当期目录

2025年 第45卷 第2期    刊出日期：2025-06-15

上一期   

核聚变工程

中国环流三号等离子体控制和运行的进展

李 波, 张均钊, 陈逸航, 刘攀乐, 孙 江, 杨宗谕, 李 达, 陈 翔, 马 瑞, 朱晓博, 夏 凡, 周 建, HL-实验团队

2025, 45(2):  125-134.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502001

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中国环流三号自2020年建成投入运行以来，已经取得多项重要科研进展，其等离子体控制和运行水平已经得到明显提升。重点介绍了中国环流三号近年在等离子体控制和运行方面取得的进展。随着运行经验的积累，中国环流三号已经通过纯欧姆感应驱动将等离子体电流从2020年首次放电的~0.1 MA提升至1.5 MA以上，成功实现了由圆截面孔栏位形向大形变单零位形，以及雪花、鼎型等多种先进偏滤器位形的过渡。研发了大电流软着陆、破裂预测、破裂缓解等专用控制算法，有效减少了等离子体大破裂次数，从而保障了装置的安全高效稳定运行。

HL-3装置真空室烘烤时的热应力分析及安全评估

秦紫薇, 冉 红, 唐 乐, 侯吉来, 黄运聪

2025, 45(2):  135-141.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502002

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为了满足等离子体放电需求，实验运行前需要对真空室进行烘烤。目前HL-3装置真空室烘烤温度已达175℃，未来实验温度将逐步提升。为保证装置安全运行，在高温烘烤下对于真空室壳体和支撑结构的应力和形变情况的预分析是必要的。HL-3装置真空室支撑采用滑动支撑耳轴结构，耳轴滑动受限将影响真空室的安全。利用有限元分析软件ANSYS分析了300℃烘烤下支撑耳轴正常与非正常滑动工况下真空室的应力和变形情况。结果显示，当耳轴滑动受限时，真空室上会有严重的应力集中，危害结构安全。要保证真空室处于安全状态，耳轴必须滑动足够的位移量，在300℃烘烤下，应保证耳轴位移值不小于7 mm。这为烘烤实验提供了风险预警，对未来更高温度下的烘烤实验具有指导意义。

Ta含量对高能量速率锻造的W-Ta合金力学性能的影响

陈 潇, 封 范, 王建豹, 练友运, 刘 翔

2025, 45(2):  142-148.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502003

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通过高能球磨制粉、氢气保护烧结和高能量速率锻造(HERF)制备了Ta含量为0.2~1.0 wt.%的W-Ta合金块体。采用电子背散射衍射(EBSD)和扫描电子显微镜(SEM)对材料的微观组织进行了分析，利用维氏硬度计和万能拉伸试验机对材料的硬度和拉伸性能进行了测试。结果表明，通过高能量速率锻造获得了接近全致密的W-Ta块体合金材料，在锻造面呈现明显的<100>和<111>择优取向；随着Ta含量的增加，晶粒尺寸明显细化，材料的硬度和抗拉强度则呈增加趋势；高能量速率锻造的W-Ta合金在300℃时表现出明显的拉伸韧性，其中W-0.5 wt.% Ta具有最优的综合力学性能，在300℃时抗拉强度达到900 MPa，应变接近19%。

CFETR排灰气处理系统钯膜分离器的参数敏感性分析

吴宜辉, 崔世杰, 郑善良, 刘松林

2025, 45(2):  149-155.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502004

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由于不同氢同位素在钯膜上的渗透率存在差异，初步讨论了利用这一特性对氚燃料进行富集的理论可行性。基于中国工程物理研究院针对中国聚变工程试验堆(CFETR)托卡马克排灰气处理(TEP)系统设计的钯膜分离器，构建了多节点钯膜数学模型，对不同进气氘氚比例、进气侧压力、氦灰和其它杂质气体含量以及进气侧流量等参数开展了敏感性分析，详细研究了其对钯膜氚处理能力的影响。结果表明，通过合理的控制进气侧流量与压力，钯膜分离器能够用于调整排灰气中的氘氚比例，达到富集氚燃料的效果。

