当期目录

2017年 第37卷 第1期    刊出日期：2017-03-15

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等离子体物理学

一种等离子体湍流实验数据分析程序的设计与应用

沈 勇1，董家齐1, 2，石中兵1，赵开君1

2017, 37(1):  1-7.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701001

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针对磁约束聚变等离子体边缘湍流中非线性能量传递过程的问题，开发了数据分析程序。该程序基于数字谱分析技术来求解波耦合方程，进而计算与三波相互作用相关联的线性和非线性耦合系数以及能量转移。介绍了算法设计和程序开发的主要思想，并对程序进行了仿真测试。然后应用该程序分析了反场箍缩装置实验的一次放电实验数据，观察到湍流之间的波耦合和能量级联现象，发现或证实了聚变等离子体湍流激发与增长的一种内在机制。

托卡马克等离子体环向转动对测地声模的影响

谢宝艺1，余 俊1，龚学余1, 2，陈 铀1，余江妹1

2017, 37(1):  8-13.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701002

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采用回旋动理学方程推导得到了环向转动托卡马克等离子体中测地声模的色散关系，分析了环向转动对测地声模、低频模和声波分支的频率以及无碰撞阻尼率的影响。结果表明，测地声模的频率会随着环向转动马赫数而逐渐增大，而其无碰撞阻尼率则会随着环向转动马赫数而迅速减小。此外，低频模和声波分支的频率以及无碰撞阻尼率都会随着环向转动马赫数而逐渐减小，其中环向转动对声波分支的频率以及无碰撞阻尼率的影响非常小，基本上可以忽略。

HL-2A偏滤器沉积测量系统的研制

吴 婷，才来中，曾晓晓

2017, 37(1):  14-18.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701003

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为了检测HL-2A偏滤器靶板的背后沉积层的沉积情况和深入了解其等离子体与第一壁的相互作用过程，国内首次研制了用于托卡马克装置的偏滤器沉积测量系统，其中包括石英晶体、测量探头、频率测量以及控制系统等。经过初步检测，该沉积系统平均采样速率为13~14s^-1；测量的石英晶体共振频率分辨率为0.01Hz；石英晶体共振频率的变化正比于沉积在石英晶体表面的质量的变化，这与Sauerbrey方程的线性关系吻合；实验室检测过程中该沉积系统的平均沉积率约为2.0ng•s^-1，显示该沉积系统具有纳克级质量检测能力，表明了该偏滤器沉积系统的测量性能和有效性。

HL-2M等离子体垂直不稳定性研究

李 波，宋显明，李佳鲜，宋 啸

2017, 37(1):  19-24.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701004

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用DⅢ-D的TokSys研究了HL-2M等离子体垂直不稳定性控制问题。使用真空室和主动线圈控制等离子体垂直不稳定性，分析了真空室的本征模和电流分布，极大简化真空室建模难度，建立了垂直不稳定性数学模型，验证了主动线圈和电源模型参数，计算了不同拉长比位形的等离子体增长率和最大可控垂直位移。利用TokSys建立了雪花、单零、双零偏滤器位形垂直不稳定仿真模型，然后通过simulink对采用PD算法的垂直不稳定系统进行仿真。结果表明，构建的模型能够较好控制不同位形的垂直不稳定性。

多喷嘴氦冷偏滤器的优化与分析

金羽中1，刘 翔1，陈 蕾1，练有运1，王正裕2

2017, 37(1):  25-31.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701005

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利用ANSYS/CFX对聚变堆氦冷多喷嘴冷却偏滤器模块在相同高热负荷条件但不同冷却条件下进行了有限元数值分析，得到了偏滤器冷却单元的温度和换热系数分布图，将该温度场作为结构力学分析的加载条件，利用ANSYS/Mechanical对冷却模块进行了稳态条件下的结构应力分析，得到了具有不同结构参数的偏滤器模块的应力分布。通过分析各结构参数对偏滤器模型的热应力的影响，对结构参数进行筛选，得到内应力相对较低的结构设计，从而优化多喷嘴氦冷偏滤器结构。

