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2021年 第41卷 第1期    刊出日期：2021-03-15

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等离子体物理学

HL-2A 装置反剪切阿尔芬本征模实验观测与模拟验证 

孙昊方, 施培万, 陈 伟

2021, 41(1):  1-7.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101001

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利用 AMC 程序获取了不同最小安全因子( q_min )情况下反剪切阿尔芬本征模频率(RSAE)的变化特征：
当最小安全因子 q_min >1 时，RSAE 频率随着 q_min 增大而增大；当 q_min <1 时，RSAE 频率随着 q_min 减小而增大。这
与简化 RSAE 色散关系给出的频率相符。在 HL-2A 电流爬升期间和锯齿期间分别发现了 q_min >1 和 q_min <1 情况下
缓慢向上扫频的模。这些模的频率介于环向阿尔芬本征模和比压阿尔芬本征模之间，与 AMC 得到的 RSAE 模频
率一致，模的径向结构由单一极向谐波组成，并且高度局域在 q_min 附近，具有典型的 RSAE 特征。


基于微扰守恒模型的磁流体模拟并行计算 

谭 耀, 马 骏, 项 农

2021, 41(1):  8-15.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101002

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基于微扰形式的守恒磁流体方程，采用基于通量向量分裂(FVS)以及加权本质无振荡格式(WENO)的
有限差分方法，发展了平板位形下的非线性磁流体模拟程序。程序准确地模拟了开尔文-亥姆霍兹不稳定性和单
撕裂模不稳定性。采用 MPI 和 OpenMP 的并行计算框架，使得程序可以在多节点上运行。在并行计算过程中采
用负载均衡化，对各个节点计算量进行动态分配，提高了计算效率。


类 ITER 偏滤器瓦片表面热流沉积的粒子模拟

胡万鹏, 才来中

2021, 41(1):  16-20.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101003

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使用热侵蚀沉积粒子程序(HEDPIC)模拟了由小块沿环向表面倾斜的瓦片组成类 ITER 偏滤器的极向
缝隙附近瓦片表面的热流密度分布，研究了不同倾斜高度对热流密度分布的影响。研究结果表明，当瓦片设置成
合适的倾斜角度时，瓦片上表面靠近缝隙附近的电子热通量为零；离子热流密度小于上表面远离缝隙的热流密度，
棱边处热流密度过高的问题得到解决。 


聚变堆液态包层准二维磁流体湍流模型研究

王 磊, 张秀杰, 潘传杰, 许增裕, 赵 耀, 王 凡

2021, 41(1):  21-25.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101004

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为研究聚变堆氚增殖包层中液态金属湍流磁流体动力学(MHD)效应，开发了一种新的准二维单方程
MHD 湍流模型，并进行了相关数值模拟程序的编制及验证。对于矩形管道中的准二维 MHD 湍流流动，三维流
动主要发生在哈德曼层中，中心的主流区呈现出二维流动。为了反映这种特殊的流动特征，新湍流模型在标准 k-ε
模型的基础之上去掉了传统的耗散项，代之以电磁耗散项来模拟湍流 MHD 效应。同时，采用 Bradshaw 假设来对
湍流涡粘系数进行模化。为验证该湍流模型是否合理，编制了相关数值模拟程序，并利用直接数值模拟(DNS)结
果对该程序进行了校正，数值模拟结果与 DNS 结果吻合较好。计算结果表明，该湍流模型可应用于聚变堆液态
包层 MHD 湍流流动的数值模拟。


J-TEXT 托卡马克高速单色成像系统研制

张巍巍, 程芝峰, 张晓龙, 焦少东, 张霄翼, J-TEXT 团队

2021, 41(1):  26-32.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101005

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在 J-TEXT 托卡马克上研制了一套高速单色成像系统用于研究等离子体杂质行为与磁流体力学(MHD)
不稳定性之间的关系。用 STRAH 代码模拟估算了碳杂质(CV227.09nm，CIII464.7nm)辐射强度。采用光纤耦合方
法设计了系统光路结构，光路覆盖高场侧区域 0.3a~0.95a(a 为小半径)，其空间分辨率为 1.3cm。选用光电倍增管
(PMT)作为系统的探测器，结合跨阻电路与有源滤波器的电路方案，系统实现 5×10⁵VA^-1 电流增益，其电路带宽
为 100kHz，时间分辨率达到 10μs。初步实验结果表明，系统可以监测到 J-TEXT 中等离子体 MHD 不稳定性放电
中 CV 分布的变化。 


