当期目录

2023年 第43卷 第3期    刊出日期：2023-09-15

上一期   

核聚变工程

ITER稳态磁场测试装置磁体电源设计与控制研究

黄海宏, 陶宏亮, 王海欣

2023, 43(3):  249-254.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303001

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ITER 稳态磁场测试装置可产生特定的磁场条件，从而对进入 ITER 项目现场的实验设备进行稳态磁场合格测试。磁体电源是一关键部件，为稳态磁体提供高精度稳定大电流。介绍了13.5kA 稳态磁体电源基本拓扑结构。为提升电源效率，引入同步整流工作方式，提出了双电流闭环控制策略，配合载波移相调制方式，减小负载电流纹波，保证各支路间均流效果良好，使输出稳态磁体电流精度控制在 0.5%以内。通过仿真和实验结果证 明了该稳态磁体电源系统设计的合理性。

CRAFT超导磁体电源控制策略设计

黄荣林, 傅 鹏, 黄连生, 许留伟, 高 格, 何诗英

2023, 43(3):  255-262.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303002

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聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)的超导磁体是大惯性负载，其测试电流达到 120kA。超导磁体电源需要并联运行输出功率，在电流反馈控制模式，输出电压快速变化和变流器之间的负荷分配是很大的问题。针对输出电压快速变化问题，设计了基于神经元的 PID 参数自适应的控制方法，减小了系统的超调量；针对变流器并联运行的负荷分配问题，在研究变流器环电流特性的基础上，设计了基于虚拟环流阻抗的均流控制策略，保证了变流器之间负荷的平均分配。最后通过仿真和实验验证了设计方法的可行性。 

射频负离子源 200kV 高压平台磁缓冲器系统中磁芯的性能测试和分析

于 祺, 李 明, 赵 淼, 张余弦, 张贤明, 雷光玖

2023, 43(3):  263-269.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303003

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在射频负离子源 200kV 高压平台磁缓冲器系统设计中，首次通过旁路电阻的方式，解决了系统运 行时次级直流偏置电路中电阻的过热问题。分析了磁缓冲器系统在高压电源启动阶段(工况 1)和负离子源运行阶 段电极间打火时(工况 2)的主要工作频率。在工况 1 对应的工作频率下，测试了磁缓冲器核心部件铁基纳米晶软 磁合金(FINEMET)磁芯的 B-H 曲线，得出加入直流偏置后的振幅磁导率与无直流偏置时相比，下降了 60%(200Hz)~80%(100Hz)。在工况 2 对应的主要频率下，测试了磁芯的复数起始磁导率并进行了储能耗能分析。 在 25~525kHz 频率范围内，测得了磁芯的磁谱以及品质因数随频率变化的曲线，得出随着频率的增加，磁芯单位 耗能下的储能逐渐减小；当频率达到 100kHz 以上后，磁芯的能量存储与耗散状态趋于稳定。

托卡马克遥操作重载机械臂旋转关节工程研究

白晓伟, 姚达毛

2023, 43(3):  270-276.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303004

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面向国际热核聚变实验堆(ITER)托卡马克装置内部遥操作维护的需求，为破解遥操作系统中多功能重载机械臂系统研发风险大的困境，选取了多功能重载机械臂受力最为苛刻的旋转关节作为研究对象，提出了面向核环境的旋转关节工程设计方案。该方案设计了一种可承受大扭矩和冲击载荷的关节传动链，提出了可承载大弯矩和剪切力的旋转关节末端补偿支撑方案，给出了一种在有限空间内使用的特定旋转角度的线缆拖链概念方案。

接触热阻对水冷辉光放电电极温度分布影响的数值模拟

郝 郁, 李 伟, 王明旭, 李 波

2023, 43(3):  277-282.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303005

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为了研究接触热阻对陶瓷绝缘水冷辉光放电电极温度及其分布的影响，利用计算流体动力学软件 ANSYS CFX，模拟了电极表面温度、温差随氮化铝陶瓷与两侧铜导体之间接触热阻的变化。模拟结果表明：随着接触热阻的增大，氮化铝陶瓷与铜接触界面的温度跳变幅度增大，辉光放电电极整体温度上升，并且辉光放电电极表面的最高温度和最大温差均随之呈现指数上升的变化趋势。