钨层厚度对EAST下偏滤器外水平靶板热损伤影响的仿真分析

齐坤宇, 曹 磊, 姚达毛

2025, 45(2):  156-161.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502005

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基于COMSOL Mulitiphsics平台，用有限元法对在高热负荷工况下EAST下偏滤器钨铜平板结构进行了稳态热应力/应变仿真以及循环热负载下的塑性应变累积的分析。研究发现，在循环热负载过程中，相比钨和铬锆铜合金，铜过渡层会发生更快、程度更深的累积塑性应变，并在界面处与其他金属形成累积应变差异，严重时将导致界面脱粘；钨层厚度明显影响钨-铜界面的应力峰值和铜-铬锆铜界面寿命，在钨层厚度设计时应综合考虑平板结构各个部件的尺寸的影响以尽可能延长偏滤器使用寿命。

CFETR ICRH射频真空窗的射频分析

龙嘘云, 毛玉周, 袁 帅, 秦成明, 张新军, 王永胜

2025, 45(2):  162-168.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502006

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为了满足未来聚变装置高功率、长脉冲、稳态运行的需求，精心设计了双屏障结构的射频真空窗口。这种真空窗由99.5%纯氧化铝陶瓷组成，其不锈钢内导体和外导体表面镀铜。用有限元方法深入分析了尺寸变化对真空窗口S参数的影响，在指定的工作频率范围内S₁₁小于‒87 dB。通过弯曲的方法实现了陶瓷倾斜角度的优化，有效降低了其表面电场分量。使用电晕环结构精心重建了局部电场分布。分析了在峰值电压45 kV下真空窗的电场分布，其最大电场保持在2 kV·mm^‒1以下。在稳定工作状态、全反射状态和极限状态三种不同的工作条件下，射频功率损耗分别为643.24 W、1286.49 W和5210.28 W。

多工况下CFETR超导平台背场线圈预紧系统力学性能研究

赵海阔, 许爱华, 韩厚祥, 李晨阳, 汪献伟

2025, 45(2):  169-175.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502007

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背场线圈作为CFETR超导测试平台中重要组成部分，为超导线圈的性能及稳定性测试提供了恒定的磁场环境。然而背场线圈在运行过程中受到重力、预紧力、热应力、电磁力等多种载荷的作用，因此必须通过预紧系统来确保其整体性和稳定性。为了验证预紧系统在多工况下的可靠性，基于均匀化理论，通过仿真模拟对预紧系统在独立预紧、整体组装、整体降温、线圈励磁4种工况下的力学性能进行分析，并采用ASME标准对不同部件的应力进行评定。评定结果表明，各预紧部件的应力峰值均低于应力阈值，并有足够的安全裕度，该分析将为后续背场线圈的优化设计以及加工制造提供理论参考。

高能量速率锻造的纯W的组织与性能研究

石业政, 王英敏, 羌建兵, 魏明玉, 赵婉彤, 王子杰, 赵晨曦, 任颂家, 练友运, 封 范, 王建豹, 刘 翔

2025, 45(2):  176-182.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502008

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纯钨(W)的低温脆性限制了其加工和使用。报道一种高能量速率锻造(HERF)的纯W，该材料兼具低温拉伸塑性与高强度。通过高能球磨制备纯W粉末，采用热压烧结制备烧结块体，随后在1550℃下对烧结坯进行HERF加工，制造了两批样品，其塑性变形量分别为57%和84%。分析测试了HERF-W的微观组织、密度、硬度、力学性能和热冲击性能。经HERF处理后，烧结W致密度由96%升至接近全致密(>99%)，样品晶粒呈薄饼状，沿锻造方向形成强的(111)织构。烧结W和HERF-W样品硬度分别为314 HV和480 HV。HERF-W在150°C时出现11%~14%的拉伸塑变；200℃时抗拉强度>1 GPa，拉伸塑变>12.5%，显著优于工业纯W和部分弥散强化W合金。利用60 kW电子束材料测试平台(EMS-60)在室温下对烧结W和HERF-W进行了瞬态热冲击性能的实验评估，高热负荷加载参数为加速电压120 kV，扫描面积4 mm´4 mm , 脉冲宽度1 ms和100次脉冲循环。烧结W的裂纹阈值为220 MW·m^‒2，而HERF-W(84%)裂纹阈值达到330 MW·m^‒2。

