HL-2M装置5 MW中性束加热束线离子源放电室研制

为了给HL-2M装置建设一条5 MW中性束加热束线,开展了中性束加热用热阴极弧放电离子源放电室的研制。这条中性束束线包含4套80 kV/45 A/5 s离子源,放电室的设计指标为850 A/5 s。首先采用CST软件中的电磁工作室对特定几何结构的放电室会切磁场进行了模拟计算,得到了会切磁场分布,验证了会切磁场布局的合理性。针对放电室加工工艺和实验过程中局部拉弧等问题,对放电室结构进行了不断改进。放电室侧壁由40列会切磁体改为7圈环形磁体,阴极灯丝结构从灯丝板结构最终改为陶瓷可伐结构,并且在放电室和加速器之间增加了陶瓷屏蔽。在阴极板结构放电室和阴极陶瓷可伐结构放电室内都获得了正常的弧放电。最终定型的放电室采用周边7圈环形会切磁体和陶瓷可伐结构。在定型的放电室内达到了5 MW中性束束线离子源弧放电的指标。弧放电时间接近5 s,最大弧放电电流达到1 000 A。

HL-1M中性束注入系统研制及中性束加热初步实验

ＨＬ－１Ｍ 中性束注入系统是在国家“八六三计划”的支持下，由中俄合作研制的。介绍了中性束注入系统及其各个子系统的性能参数及调试结果。

HL-2A装置MW级中性束加热系统灯丝电源设计与仿真分析

介绍了HL-2A装置中性束加热系统阴极灯丝电源的主电路拓扑结构、控制硬件及控制时序等。运用MATLAB仿真软件对灯丝电源主回路进行了反馈控制仿真,发现电流在1000A左右时,纹波约为1%,而电流降低至200A时,纹波增大,约为3%。分别去掉低位控制柜内进线端的串联交流滤波电抗器L1和并联LC谐波滤波器进行仿真,结果显示输出电流纹波明显变大,说明L1和LC除了能够吸收谐波电流减少进入电网谐波的作用外,还能够对交流调压后的斩波波形进行一定的滤波作用,使得输出波形更加平滑。

一维Fokker-Planck方程的有限体积法求解及其在中性束注入加热中的应用

采用有限体积法数值求解一维Fokker-Planck方程,通过模拟电子自碰撞过程进行程序校验。研究表明,有限体积法能高效求解Fokker-Planck方程,能确保分布函数的非负性和粒子数密度守恒,同时计算程序能有效克服传统求解方法中出现的分布函数对麦克斯韦分布的过冲现象。模拟了HL-2A装置在中性束注入加热等离子体过程中,离子分布函数和温度随时间的演化情况。结果表明,随着中性束的注入,离子分布函数出现非麦克斯韦化,离子温度迅速增加后稳定;计算结果和实验结果符合较好。进一步讨论束能量和功率的影响,随束能量和功率的增加,等离子体离子温度均升高,离子温度随束能量的增加升高的幅值较大,而随束功率的增加升高的幅值较小。

TFTR中性束加热等离子体中的高频定域模

通常在ＴＦＴＲ超放电等离子体芯部观测到具有中等环向模数４〈ｎ〈１０的，频率在５０－１５０ｋＨｚ范围内的高频模带，认定了两种明显的不同的ＭＨＤ模，分别相应于主工在ｑ＝１磁面附近出现的类槽模和ｑ〉１时向外的气球模。类槽型槽在磁轴的强场侧和弱场侧有几乎相同的幅度，而且大都在中等性能的超放电等离子体中观测到。

HL-2A装置NBI加热束线束光学特性

中性束离子源束光学特性直接影响中性束注入功率。通过理论计算和实验扫描的方式对引出束半宽度随导流系数的变化进行了研究。理论上,采用IGUN程序对HL-2A装置的三电极引出加速器进行了束元轨迹模拟,采用束几何光学计算程序对高斯束元进行叠加,得到了在束线量热靶处引出束的1/e半宽度。实验上,在放电气体为氘气,弧放电电流分别为200,300,400A时,对引出高压进行扫描,利用量热靶上的热偶测量了不同位置处的温升,用高斯函数拟合得到引出束的分布和1/e半宽度。理论计算和实验结果都表明,束半宽随着导流系数的增加先减少后逐渐增加。理论计算结果表明不同离子束流下的最佳导流系数值基本不变,而实验上,弧流为200,300,400A时,对应的最佳导流系数分别为1.6,1.7,1.85μP。

中性束注入器真空系统差分抽气性能优化研究

中性束在真空室内传输的过程中需要一个真空梯度分布的环境,EAST中性束注入器(NBI)的真空室采用差分式结构来满足真空梯度分布的要求。真空室内气体挡板安装位置的不同会影响真空空间气体分子密度分布,从而对真空梯度的分布产生影响。运用Molflow软件模拟分析气体挡板在不同安装位置情况下,真空室内真空梯度和后低温冷凝屏热负荷分布的分布情况,分析得出了L=1.35~1.38 m是气体挡板最佳的安装位置。为CFETR NBI真空室的真空梯度的设计提供一定的借鉴和参考。

中国“人造太阳”首次实现100秒长脉冲中性束

被媒体称为“人造太阳”的“东方超环”（EAST）项目又获得重大进展．东方超环中性束注入系统实现100秒长脉冲中性束。据悉．此轮实验获得的长脉；中中性束引出．在中国国内尚属首次．标志着中国在中性束注入加热研究领域又迈出了坚实的一步。