偏滤器穿管型结构材料的高温可靠性试验分析

陈先锋, 覃世军, 汪青峰, 曹 金, 卯 鑫, 刘 鹏, 冯 星

2023, 43(3):  283-289.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303006

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中国聚变工程实验堆(CFETR)偏滤器材料采用穿管型结构，由最外层钨、铜中间层、铬锆铜(CuCrZr ) 或低活化马氏体钢(CLAM)热沉组成。探究了铜和两种热沉材料高温性能。对铜进行了高温低周疲劳试验，验证了铜夹层在不同工况下的循环寿命。对于 CuCrZr 和 CLAM 两种材料，进行了不同工况的应力松弛试验，拟合得到了松弛应力与总应变的关系式，对试验结果进行了对比。

水冷陶瓷增殖包层第一壁电子束焊接的模拟分析

张 勇, 吴杰峰, 刘松林, 雷明准, 王万景, 马建国

2023, 43(3):  290-297.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303007

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作为中国聚变工程试验堆(CFETR)的候选包层的水冷陶瓷增殖包层(WCCB)的结构材料为低活化铁素 体/马氏体钢(LAFM)，WCCB 采用电子束焊接(EBW)技术实现连接。第一壁(FW)是 WCCB 的重要组成部分，在 FW 的 EBW 过程中，有多种焊接工艺可供选择。通过有限元模拟，比较了两种不同焊接工艺(第一种为每条焊缝的第一次焊接从 FW 的同一侧开始，第二种为每条焊缝的第一次焊接从前一次焊接完成的一侧开始)下 WCCB 的等效应力和变形情况。结果表明，第一种焊接工艺下的等效应力为 1289MPa，第二种的等效应力为 1286MPa。在 焊缝表面上，第一种焊接工艺下沿焊缝的和垂直焊缝的变形量大于第二种下对应的变形量，这为 FW 焊接工艺的 确定、工装设计等提供了有利依据。

基于混合式开关的超导磁体失超保护系统仿真研究 

廖 超, 彭建飞, 王英翘, 李华俊, 李维斌

2023, 43(3):  298-305.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303008

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设计了一种基于混合式开关的新型失超保护电路。该电路采用二极管桥与 IGBT 组合实现电流双向流动，减少了开关数量需求，提高了可靠性；通过调节电路中能耗电阻值实现电流快速下降，提高了耗能速度， 能更好完成超导磁体保护要求。采用等效电路的方式对失超保护过程中的多级换流和移能过程进行了分析，给出了保护动作逻辑和能耗电阻的阻值调节策略，并通过电路仿真进行了技术验证。

CICC 型 Bi-2212 超导磁体绝缘纤维预处理方法研究

孙 静, 刘志宏, 陈文革, 罗 歆, 闫朝辉

2023, 43(3):  306-311.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303009

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选择成分均为 72%γAl₂O₃+28%SiO₂ 的氧化铝纤维制品作为 Bi-2212 超导磁体绝缘纤维材料并进行空气热处理除碳。采用强度测试、SEM、TG-DSC 等测试手段，对三种氧化铝纤维制品(宽 25mm/厚 0.2mm 氧化铝纤维带 A、宽 25mm/厚 0.35mm 氧化铝纤维带 B 和 200tex/3 股/捻度 80 氧化铝纤维束 C)的热失重、纤维表面形貌、纤维强度进行分析表征。结果表明，其耐温性好，热失重过程并未发现晶相转变的吸放热峰。纤维经过空气热处理后，表面浸润剂氧化挥发，纤维裸露，无缺陷暴露，直径变化不明显，强度下降不超过 25%，绝缘性能提高。分析结果表明，通过 600℃、2h 空气热处理可以有效提高氧化铝纤维绝缘性能。

一种大功率等离子体火炬电源系统及控制策略

何 敏, 朱 超, 贾忠琪, 孟繁星, 于子泉

2023, 43(3):  312-316.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303010

