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2020年 第40卷 第3期    刊出日期：2020-09-15

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等离子体物理学

相对标定电荷交换复合谱及束发射谱测量杂质浓度的方法研究

何小斐，余德良，刘 亮，魏彦玲， 陈文锦，钟武律，何小雪，吴 豪

2020, 40(3):  193-199.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003001

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采用数值模拟方法计算了HL-2A装置上电荷交换复合谱和束发射谱的强度，并根据两种光谱的比值得到碳和氦杂质的浓度，与初始假设对比后验证了该方法理论上的可靠性。实验上采用一台三光栅光谱仪系统，利用同一视线、同时测量了碳(CⅥ)、氦(HeⅡ)的电荷交换复合谱及中性束发射谱，首次在HL-2A装置上同步获得了C6+、He2+离子的绝对浓度剖面。该方法采用了相对强度标定而非复杂的绝对强度标定，并且避免了中性束衰减计算。

HL-2A装置中性束发射光谱 诊断系统的研制与测试

吴一帆1, 2，余 羿1, 2，柯 锐2，许 敏2，聂 林2， 吴 婷2，孙爱萍2，兰 涛1，袁博达1, 2，刘 灏1, 2， 龚少博1, 2，龙 婷2，段旭如2，叶民友1，HL-2A团队2

2020, 40(3):  200-207.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003002

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在HL-2A装置上完成了一套32通道束发射诊断系统(BES)，可对径向r=12~44cm, 极向-7.5~+7.5cm二维空间范围内的长波长()电子密度扰动信息进行测量，其时间分辨率达到0.5ms，空间分辨率1~2cm。系统由内置于真空室的非对称镜头组、传输光纤、高性能探测器模块以及辅助的冷却和真空设备构成。系统的噪声在低频时(f<100kHz)主要由散粒噪声贡献，在较高频率时由散粒噪声和e噪声共同决定。在典型的HL-2A装置放电模式中，对于200kHz以下的扰动，该系统的信噪比(SNR)均大于3。

EAST H模等离子体中离子内部输运垒特性 的初步实验研究

周艺轩1, 李颖颖2, 江 堤2, 陶 巍1, 余 羿1, 吕 波2, 叶民友*1

2020, 40(3):  208-214.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003003

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为了研究EAST上H模等离子体中离子内部输运垒(ITB)的特性，利用电荷交换复合光谱诊断，分析了离子ITB形成和稳态阶段等离子体离子温度和环向旋转速度的时空演化。结果表明，在离子ITB形成和稳定期间，ITB肩部附近(R=1.928m)的离子温度梯度增加时，ITB区域(R=1.984m)的离子温度梯度会有所降低，反之亦然。考虑到在离子ITB形成前，芯部区域不同半径位置的离子温度梯度同时增加或减小，得到了在R=1.984m处判断离子ITB是否形成的归一化离子温度梯度的阈值。

等离子体形变对边界局域模的作用研究

秦晨晨1，牟茂淋1，陈少永*1，唐昌建1，吴 娜2

2020, 40(3):  215-221.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003004

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在磁流体模拟代码BOUT++剥离气球模三场模块框架下研究了等离子体形变参数(拉长比和三角形变)对边界局域模的影响。研究表明，在线性阶段，拉长比主要作用于剥离气球模中气球模成分，抑制了环向模数较高的气球模不稳定性；而三角形变则对剥离气球模中剥离模成分和气球模成分均有抑制作用。在非线性阶段，拉长比导致边界E×B剪切率增加，迫使压强扰动的正值部分向等离子体芯部发展，导致边界局域模的能量损失增加；三角形变则导致边界E×B剪切率降低，使得压强扰动可以向等离子体边缘发展，台基向等离子体芯部的崩塌减弱，从而对边界局域模起到缓解作用。

基于EAST装置量热系统的 第一壁热负荷实验研究

庄 清1, 2，明廷凤*1，余耀伟1，刘煜锴1, 2，周 凡1, 2，龙飞飞1, 2， 杨 雷1，李沂隆1, 2，王嵎民1，刘少承1，刘海庆1，李国强1，高 翔1, 2

2020, 40(3):  222-226.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003005