未来聚变工程实验堆真空室壳体成型模拟与实验研究

范小松，吴杰峰，刘志宏

2017, 37(1):  32-36.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701006

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参照ITER真空室成型工艺，对未来聚变堆真空室壳体各分片进行成型数值模拟，探索成型温度、脱模温度对成型工件减薄量、回弹量和残余应力的影响。并通过成型实验对数值模拟结果进行了检验，二者结果一致，所用数值模型可用于后续模具设计。

容性耦合电负性氧等离子体的激光诱导光致剥离技术诊断研究

王 涛，王 俊，唐成双，杨 郁，辛 煜

2017, 37(1):  37-42.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701007

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采用波长532nm的高能脉冲激光束照射40.68MHz激发的容性耦合氧等离子体，并给处于激光束中央的探针施加一定的正偏压，由此诊断氧等离子体的空间电位和电负度。实验结果表明，探针偏压从0V逐渐增加时，探针搜集的电流波形从V型向倒U型转变，转变电压点正是电负性等离子体的空间电位。尝试着给出了运用激光诱导光致剥离技术诊断电负性等离子体空间电位的经验方法。另外，探针上施加的正偏压高于等离子体空间电位时，等离子体的电负度基本保持不变。实验还表明，氧等离子体的电负度随着射频输入功率的增加而呈现下降的趋势。

核聚变工程技术

HL-2M装置环向场线圈导体材料的选择和制造

邱 银，李广生，单亚农，邹 晖，蔡立君，刘 健，杨青巍

2017, 37(1):  43-47.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701008

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为利于HL-2M真空室(VV)及极向场线圈(PFC)的整体安装，环向场线圈(TFC)采用比特板式结构，这种结构需要用到高强度高导电性能的大尺寸异形铜合金厚板以便满足线圈复杂受力的要求。通过应力分析，确定了在TFC上使用的3种铜合金。介绍了大尺寸异形铜合金板材的制造工艺和铜板多项性能的测试结果，结果表明异形铜合金板材的尺寸及各项性能均满足了HL-2M装置环向场线圈的工程设计及加工要求。

磁屏蔽罩在梯度静磁场中的受力研究

夏志伟，李 伟，李 波

2017, 37(1):  48-51.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701009

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在有梯度的静磁场中，对由软磁材料制作的磁屏蔽罩所受的静磁力的量级进行了评估。使用有限元分析和实验测试的方法研究了纯铁方形屏蔽罩在梯度静磁场中的受力情况，结果表明：把内腔尺寸100mm×100mm×150mm、罩体厚度为20mm的方形屏蔽罩放置在强度约为0.2T、梯度为0.03T?m?1的磁场中，其所受的静磁力约为184N，与其自身重力相当；静磁力随磁场强度的升高而增大；有限元分析与实验测试结果的偏差在0.2T背景磁场下约为21%。因此，在考虑一定余量的情况下，使用有限元计算评估屏蔽罩在静磁场中的受力情况是一种有效和比较可靠的方法。

润湿性及磁场对液态金属自由表面膜流流动状态的影响

张秀杰，潘传杰，许增裕

2017, 37(1):  52-57.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701010

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通过数值模拟及实验研究了润湿性及磁场对液态金属膜流流动状态的影响。首先，通过数值模拟研究了润湿性对膜流流动状态的影响。结果表明，当润湿性不好时，液态金属膜流容易发展为溪状流而不能完全覆盖底壁，入口膜厚较薄时更易发展为溪状流；在入口膜厚及其它情况相同时，密度越小越易发展为溪状流。其次，研究了磁场对膜流流动状态的影响。结果表明，槽道与流体润湿性不好时，有磁场情况下液态金属膜流覆盖底壁的区域较无磁场时增加，强磁场对膜流的湍流有抑制作用。最后，液态金属膜流实验结果表明，润湿性不好时，镓铟锡合金膜流容易收缩发展为溪状流，这与数值模拟的结果是一致的。上述研究结果对磁约束聚变堆液态第一壁的设计具有指导意义。

