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2019年 第39卷 第3期    刊出日期：2019-09-15

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等离子体物理学

KTX 反场箍缩装置中等离子体小破裂现象研究

胡金童，李 弘*，李子超，阿迪里江，吴衍麒，王浩萱，庄 革，刘万东

2019, 39(3):  193-200.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903001

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在科大反场箍缩磁约束实验装置(KTX)实验中，观测并研究等离子体的显著位移及其带来的小破裂现象。通过分析H_α 谱线、软X 射线辐射以及磁探针数据，发现其主要特征是破裂前等离子体电流重心的缓慢外移，在小破裂后等离子体电流重心在百微秒时间迅速反向移动，重新达到稳定位形。同时，等离子体小破裂伴随着m=1 的边界磁场扰动、稳定壳上显著变化的涡流、以及H_α 谱线和软X 射线辐射的增强。通过对KTX 小破裂实验数据的分析与统计，得出回弹位移与等离子体位移成线性关系。对等离子体电流分布及稳定壳涡流，建立了唯象电路模型，得出了和实验相一致的结论，确定了稳定壳上快速变化的涡流是等离子体小破裂后回复平衡的重要因素。

ITER 偏滤器朗缪尔探针的设计与研制进展

赵 伟1，金羽中1，周红霞1，钟光武1，聂 林1，刘春佳2

2019, 39(3):  201-207.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903002

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对ITER 偏滤器朗缪尔探针进行了物理需求分析和结构设计，确定了探针离偏滤器靶板瓦表面的高度范围。通过结构设计和模拟仿真，得到了探针在稳态热负载条件下的温度场分布和应力状况，探针的最高温度低于相应的偏滤器靶板瓦最高温度，探针各个部件的应力低于材料的屈服强度。同时对探针进行了加工工艺和连接工艺的探索研发，初步确定探针体和钨屏蔽结构选用锻造钨材料，而且使用锻造钨试制了探针体和钨屏蔽结构。探针体与钨屏蔽结构之间使用氧化铝陶瓷绝缘，并使用特殊的工艺连接探针体、陶瓷和钨屏蔽结构。

2GW 功率下CFETR 中子屏蔽的初步中子学研究

李 杰1, 2，张 杰2，邱 阳1 ,2，刘常乐1，刘小刚1，高 翔1

2019, 39(3):  208-214.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903003

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在中国聚变工程实验堆(CFETR)真空室最新设计尺寸下，利用蒙特卡洛中子输运程序(MCNP)建立一维中子学模型，在2GW 的聚变功率下进行了计算。分析了中子反射材料ZrH₂ 对中子的屏蔽效果，发现200mm 的反射层可以屏蔽94.3%的中子通量和94.9%的中子核热。研究CFETR 在运行10 个满功率年(FPY)和20FPY 后，对应不同中子壁载荷的最小屏蔽包层厚度。结果显示，装置运行10FPY 后中子壁载荷在1.0MW·m⁻²、1.5MW·m⁻²、 2.5MW·m⁻² 时所对应的最小屏蔽包层厚度分别为44cm、53cm、65cm；而在装置运行20FPY 后，则需要在径向方向更厚的屏蔽包层才能满足中子屏蔽要求。屏蔽包层的尺寸优化将为目前阶段的CFETR 先进包层设计提供参考。

EAST 中快离子Dα 诊断光电检测系统的设计

刘冬梅1，骆 凡1，常加峰2，黄 娟2，熊 魁 3，周 峰 3，岳长喜 3，李智成3

2019, 39(3):  215-220.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903004

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设计了具有高时间和空间分辨率EAST 快离子D_α 的光电检测系统，它由16 路光电倍增管(PMT)和电流放大器(采用蓝宝石材料代替传统印刷板电路)构成。为了使快离子D_α (FIDA)信号在中性束注入时能从其他光源的在同一光谱范围内的谱线中检测出来，系统参数设计为整体光子-电压增益5.0×10⁹、电流放大器增益10⁶V/A、-3dB 带宽500kHz。实验结果表明，该光电检测系统可以很好的检测到快离子D_α (FIDA)信号，并有助于从D_α 光的多普勒偏移光谱推断快离子特性。

晕电流作用下EAST 上偏滤器靶板的可靠性研究

张 洋1, 2, 覃世军*1，曹 磊1，陈大龙1，姚达毛1

2019, 39(3):  221-226.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903005

