当期目录

2023年 第43卷 第1期    刊出日期：2023-03-15

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核聚变工程

HL-2M 装置低杂波钛泵电流监测器的研制

卢 波, 王洁琼, 陈娅莉, 白兴宇, 曾 浩, 梁 军, 王 超, 冯 鲲

2023, 43(1):  1-5.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301001

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选用 Arduino nano 开源硬件平台、OLED 图形显示器和 SD 卡等器件，研制了钛泵电流监测器，实现了在非实验期间钛泵电流长期低速采集、存储和趋势图显示功能。同时启用内部中断和外部中断，提升采样频率到 1kHz，拓展了监测器的应用范围。测试结果表明，监测器趋势图与测试信号一致，最大采集误差为 0.25μA。

三维协同设计在 ITER 项目中的工程应用

江 涛, 王全明, 何开辉, 吴姝琴

2023, 43(1):  6-11.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301002

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介绍了在 ITER 协同设计统一框架下本地搭建的协同设计平台的基本情况，包括三维模型的基本种类、表达方式、数据交换方法以及人员的培训与资质考核等。以 ITER 气体注入系统采购包为例，介绍了协同设计在核工业西南物理研究院 ITER 项目工程设计中的应用。

高功率聚变磁体电源桥臂直通故障分析及仿真

王 震, 何诗英, 黄连生, 陈晓娇, 陈 涛, 王振尚

2023, 43(1):  12-17.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301003

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高功率聚变磁体电源采用三电平中点钳位型(NPC)电压源变流器(VSC)拓扑，在变流器桥臂直通故障情况下，其直流侧电容的充放电使故障暂态过程较为复杂，为变流器故障分析带来挑战。针对这一问题，以 3kV、 6kA 三电平 IGCT 大功率 VSC 为背景，建立了桥臂直通故障暂态等效数学模型。将整个故障过程分为直流侧电容 放电和二极管导通两个阶段，详细分析了该故障情况下电压及电流的变化趋势，为后期保护方案的设计奠定基础。 Matlab 仿真结果表明了该分析方法的可靠性。

聚变堆遥操作上层协同控制系统设计和测试

姚海峰, 张 琼, 杨 洋, 常赛赛, 彭 城, 张璇琛, 程 勇

2023, 43(1):  18-25.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301004

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为了解决聚变堆遥操作维护上层控制系统普遍存在的软件功能模块过于集中、拓展性差、不具备中层运动规划能力等问题，设计了一种基于机器人操作系统(ROS)的上层协同控制系统。该系统采用分布式架构， 基于市场成熟的开发平台进行设计，集成了中层运动规划与动力学虚拟仿真功能。通过“轴销抓取”的实验场景测试的结果表明：该系统满足设计需求，运行稳定。

纵场磁体电源变流器均流分析

杨亚龙, 张 玲, 蒋 力, 王重马

2023, 43(1):  26-32.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301005

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在纵场磁体电源变流器均流特性分析中，通过对桥臂分段和提取支路分布参数矩阵的方法，建立了大功率变流器桥臂的等效电路模型，计算了各个支路电流和变流器的均流系数。通过变流器的仿真模拟得到了桥 臂电流演化，模型的仿真结果与理论计算基本一致，其均流系数均小于 1.2 的工程设计目标。

双 Y 移 30°脉冲发电机制动系统研究

王海兵, 宣伟民, 彭建飞, 李华俊

2023, 43(1):  33-37.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301006

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通过对 300MVA 脉冲发电机采用不同制动电阻情况的计算，确定了制动电阻的冷却水温升。通过 分析得出外接电阻越小其制动时间越短，在小电阻的情况下，其定、转子发热量更优。在采用 0.15Ω 电阻制动的 情况下，300MVA 脉冲发电机实际制动波形和计算得出波形基本一致，说明所提出的电气制动计算能够运用于电 气制动设计。