HCCB-DEMO氦冷固态包层热工水力计算及分析

王苏豪1, 2，曹启祥2，武兴华2，王晓宇2，张国书2，冯开明1, 2

2017, 37(1):  58-63.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701011

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根据这几年HCCB-DEMO包层技术的发展，对原氦冷固态氚增殖包层进行相应设计改进。利用三维有限元软件CFX对该改进设计进行了热工水力学计算及分析。分析模型包括：第一壁，增殖单元，筋板以及三者集成模型。结果表明：各子部件在单独分析的情况下，材料最高温度低于设计要求限值；冷却剂进出口温度为300/500°C，满足设计需求。同时对比分析了集成计算及单独计算的结果，得出第一壁与铍球床之间的相互热作用较大，铍球床材料最大温度会高于设计限值。针对经集成计算后发现的问题，未来将对氦冷固态包层的设计进行进一步的优化。

水冷氚增殖包层的中子学模拟

刘 辰，曹学武*

2017, 37(1):  64-68.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701012

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建立起锂球壳模型，用三个不同的聚变评价中子数据库——FENDL2.1、FENDL3.0和JEFF3.2分别进行了中子输运模拟，比较了三个数据库的模拟结果。再对水冷增殖包层分别建立一维中子学模型和三维中子学模型，进行中子输运模拟。分析模拟结果表明，选择FENDL3.0作为水冷增殖包层三维中子学模拟的数据库；水冷增殖包层一维中子学模拟优先考虑柱壳模型模拟；水冷氚增殖包层的三维中子学模拟所得氚增殖率TBR能满足氚自持要求；而且外包层的TBR贡献是主要的。

EAST ICRH天线法拉第屏蔽冷却结构优化

杜群山1, 2，杨庆喜1，王永胜1，葛 剑1，袁 帅1，张新军1，秦成明1，赵燕平1

2017, 37(1):  69-74.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701013

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现有的法拉第屏蔽(FS)冷却结构无法满足未来EAST 长脉冲稳态运行的要求，需要进行优化改进。通过理论和数值模拟方法，对FS原有冷却结构进行了优化设计，并获得了改进后FS冷却管道的流速和压力分布。通过比较不同进口条件下FS流体压降和结构温度分布情况，获得了适合优化后FS结构运行的流动参数，为未来ICRH天线FS的运行提供了理论指导。

EAST链式维护机械臂伺服控制系统设计

张 俊1，程 勇1*，奚维斌1，冯汉升1，潘洪涛1，徐 杰1，陶子航2

2017, 37(1):  75-80.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701014

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针对链式维护机械臂(EAMA)运行环境的特殊性，对其伺服控制系统进行设计和实现。在控制结构上，系统在基于分布式控制结构的基础上采用了一种新的伺服系统解决方案。在控制策略上选用了高性能PIC单片机进行了硬件电路的设计，并采用了位置、速度双闭环控制算法以实现对机械臂的每个关节的高精度位置伺服控制。通过实验验证了该系统能够满足机械臂的运行要求，且具有良好的动态性能和稳态性能。

CFETR偏滤器靶板的概念设计与分析

刘 秀1，曹 磊2，李 磊2，许铁军2，姚达毛2

2017, 37(1):  81-86.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701015

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基于以前的偏滤器研究，提出了中国核聚变工程实验堆(CFETR)偏滤器靶板的概念设计。在最差工况下进行的热工水力分析和力学分析表明，应力和温度都在允许范围内，验证了该设计模型的可靠性。该概念模型和对其所做的分析可以为以后的工程设计提供参考。

