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2023年 第43卷 第2期    刊出日期：2023-06-15

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核聚变工程

Cu/CuCrZr钎焊用Cu-Mn基多元固溶体钎料和接头结构

徐日升, 朱 颉, 郭 锋, 魏明玉, 羌建兵, 王英敏, 王建豹, 练友运, 封 范, 刘 翔

2023, 43(2):  125-131.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302001

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为了解决 CFC 与 CuCrZr 合金的冶金连接问题，以二元合金 Cu₆₂Mn₃₈(at.%)为基础成分，采用低熔 点 Ga 作为主要合金化元素和微合金化元素 Cr 和 Si，设计了系列固溶体钎料合金 Cu₆₂Mn_37-xGa_xCr_0.5Si_0.5(x=0~10， at.%)。利用电弧熔炼、铜模吸铸和冷轧制备了 100μm 厚的钎料箔带。采用 Cu62Mn31Ga6Cr0.5Si0.5 钎料在不同工艺 条件下(875~900℃，保温 15~25min)制备了无氧铜和 CuCrZr 合金钎焊接头。通过热分析和 X-射线衍射分析了钎料熔化行为和相组成；采用光学显微镜、扫描电镜、电子探针和力学性能拉伸机对接头的组织形貌、成分分布和 力学性能进行了分析。结果表明，在 880℃/保温 25min 钎焊工艺下可获得无缺陷 CFC/CuCrZr 接头结构，焊缝的 Cu 固溶体基体内有少量不连续分布的粒状纳米 Cr₃Si 析出相；在室温抗拉试验中，此接头的抗拉强度为 215MPa， 断后延伸率 40%，断裂模式为韧性断裂。该钎料和焊接工艺已应用于 HL-2M 偏滤器制造中碳纤维复合材料和 CuCrZr 合金的连接加工。 

钨/低活化钢钎焊用铁基非晶钎料与接头微结构 

魏明玉, 王建豹, Jitendar Kumar, 羌建兵, 王英敏, 刘天鸷, 封 范, 练友运, 刘 翔

2023, 43(2):  132-139.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302002

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为了连接 W 和 CLF-1 RAFM 钢，设计出由低活化元素组成的 Fe-B-Si、Fe-B-Si-Sn、Fe-B-Si-Cr-(Sn)、 Fe-B-Si-P-(Cr，Sn)、Fe-B-Si-Mn-(Ga，Sn)和 Fe-B-Si-(Cr，Mn，Ga，Ta，Sn)系列 Fe 基非晶钎料，结合熔体快淬 技术制备出非晶合金箔带，并对 W/CLF-1 RAFM 钢接头微结构进行了对比研究。采用 X-射线衍射仪对箔带样品 与焊缝进行了相鉴定；通过差热分析测量了非晶箔带的熔化温度和液相线温度；利用光学金相和电子探针分析了 焊缝组织形貌和元素分布。结果表明，利用 Fe-B-Si、Fe-B-Si-Cr 和 Fe-B-Si-Mn-Sn 非晶钎料可获得结构完整的 W/CLF-1 钢接头；前两种钎料得到的焊缝组织基体相为α-Fe 固溶体，而含 Mn 钎料形成的焊缝基体为马氏体组织； 在高温钎焊过程中，这些 Fe 基非晶钎料中的高 B 含量促使 FeWB、FeW₂B₂和 Fe₃B 型金属间化合物在焊缝中形成，并有效地阻止了 W 元素向低活化钢基体长程扩散。所设计的低活化 Fe 基非晶钎料可用于 W 和低活化钢的连接和接头性能研究。

EAST 八对电流引线罐支撑结构的优化设计与分析

王开松, 窦成龙, 杜双松, 徐微微, 奚维斌

2023, 43(2):  140-144.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302003

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随着 EAST 高温超导电流引线的技术升级，针对电流引线罐内支撑结构重新进行了优化设计，开展了罐内支撑结构的稳定性分析，最后根据分析结果确定了最优设计方案。针对优化设计后的电流引线罐进行测试， 表明其支撑结构可以更好地保证电流引线的安全与稳定。

核设施退役用层流等离子体切割解体装置的研制及应用

张 峰, 潘广炜, 赵颜红, 岳 军

2023, 43(2):  145-149.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302004