CFETR 真空室结构稳定性的有限元分析

龚 正, 韩松博, 倪小军, 葛 剑, 黄建军, 于 斌, 高 翔, 孙金鑫,

2023, 43(1):  38-42.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301007

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真空室是中国聚变工程实验堆(CFETR)重要的屏蔽组件和包容屏障，为提高其结构稳定性，用有限元方法对真空室核心部件进行了线性屈曲分析与几何初始缺陷非线性屈曲分析，评估了真空室结构的各项稳定性 指标。结果表明，现有的真空室的设计满足屈服强度的设计要求，为后续的设计优化工作提供了重要的理论依据和参考。 

快速稳压 PSM 电源主回路及补偿网络设计

陆 伟, 黄懿赟, 潘圣民

2023, 43(1):  43-49.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301008

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针对 NBI 系统中单个脉冲调压电源模块(PSM)直流输出电压不可调、精度低、电压超调大，提出了 在 PSM 电源模块输出侧串联一个调压电源的方法。为了使调压电源的系统有良好的动态性能，设计了一个 TYPE-III 补偿网络。最后搭建了一台样机，实验结果验证了主回路设计的正确性，为制造单个 PSM 电源测试台奠定了基础。 

强流离子源灯丝电源设计与分析

潘军军, 刘智民, 蒋才超, 刘 胜, 陈世勇, 胡纯栋

2023, 43(1):  50-54.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301009

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灯丝电源是中性束注入器等离子体发生器电源系统的重要组成部分，为了满足其低电压大电流输出 特性要求，提出了带平衡电抗器双反星形整流电路的拓扑结构的电源设计方案。该拓扑结构与三相桥式整流电路 相比较在采用相同器件下可达到更高功率，减少交流侧输入电流谐波并提高功率因素。分析了该拓扑结构下整流 输出特性和所含的谐波分量，根据设计指标计算了整流变压器和平衡电抗器的相关参数，最后通过仿真和实验结 果验证了这一拓扑结构的可行性。

CFETR 25kW 4.5K 氦制冷机 RAMI 初步分析

钟云珂, 陈 鑫, 朱根良, 杨恩朋, 付猷昆, 蔡立君, 李 强

2023, 43(1):  55-61.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301010

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对 25kW/4.5K 氦制冷机进行了可靠性、可用性、可维修性和可监测性(RAMI)分析，建立了其可靠 性框图，计算并评估了系统的可靠性和可用性。同时，通过故障、影响和危害分析指出了氦制冷机的故障模式， 并提出了缓解和维护措施。

CFETR N-NBI 验证样机恒温供水系统的设计

邑 伟, 胡纯栋, 谢远来, 谢亚红, 刘 伟, 韦江龙, 顾玉明, 梁立振, 陶 玲, 崔庆龙, 赵远哲, 蒋才超, 许永建,

2023, 43(1):  62-67.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301011

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通过分析中国聚变工程实验堆(CFETR)的基于负离子源的中性束注入系统(N-NBI)验证样机中等离子体电极的工况，确定了其恒温供水的技术参数，设计出了 CFETR N-NBI 验证样机恒温供水系统。

LHCD 系统微波激励源性能优化设计

曾 浩, 冯 鲲, 刘丽娟, 白兴宇, 王 超, 陈娅莉, 梁 军, 卢 波

2023, 43(1):  68-74.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301012

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使用数字锁相环技术实现一定带宽内高精度可调节的频率输出，解决了速调管长期工作后响应频率 发生偏移，模拟锁相环无法工作在系统最佳频率的问题；在移相器后增加功率幅度控制电路，保证了线性放大器 的输出功率不会受到相位调节的影响；设计了一种基于数模转换(D/A)技术与微波电调技术相结合的波形控制单元，解决了激励源输出波形不可控的问题。通过以上三方面的改进，完成了 HL-2M 装置 LHCD 系统微波激励源 的性能优化设计。 