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在大功率等离子体电弧系统中，采用 PWM 整流加 BUCK 斩波电路作为电源系统主电路，通过设计主电路参数与控制环，使电源在稳态运行时具有较强的抵抗负载扰动的能力。对系统进行的仿真模拟结果和实验结果均验证了所提方案的有效性。

等离子体物理

用于托卡马克磁场测量的金属霍尔探测器的研制

王 傲, 季小全, 孙腾飞, 梁绍勇, 张均钊, 崔步天, 高金明, 杨青巍

2023, 43(3):  317-323.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303011

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金属霍尔探测器被认为是未来磁约束聚变堆磁场测量的重要工具之一。介绍了金属霍尔探测器系统的研制，包括测量原理、探测器制作工艺、电子学系统研制、标定系统建设及测试结果等。采用金属铋作为霍尔材料，有源区厚度为 100nm，放大器的放大倍数为 2000~200000 倍。测试结果显示，当待测磁场在3mT以上时， 系统的测量精度优于±1%，可以达到磁探针的标定精度，能够满足托卡马克装置的磁场测量要求。

二维硬 X 射线探测器自动标定平台研究 

郑盈盈, 林士耀, 吴国斌, 赵金龙, 张继宗, 周润晖, 李 强, 曹宏睿, 袁旗平, 肖炳甲

2023, 43(3):  324-331.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303012

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结合云台构建了 EAST 装置中二维硬 X 射线诊断的自动标定平台，通过调节云台的旋转和俯仰角度自动对探测器的所有像素点进行扫描测试，同时自动控制 X 射线管的束流能量和强度，从而对探测器每个像素点强度响应的线性度、不同像素点响应的一致性、相邻像素点之间的串扰等进行测量和标定。实验结果表明，探测器 7×8 像素点对硬 X 射线均有响应，强度响应的线性度可以达到 R=0.999，初步验证了系统功能的可行性。

托卡马克混合运行模式下电子回旋波杂散辐射数值模拟

姜欣辰, 郑平卫, 龚学余, 邓 盛, 李春艳, 石梅玲, 姚少林

2023, 43(3):  332-339.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303013

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电子回旋波(EC 波)在等离子体加热与电流驱动过程中未被等离子体完全吸收时将会产生杂散辐射。 在 HL-2M 托卡马克三种混合运行模式参数条件下，利用 TORAY-GA 程序扫描 105GHz EC 波中平面发射时的环向和极向发射角，以 EC波功率吸收份额η >ηc ( ηc= 95% )作为判断能有效避免杂散辐射的标准，开展 EC 波功率吸收数值模拟。研究发现发射角是影响 EC波不完全吸收造成杂散辐射的关键因素之一。在 n_e1= 4.6× 10 ¹⁹m^{− 3}、 T_e1  = 7.41keV 、  

I _p1=1MA 和  n _e2= 5× 10 ¹⁹m^{− 3} 、 T_e2  = 6.95keV 、  I _p2=1MA 的参数条件下，能够有效避免杂散辐射的 EC 波发射角超过设计范围，在设计发射角范围内调节 EC 波发射角进行加热和电流驱动时可以忽略杂散辐射的影响。当参数为 n _e3= 6.5× 10 ¹⁹m^{− 3} 、 T _e3 = 6.62keV 、  I_p3 = 0.95MA ，设计发射角度范围中有一大部分会使得 EC 波有非常低的波功率吸收份额，需要特别注意杂散辐射。除发射角度外，电子密度是影响杂散辐射的另一个关键因素，电子温度影响非常小，可以忽略不计。

EAST等离子体电子温度涨落特征的初步实验研究

王荣良, 刘 永, 赵海林, 周天富, 提 昂, 凌必利, 朱则英

2023, 43(3):  340-346.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303014

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在 EAST 上使用相关电子回旋辐射(CECE)诊断系统观测到不同等离子体参数下的电子温度涨落特征，介绍了欧姆放电、L 模放电及无 ELM 的 H 模放电的三种现象。在欧姆密度爬升等离子体中，电子温度涨落与电子密度之间表现出很强的相关性，即存在电子温度涨落处于较高水平的电子密度的窗口。初步分析表明，电子温度涨落变化是电子密度梯度和电子温度梯度共同影响的结果。不同辅助加热下的 L 模等离子体中，电子温度涨落的频谱表现出不同的行为。由于电子回旋共振加热(ECRH)的功率有限，其对电子温度的改变很小，而中性束注入(NBI)有较高的注入功率，能够明显提升电子温度，加热方式及加热功率大小引起的电子温度变化与电子温 度涨落变化相关。在没有边缘局域模(ELM)的 H 模期间，可以观测到频率为18kHz 的准相干模，其存在于归一化半径 ρ=0.71~0.87 较宽的径向范围内。