核聚变工程技术

HL-2M 装置第一壁传热结构设计及传热性能测试

刘 健, 赖春林, 王 金, 林 涛, 蔡立君

2021, 41(1):  33-36.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101006

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在 HL-2M 第一壁传热结构设计中，利用导热管的轴向快速导热特性及较短的传热路径，将面对等离
子体的第一壁表面热量快速传至真空室内壁上。第一壁背板和真空室内壁上分别焊接导热铜块作为冷热连接端，
导热管嵌入其内，导热管与铜块之间增垫导热金属箔并用压板固定压紧，以增强接触界面传热。根据此传热结构
设计，设计加工了相应的传热性能测试试验件。通过对试验件进行传热性能测试及实验条件外推可知，试验件冷
热端面间的最大传热功率为 4kW，端面间最大对流换热系数为 6kW·m^‒2。


CFETR 氦冷偏滤器初步设计与分析

黄文玉, 卢 勇, 张 龙, 刘宽程, 金羽中, 郑国尧, 蔡立君, 朱运鹏, 薛 淼

2021, 41(1):  37-44.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101007

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基于中国聚变工程试验堆(CFETR)偏滤器位形，初步设计了指状、平板和 T 形三种氦冷偏滤器模型，
在 10MPa 入口氦压力、10MW⋅m⁻² 稳态热负荷下，分别对其进行传热数值分析。通过优化结构设计和氦入口参数，
降低了靶板工作温度，探索了三种单元结构靶板处理高热负载的能力。在 20MW⋅m⁻² 的稳态热负荷下，对优化后
的 T 形和指状单元结构进行了受热分析，并由此提出了混合型 CFETR 氦冷偏滤器初步结构。 


CFETR 水冷包层电磁结构耦合分析

王开松, 杨 皓, 徐 坤

2021, 41(1):  45-50.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101008

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利用软件 Maxwell 对中国聚变工程实验堆(CFETR)高场侧的水冷陶瓷增殖(WCCB)包层进行电磁分析，得到了包层在等离子体电流线性 36ms 衰减工况下产生的电磁载荷。采用载荷传递耦合法，结合软件 ANSYS可得包层中产生的形变位移和等效应力。分析结果表明，WCCB 包层中产生的最大等效应力符合设计要求，且形变位移均在许用范围之内，初步验证了包层结构设计的合理性。


CFETR 内冷屏结构方案初探 

黄 超, 侯炳林, 张 腾, 许婉韵, 赖小强

2021, 41(1):  51-55.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101009

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基于现有冷屏结构，结合 CFETR 聚变堆装置的结构特点，提出了一种沿冷却板厚度方向钻冷却通
道的深孔结构方案。对内冷屏各部件设计了并联加串联的特殊流道，采用有限元法计算了该方案内冷屏各部件的
温度分布。结果表明，采用深孔法冷却方式，冷屏温度分布更均匀，降温效果更好。在输出辐射功率相近的条件
下，深孔法的冷却方式可将表面辐射率上限由 0.05 提高到 0.075，能用低表面辐射率和低活化性材料如铬和钨元
素作为冷屏表面涂层替代银涂层。


PSM 高压电源系统模块的计算分析 

夏于洋, 李 青, 毛晓惠, 王雅丽

2021, 41(1):  56-60.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101010

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 The output voltage of the three-phase uncontrolled rectifier circuit containing LC filter of 
high-voltage power supply system for the lower hybrid current drive is analyzed and the relationship between the 
output voltage and the circuit parameters is obtained. The three-phase uncontrolled rectifier circuit is simulated on 
the MATLAB/Simulink platform, and the waveform of the output voltage is obtained. It is observed that the 
output waveform meets the design requirements of the power supply system. 