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在核设施退役过程中，为了实现对大厚部件进行远程切割解体，研制了一套退役专用非转移弧等离 子体切割解体装置。该装置采用层流等离子体技术，通过对等离子体发生器、大功率电源及控制系统等的改进研究，使其有效切割弧长大于 200mm，对钢的切割厚度达到 150mm。这有效解决了传统等离子体切割装置切割弧较短、切割死角多、容易断弧、切割厚度不能满足要求等问题。该技术的应用有望很大程度上改变现有核设施退役切割解体作业模式。

CFETR氦冷偏滤器回路 LOCA事故放射性释放分析

胡 泊, 黄文玉, 周 冰, 王晓宇, 王艳灵, 卢 勇, 张 龙, 刘宽程

2023, 43(2):  150-155.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302005

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基于中国聚变工程实验堆(CFETR)氦冷偏滤器回路设计方案，建立事故计算模型，针对真空室外冷却剂丧失事故(Ex-vessel LOCA)和Ex-vessel LOCA 叠加真空室内冷却剂丧失事故(In-vessel LOCA)，对其放射性释放后果进行了评估。结果表明：Ex-vessel LOCA事故中氦气泄漏会导致管道所在房间压力小幅度上涨，氦气泄漏量低于安全限值；在In-vessel LOCA 叠加Ex-vessel LOCA事故中，不考虑隔离阀时房间气体会向真空室倒流，使真空室泄漏量超过安全限值；在加入隔离阀后，真空室泄漏量与房间泄漏量均满足验收准则。同时基于计算结果， 估计了事故工况下氚的泄漏量。结果验证了方案的安全性，并为后续设计工作提供了数据支持。

EAST 边缘等离子体中钨表面电弧诱导实验研究

王保国, 朱大焕, 丁 锐, 穆 磊, 李长君, 陈俊凌

2023, 43(2):  156-160.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302006

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在 EAST 装置中利用材料与等离子体测试平台 MAPES 对不同表面性质和结构的钨样品进行了边缘等离子体条件下的起弧诱导实验研究。结果显示只有纳米丝结构的钨表面成功产生了电弧，表明了钨表面的纳米丝结构更有利于电弧的触发，甚至在装置远离刮削层区域的地方也能诱导电弧触发。在纳米丝钨表面起弧过程中会产生两种不同的电弧，其中较强电弧能产生熔坑，并溅射出液滴，是等离子体中尘埃及杂质的重要来源。弧坑直径约为 3μm，深度约为 0.7μm，在电弧熔坑中心区域形成了一些小孔和纳米结构，其周围的熔化液滴也存在类似的结构。

矩形管道载氚热磁流体输运特性的数值模拟研究

韩佳佳, 汪卫华, 浦文婧, 江海燕, 储德林, 史 博

2023, 43(2):  161-168.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302007

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聚变堆液态金属包层矩形管道中的氚输运过程与磁流体动力学(MHD)流动传热过程耦合在一起，形成了复杂的载氚热磁流体输运特性。基于开发的 MHD 流动与传热数值模拟程序对矩形管道中液态金属 MHD 流 动传热特性及其氚输运的影响进行了数值模拟。该程序首先求解了动量守恒方程，并与理论解进行了对比验证， 然后与能量守恒方程耦合求解，得到了温度影响下矩形管道中的液态金属流场分布，在此基础上对强磁场高核热 梯度影响下的氚浓度分布进行了数值模拟，得到了氚浓度在管道中的分布特性。结果显示，液态金属在矩形管道中的流动传热对氚输运过程产生了显著影响。

气体注入系统的检漏系统中氚监测支路进气量的数值模拟及结构优化

郝 郁, 黄向玫, 刘熙罡, 李 波, 李 伟

2023, 43(2):  169-174.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302008

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利用计算流体力学分析软件 ANSYS CFX，对气体注入系统的检漏系统中氚监测支路气体流量进行了数值模拟，发现在支管管径 1/2in 且与主管夹角成 90°的情况下，当主路流量为 33m^3 .h⁻¹ 时，支管进气量只有 0.2354m^3 .h⁻¹ ，不满足 0.36~3.6m^3 .h⁻¹的设计要求。采取改变支管与主管之间的夹角和增大支管管径两种方式对支路结构进行了优化。优化后的结果显示，将支管内半径增大至 6.9mm 以上或减小支管与主管的夹角至 30°以下均可使检漏管路满足各工况下的进气量要求。

高特征参数下绝缘圆管内液态金属 MHD 效应研究

王 凡, 张秀杰, 潘传杰

2023, 43(2):  175-179.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302009