电场磁场平行型中性粒子分析器剥离单元和分析单元的设计与模拟

屈玉凡, 臧临阁, 林炜平, 罗 圆

2023, 43(1):  75-81.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301013

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介绍了电场磁场平行型中性粒子分析器(E//B NPA)的剥离单元和分析单元的结构设计。剥离单元由 剥离室(包括两个差分管和供气波纹管)、真空室(包括一个中性粒子进入孔和一个离子排出孔)和真空抽气系统组 成。计算了分析器的剥离效率，用综合效率的形式 R×f₊₁ 表示，R 是透射率，f₊₁ 是电荷态为+1 的粒子的比例。E//B NPA 的分析磁场由永磁铁、磁极和磁轭构成的磁体来实现，永磁铁的材料是 NdFeB，磁极和磁轭的材料是低碳钢。 磁极采用收口式设计，以聚焦离子的飞行轨迹，并提高磁场的利用率。通过对电磁场中带电粒子飞行轨迹的模拟， 观察到 H⁺ 和 D⁺ 在探测面上的离子轰击点分为上下两行，并分别按照能量由低至高从左到右排布。所模拟 H⁺ 和 D⁺ 的能量范围分别为 20~200keV 和 10~200keV，可以满足 HL-2A 和 HL-2M 装置上中性束注入加热等离子体时快离子质谱和能谱的诊断需求。

ITER 气体注入系统含氚管道的等效漏率评估

黄向玫, 李 伟, 江 涛, 李 波, 夏志伟

2023, 43(1):  82-87.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301014

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氚的泄漏会对公众安全和环境造成危害，有必要对含氚管道的泄漏进行分析。对 ITER 气体注入系 统的含氚管道进行分析，对触发系统氚报警阈值(3×10⁵ B_q·m^-3 /环境安全值，1×10⁸ B_q·m^-3 /系统安全值)时，氚送气 管、离子源管以及中性化管泄漏的等效空气漏率进行了计算。结果表明，氚送气管泄漏的风险最高。虽然氚送气 管的气体压力低于包容管的夹层压力，但由于管道的氚浓度高，漏率大于 3.2×10^-8 Pa·m³ ·s^-1时会触发报警。而在 离子源管中虽然氚浓度低，但管道的气体压力远高于包容管的夹层压力，漏率大于 6.1×10^-6 Pa·m³ ·s^-1 时会触发氚 报警。气体注入系统含氚管道泄漏的氚危害不可忽视，必须进行实时监测和防护。 

低活化铁素体/马氏体钢 CLF-1 激光焊接模式转变研究

缑 俊, 王平怀, 朱小波, 王长浩, 胡 丹, 邱 嵘, 廖洪彬, 谌继明

2023, 43(1):  88-93.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301015

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为研究低活化铁素体/马氏体钢(RAFM) CLF-1 激光焊接模式转变规律，对其焊缝横截面形貌及尺寸 进行了宏观表征和定量分析。结果表明，在一定条件下，随着焊接功率的增大，焊接模式从热传导焊模式向小孔 深熔焊模式转变，焊缝横截面表现为“圆弧形”、“V 字形”和“钉头形”三种类型形貌。CLF-1 钢激光焊接模式 不受焊接速度、离焦量变化的影响。激光焊接模式转变的临界值为深熔焊阈值，CLF-1 钢深熔焊阈值由材料自身 特性决定，当焊接速度为 10mm^.s ⁻¹时，CLF-1 钢深熔焊阈值约为 1.20kW^.mm⁻¹ 。

堆叠型 REBCO 超导股线的横向抗压特性研究

孙林煜, 左佳欣, 赖小强, 李鹏远

2023, 43(1):  94-98.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301016

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采用 2mm 宽 REBCO 超导带材，通过堆叠、圆化和拉拔等成型技术制备了多种规格的堆叠型股线， 并利用试验手段研究了不同结构股线的横向抗压性能。经研究发现，超导股线在带面方向的抗压性能最好，侧面 方向最差。而对比测试表明，股线带材和铜带的分布对其抗压性能影响不大，增加包壳壁厚可提高股线的抗压性 能，而增大股线直径，可部分改善抗压能力，但股线扭转则会降低其抗压效果。

