核聚变与等离子体物理

卢勇, 蔡立君, 刘健, 许婕, 栗再新, 刘晓龙, 赵周, HL- 第一壁团队

2025, 45(4): 373-380. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504001

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随着 HL-3 装置的运行参数逐渐提升，第一壁结构需承受的热负荷也逐渐增加，尤其是 NBI 穿透等离子体后的残余功率直接打击的第一壁，其区域的平均热负荷将达到 1 MW·m^-2 以上，持续时间 5 s。基于热传导和对流换热方程，利用正交试验方法对高热负荷区影响传热性能的第一壁的石墨厚度、热沉板厚度、流道直径以及界面接触热阻等关键传热结构设计变量进行了数值计算和参数优化研究。结果表明，对于 HL-3 装置脉冲等离子体运行来说，上述 4 个参数均与第一壁表面温度呈负相关。同时，石墨厚度变量对碳基第一壁传热结构性能影响最大，其次是石墨与热沉板间的界面接触传热系数变量，而热沉板 316L 厚度与管道冷却直径对它的影响较小。

聚变堆中子通量测量电子学系统研制

魏凌峰, 赵丽, 袁国梁, 杨青巍, 刘子豪, 朱人杰, 温昕澄

2025, 45(4): 381-387. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504002

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针对在国际热核聚变实验堆(ITER)运行参数下的聚变堆中子通量测量，设计并研制了一套具备一定耐辐照能力的宽量程中子通量监测(NFM)系统。该系统采用裂变室对聚变中子进行探测，后端电子设备主要由前置放大器、信号处理单元、高稳定性程控电源和温度监测单元等组成。目前，NFM 系统电子学原型部件已完成研制，完成了信号调理、鉴别、采样和处理的全链路调试。在 HL-2A 装置上对该系统的验证实验结果与预期的一致，表明该系统满足设计要求。

用于兆瓦级回旋管的金刚石窗片的研制

李义锋, 姜龙, 安晓明, 葛新岗, 张雅淋, 仝婷婷, 张平伟, 刘晓晨, 唐伟忠, 郭辉, 孙振路

2025, 45(4): 388-395. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504003

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采用微波等离子体化学气相沉积对兆瓦级回旋管用金刚石微波窗片进行了研制。对影响金刚石窗口性能的耐压强度、热导率、热膨胀系数、介电损耗正切等关键参数进行了表征。实验结果表明，厚度 1 mm、通径 92 mm 的金刚石窗片可承受约 0.47 MPa 的压强；金刚石室温热导率达到 20.1 W·cm⁻¹·℃⁻¹；0.95 mm 厚金刚石窗片介电损耗正切低至 2.7×10⁻⁶。合成了 1.8 mm 厚低微波损耗金刚石窗片并应用于 140/105 GHz 双频回旋管中，在 140 GHz 频率下回旋管实现了 850 kW 的稳定功率输出，窗片损耗约 0.11%；在 105 GHz 频率下实现了 760 kW 的稳定功率输出，窗片损耗约 0.15%。实验数据计算结果表明，研制的 1.8 mm 厚、tanδ=3.8×10⁻⁵ 的金刚石窗片可满足 1.5 MW 长脉冲回旋管的应用需求。

EAST 鱼尾偏滤器线圈电源频率反馈控制策略的优化研究

周宇, 孙浩章, 郭斐, 黄懿赟

2025, 45(4): 396-403. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504004

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EAST 装置中鱼尾偏滤器磁体线圈电源采用多频率谐振技术方案以实现 3.5 kHz/5000 A 的正弦电流输出。而在实验中，环境磁场的变化会引起鱼尾偏滤器负载磁体的电流趋肤效应的变化，从而引起谐振网络频率的偏移和谐振电流的衰减。为了保证谐振电流的输出幅值，采用了基于谐振频率辨识的反馈控制策略。由于高频工作点的谐振品质因数 Q 要大于低频工作点，高频点谐振频率偏移引起的电流幅值衰减远大于低频点。当工作点频率值增加时，采用固定扫描间隔和扫描次数的谐振频率辨识控制导致的谐振电流误差会大大增加。因此，为了提高输出电流反馈控制精度，提出了一种基于多种间隔的频率扫描策略。根据工作点的频率高低，该控制策略优化了频率反馈范围和频率反馈间隔，可以有效提高反馈控制精度。通过建模和仿真，验证了该频率反馈优化控制策略的效果。