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液态金属磁流体动力学(MHD)效应是聚变堆液态包层需要解决的关键问题之一。通过实验与数值模拟相结合的方法，研究了高特征参数下绝缘圆管内液态金属 MHD 效应，获得了强磁场下绝缘圆管内压降变化和 流速分布的规律。研究结果表明，绝缘圆管内液态金属 MHD 压降随外加磁场强度的增加而线性增大，随管道内 平均流速的增加也呈线性增长的关系，且压降实验结果与数值模拟及理论结果吻合较好；流速分布的特点为哈特曼层内流速变化剧烈，速度梯度大。基于压降的实验数据分析可得，强磁场环境下绝缘圆管中层流湍流的转换分 界点约为 Re/Ha=45。

毫米波 TE10-TE11-HE11模式变换器的研究

陈 程, 黄 梅, 张 峰, 王 超

2023, 43(2):  180-184.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302010

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设计了一种中心频率为 105GHz、带宽为 10GHz 的 TE10-TE11-HE11 模式变换器，用于电子回旋共振 波加热系统(ECRH)低功率测量平台的搭建，其中采用矩-圆过渡及渐变槽深波纹喇叭实现相关模式转换。仿真结果表明，频率范围为 92~115GHz 时，该模式转换器产生 HE₁₁ 模的转换效率即高斯含量达到 95%以上。

托卡马克装置气体注入管线的结构分析与优化

杨 印, 江 涛, 夏志伟

2023, 43(2):  185-190.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302011

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为满足 ITER 相关设计准则，采用有限元分析方法，以 ITER 装置单个端口气体注入管线为例，对注入管线开展线弹性应力分析并进行了设计优化。分析结果表明原管线柔性未得到有效限制，在较大形变处增设支撑是必要的。优化后的分析结果显示注入管线在限制柔性的同时管线中的应力值满足设计规范的评判标准，没有出现塑性塌陷、局部失效和棘轮效应，而且支撑等部件的支反力减小 33%。验证了优化方案的可行性，最终管 线结构的可靠性和安全性得到了明显的改进。

基于神经网络的EAST-NBI实验数据分析系统研究

刘智民, 汪金新, 赵远哲, 谢亚红, 谢远来

2023, 43(2):  191-198.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302012

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NBI 离子源的运行参数不匹配会导致离子源中的等离子体不稳定，并可能导致离子源打火，从而限 制了 NBI 长脉冲和高功率的运行。为了稳定 NBI 离子源中的等离子体，使用来自多轮实验的数据以及从预测性等离子体模型获得的先验信息，针对现有的实验数据值提取算法精度不高的问题，采用 OPTICS 聚类算法提高了实验数据提取的准确性，为实验操作过程中的故障分析提供参考。同时采用了一种基于自组织特征映射图(SOM) 和逆向传播(BP)神经网络的方法，通过训练历史数据，在给定参数下估算 NBI 离子源束引出过程中的脉冲宽度， 以调整运行参数。 

基于电感耦合等离子体源的CO₂色散干涉仪搭建和测试

李梦鸽, 张寿彪, 李维明, 刘海庆, 张 耀, 揭银先, 连 辉,

2023, 43(2):  199-203.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302013

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在电感耦合等离子体源(ICP)装置上成功地搭建了一套没有减震系统的水平单道测量的 CO₂ 色散干涉仪，用以测量等离子体的弦积分电子密度，并且与 HCN 干涉仪结果作对比，证明了 CO₂色散干涉仪的可行性。

等离子体物理

HL-2A 装置快离子 D_α诊断和模拟分析

侯玉梅, 周航宇, 陈 伟, 郝保龙, 刘 仪, 石中兵, 许 敏, 段旭如

2023, 43(2):  204-211.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302014

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介绍了 HL-2A 装置上的快离子 D_α(FIDA)诊断，并利用 FIDASIM 与 TRANSP 程序对快离子进行模 拟分析，通过分析 FIDA 谱获得了快离子在相空间的分布。对模拟结果与实验结果进行对比，分析表明模拟得到 的 FIDA 谱的演化趋势与实验吻合，验证了用 TRANSP 程序模拟的快离子分布的可靠性。

基于小波变换的 Stark 展宽算法的优化研究 

章志涛, 丁 芳, 罗 宇, 陈夏华, 叶大为, 张 青, 胡振华, 罗广南

2023, 43(2):  212-218.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302015