不同载荷及转速条件下 MoS2涂层的 摩擦磨损性能研究

董思成, 钟 利, 但 敏, 许泽金, 王新超, 周 毅, 金凡亚

2023, 43(1):  99-104.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301017

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为获得二硫化钼(MoS₂)涂层在聚变堆部件表面使用条件下的摩擦磨损特性，采用单极性脉冲磁控溅 射技术在铁铬镍基高温合金 A286 上制备了厚度为 2μm 的 MoS₂涂层，并针对 MoS₂ 涂层在不同载荷及转速条件 下的摩擦学性能展开了研究。经验证，沉积的 MoS₂涂层结晶度较好，沿(002)面择优取向；随测试转速的增加， 摩擦系数逐渐减小，在转速为 50r^.min⁻¹ 时，摩擦系数平均值为 0.0722；在转速固定时，摩擦系数随测试载荷的增加先减小后增大，当载荷为 7N 时达到最小平均值 0.0763。

等离子体物理

高能量粒子再分布模型在 CFETR 上的应用

郝保龙, 陈 伟, 李国强, 王晓静, 吴 斌, 高 翔, CFETR TEAM

2023, 43(1):  105-111.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301018

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在中国聚变工程实验堆(CFETR)设计参数下，利用一种高能量粒子(EP)物理简化模型分析了磁流体 动力学(MHD)不稳定中新经典撕裂模(NTM)引起的粒子再分布和损失。相位矢量旋转法利用 EP 相空间中小间隔 区域内跟踪探测粒子对来判定粒子轨道随机与否，即记录连接矢量旋转角的方法标记该区域是否存在 KAM 面破缺，以此为据修正相空间的粒子分布函数和判断粒子损失。利用相空间探测粒子对相位矢量旋转法标记一定 NTM 幅度下的随机区域分布并迭代得到稳态分布剖面。对捕获粒子区域的共振岛探测结果表明，低频或零频率扰动不 会与高能量 α粒子形成有效共振，MHD 扰动和有效碰撞效应可能使捕获-通行轨道边界附近形成损失通道。

激光诱导荧光诊断中荧光频率极限的实验研究

栾春阳, 徐国盛, 叶孜崇(Yip Chi-Shung), 江 堤, 张 炜, 靳琛垚

2023, 43(1):  112-116.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301019

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在用激光诱导荧光法测量多偶极腔体中的氩等离子体的离子速度分布函数的实验中，研究了激光频率与信号强度的关系。在给定等离子体放电参数条件下，发现存在一个入射激光诱导荧光的极限频率，大于该频率时荧光强度不再增加。该诱导荧光的极限频率随荧光收集系统中透镜组中的小孔大小而改变。

高通鸟笼线圈激发螺旋波等离子体特性研究

汤 栋, 付 唯, 陈建军, 王宏彬, 芶富均, 孙寿华, 叶宗标, 张 坤

2023, 43(1):  117-124.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202301020

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研制了高通鸟笼线圈，使用氩气作为工质气体对射频天线的工作性能进行了初步评估。利用 COMSOL5.4 模拟出了鸟笼天线在 13.56MHz 的工作频率下，电场和磁场呈线性极化分布。对鸟笼线圈进行了电 路结构解剖，推导出了其谐振频率计算公式。利用热耦合红外测温仪测试了正常工作状态下的鸟笼线圈外表温度 明显低于传统射频天线，电容器最高温度仅 65.8°。使用光谱仪对螺旋波等离子体放电光谱特性进行诊断。通过 朗缪尔探针诊断了不同压强和磁场强度下螺旋波等离子体密度，在 1.0Pa、600Gs、射频功率 700W 条件下等离子 体密度达到 1.62×10¹⁸m⁻³ 。诊断了正向功率和反向功率对应的等离子体密度，其与磁滞现象变化趋势雷同。测试 了螺旋波等离子体的径向密度分布，其在轴心处密度达到最高。探究了无磁场条件下等离子体特性，其密度值不 会发生大幅度跃迁，纵向磁场是引发螺旋波等离子体放电的关键因素，低压条件下有利于得到更低的电子温度， 最低达到 2.67eV。表明鸟笼线圈低热耗、高馈入的特性使其在激发大体积的高密度螺旋波等离子体方面具有明显 优势，可以投入到下一阶段氢气螺旋波等离子体的激发工作中。