双阳极霍尔推力器效率及推力的模拟研究

张正浩, 赵 杰, 李平川, 唐德礼

2023, 43(3):  347-351.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303015

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为确定双阳极霍尔推力器中阳极电压分布对推力器效率及推力的影响，采用PIC三维数值模拟对双阳极结构霍尔推力器的放电过程进行了模拟。基于垂直分布的双阳极结构，得到了放电后离子羽流分布以及电子在放电区域的分布。通过对放电状态的模拟，计算得到了不同工况下的推力以及效率。在双阳极结构中第二阳极 的电压增加会增大离子能量，但将影响电子约束，而过高的电压将引起电子密度减小。推力随着霍尔电流的增大而增大，但效率会随之减小，导致在提升推力的同时损失效率。

基于二维广义非线性薛定谔方程的逆级联现象

崔少燕, 郁明阳

2023, 43(3):  352-358.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303016

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在外部势场和初始空间局部有限振幅脉冲给定的情况下，基于二维广义非线性薛定谔方程i∂_tE +p _▽²E+[V (x,y )+q|E|²] E =0 ，研究了波的不稳定性随时间的演化。波的不稳定性演化主要依赖于方程里的群色散系数  p = p_r+ip _i 和非线性系数 q=  q_r+ iq _i ，数值结果发现系统会出现调制不稳定性、波坍缩、逆级联以及整个空间的湍流态。当 p = 3.5 +0.5i, q=q_r+iq_i 时，数值结果发现系统在出现部分逆级联之后波场的能量主要聚集在波矢量 k 空间中半径 |k| ≥100 的短波区域，同时形成了以区域中心为圆心，半径 |k|≈100 的圆形相对稳 定区域。当粘性阻尼系数 p _i 在[0.1,1.0] 时，数值结果发现产生逆级联的部分区域随着 p _i ( <1.1)  的不断增大而逐渐缩小，相对稳定的圆域半径从零开始逐渐增大。因此，粘性系数p _i 相当于系统中的一个调节开关，调整它在一 定范围 ( p _i ≤1 )的取值可以控制逆级联的进程与最终结果。

He⁺ 等离子体辐照下钨丝表面 He 通量分布的数值模拟

李晓萍, 张映辉

2023, 43(3):  359-365.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303017

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在 He 等离子体辐照条件下，钨纳米丝的形成对材料的抗辐照性能及钨丝间隙内 He 的分布产生显著影响。根据钨丝层中 He 离子的碰撞过程，建立了 He⁺ 辐照下钨纳米丝表面 He 通量分布的模型。研究表明钨丝表面 He 通量随着深度的增大而减小，在深度 3.3μm 处，钨丝表面 He 通量是表层的百分之一。钨丝表面 He 通量随着注入离子通量的增加呈线性增长，但是与注入离子的能量几乎无关。钨丝层厚度越大，钨丝表面 He 通量越小；随着钨丝半径的增大，钨丝表层的 He 通量会明显增大。

直流双管式电弧等离子体发生器性能研究

郭 志, 刘志敏, 王 硕

2023, 43(3):  366-372.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202303018

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利用实验手段研究了双管式电弧等离子体发生器的特性，包括旋流进气特性、伏安特性和运行热效率等，建立了基于双管式电弧等离子体发生器的数学模型。结果表明，旋流流速对电极烧蚀速率有较大影响，电弧电压降和发生器热效率随电流增加而下降，发生器热效率随气流量增大而增大。根据相似理论建立的数学模型能够准确模拟等离子体发生器的负电弧动态电阻伏安特性。以上研究可为大功率、长寿命双管式电弧等离子体发生器的开发及其在材料制备和环境保护领域的应用提供参考。