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2018年 第38卷 第1期    刊出日期：2018-03-15

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等离子体物理学

HL-2A等离子体边缘极向剩余胁强的研究

龙 婷，聂 林，柯 锐，许 敏*，吴一帆，郭 栋，王占辉，袁博达，龚少博，刘 灏，HL-2A团队

2018, 2(1):  1-7.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801001

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首次报导了托卡马克等离子体边缘与湍流相关的极向剩余胁强剖面的测量结果。采用外中平面往复式静电探针阵列对HL-2A托卡马克边缘的极向湍流动量输运进行研究。在没有外部动量注入的欧姆放电下，剩余胁强为有限值、且其空间剖面在等离子体边缘具有明显的径向梯度，表明托卡马克等离子体边缘存在极向动量源。由动量源产生的动量主要以扩散形式向与剩余胁强相反的方向传播，最终的结果是等离子体边缘存在有限的雷诺胁强。在最后闭合磁面以内0.5~2cm区域，剩余胁强的梯度提供自发旋转的力矩，由该力矩引起的动量产生与由速度梯度引起的动量扩散共同导致了雷诺胁强出现负梯度，造成动量沉积，从而驱动极向平衡流。

基于紧致差分的Grad-Shafranov方程快速解法

胡金迪1, 2，肖炳甲1，罗正平1，黄 耀1

2018, 2(1):  8-14.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801002

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在等离子体平衡重建迭代计算过程中，需要快速求解Grad-Shafranov方程(G-S方程)。构造了具有四阶精度紧致差分格式的离散方程，采用离散正弦变换技术对其进行快速求解并采用CUDATM实现GPU并行加速，将其应用到EAST等离子体平衡重建PEFIT代码中，实现基于紧致差分格式的快速G-S方程求解。结果表明，在65×65的网格下，给定方程右端项电流分布的前提下，使用GPU求解G-S方程所需时间为大约34μs。

基于OpenFOAM的投影法磁流体求解器开发与验证

毛 洁1，王 浩1，刘 克2，王 盛1，Claude B Reed3

2018, 2(1):  15-20.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801003

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在开源计算流体力学C++工具包OpenFOAM环境下开发了低磁雷诺数条件下的磁流体求解器，并进行了验证。采用投影算法求解动量方程和压力泊松方程；采用非结构网格同位相容守恒算法求解电势泊松方程、感应电流和洛伦兹力；采用边界耦合方法求解流固耦合电势场。通过对均匀磁场下导电方管和导电圆管内的完全发展磁流体层流的数值模拟和解析解的对比，对求解器进行了验证。进一步对非均匀强磁场作用下导电方管和导电圆管内完全发展磁流体层流进行了数值模拟，并与ALEX实验结果进行了比较。数值解和实验结果吻合良好。所开发的求解器可用于复杂结构强磁场作用下磁流体的数值模拟研究。

剪切磁场位形下电阻壁模不稳定性的数值模拟

陈龙溪1, 2，王进芳2, 3，孙 哲1, 2，边珍珠1, 2

2018, 2(1):  21-28.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801004

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数值研究了平衡磁场位形对电阻壁模稳定性的影响。研究发现，磁场剪切对电阻壁模有解稳作用，对于不同的剪切磁场位形，最不稳定的电阻壁模的环向模数和极向模数不同。等离子流对电阻壁模的增长有抑制作用，稳定住电阻壁模的临界流速度随着磁场剪切率的增大而增大。电阻壁模经线性增长后，进入非线性演化阶段，最后达到饱和状态，剪切磁场位形下的扰动磁能比均匀磁场位形下的扰动磁能饱和度高。

辛几何算法在计算非磁化等离子体中波传播轨迹时的应用

姚 琨

2018, 2(1):  29-33.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801005

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为了在数值计算中保持哈密顿系统的辛几何结构不变，利用辛几何算法得到了在线性哈密顿系统中射线追踪方程的一般辛差分格式。通过具体算例，利用辛几何算法计算了波在非磁化等离子体中的传播轨迹，并且与传统Runge-Kutta-Fehlberg算法所得结果进行了比较。利用辛几何算法所得传播轨迹与解析解一致，其色散函数值的误差随时间线性增长，能在长时间内保持色散函数值在一个很小的误差范围内。利用传统的Runge-Kutta-Fehlberg算法所得传播轨迹与解析解不一致，其误差随时间做大幅振荡增加。计算结果表明辛几何算法在保持传播轨迹和色散函数值方面具有独特的优势。

