重复使用选择的改变，fs和带状极曲率保持不变。在环形曲率上做了一个略微的修改，用来应付在西等离子体上预见到的波纹。在fs的顶部和底部，通过移除最后/第一个棒来制作孔；此功能需要允许插入校准射频电压探针所需的绝缘楔[6]。过去在TS和ASDEX-U上的经验表明，这些孔径对发射器性能的影响往往很小[18]。在操作过程中，楔子将被铜板代替，提供电气接地和200°C（在烘烤过程中）下的fs和25°C下的水冷带法兰之间的热机械连接。确实使用了两种不同的水回路：内导体、匹配装置和带是由冷水供给的。电容器和其他天线部件的MAL限制是高压/高温水冷却的。
匹配单元（图3）是射频结构的核心，经过一番的改进，往往可以在稳态运行中使用。桥的概念基本上保持不变，几十年来在TS RDL上使用的相同类型的电容器被选择为[19,20]，但在通过与工业公司Comet合作中采取了一系列的措施进行了改进。同时对电容器两侧的接口进行了改进，这样改进之后提高冷却效果。在原型设计中，固定电极的冷却不能通过螺栓连接得到很好的保证，从而限制了脉冲长度及其在稳态状态下的使用。为了承受热负荷，现在采取供水的方法。直接在电容器铜法兰处，通过一个由螺栓法兰和一个螺旋形金属连接件确保的水连接件。
电容器的驱动往往是通过一个推挽式介电轴穿过射频场来完成的，这是一个在TS原型上成功测试的技术解决方案。电容器会配有离子泵，可用于监测脉冲之间的密封是否真空。为了更好的能够诊断匹配装置在等离子操作过程中的电气故障，集成了穿过阻抗变压器和电桥的高压电缆。
匹配单元是由5.3和17.6同轴线路组成的两级阻抗变压器供电（供电线路为30）。外导体的直径保持不变，阻抗步进在两条单独的线路的内导体上，用螺栓紧密连接在一起（图4）。这项技术选择的目的是为了简化导线的加工和镀铜，用来防止在TS原型制造过程中采用这些零件我们将会遇到相同类型的困难。内导体和外导体是分别由供给匹配单元的冷水回路（25_c）和供给天线前端的热水回路（70_c）主动冷却。往往在阻抗变压器的后部，重复使用TS RDL天线的真空电气馈入[13]。尽管对机械设计会有很大影响，但为了获得一个更加成熟可靠的部件，人们往往会选择了限制对真空窗的修改。如果外部结构保持不变，内部结构的设计就需要一项重要的设计工作。实际上，内部导体、电桥和电容器是由水回路通过服务短管和真空窗供电的。
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K.Vulliez等人/融合工程与设计96–97（2015）611–615 613 图2.法拉第屏幕和辐射带（fs的左侧显示无条）。 |
图3.配套单位：电桥、电容器、皮带。614 K.Vuliez等人/融合工程与设计96–97（2015）
图4.阻抗变压器的内导体
图5.发射装置结构内不同位置的时间函数矩
入口/出口的数量乘以两个，并添加了连接到电容器的电缆，这需要非常巧妙的设计，以将所有的进料槽与减小的压降整合在一起。
大多数与TS的机械接口（如后法兰和波纹管）以及辅助子系统（如附加泵、液压执行器和供水系统）几乎不变。而是对后支架进行了设计改进，并对装配程序进行了一些审查，以方便和加快从TS上安装/拆卸发射器。实际上，计划在维护停机期间使用IC插头进入西圆环室。
最后一组设计的部件是射频测量/控制和电弧检测。主要的射频测量将保持来自发电机输出和发射器输入的定向耦合器的线路射频功率（反射/正向振幅和相位）。四个电压测量也可以通过位于天线盒中的电容探针（位于每个表带的顶部和底部）或每个电容器/表带连接的前面进行。为了保护天线不受电弧的影响，一个亚谐波电弧检测（shad）系统将被重复使用[21]，与基于VReflected/VINCIDENT信号。除了检测匹配系统附近的电弧（发射器中结合复杂几何结构和低阻抗的位置）外，还实现了八个面向桥接器（顶部和底部）的光纤探测器。
3. 发射装置的机械分析
整个设计同时也得到了一项重要的分析工作的支持，这项工作其实是从通过射频分析优化的基于组件的初步模型开始[11]。然后将组件集成到启动程序的CAD模型中。为了检验等离子体破裂事件（PDE）过程中组件的结构安全性和稳定性，从而进行了电磁（EM）分析和结构分析。分析可按以下方式进行经典分解：首先计算由VDE事件期间磁场变化引起的每个组件中的涡流，然后使用涡流计算每个组件上的电磁力/力矩，最后将电磁载荷应用到结构模型上，以进行结构分析。分析并得到最大应力和变形。受电磁分析结果影响的唯一部分是将电容器连接到电桥的法兰（安装在下面的铜上），其中电磁力矩达到6 ms 357 N m（图5）。为了更好的解决这个问题，往往需要对这个机械接口进行设计修改。
验证后，在进行热机械和液压分析之前，对施加试验条件压力（最高6 MPa/室温）的零件进行结构分析。射频组件上的热通量来自射频分析，考虑到等离子体表面组件（fs，条带前表面）上通量高达1 mwm-的假设。非常详细的水力计算加上对fs（图6）的热机械（tm）分析，可以平衡流速并使结构上的温度场均匀化。主入口流量为2.5Kgsminus;，压力为3Mpa，总流量为1 压力降保持在0.3兆帕以下（在0.5兆帕限制范围内）。随着冷却通道设计的改进，所有钢筋的速度也达到了1.5毫秒。1
唯一剩下的热点（460 C）出现在FS的角上。但应当注意的是，计算结果相当保守，尤其是在这些区域，因为并不考虑发射器限制器对等离子体辐射通量的遮蔽效应。并且得出设计评估结论的结构分析对于提高天线对TM周期的弹性也非常有用，特别是在预期循环荷载的区域内移除焊接连接。
图6.水力和热分析：FS和外壳箱内的压力分布；连续等离子体操作中FS上的温度场。
K.Vulliez等人/融合工程与设计96–97（2015）611–615 615
4. 结论
这项设计工作是在CEA法国、ASIP中国、ERM比利时、IPP德国、意大利政治局之间的国际合作框架下成功完成的。这个项目为年轻的机械和射频工程师提供了一个培训自己从而提升集成电路技术的机会。ASIPP现在负责三个IC发射器的制造，计划在2015年底为西部初创公司安装。随着制造图纸的不断进行，设计仍在不断发展。针对射频和机械要求和约束条件，对所有为便于发射器加工而实施的修改/简化进行了复查。这最后一个过程是在CEA法国和ASIPP中国的密切合作下进行的。
致谢
感谢Comet AG等离子控制技术公司的W.Bigler、J.Bischoff、M.Abrecht和M.Mildner对该项目的大力投资。20年前，CEA和Comet AG等离子控制技术之间的长期合作关系非常的密切并且取得起了一系列成就。正是由于这种长期的双方合作，基于内部匹配的集成电路发射器与市售电容器现在可以被认为是一项比较成熟的技术。
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