强磁场紧凑型托卡马克垂直位移放电模拟与真空室电磁载荷分析

陈凯杰, 杨锦宏, 席绪尧, 汪卫华

2025, 45(4): 404-410. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504005

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强磁场紧凑型托卡马克(HFCT)具有尺寸小、磁场强、聚变增益高等优点，然而 HFCT 等离子体电流和外场线圈电流较大，在放电破裂期间等离子体电流快速溃灭，导致真空室电磁载荷增大。参照 SPARC 托卡马克装置物理和工程设计，利用 TSC 程序对 HFCT 垂直位移事件(VDE)中进行放电模拟，并将 TSC 中外部线圈电流、等离子体电流等源项导入到HFCT 的 ANSYS 三维模型中，基于有限元模型进行电磁载荷分析。HFCT 真空室最大磁场为 20.5 T，真空室模块最大涡流为 349 MA·m⁻²；节点最大电磁力为54.231kN；最大第一应力为 673 MPa，小于 Inconel718 材料许用应力 800 MPa，工程设计满足物理需求，分析结果可为强磁场紧凑型托卡马克装置的物理和工程设计提供参考。

平板型偏滤器靶板模块在 20 MW·m⁻²高热负荷作用下的数值模拟研究

牟南瑜, 冯明驰, 林倩倩, 郑太雄, 姚达毛

2025, 45(4): 411-417. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504006

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偏滤器作为磁约束核聚变堆的关键部件之一，必须承受高循环的热、机械载荷以及中子辐照，这将对其寿命产生巨大的影响，进而影响聚变堆的实际运行安全。选择较适合聚变堆环境的平板型 KW/ODS-Cu/RAFM 偏滤器模块，在 20MW·m⁻² 高热负荷作用下对其进行了结构、传热和热疲劳分析，得到了该偏滤器模块的温度以及应力应变分布，并根据Manson-Coffin 公式计算出该模块的热疲劳寿命。模拟结果表明，在 20 MW·m⁻²高热负荷和对应的冷却条件下，该平板型偏滤器的结构、传热性能和抗热疲劳性能均满足设计要求，可为聚变堆后续研究提供数据参考和经验支持。

基于直接 CAD 技术的蒙特卡罗粒子输运几何算法研究

刘泽康, 尤鹏飞, 崔威杰, 栗再新

2025, 45(4): 418-424. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504007

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传统蒙特卡罗输运程序多采用构造实体几何(CSG)方法建模，在应对复杂几何时，建模过程耗费大量时间和人力，因此需要寻找一种能够简化中子学建模过程的方法。基于直接在 CAD 模型上进行蒙特卡罗输运思想，对几何数据结构、粒子-实体碰撞算法以及搜索下一个实体算法等关键技术进行了研究与设计。在此基础上，开发了一套初步可用的直接法输运程序，并引入了包围盒加速算法，运算速度大幅提升。通过简单模型对几何算法进行了初步验证，并使用 cosRMC 对相同模型进行对比计算。结果表明，直接法程序的计算结果与 cosRMC 计算结果吻合良好，验证了几何算法的正确性。通过对人体模型表面中子通量计算，表明直接法还具有结果精细、展示直观、适用性广等优势。

HL-3 装置真空室支撑焊接块组件制造工艺技术

武小强, 冉红, 张党申, 荣华

2025, 45(4): 425-429. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504008

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支撑焊接块组件是中国环流三号(HL-3)装置真空室中连接相邻扇形段并承受支撑的关键受力部件。根据支撑焊接块组件双曲面及方窗口组合体的独特结构，分析了支撑焊接块组件焊接质量与形变控制、双曲面与超高真空台阶密封面机加工及支撑焊接块组件与真空室组焊等关键技术。通过设计制作工艺装备、对支撑块加工成三维曲面坡口、采取焊后加工及加工过程监测形变并及时调整内外侧加工工序等措施，攻克了支撑焊接块组件大厚度组焊技术与焊接形变控制、支撑焊接块组件双曲面与超高真空台阶密封面高质量机加及支撑焊接块组件与真空室组焊等技术难题。目前，HL-3 装置已成功放电，相关机加工及组焊工艺技术得到验证。