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通过建立晕电流峰值分布的高斯混合模型，结合靶板结构的极限状态方程，利用Monte Carlo 方法开展了晕电流作用下EAST 上偏滤器靶板的可靠性研究。研究结果表明，在晕电流作用下，EAST 上偏滤器靶板具有极高的可靠性。这一结果为EAST 上偏滤器以及CFETR 的可靠性研究提供了参考。

核聚变工程技术

HL-2A 装置MW 级中性束加热系统灯丝电源设计与仿真分析

成继东，魏会领，余珮炫，曹建勇

2019, 39(3):  227-231.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903006

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介绍了HL-2A 装置中性束加热系统阴极灯丝电源的主电路拓扑结构、控制硬件及控制时序等。运用MATLAB 仿真软件对灯丝电源主回路进行了反馈控制仿真，发现电流在1000A 左右时，纹波约为1%，而电流降低至200A 时，纹波增大，约为3%。分别去掉低位控制柜内进线端的串联交流滤波电抗器L₁ 和并联LC 谐波滤波器进行仿真，结果显示输出电流纹波明显变大，说明L₁ 和LC 除了能够吸收谐波电流减少进入电网谐波的作用外，还能够对交流调压后的斩波波形进行一定的滤波作用，使得输出波形更加平滑。

HL-2M 真空室支撑耳轴锻件的研制

侯吉来，冉 红*，唐 乐，黄运聪，曹 曾，宋斌斌

2019, 39(3):  232-237.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903007

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介绍了HL-2M 真空室支撑耳轴的整体异型锻件的制造工艺流程，从锻件本体上切取试样进行了材料检测。检测结果表明，所试制的耳轴锻件表面和芯部位置的屈服强度分别为1100MPa 和1057MPa，两位置的材料晶粒度等级都达到4 级，各项力学性能指标均满足设计要求。

过渡层厚度对Be/CuCrZr 热等静压连接性能影响

韦郑兴1，谌继明1，王平怀1，羌建兵2，陈艳宇1，李 前1

2019, 39(3):  238-242.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903008

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在铍上用物理气相沉积(PVD)镀上10μmTi 和10μmCu，再添加不同厚度的(分别为0.00mm、0.25mm、 0.50mm、0.75mm、1.00mm)无氧铜作为中间过渡层，与CuCrZr/316L(N)复合板基座铜合金侧通过热等静压连接。采用光学显微镜、扫描电镜(SEM)与电子探针(EPMA)、X 射线衍射仪(XRD)、剪切试验等方法确定了界面组织与性能。试验结果表明：各厚度无氧铜模块连接成功，界面无裂纹、空洞等缺陷，钛铜间出现三层明显的反应层，分别为CuTi₂、CuTi 以及Cu₄Ti。添加无氧铜厚度越大，剪切强度越大。

退火对钛/铜热等静压扩散连接界面的影响

陈艳宇1，王平怀1，王英敏2，谌继明1，吴继红1

2019, 39(3):  243-248.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903009

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钛/铜(Ti/Cu)作为ITER 第一壁Be/CuCrZr 热等静压连接中间过渡层，形成了多层中间金属相结构，容易在Ti/Cu 金属相之间产生裂纹等缺陷。采用CuCrZr 代替Be，经过与Be/CuCrZr 相同的热等静压工艺，制作了多个CuCrZr/Ti/Cu/CuCrZr 连接件，对Ti/Cu 连接接头进行深入分析。对连接件分别进行未退火、400℃和500℃ 退火处理，去应力退火后对接头强度和缺陷分布的影响进行了研究。研究结果表明，中间钛层的两侧都形成了三层Ti/Cu 扩散层，分别为Cu₄Ti、CuTi 和CuTi₂。纯铜侧的Cu₄Ti 厚度比CuCrZr 侧的厚，使得裂纹几乎全部分布于铜侧的Cu₄Ti 与CuTi 交界处，拉伸样品极易在此处发生脆性断裂。随着退火温度升高，裂纹的产生和扩展减少。

基于EtherCAT 的ITER 极向场电源现场层监控系统设计

杨亚龙1, 2, 3，刘 为1, 2, 3，高 格1，洪德健2, 3

2019, 39(3):  249-255.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903010

