长脉冲高功率负离子源实验平台量热靶研制

[目的]高能、强流、长脉冲中性束负离子源技术是磁约束聚变堆等离子体达到燃烧条件的核心技术之一。为满足长脉冲高功率负离子源实验平台200 kV/20 A参数下的束诊断需求,研制了用于截获负离子束或中性束、诊断两种束功率密度分布和束发散角以及负离子的中性化效率等性能参数的量热靶。[方法]根据现有的实验平台真空室结构和引出电极尺寸,利用matlab程序获得了该参数下,束发散角为1°时的负离子束在量热靶前端处的功率密度分布和束斑尺寸,进而设计了V字形靶板的量热靶物理结构;在此基础上采用Workbench软件对无氧铜V字形靶板结构进行满功率运行状态下的热负荷模拟计算,获得了水流量为80 m~3/h条件下的量热靶长脉冲运行时的温度分布,最高温度为610℃。[结果]根据模拟计算结果,结合实验平台工程结构和诊断需求,完成了量热靶的工程设计。[结论]量热靶采用磁流体真空密封,实现V字形靶板开合,靶板背面布置了热电偶阵列实时监测靶板温度。量热靶工程结构紧凑,安装尺寸能够兼容离子束流诊断真空室和中性束流诊断真空室,满足诊断需求,能够长脉冲安全运行。

HL-3装置二号中性束注入束线量热靶研制

在托克马克装置的中性束注入器中,量热靶是非常重要的水冷部件之一,承担着接收和测量束功率的任务。除此之外,利用内置热电偶阵列的方式,可以实时监测靶板不同位置的温升情况,进而获得引出离子束或中性束的功率密度分布。在HL-3装置二号中性束注入束线上,为量热靶设计了一种利用直线推杆机构实现升降,并采用“W”字型靶板结构实现中性束能量的吸收。此外,利用Ansys Workbench的流体计算模块对量热靶在满功率运行状态下的温度分布做了模拟计算,结果显示:量热靶的设计满足二号中性束注入束线的120 kV/40 A/5 s满功率运行的使用要求。可为量热靶进一步的工程设计提供设计参考。

基于PLC的HL-3装置中性束逻辑控制系统设计

[目的]中性束注入(NBI)是中国环流三号(HL-3)托卡马克装置重要的等离子体加热和电流驱动手段。NBI加热系统是涉及真空、电力电子、机械、自动控制、气体放电等多学科、多领域的复杂系统。控制系统是NBI加热系统可靠运行的基本保证,可实现对加热系统现场设备的远程控制、运行状态的实时监控和放电实验的逻辑控制。[方法]根据NBI加热束线控制需求确定PLC系统的硬件配置,组建了以西门子S7-416为主控制器,以Profibus-DP网络和工业以太网为基础,以光纤为传输介质的分布式I/O系统。采用组态软件STEP7实现硬件组态、通信连接和程序编写,利用界面软件WinCC完成集中管理、过程监控和信息归档。[结果]PLC系统能够实时监控现场设备状态,与NBI控制系统进行数据交换,指导现场设备稳定运行。此外,图形化的用户界面使得实验过程可视化,真空值、流量和温度的实时显示,为实验运行人员提供了及时的状态信息。[结论]整个PLC系统高效可靠,重复性好,具有良好的兼容性和可扩展性,实现了对NBI束线现场设备的监测和控制。

HL-3装置7 MW中性束传输效率研究

中性束注入加热是磁约束聚变实验中非常有效的辅助加热方法,已建成的5 MW中性束在中国环流三号(HL-3)托卡马克1 MA等离子体电流高约束模式放电中起到了重要的作用。为了实现HL-3装置2.5 MA的H模放电,计划建造3条中性束注入加热系统,总加热功率达到20 MW。为HL-3设计了7 MW中性束注入器,从中性化效率和束功率沉积两方面研究束传输效率。基于蒙特卡罗方法分析了两种束流参数下中性化器性能,给出了最佳中性化效率所需的气体靶厚,并以功率沉积的方法分析了两种束流的传输性能。结果表明:当中性化送气分别为0.6 Pa·m^(3)·s^(-1)和1.1 Pa·m^(3)·s^(-1)时,束流达到最佳中性化效率;当束散角为1.2°时,两种束流参数得到的中性束功率分别为7.2 MW和6.8 MW,束传输效率分别为0.4和0.35。因此,7 MW中性束离子源参数将优选100 kV/45 A,但注入器仍保留了提供120 keV氘束的能力。

中性束离子源实验平台80k V/50A/20ms高压电源设计分析与优化

高压电源是中性束加热用离子源束流引出的关键设备,其运行参数和性能直接决定引出束粒子能量和离子源引出效率。为了进一步提高中性束离子源实验平台高压运行参数和性能,重新优化设计并研制了80k V/50A高压电源的所有模块。首先介绍了80k V/50A高压模块电源的主电路拓扑结构和电源模块,运用仿真软件对高压电源主回路进行了充放电、打火保护仿真,仿真结果符合设计要求。最后,通过调试实验发现了电源模块存在空间绝缘不足、整流桥击穿、触发控制不响应等问题,进行了分析优化改进,完成了80k V/50A高压模块电源的升级研制。

MW级中性束注入弧电源系统优化

中性束注入弧电源的性能严重影响弧放电的稳定性和中性束加热的效率。HL-2A装置弧电源采用基于晶闸管相控调压和12脉波不控整流的线性电源技术;HL-2M测试束线弧电源采用基于超级电容和IGBT全控整流的开关电源技术。为了优化电源系统性能、改进弧放电稳定性,研究了采样频率对弧放电稳定性的影响。通过对两套电源控制系统进行建模,利用MATLAB仿真了不同采样频率下HL-2M弧流电源控制系统的阶跃响应性能和HL-2A的控制系统性能,分析了采样频率对系统性能的影响。利用离子源测试平台进行不同采样频率下的弧放电实验对仿真结果进行验证,实验结果与仿真结果一致。实验结果验证:采样频率对弧放电稳定性有很大影响,在频率可调范围内,增大采样频率,可以提高控制系统性能,优化弧放电稳定性;HL-2A弧放电不稳定的原因是晶闸管导通特性和滤波电路引起的。