HL-2A 托卡马克欧姆放电下的密度运行区间统计与研究

刘延民, 龙婷, 田文静, 赵菊, 李永高, 李波, 王占辉, 陈伟, 许敏

2025, 45(4): 430-436. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504009

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基于 HL-2A 装置从 2017 年以来的欧姆放电实验数据库，对欧姆放电的密度运行区间进行了统计分析和实验研究。统计结果显示，欧姆放电密度运行区间的 Greenwald 密度分数 f_GW≡n ₀/n _G 介于 0.11 和 1.40 之间。硅化壁处理有利于密度极限的提高。密度运行区间的最高密度(~6.9×10¹⁹ m⁻³，~1.40nG)是在普通送气加料下实现的。分析了不同加料方式下的密度峰化程度，发现 4 种加料情形(无加料、普通送气、超声分子束注入、普通送气+超声分子束注入)下的密度峰化因子无显著差异，均在 2.0 左右。研究了不同电流下的等离子体约束性能随密度的变化关系，观察到了由线性欧姆约束到饱和欧姆约束的转换现象、以及在转换过程中的密度峰化程度提升。

HL-2A NBI 加热 L 模等离子体中涨落向内输运现象的实验观测与研究

王天雄, 吴捷, 兰涛, 丁卫星, 邬佳仁, 许敏, 聂林, 刘阿娣, 谢锦林, 刘万东, 钟武律, 庄革

2025, 45(4): 437-445. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504010

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通过在 HL-2A 装置低约束模等离子体边界布设朗缪尔探针阵列，精确测量等离子体密度、温度、电势等关键参数，进而计算边界涨落引起的粒子输运特性，并借助频域分解技术深入剖析了其频谱特征与输运方向转变规律。研究发现，局域极向流剪切与涨落向内输运关联性较弱，而 40 kHz 以下低频宽谱涨落在粒子向内输运中占据主导地位，其输运方向的改变受控于密度涨落与速度涨落之间的相角反相关系。依据涨落输运的时频特征演变，可将输运过程划分为 2 个阶段：在初始阶段，向外的涨落输运幅值逐渐衰减，部分频段涨落开始向内输运，两者相互作用致使输运总通量受到抑制；随着向内输运成分不断累积并最终超越向外输运成分，输运总通量转向向内，此阶段粒子约束性能得以显著提升。进一步分析表明，涨落引起的热传导通量在涨落粒子通量受抑制及转为向内的时间段内均呈现向内趋势，且其向内输运的起始时刻相较于涨落粒子通量的向内转变时刻存在明显滞后性。该研究首次观测到了环形磁约束装置上的低频宽谱涨落引起的向内输运现象，揭示了涨落输运方向转变的物理机制，为优化磁约束等离子体装置的粒子约束性能提供了关键的实验支持与指导。

HL-3 装置反三角形变位形的研究

李泽萌, 孙爱萍, 王元震, 李正吉, 王卓, 刘仪

2025, 45(4): 446-452. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504011

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利用平衡程序 EFIT 开展了 HL-3 装置具有不同拉长比(κ)和反三角形变(δ)的等离子体位形的数值模拟研究，并用GATO 程序开展了这些平衡位形的理想磁流体(MHD)的稳定性分析以及 κ 和 δ 对平衡稳定性的影响。EFIT 的模拟结果显示：在HL-3 装置现有磁场线圈条件下可以实现拉长比(κ=1.4~1.8)和反三角形变[δ=(-0.4)~(-0.7)]的兆安(MA)量级等离子体电流的平衡位形。在 GATO 的 MHD 稳定性分析中，考虑的是 n=1 扭曲模，该模对托卡马克等离子体 MHD 不稳定性有决定性的影响。分析结果表明：等离子体拉长比和三角形变明显影响 MHD 不稳定性，等离子体拉长比越大，越有利于平衡位形的稳定，而负三角形变绝对值|δ|的分析结果相反，|δ|越大越不稳定。

EAST 高环电压放电对等离子体平衡储能影响的研究

吴晓东, 高翔, 钱金平

2025, 45(4): 453-458. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504012

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EAST 托卡马克高环电压放电下的平衡反演发现包括等离子体平衡储能 W_mhd 在内多个宏观参数偏离合理区间，这可能与真空室感应涡流有关。为降低涡流对磁信号的影响从而纠正 W_mhd，构建了基于极向场(PF)线圈电流变化率的涡流分布模型。通过 EAST 装置测试放电数据首先验证涡流分布重建结果的合理性，接着对高环电压放电等离子体进行平衡反演重建，实现了等离子体平衡储能 W_mhd 和基于逆磁诊断获得的储能 W_dia 相互自洽。实验结果表明，可通过重建真空室高感应电流分布来降低其对 W_mhd 的影响。