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通过测量EAST装置水冷系统的出入口冷却水的温差和流量，搭建了第一壁热负荷测量系统，实现了第一壁热负荷的分布测量。实验结果表明，在上单零偏滤器位形放电实验中，该系统测量的热负荷约占总注入能量的80%，其中，接近50%的热负荷沉积在上偏滤器区域。高的加热功率会使得第一壁热负荷更快上升。通过冷却水降温曲线拟合计算得出EAST装置上钨偏滤器水冷系统的热衰减时间约为下石墨偏滤器水冷系统的十分之一。

核聚变工程技术

不同位形大破裂工况下CFETR 真空室预研件的电磁载荷分析

俞志伟1, 2，陆 坤1，葛 剑1，倪小军1

2020, 40(3):  227-232.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003006

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基于数值方法分析了中国聚变工程实验堆真空室预研件(CFETR VV mock-up)在大破裂工况(MD)下不同位形所对应的电磁参数，重点分析了不同位形运行条件下真空室上涡流和电磁力的分布及对比。结果表明，三种等离子体位形下VV电磁载荷分布情况近乎相等，各轴向分力最大值及各分段的最大值存在差异。电磁载荷的获得为进一步校核CFETR VV mock-up的局部结构强度提供了数据基础，对提高真空室的结构设计合理性和运行的安全性具有重要作用。

HL-2M上偏滤器结构初步设计 及关键制造工艺预研

黄运聪，蔡立君，袁应龙，卢 勇，刘 健，刘雨祥，郑国尧

2020, 40(3):  233-240.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003007

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在充分考虑HL-2M装置的物理目标后，将位于真空室内顶部的上偏滤器设计成“W”形的模块化结构。单个模块由SS-316L背板、石墨块、石墨箔及各类紧固件等组成，模块两端仅通过纬环和焊接螺柱与真空室壳体固定。这种结构为诊断部件提供了尽可能多的空间。利用有限元分析方法，对上偏滤器模块进行了电磁力、结构和热应力等分析。通过优化支撑结构、螺柱数量等，使得偏滤器结构能够满足各类工况条件。最后完成了关键制造工艺的预研，包括焊接工艺、深孔钻工艺、装配、非标紧固件研制等。检测数据表明，预制件最终安装面(石墨块轮廓)与标准模板之间的间隙＜1mm，各相邻石墨之间的间隙≤0.5mm，错边≤0.5±0.2mm，且整个模块的漏率<2.5×10-10 Pa·m3·s-1。这些结果为HL-2M上偏滤器的正式加工提供了支撑。

EAST装置上W波段多道极向相关反射仪的研制

吴茗甫1, 2，文 斐*2，向皓明1, 2，张 涛2，刘子奚1， 王嵎民2，李恭顺3, 4，耿康宁1, 2，钟富彬1, 2，叶凯萱1, 2， 黄 佳1, 2，韩 翔2，张寿彪2，高 翔1, 2

2020, 40(3):  241-247.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003008

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在EAST装置上安装了X模极化W波段多道相关反射仪，用于测量等离子体芯部密度涨落。该诊断利用低损耗(<3dB)多工器将4个不同频率(79.2GHz，85.2GHz，91.8GHz和96GHz)的微波耦合在一起，通过同一个天线发射。反射波由两个极向分离(~5cm)的天线接收，通过下变频技术实现外差测量。通过对两个极向天线接收的信号进行相关分析，获得芯部湍流垂直速度。对2018年低约束模式(L模)放电进行分析发现，在电子回旋共振加热(ECRH)等离子体中，芯部湍流垂直速度在电子逆磁漂移方向。而在注入同向中性束(co-NBI)后，芯部湍流垂直速度变为离子逆磁漂移方向。

基于虚拟中心电流法的 HL-2M快控电源数学模型

郑 雪，宣伟民，王英翘，李维斌

2020, 40(3):  248-253.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003009