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为了提升Stark展宽计算等离子体电子密度的准确性，基于小波阈值去噪处理方法，对EAST氘原子光谱信号进行了处理，以信噪比(SNR)和均方根误差(RMSE)作为滤波效果的评价依据，通过对比确定了最优小波基db4，最优小波分解4层。根据噪声估计值计算适合的阈值参数进行信号重构，并将经过去噪处理后的数据应用 到后期Stark展宽算法计算等离子体密度的分析过程中。结果表明，小波硬阈值去噪能够有效提高光谱信号信噪比、 降低均方根误差，在消除光谱信号中噪声的同时，最大程度保留了有用的光谱细节特征信息，进而有利于光谱数 据的建模效果，获得更为准确的等离子体电子密度。

J-TEXT 铁芯模型欧姆放电数值模拟

张 顺, 桂 腾, 杨锦宏, 陈凯杰, 陆 野, 宋 强, 江中和, 汪卫华

2023, 43(2):  219-226.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302016

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本文采用有限元软件分析了J-TEXT 的完整铁芯模型、等离子体电流丝模型和简化中心螺线管模型的磁场特征，确定了简化中心螺线管的几何参数与电流，之后把有限长度中心通电螺线管参数加到托卡马克模拟程序 TSC 模型中，模拟 J-TEXT 的欧姆放电过程，获得了欧姆放电电流、电子温度、等离子体密度、等离子体电流，磁轴位置等参数。模拟结果与实验结果数据相符，为具有铁芯结构的托卡马克放电模拟提供了有效手段。

纯欧姆加热下托卡马克放电启动的0维数值模拟 

彭燕丽, 赵世秋, 石晓峰, 邸浩然

2023, 43(2):  227-231.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302017

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利用 0 维数值模型对国际热核实验聚变堆(ITER)的启动放电进行了模拟，给出等离子体密度、等离子体电流、电子温度等参量随时间的演化，并给出电子和离子能量损失的变化。通过分析等离子体参量变化，发现对于特定的环电压，初始放电气压存在上限值，并且分析了启动过程中能量损失机制。在气体完全电离后，电子的平衡损失和输运损失占主导作用。

CFETR 上高能量粒子输运初步模拟研究

杨文军, 龚学余, 高 翔, 李小娥

2023, 43(2):  232-237.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302018

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为了研究 CFETR 上高能量粒子的行为，利用输运代码 ONETWO 模拟研究了聚变反应和高能量粒 子的输运现象。在无中性束注入(NBI)条件下，高能量 α 粒子的密度是随时间逐渐减少的。在考虑 NBI 以后，α 粒子密度有着较明显的下降。在束离子能量增加而 NBI 功率不变的情况下，α 粒子密度除了在等离子体中心区域 有一定的下降外，在其他区域几乎没有变化。在 NBI 功率增加而束离子能量不变的情况下，α 粒子密度在等离子 体中心区域有着明显的下降。

分段式电子回旋波驱动电流对早期新经典撕裂模的抑制

杨 振, 吴 斌, 陈玉庆

2023, 43(2):  238-242.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302019

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新经典撕裂模的产生会严重影响托卡马克装置的约束性能，而且在高参数运行状态下的所有装置中该不稳定性不可避免。新经典撕裂模的抑制工作对于聚变装置至关重要，电子回旋波驱动电流(ECCD)是目前抑制新经典撕裂模的主要手段之一。用数值模拟的方法研究了在新经典撕裂模发展的早期加入ECCD后，对新经典撕裂模发展的影响。通过数值模拟发现较小份额的连续ECCD可以减小新经典撕裂模早期的增长速度，同时可以提高再次加入电子回旋波驱动电流抑制处于增长期的新经典撕裂模的效率。

CFETR 稳态运行模式的 0.5 维集成模拟及其杂质粒子比例影响的分析 

王 俊, 王占辉, 史永福, 李景春

2023, 43(2):  243-248.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202302020

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采用快速集成模拟软件 METIS 完成了 CFETR 1GW 稳态反剪切运行模式的设计。该反剪切运行模 式由 40MW 离轴电子回旋电流驱动(ECCD)与 60MW 的离轴中性束电流驱动(NBCD)所实现，获得了稳定的安全 因子剖面，其在 ρ=0.52 处具有最小安全因子 q_min=3.1，从而可避免危险的 m/n=2/1、3/2、5/3 的新经典撕裂模(NTM)。 此外，本文还分析了 Ar 杂质粒子的含量对此稳态反剪切模式约束性能的影响。