EAST 上锂粉流量动态注入对燃料再循环影响研究

汪哲, 吴凯, 黄耀, 徐伟, 孙震, 黄明, 周之泰, 管艳红, 陈跃, 左桂忠, 胡建生

2025, 45(4): 459-466. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504013

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磁约束聚变装置等离子体放电中燃料粒子再循环的控制对于长脉冲高参数等离子体的稳定运行至关重要。为探索不同流量的锂粉注入对燃料粒子再循环的控制效果，升级了锂粉控制系统以实现单次等离子体放电中锂粉流量大小的实时主动调节。台面测试结果表明，锂粉流量与控制电压满足线性关系。在此基础上，在 EAST 装置开展了锂粉流量动态变化注入对燃料再循环的控制实验，结果表明，该系统在单次等离子体放电过程中实时改变了锂粉注入流量大小。随着锂粉流量增大，偏滤器位置中性气压及 D_ɑ 线辐射强度进一步降低，验证了锂粉注入速率的增加可以增强对燃料再循环的控制。该研究为 EAST 未来长脉冲高参数等离子体放电中燃料再循环的反馈控制实验的开展提供了支持。

托卡马克等离子体中低杂波抑制电磁迸发辐射的物理机制的研究

王柳青, 胡业民, 白书航, 刘永

2025, 45(4): 467-474. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504014

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在托卡马克等离子体中，普遍能观测到具有高能窄带特征的电子等离子体频率(ω_pe)附近的电磁迸发辐射，通常认为其与超热尾部电子引起的束流不稳定性有关。但在低杂波电流驱动(LHCD)实验中，即使存在超热电子尾部，也不能观测到电磁迸发辐射的发生，一旦关闭 LHCD，该辐射又立刻发生并被观测到。到目前为止尚无合适物理模型对这一物理现象给出合理的解释。提出了一个流体近似下的四波相互作用理论模型，即低杂波作为泵浦波与束流漂移波和低杂边频波相互作用发生参量衰变，并推导出四波相互作用的非线性色散关系。通过数值求解非线性色散关系，给出了束流不稳定性在托卡马克等离子体芯部的空间分布。数值模拟结果发现，在泵浦波功率较小的情况下，就可导致束流不稳定性增长速率随泵浦波振幅的增大而明显降低直至变为负。这表明低杂波可以有效抑制束流不稳定性，进而有效抑制 ω_pe 迸发辐射的发生，该模拟结果与实验结果相吻合。

托卡马克安全因子对锯齿模影响的数值模拟研究

肖政, 杨锦宏, 任珍珍, 楚家璇, 张培杰, 邝俊, 汪卫华

2025, 45(4): 475-482. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504015

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利用动理学-磁流体混合模型程序 M3D-K，数值模拟研究了安全因子以及电阻率对锯齿不稳定性的影响。模拟结果表明：(1) 线性增长率随 q=1 面位置的增大而减小，随 q=1 面磁剪切的增大而增大，随电阻率的增大而增大；(2) 锯齿周期随 q=1 面位置的增大而增大，随 q=1 面磁剪切的增大而减小，随电阻率的增大而减小；(3) 锯齿振幅随 q=1 面位置增大而增大，随 q=1 面磁剪切的增大先增大后减小，随电阻率的增大而增大。结果表明，若想控制锯齿振荡行为特征为高频且小幅度，可以采取减小安全因子 q=1 面位置或增大 q=1 面磁剪切的措施，以及综合考虑电阻率的影响。

射频驱动负离子源中铯输运增强的实验研究

谢炜民, 耿少飞, 周博文, 张贤明, 张余弦, 邹桂清, 章松, 黄丽萍, 赵淼, 雷光玖

2025, 45(4): 483-488. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202504016

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为了在射频驱动的负氢离子源中增强铯蒸气从铯喷嘴到等离子体电极的输运，对射频驱动的负氢离子源上的馈铯过程开展了实验研究。实验中使用单质铯作为铯蒸气来源，使用铯枪馈入至负氢离子源中。使用了光谱仪对等离子体电极附近的铯发射光谱(852 nm)强度进行监测以评估铯蒸气含量。实验中对比了负离子源的扩散腔在良好冷却条件下和充分主动加热条件下等离子体电极附近铯的发射光谱的强度，结果说明对负离子源的扩散腔进行主动加热可以大幅度增强铯的输运。对 2 种不同形式的铯喷嘴(直喷嘴和侧向喷嘴)产生的效果进行对比，发现直喷嘴难以在等离子体电极上产生沉积均匀分布的铯，而结合侧向喷嘴和扩散腔主动加热 2 种方式，可以使等离子体电极表面的铯沉积更为均匀。

《核聚变与等离子体物理》2025年第45卷总目次

2025, 45(4): 489-496.

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