T管氦冷偏滤器单元热工水力优化分析

胡华枫, 栗再新, 赵 周, 王小勇

2025, 45(2):  183-190.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502009

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目前聚变堆设计中采用的T管氦冷偏滤器存在着钨瓦温度分布不均、局部区域出现材料超温等问题，为保证偏滤器的安全性与经济性，利用ANSYS-CFX软件对初始T管氦冷偏滤器单元模型进行热工水力分析，得到偏滤器单元各结构的温度分布以及冷却剂氦气的流速分布。通过对模型出口位置、壁面粗糙度以及冷却剂流量的优化，一方面优化氦气流速，降低压降以及提高结构温度均匀性，另一方面提高偏滤器单元的热交换效率，降低偏滤器单元最高温度，从而优化T管氦冷偏滤器单元的热工水力结果。

磁约束核聚变装置无主动冷却限制器的结构设计与传热分析

张 思, 姚达毛, 曹 磊

2025, 45(2):  191-196.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502010

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为HH70装置设计了一种无水冷结构的固定限制器，主要部件是石墨瓦组件和底座，石墨瓦组件通过内六角螺栓和蝶形垫片安装到底座上。基于COMSOL多物理仿真软件对HH70固定限制器进行瞬态传热分析和热应力分析。计算结果表明，在固定限制器的热负荷为1 MW·m^‒2、1.5 MW·m^‒2和2 MW·m^‒2，加载时间分别为19 s、12 s和9 s的工况下，其各部件材料的温度和应力均在允许范围内。这证明所设计的固定限制器的结构满足HH70装置短脉冲运行的需求，而且为装置其他高热负荷部件的设计提供了有益的参考。

气动磁镜实验装置ALIANCE-T ICRH天线的初步设计

张克卿, 曾秋孙, 郁 杰

2025, 45(2):  197-204.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502011

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介绍了气动磁镜实验装置(ALIANCE-T)的离子回旋共振加热(ICRH)系统天线的初步设计方案。目的是进一步提高等离子体参数和约束；采用了有限元分析软件COMSOL计算磁场分布，并据此确定ICRH慢波加热天线的共振频率和发射位置；通过HFSS天线仿真得到天线本身的阻抗，并结合数值计算得到等离子体的阻抗，从而设计相应的匹配电路。ICRH天线初步设计将为ALIANCE-T辅助加热提供合理的方案建议。

高热负荷下托卡马克装置包层第一壁不同连接的结构分析与评估

周远航, 刘素梅

2025, 45(2):  205-211.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502012

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基于简化的第一壁(FW)模型，采用有限元方法在相同的边界条件和热载荷下得到了第一壁两种连接方案的温度分布，在温度场分析结果的基础上开展第一壁连接结构的弹性分析和弹塑性分析，评估了第一壁两种结构的力学性能。通过分析可知：第一壁采用焊接连接形式方案时，具有较好的换热效果，在相同热载荷作用下，铠甲温度相对较小。但结构分析结果表明，钨铠甲结构应力较大且第一壁流道结构设计裕量较小；第一壁采用螺栓连接形式方案时具有方便铠甲维修的优点，但换热能力相对较差，螺栓设计裕量较小，可能会出现裂纹甚至断裂。因此，在确定第一壁方案时，可根据装置的运行条件和维护要求，选择适合的第一壁连接方案。

基于测量数据的虚拟装配技术在ITER校正场线圈装配中的应用

袁 忠, 顾永奇, 郑元阳, 王 琳, 邓 磊, 马国江

2025, 45(2):  212-219.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502013

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ITER底部校正场线圈(BCC)的预装配是继PF6/PF5线圈预装配后，ITER总装现场又一个大型磁体线圈装配的关键里程碑。由于BCC将预装在PF6和馈线环之间，装配间隙狭小，以及其自身形状的不规则性和装配精度要求高等因素，导致BCC的吊装定位成为施工难点。因而发展了基于准直测量数据的虚拟装配技术。根据ITER预装大厅内已安装部件的空间位置测量数据、基准分布和通视条件，利用BCC交付时的轮廓测量数据，对线圈及支撑进行虚拟分析和位置调整，优化吊装路径，模拟分析吊装测量过程，并合理规划装配间隙，以保证线圈的吊装安全和准确定位。6个BCC的成功预装，验证了基于测量数据的虚拟装配技术的可行性。