我国“人造太阳”实验装置首获百秒长脉冲中性束

中科院合肥物质研究院等离子体所承担的大科学工程“人造太阳”实验装置（EAST）辅助加热工程的中性束注入系统（NBI）在综合测试平台上成功实现100s长脉冲氢中性束引出，初步验证了该系统的长脉冲运行能力。本轮实验获得的长脉冲中性束引出，在国内尚属首次，标志着我国在中性束注入加热研究领域又迈出了坚实一步。

我国“人造太阳”实验装置首获百秒长脉冲中性束

近日从中国科学院合肥物质研究院获悉，该院等离子体所承担的大科学工程“人造太阳”实验装置（EAST）又获重大实验成果，其辅助加热工程的中性束注入系统（NBI）在综合测试平台上成功实现100秒长脉冲氢中性束引出，初步验证了系统的长脉冲运行能力。科学家们介绍说，本轮实验获得的长脉冲中性束引出，在国内尚属首次，标志着中国在中性束注入加热研究领域又迈出了坚实的一步。

HT-6M中性束注入加热理论分析

通过数值求解含时、二维(速度空间)、非线性的Fokker-Planck方程,计算了HT-6M托克马克在中性束注入加热条件下的离子温度、分布函数随时间的演化.随着中性束的注入,离子温度稳步增加,分布函数出现高能平台和非同向分布,计算结果和现有的实验符合较好.

基于4 K制冷机的低温泵抽气单元性能分析

中性束注入实验单元系统调试和小尺寸样机验证测试需要真空环境支持,针对实验气体负载性质与真空要求,探索研制外置式制冷机低温泵。设计了一种基于单台4 K制冷机的低温泵并开展抽气单元性能分析,采用ANSYS热分析方法研究抽气单元热学性能,得到了不同气体热负载下的温度分布,结果表明,抽气面温度处于5 K左右,能够有效抽除H_(2)、He等难凝性气体。采用MOLFLOW对连接抽速测试系统的低温泵进行了气体粒子运动模拟,验证了抽气单元设计的合理性,并模拟得到气体捕获系数为0.409;探究了气体负载对抽气性能的影响,结果表明,受温升影响,泵的抽速波动较小,抽气性能良好。研究方法与结果为实验用制冷机低温泵的研制提供了有益参考。

Deltamax高压缓冲器的研制

高压缓冲器(core snubber)是抑制超导托卡马克聚变实验装置EAST加热中性束器高压故障时短路电流的重要装置。在铁芯叠片近饱和等效电阻理论基础上,修正原模型忽略等效电感的模式模型,针对等效电阻和电感共同作用的实际工况,通过仿真模型和实验优化得到基于Deltamax材料缓冲器物理与结构设计参数,所研制缓冲器经96.5 kV/4 nF实验测试,可有效抑制短路电流在400 A之内,保障核心部件离子源安全运行,测试值与理论分析模型基本吻合,整个系统运行可靠。

大功率NB I系统的PLC时序控制应用

论述了利用PLC逻辑关系对放电实验控制运行的工作原理,介绍了PLC梯形图应用程序和VB6.0环境下上位机监控程序的开发以及良好的人机操作界面,通过上位机监控界面来实时监控各电源及设备的运行状态。PLC控制系统的应用保障了实验装置的安全运行,极大地方便了实验中对放电参数的改变和设置。

EAST-NBI用差分式低温冷凝泵的设计

为了维持EAST-NBI内的真空环境以满足中性束生成与传输过程对真空压力分布的要求,设计了EAST-NBI用差分式低温冷凝泵。本文概述了中性束注入加热的原理以及EAST-NBI真空系统的组成,详细阐述了EAST-NBI用差分式低温冷凝泵的结构设计,抽速和冷凝面积的确定,液氦系统和液氮系统热负荷的计算等关键问题。该差分式低温冷凝泵通过在EAST-NBI综合测试台上进行大量实验验证,完全满足EAST-NBI对真空系统的要求。

NBI射频离子源探针信号采集系统

中性束注入加热(NBI)是托卡马克(EAST)实验装置中最重要的辅助加热手段之一,射频离子源是等离子体物理研究所NBI系统在研究的关键部件.为准确地诊断等离子体参数,本文以PXI为平台,设计了一套射频离子源探针信号采集系统.硬件部分针对等离子体产生过程中1MHz射频干扰问题,设计了一个4阶巴特沃斯低通滤波器.软件部分以Lab VIEW作为开发平台,对探针信号进行实时采集和处理.处理后的数据在GUI界面上显示,并存储在本地硬盘.该系统的实现可以有效解决射频离子源测试试验中的干扰问题,提高获取数据的准确度,为射频等离子体放电调试提供更为可靠的依据.

托卡马克装置EAST中快离子反常扩散对热输运的影响

研究了EAST装置中性束注入加热等离子体时的快离子扩散行为,并研究了其对等离子体有效热输运系数的影响。通过利用输运代码(TRANSP)程序以及蒙特卡洛代码(NUBEAM)模块对等离子体放电进行模拟,发现当安全因子的最小值qmin接近于2的时候,快离子的扩散是反常的;当qmin约等于1时,快离子扩散符合新经典理论。此外发现当快离子反常扩散时会导致中性束注入(NBI)的加热效率降低,并且等离子体储能以及总加热功率也会发生明显下降,且快离子扩散和电子温度会对等离子体有效热输运系数产生相反影响。该研究结果有助于理解EAST装置在有NBI情况时的快离子反常输运并为实验提供指导。

伊恩·查普曼访谈录

伊恩·查普曼(IanChapman,下图),英国卡尔汉姆聚变能中心的核物理学家,从事中性束注入加热等离子体效应等研究,并提出了旋转动力学模型化概念。今年3月,他在议会表达了核聚变研究的重大意义后不久,在伦敦获得卡文迪什科学奖和英国工程与技术年度学生奖。为此,《自然》杂志专程采访了他,以下是这次的访谈内容。