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根据ITER 大功率极向场电源高实时性与高可靠性控制的需求，选取了具有高实时通讯性能的工业以太网现场总线EtherCAT(以太网控制自动化技术)设计ITER 极向场电源现场层监控系统。依据ITER 极向场电源装置体积大、分布较为分散的特点，为保障高可靠性的数据传输，对比了可构成的两种EtherCAT 环网冗余拓扑的可靠性，选取从站单元中最末端从站是将E-BUS 转换为100BASE-TX/FX 的拓展模块的可靠性较高的环网冗余拓扑来设计极向场电源现场层监控系统的拓扑结构。使用了组态软件TwinCAT(基于Windows 的控制和自动化技术)对系统进行配置，同时绘制了具有可直观显示并控制现场信号等功能的HMI 界面。经测试，该系统可实现对现场层数百路模拟与数字量信号的实时监控，满足了ITER 极向场电源的高实时性与可靠性的控制需求。

基于参数化模型的内冷屏设计优化流程的开发

朱紫阳1，叶民友1，毛世峰*1，刘旭峰2

2019, 39(3):  256-264.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903011

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在中国聚变工程实验堆(CFETR)集成设计平台(CIDP)的设计框架中，基于参数化模型开发了能够高效开展内冷屏设计优化的工作流程。通过OPTIMUS 软件驱动CATIA、ANSYS 等CAD/CAE 软件进行自动建模及有限元分析，利用响应面模型、敏感度分析等方法确定与优化目标关系密切的参数，该流程根据内冷屏的参数化模型的几何参数驱动优化流程得到满足设计判据的优化设计参数。在应用示例中，考虑到等离子体破裂工况下冷屏的安全运行要求，在电磁-结构分析得到的应力满足设计判据的前提下，通过优化几何参数使内冷屏的质量最小，从而降低建造成本、提高经济性。

聚变堆偏滤器过冷水流动沸腾强化换热性能研究

刘萍，王彭通，丁文龙，罗晨珲

2019, 39(3):  265-269.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903012

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选择欧拉多相流模型和非平衡沸腾模型，用Fluent 软件对单边受热竖直向上平滑管进行了过冷流动沸腾换热的数值分析。研究了不同质量流速、进口温度和热流密度对对流换热系数和空泡份额的影响，并分析了它们对传热恶化的影响。

大动态范围数控弧光探测器的研制

周显明，卢 波

2019, 39(3):  270-275.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903013

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针对HL-2A/M 高功率微波加热系统微波窗口真空侧对弧光探测的要求，基于三级放大电路和微控制器技术，完成电路设计，研制了新型弧光探测器。增益8 挡数字可调，保护阈值以20mV 的精度0~5V 数字可调，具有远程操作和数字显示功能。在不同增益和保护阈值条件下，实验测得其响应时间最大为2.56μs，能在复杂电磁环境和不同强度干扰光的条件下稳定工作，满足系统要求。

核用结构材料SIMP 钢低活化特性的分析与比较

李 夏1, 2，刘松林1，张小康1, 2，严 伟3，王志光4

2019, 39(3):  276-281.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903014

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在中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷陶瓷增殖(WCCB)包层的设计条件下，对水冷包层应用SIMP 钢，使用蒙特卡罗中子输运程序MCNP 与欧洲研制的材料活化计算程序FISPACT 耦合计算，分析了SIMP 钢结构材料的放射性比活度、衰变热、接触剂量率和辐照损伤等。通过与EUROFER-97、F82H 等多种低活化钢的对比发现，SIMP 钢在多个活化结果上达到国际上认可的低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)的低活化特性。因此，SIMP 钢可作为未来聚变堆包层的候选结构材料。

等离子体应用

均匀电荷密度下的磁绝缘理论研究

印茂伟，孙 元，韦家军，张雨亭，李玉琳，廖 鹏

2019, 39(3):  282-288.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.201903015

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在平行板磁绝缘传输线中均匀电荷密度下，分别对压力平衡下的修正层流模型和非压力平衡和非层流模型进行了求解，比较了两种理论模型下的结果。分析表明：相对于非层流模型而言，层流模型因未考虑径向速度，其电荷密度偏低，阳极电场、阳极磁场及阳极电流都偏大。此外，粒子模拟结果显示非层流模型具有更高的精度。最后，对压力平衡条件、均匀电荷密度下的层流以及非层流模型，从平行板理论推广到一般构型。