核聚变工程技术

HL-2M装置常规偏滤器与雪花减偏滤器热工水力分析对比

黄文玉, 郑国尧, 蔡立君, 薛雷, 卢勇, 刘雨祥

2018, 2(1):  34-41.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801006

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采用SOLPS程序模拟预测HL-2M装置常规和雪花减偏滤器靶板上的热通量。当流入边缘等离子体区域的热功率约为10MW时，利用CFX/ANSYS软件分析这两类偏滤器各结构、冷却水温度分布及形变和热应力分布情况。结果表明：等离子体总功率相同，雪花减偏滤器靶板上的最高温度比常规偏滤器低169℃；雪花减偏滤器结构所承受的最大热应力和形变比常规偏滤器低约3/7。不改变热负载剖面分布，按一定比例提升热流密度或延长放电时间，雪花减偏滤器体现出比常规偏滤器靶板温升低、冷却水温均衡等优点。因此，雪花减偏滤器能处理更多流进偏滤器区域的热能，有效地降低偏滤器工程设计要求。

HL-2M装置中性束离子源束光学红外成像实验研究

周博文1，邹桂清2，曹建勇2，魏会领2，刘 鹤2，周红霞2，何 峰2，杨宪福2，罗怀宇2，潘春花2

2018, 2(1):  42-47.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801007

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为了研究HL-2M装置中性束注入(NBI)加热用的80kV/45A/5s热阴极离子源束光学特性，采用红外电荷耦合元件(CCD)成像技术，测量离子源引出粒子束轰击量热靶板产生的温度分布，得到束功率密度空间分布区间特征参数1/e半宽度。在NBI热阴极离子源调试平台上，扫描离子源的放电和引出参数，利用CCD红外热像仪获得了对应参数下量热靶上的束功率密度分布。实验结果表明，HL-2M装置NBI加热系统80kV/45A离子源可用的导流系数范围为0.7~1.5μP。同样导流系数下，梯度电极与等离子体电极的分压比较高时，引出束流的半宽度较小。

铜导体CFETR氦冷固态包层及屏蔽中子学设计与分析

赵奉超，冯开明，曹启祥，栗再新，张国书

2018, 2(1):  48-54.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801008

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根据铜导体CFETR设计要求，对铜导体CFETR固态包层和屏蔽进行了中子学设计与分析，提出了套管结构的氦冷固态包层设计方案。包层设计和屏蔽分析结果表明，基于套管的氦冷固态包层的氚增殖比(TBR)达到了1.25, 满足铜导体CFTER氚自持设计要求；环向场线圈绝缘层在堆寿期内不会出现显著的辐射感应电导率(RIC)与辐射引起的电气性能退化(RIED)效应。

电子回旋共振加热系统中全固态阳极高压电源硬件电路设计

黄 波1，黄 梅1，陈文光*2，饶 军1，冯 鲲1，康自华1

2018, 2(1):  55-62.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801008

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介绍了电子回旋共振加热(ECRH)系统中全固态阳极高压电源的硬件设计方法。阳极电源采用高频PWM和PSM控制技术相结合的方法。前级使用SG3525来控制IGBT完成高频逆变，后级由59个模块串接输出而成，通过反馈第一级模块输出电压，实现每个模块输出电压的基本稳定；后级输出电压通过DSP控制PSM模块的通断个数以及第59个模块BUCK电路的占空比，实现输出电压的叠加输出，让输出电压能在35kV内全范围调节，输出电流最大为200mA，调制频率达1kHz以上。输出波形有3种工作模式，波形前沿时间能在3ms内调节。经过在假负载及ECRH实验平台上的测试，电源性能稳定，证明该硬件设计方法可行。

ITER氦冷固态增殖剂试验包层模块中子学设计与优化

曹启祥1，赵奉超1，武兴华1，王晓宇1，冯开明1，Michael Loughlin2

2018, 2(1):  63-68.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801010

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针对ITER中国氦冷固态增殖剂试验包层模块(HCCB TBM)的概念设计方案进行了初步中子学设计和优化。在铍球床填充率从80%降为62%的情况下，通过调整TBM内部结构的材料和布置，提出了一种中子学性能更好且满足安全要求的设计方案。计算结果表明，优化后HCCB TBM的产氚率比概念设计值提高的满功率运行一天后的产氚量为0.42mg，但总核热和最大功率密度有了一定降低。

ITER极向场磁体支撑冷却系统设计、分析与优化

许婉韵，李鹏远，魏海鸿，陈 辉，张 腾

2018, 2(1):  69-73.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801011

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讨论了ITER装置极向场磁体支撑的冷却管道分布方式，择优选用了沿支撑体宽度方向的管道分布方式进行了计算与分析。选取了冷却剂的温度与压降以及支撑体的温度作为评判分析结果好坏的依据，用有限元方法得到了符合设计标准的冷却管道系统的设计方案与数值模拟结果。