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针对中国环流器2号M(HL-2M)装置中用于核聚变物理实验等离子体的垂直不稳定性控制的快控电源拓扑结构，充分考虑线圈的自感与互感对输出的影响，构建出数学模型，首次提出并运用虚拟中心电流法，使得控制算法更加简单，采用多输入多输出的控制方法，利用2个参量控制3个变量。本文基于基本供电方案得到多线圈耦合电压，基于快控电源拓扑推导出快控电源电路方程，再将其合并得到最终的线圈电压数学模型，最后进行仿真验证。结果表明数学模型搭建正确，为今后进行进一步计算提供了坚实的基础。

用于辉光放电清洗的LCC谐振变换器仿真

陈俊宏，王英翘，王雅丽，李维斌， 郑 雪，陈 晨，李 晨

2020, 40(3):  254-261.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003010

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针对辉光放电清洗系统中气体击穿之后对电源的恒流要求，提出用LCC谐振变换器的新方案，以改进辉光放电清洗电源方案，增加电源方案储备。利用软件工具选取参数范围、辅助理解拓扑特性以及验证方案。分析了LCC传递函数中主要参数品质因数QL和串并联电容比A对电路增益以及谐振器件应力的影响，设计了合理的参数取值。根据参数取值，利用MATLAB仿真表明，电源的闭环仿真输出达到额定值，LCC拓扑能满足辉光放电清洗电源的参数要求。LCC谐振变换器的电流归一化曲线表现出良好的恒流特性，适合设计成电流源。

EAST极紫外空间分辨光谱分析软件的开发

程云鑫1, 2，张 凌*1，吴振伟1，许 棕3, 4，杨秀达1, 2，黎 嫘1, 2

2020, 40(3):  262-267.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003011

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基于Matlab软件的图形用户界面开发环境(GUIDE)设计开发了一套交互式界面，可以自动读取、解析原始数据，开展波长标定，将谱强度与谱仪系统空间测量位置以及EAST实验放电时间等信息相关联，从而快速、便捷地计算杂质离子发出的线光谱强度的空间分布并绘图。该空间分辨光谱分析软件的开发和应用大大提高了谱仪数据处理和分析的便捷性和效率，保证了放电期间数据处理的准实时性。

ITER聚变功率关闭系统的一种阀门箱 结构的有限元分析

刘熙罡，李 伟，夏志伟，李 波，潘宇东

2020, 40(3):  268-274.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003012

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用ANSYS软件对ITER聚变功率关闭系统(FPSS)的一种阀门箱的结构在ITER各种典型荷载组合下的应力和应变进行了有限元分析，并遵照ASME及ITER标准对分析结果进行了评判。结果表明这种阀门箱结构能够满足ITER的设计要求。

CFETR水冷陶瓷增殖剂包层中子学分析

李 夏1, 2，马学斌3，卢 棚3，郑 俞1, 2，徐 坤1，刘松林*1

2020, 40(3):  275-282.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003013

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基于中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷陶瓷增殖剂(WCCB)三维中子学模型，应用蒙特卡罗输运程序MCNP5和IAEA聚变评价核数据库FENDL2.1，完成了WCCB中子学性能分析。研究了在200MW、500MW、1.0GW、1.5GW聚变功率下中子壁载荷(NWL)、氚增殖率(TBR)、核热沉积以及包层材料的辐照损伤。结果显示，目前WCCB包层核分析结果满足CFETR设计要求。

等离子体应用

微束等离子体弧焊电弧物理特性多场耦合分析

陈豪杰，刘海华*，李亮玉，赵 淘

2020, 40(3):  283-288.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202003014

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根据磁流体动力学方程组，建立了微束等离子电弧模型，使用有限元分析软件COMSOL进行模拟计算。结果表明，电弧中心温度分布从钨针至焊件整体呈“毛笔”状，其中，喷嘴下方电弧形态呈“钟罩”形，在焊件上温度分布符合高斯分布特征；电弧等离子体在喷嘴内部速度较大，离开喷嘴后，其方向由喷嘴内的竖直向下逐渐变为到达工件时的向四周扩散；电流由焊件表面流出，经过弧柱区域流入钨针下端面，在钨针下端面附近取得最大值；电弧磁通密度分布呈“肺叶”状。最后进行了相应的熔焊试验，试验过程中拍摄的电弧轮廓与仿真电弧形态基本一致。