CFETR水冷陶瓷包层中子学试验模块初步设计与分析

高芳芳1, 2，张小康2，祝庆军2*，黄 凯2，刘松林2

2017, 37(1):  87-93.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701016

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针对中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷陶瓷增殖剂包层(WCCB)基本方案，进行了中子学试验模块初步设计与分析。试验模块由3个氚增殖区、2个中子倍增区、3个冷却板以及第一壁、钨保护层、背板组成，并在试验模块中放置碳酸锂探测器进行氚测量。通过MCNP输运程序和IAEA发布的聚变评价核数据库FENDEL-2.1对试验模块中子学性能进行评估，获得了试验模块各区域的中子能谱以及氚产生率(TPR)值；各个区域中子径向通量以及由中子能谱所得到的边缘效应，表明内部区域能谱最能代表原包层的中子能谱；加反射层能提高试验模块的TPR值，综合考虑能谱，TPR以及经济等因素，加钢反射层是较好的选择。

CFETR氚增殖包层活化计算分析

蒋 帅，陈 志*，徐 榭

2017, 37(1):  94-98.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701017

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运用蒙特卡洛程序MCNPX以及欧洲活化计算程序FISPACT-2007，分析了中国聚变工程实验堆(CFETR)满功率运行时产氚包层各分区的核热功率，计算了满功率运行时产氚包层在高能中子的照射下活化产物的放射性活度、典型栅元的停堆剂量率。计算结果表明，当CFETR在满功率运行一年后停堆，停堆时的包层总活度为6.61-10¹⁹Bq，停堆十年后总活度降为7.98-10¹⁸Bq，为刚停堆时总活度的12.1%。结果显示，CFETR包层设计不存在突出的安全问题。

熔盐包层设计与氚增殖比的计算

尹 苗1，宋云涛2，雷明准2，徐 坤1

2017, 37(1):  99-104.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701018

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通过对聚变堆设计包层进行先后的一维、三维氚增殖比计算与分析，确定合适的模块材料、明确的模块划分以及相应的模块厚度，最终找到了合适的满足氚自持(TBR=1.3162)的熔盐设计包层。

实时并行平衡反演程序在EAST PCS中的集成

裴筱芳，袁旗平，黄 耀，罗正平，肖炳甲

2017, 37(1):  105-112.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701019

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为提高等离子体实时平衡反演过程的精度和效率，开发了基于图形处理器(GPU)的P-EFIT程序。简要概括EAST PCS软硬件架构后，描述了并行实时平衡反演程序P-EFIT在EAST PCS中的集成工作。为了验证集成系统的正确性与可用性，用历史实验数据作了性能测试，满足实时控制的要求。目前P-EFIT已集成在EAST中并用于等离子体控制，EAST实验证明控制性能良好。

等离子体应用

柱状放电等离子体阵列对2~18GHz TM波透射衰减影响的实验研究

刘 洋，时家明，汪家春，王启超

2017, 37(1):  113-117.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701020

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利用搭建的实验测量系统，从放电单元数量、放电单元分布及放电电压三个方面进行实验，测量了柱状放电等离子体阵列对2~18GHz TM电磁波的透射衰减影响。结果表明，放电单元数量的减少可以改善等离子体对10~18GHz入射波的衰减效果；在整个2~18GHz范围内，等离子体放电单元之间取适当的间距可以提高等离子体对入射电磁波的衰减性能；放电电压的增大有利于增大衰减程度和扩大衰减频带范围。

大气压氮氧等离子体射流灭活表面大肠杆菌及其发射光谱分析研究

范明阳，郝小龙*

2017, 37(1):  118-124.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201701021

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研究了氮氧源大气压等离子体射流对表面大肠杆菌灭活作用，分析了氮氧源大气压等离子体射流的光谱性质。结果表明，在放电电压为6.8kV，气体流速为4L?min?1，处理3min时，氮氧比为1:4的大气压等离子体射流对大肠杆菌的灭活率达到98.4%，接近氧气源大气压等离子体射流灭菌效果。通过大气压等离子体射流发射光谱(OES)分析了氮氧源大气压等离子体射流中活性物质，进而解释大肠杆菌微生物灭活机理，认为NO?γ、OI、?OH等活性物质在表面大肠杆菌灭活过程中起到了重要作用。这将为大气压氮氧等离子体射流在环境卫生、微生物灭活等方面的应用研究提供实验基础和技术支持。