等离子体物理

HL-3装置偏滤器区域原子反应分布及其演化行为的研究

马会聪, 高金明, 才来中, 何宗钰慧, 杜海龙, 王德真

2025, 45(2):  220-226.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502014

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在中国环流三号(HL-3)装置上发展了一套偏滤器原子反应实时诊断系统，能够给出偏滤器区域复合反应和电离反应的主导区域和速率的空间分布，并对HL-3装置放电过程中偏滤器区域的原子反应特性进行了分析和研究。实验研究结果表明，在高再循环状态下，偏滤器区域最后封闭磁面附近原子反应由电离反应占主导，复合反应的主导区域和从电离反应到复合反应过渡的主导区域和复合反应分布在远离最后封闭磁面的区域。线平均电子密度的增加导致电离反应的分布区域和速率增加，并且增加加热功率，D_α和D_γ谱线的辐射明显增强，电离反应的速率增加，但是复合反应速率减小。这对于后续深入理解HL-3不同先进偏滤器位形下的脱靶机制，偏滤器脱靶实时控制及热负荷稳态控制技术具有重要意义。

等离子体压强和环向旋转对电阻内扭曲模的线性增长率影响

楚家璇, 杨锦宏, 任珍珍, 肖 政, 张培杰, 邝 俊, 汪卫华

2025, 45(2):  227-234.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502015

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利用三维环形非线性磁流体代码CLT，数值研究了等离子体压强及环向旋转对电阻性内扭曲模(RIKM)线性增长率的影响。结果表明：(1) RIKM线性增长率随q=1有理面等离子体压强的增大而减小(致稳)，随该处压强梯度增大而增大(解稳)。因此，对于一般的等离子体压强剖面分布，在致稳与解稳因素共同作用下，存在一个临界比压值使得RIKM线性增长率最小。(2) 压强分布峰化度越大，临界比压越小。当压强分布峰化度较小时，临界比压消失。(3) 当等离子体比压低时，环向旋转对RIKM线性增长率抑制效果越显著，随着等离子体比压增大，环向旋转对RIKM影响降低。

全域多离子成分回旋朗道流体模型及湍流输运模拟

刘逸飞, 李继全

2025, 45(2):  235-241.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502016

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提出了一套模拟托卡马克等离子体中离子温度梯度(ITG)模的全域多离子成分回旋朗道流体模型，并发展了适用于在全域ITG湍流模拟中准确计算有限拉莫尔半径效应和带状流水平的方法。扩展流体程序(ExFC)的模拟结果表明，回旋流体模型不仅能够自洽地模拟氢同位素ITG不稳定性，而且能够准确地模拟长波长区域的带状流残余流水平，ITG湍流的临界温度梯度和输运水平更接近回旋动理学模拟的结果。此外，在非线性模拟中还观测到了一种典型的具有非扩散输运特征的全域ITG湍流现象，即雪崩输运。

改进粒子群算法在CFETR氦冷回路温度控制中的应用

徐婧寒, 王晓宇, 王 芬, 颜永江

2025, 45(2):  242-248.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202502017

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氦冷固态包层热工测试平台容量大、运行参数高，加热器调节试验段入口温度呈现出非线性和强惯性的动态特点，控制难度大。为保证系统安全与加热效率，要求在加热阶段匀速升温，当稳定运行出现外界扰动时，温度能够迅速恢复到设定温度。针对2个阶段不同的控制要求，分别给出了控制方案。在升温阶段采用分段设置PID控制目标值的方法实现试验段入口温度匀速上升；在稳定运行抑制扰动环节，使用了基于改进粒子群算法优化模糊PID控制的方法，该方法利用改进粒子群算法搜索寻优，优化模糊PID控制器性能，达到理想控制效果。仿真结果表明，与传统PID控制相比，该方法自适应强，几乎消除超调量，具有更快的调节时间与更强的抗干扰性。