碳化物弥散强化钢力学性能及微观组织研究

杨 爽, 谌继明, 付海英, 王平怀, 王建豹, 张立文, 柴宗俭, 张 明

2021, 41(1):  61-66.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101011

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用碳化物粒子对低活化钢 CLF-1 进行弥散强化。结果表明机械合金化的方法可以制备高强度的碳
化物弥散强化钢，经过 60h 球磨可完成合金化过程，同时添加的碳化物粒子很好地提高了低活化钢 CLF-1 的拉
伸性能，得到了比熔炼低活化钢更高的强度和硬度，同时保持了较好的延伸率。 


间隙绝缘电极辉光放电实验观察

张 琦, 王明旭, 李 波, 王英翘, 潘 莉, 刘 浩, 谷正阳, 张 博, 房同珍, 何开辉, 贺 芳

2021, 41(1):  67-71. 

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实验研究了 ITER H₂/He 辉光放电壁处理(GDC)系统的电极合理的间隙绝缘参数及标定辉光过程中
沉积在电极头部的热负载。进行了 H₂/He 击穿电压特性试验，在 ITER GDC 预期的壁离子电流密度条件下研究了
H₂/He 辉光放电电压和试验电极上热负荷与压强的关系、试验电极启辉耐受特性、试验电极温度与热负荷的关系
以及在不同区域辉光放电的气压特性。介绍了 H₂/He 放电期间在电极及其附近区域的溅射和沉积的检测结果以及
对间隙绝缘的影响。为 ITER 辉光放电壁处理系统的设计和运行提供参考。 


高磁场磁共振超导磁体电源的拓扑设计与分析

代天立, 周 超, 秦经刚, 李建刚, 高 格

2021, 41(1):  72-77.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101013

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针对高磁场磁共振大孔径人体成像系统中超导磁体电源在励磁时向磁体充能、退磁时把能量“逆变”
回电网的设计要求，比较了两种能量回馈型的拓扑结构。通过 Matlab 仿真分析，验证了拟采用的拓扑结构的合
理性。 


托卡马克电源窄带宽近基频间谐波检测方法 

田贇祥, 许留伟, 张俊敏, 李 俊, 吴亚楠, 沈显顺, 卢 晶

2021, 41(1):  78-84.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101014

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为解决托卡马克磁体电源系统中出现的低频谐波检测问题，研究了基于可调参数 Q 的 F42N150 单
频模拟陷波器和椭圆数字带通滤波器的混合检测算法。通过边界优化有效剔除干扰基波及 5 次谐波，实现有效的
频谱分离。利用 MATLAB 优化了为设计过程进行，使用基于 DSP 的数字分析系统进行了试验验证，验证了检测
算法的正确性和有效性。 


前混合磨料射流切割聚变堆第一壁钨材料研究

王 岩, 张西洋, 周自波, 姚达毛

2021, 41(1):  85-90.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101015

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针对聚变堆第一壁钨材料的加工问题，开展前混合磨料射流切割钨试验，研究切面表面形貌，分析
射流压力和切割速度对切面粗糙度、切面光滑区深度的影响。结果表明：切割速度对粗糙度影响较大，减小切割
速度可以降低切面粗糙度；射流压力对粗糙度影响略小，提高射流压力可以增加切面光滑区深度，改善切面质量。
试验发现切面存在拖尾纹、残余楔角和冲蚀凹坑等现象，需要通过喷嘴角度补偿等方法予以抑制或消除，以提高
切面加工质量。


等离子体应用

射频等离子体光源高效固态功率源的设计

贾 华, 单家芳, 刘甫坤, 宦维定

2021, 41(1):  91-96.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202101016

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针对射频等离子体光源(LEP)开发了一种较高抗负载失配能力的高效驱动功率源。采用三次谐波开
路和偶次谐波短路，并利用集总参数和分布参数相结合的拓扑结构，实现了谐波控制的高效 F 类功率放大器；利
用单片机控制固态源的工作频率，使其与光源谐振频率的变化一致，减小功放输出的驻波比，提高长期可靠性。
对高效固态功率源进行连续波满功率测试和等离子体光源的匹配性测试。结果表明，末级 F 类功放在 435~445MHz
频段内输出功率大于 200W，漏极效率 80.7%以上，功率源在等离子体光源工作频段内整体效率为 77.5%；与等离
子体光源谐振器的联合热测试中，系统光效为 86.21m·W⁻¹。