ITER中子通量监测控制系统建模与设计

赵 丽，魏凌峰，袁国梁，李 勇，杨青巍

2018, 2(1):  74-81.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801012

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根据中子诊断系统测量和控制的需求分析，在Enterprise Architect平台上建立了中子通量监测系统的设计模型。按照ITER制定的仪器控制系统框架，基于用例以及延伸出的系统需求和用户需求，进行了包括信号调理、运行控制、测量计算等功能的详细分析。通过功能映射设计出等离子放电、设备维护检修以及系统验收测试等工作模式下的自动运行流程，完成了符合ITER控制、数据采集及通讯规范的软硬件架构以及与ITER中央控制系统集成的初步设计方案。

ITER 极向场线圈销轴电弧喷涂 3Cr13涂层性能研究

罗蓉蓉1，李鹏远1，孙振超1，陈 辉1，杨 琨2

2018, 2(1):  82-86.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801013

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按照ITER极向场线圈(PF)销轴的设计要求，考虑到工程制造过程中的实际需求，采用对锻造后的销轴进行电弧喷涂铁基3Cr13耐磨涂层以增加其表面硬度和耐磨性能。所制备的涂层性能优异，与基底之间的结合牢固，表面维氏显微硬度HV0.3为353MPa，比基底材料增加了23.4%，摩擦磨损性能测试表明，涂层材料在77K液氮及真空环境下耐磨性能更优，满足ITER PF销轴的要求。

实验物理与工业控制系统平台在HL-2A主机测控系统中的应用

许 婕，董方正，田培红，颉延风，唐芳群，蔡 萧，赵 丽，魏凌峰，杨青巍

2018, 2(1):  87-92.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801014

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描述了利用实验物理与工业控制系统(EPICS)平台对HL-2A主机运行参数进行的集中测控系统开发。系统采用s7nodave设备驱动模块，实现了SoftIOC与各PLC的通讯，将各子系统的PLC集成到了EPICS控制系统中。通过对关系型数据库和应用层软件CSS中数据归档及报警等组件的扩展与配置，实现OPI层与各个子系统的实时通信。测控系统成功地将HL-2A主机参数集中在EPICS平台下运行，为下一代装置的主机集中测控系统设计打下了基础。

基于实时Linux的极向场电源主控制系统的设计

何诗英，黄连生，高 格，沈 君，王广红

2018, 2(1):  93-98.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801015

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为了满足极向场电源控制系统严苛的实时响应的要求，选择实时Linux系统作为系统平台，采用一个开放源代码的、基于C/C++的Eclipse可扩展的开发平台作为开发工具，完成极向场电源主控制系统的设计，实现了在一个控制周期内(1ms)对极向场电源系统的12套本地控制器的实时通信和实时控制。对极向场电源主控制系统的高速通信和实时控制、稳定可靠等关键问题给出了可行的实践性的解决方法。经实验测试，该设计运行稳定，能满足极向场电源控制系统的实时需求。

硅酸锂球床等效导热率研究

周 冰，冯勇进，王晓宇，武兴华

2018, 2(1):  99-104.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801016

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基于计算流体力学(CFD)方法，结合国际热核实验反应堆(ITER)中实际使用的设计参数，对硅酸锂球床的传热特性进行了流固耦合传热分析，给出了多种工况下的热工水力结果。同时将用CFD得到的球床区域等效导热系数与相关实验的结果进行了比较。

射频电感耦合等离子体在横向磁场中扩散的研究

陈 浩，雷光玖，李 明，黄丽萍

2018, 2(1):  105-109.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801017

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通过轴向移动朗缪尔探针，考察了外置电磁铁提供的横向磁场对射频感应耦合等离子体(ICP)延轴向扩散过程中的电子温度、离子密度的影响。实验数据表明，与无磁场条件下的结果相比，横向磁场的加入使得扩散区内的电子温度沿轴向迅速下降，研究了横向磁场对电子的过滤作用。

第一壁材料用纳米结构氧化物弥散强化钢制备工艺及其性能研究进展

吴玉程1, 2，卫 勇1，罗来马1, 2，昝 祥1, 2，朱晓勇1, 2，罗广南3，陈俊凌3

2018, 2(1):  110-116.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801018

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近年来发展起来的纳米结构氧化物弥散强化钢(ODS钢)，因其有优异的耐高温、抗辐照及力学性能，满足聚变堆第一壁结构材料的要求。本文主要简述了纳米结构ODS钢制备工艺及其性能的研究进展。

等离子体应用

一维磁化等离子体光子晶体非互易特性研究

许志龙

2018, 2(1):  117-124.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201801019

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在理想条件下，为了研究等离子体回旋频率、等离子体频率、等离子体层厚度、周期常数和入射角在TM模式下对一维磁化等离子体光子晶体的非互易特性的影响，用利用传输矩阵法计算得到的TM波正向和反向传播的透射率来研究其非互易特性。研究结果表明，增加等离子体回旋频率和入射角度能够改善非互易特性；而一味地增加等离子体频率和等离子体层厚度将会使得非互易传播特性变得恶化；增加周期常数不能明显地改善非互易传播特性，但是通过改变外加磁场的施加方式能够改善其非互易特性。