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2021年 第41卷 第2期    刊出日期：2021-06-15

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等离子体物理学

HL-2M常规偏滤器位形抽气对碳杂质分布影响的模拟分析

周月，郑国尧*，杜海龙，潘宇东，李佳鲜，薛雷，潘卫，黄文玉，薛 淼，彭媛媛，曲成海

2021, 41(2):  97-104.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102001

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在小角度V型结构的HL-2M常规偏滤器位形下，采用SOLPS 5.0程序研究了抽气速率S_p对装置粒子排除控制能力及溅射产生的碳杂质分布的影响。模拟结果表明，当进入边缘区域的能量为4MW、上游密度为n_sep=3.0×10¹⁹时，过高的抽气速率(大于40m³•s^-1)将迅速降低靶板附近中性粒子压强和等离子体密度，并引起靶板电子温度T_e的上升和表面材料溅射增强，导致有效电荷量Z_eff升高。在抽气速率约为20~40m³×s^-1时，常规偏滤器的粒子排除效率较高。

托卡马克高场侧低杂波电流驱动模拟研究

林家帆1，郑平卫*2, 3，龚学余1，邓 盛1，姜欣辰2

2021, 41(2):  105-109.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102002

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利用GENRAY/CQL3D程序研究了EAST装置双零位形下高场侧和低场侧发射低杂波的电流驱动情况。模拟发现，电子密度较小时，高场侧低杂波电流驱动效果不如低场侧。随着电子密度的增加，高场侧低杂波电流驱动的优势逐渐显现，从高场侧发射的低杂波可以将能量沉积在更加靠近等离子体中心的位置。提高环向磁场强度有利于低杂波在高密度条件下传播。增大电子密度时，同比例增大磁平衡位形中的等离子体压强，高场侧低杂波电流驱动效果好于低场侧。

快速真空紫外光谱诊断在EAST实验的初步应用

何梁，张洪明，曹锦佳，沈永才，李颖颖，符佳，张凌，戴舒宇，王福地，胡睿佶，刘兵，张晓龙，许棕，宾斌，杨进，王勋禺，吕波，龚学余

2021, 41(2):  110-117.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102003

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为了在EAST装置上开展高参数放电条件下边界杂质辐射的实验研究，发展了真空紫外(VUV)光谱诊断系统。该系统采用了焦距为200mm的Seya-Namioka型VUV光谱仪，并配备了600g·mm^-1凹面全息光栅，所能观测的波长范围为50~700nm，覆盖真空紫外、近紫外和可见光波段。系统在垂直方向的观测范围为Z=-350~350mm。利用该系统开展了EAST边界杂质谱线的实验研究。通过分析CⅣ(154.8nm)杂质和FeⅡ(235nm)的谱线强度的时间演化行为，验证了该系统谱线强度测量的准确性与可靠性。通过分析CⅠ(365.2nm)杂质辐射强度在加热功率调制下的时间演化行为，验证了该系统研究较短时间尺度的杂质辐射行为的可行性。

均匀化模型对CFETR氦冷包层中子学影响研究

屈 伸，曹启祥，段旭如，王学人，王晓宇

2021, 41(2):  118-123.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102004

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在CFETR氦冷固态包层及球床结构的最新概念设计方案中，基于均匀化模型、仅球床均匀化模型与高保真模型分别进行了中子学计算分析。研究了结构均匀化及球床空间自屏效应对包层中子学影响以及小球尺寸对氚增殖比的影响。结果表明，(1) 结构均匀化模型对氦冷包层中子学影响较小；(2) 随着小球直径的减少，球床空间自屏效应堆氚增殖比的影响逐渐降低；(3) 氦冷包层真实尺寸下的小球产生的空间自屏效应较低，可忽略不计。

核聚变工程技术

W/Fe/CuCrZr热等静压模块组织及性能分析

王一鸣，黄 攀，谌继明，王平怀

2021, 41(2):  124-130.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102005

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为实现面向等离子体材料钨(W)和热沉材料铜铬镐(CuCrZr)合金的可靠连接，对纯铁(Fe)作为W/CuCrZr合金热等静压连接中间层的可行性进行了探索性研究。在850℃/150MPa/135min的热等静压参数下制作了W/Fe/CuCrZr合金的实验模块，分别对连接界面进行了焊接界面、微观形貌、组织成分及剪切力学性能的检测分析。检测结果显示，两连接界面无明显缺陷，均发生了约0.5μm的短距离互扩散，且均未生成明显的反应相，连接界面呈现出较好的塑性，剪切强度大于186.5MPa。因此，纯铁作为中间层实现了W/CuCrZr合金的可靠连接。用ANSYS Workbench平台对模块进行的高热负荷下的瞬态传热模拟表明W/Fe/CuCrZr合金模块最高可承受16MW·m^-2的热负荷。

包层氚增殖球床不同装载方案的有效热导率研究

王 聪1, 2，陈 磊*1，刘松林1

2021, 41(2):  131-137.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102006

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针对聚变堆固态包层的产氚载体中锂陶瓷颗粒组成的氚增殖球床，建立了基于离散元-计算流体力学(DEM-CFD)方法的球床传热分析模型，进行了离散元(DEM)几何模型有效性验证、网格敏感性分析和计算流体力学(CFD)传热模型有效性验证。用该模型模拟计算了粒径分布球床、不同粒径的一元球床、二元球床的有效热导率，研究了相同填充率下，粒径分布、不同粒径及粒径混合对球床有效热导率的影响。研究结果表明，对于填充率相近的钛酸锂球床，粒径分布球床与一元等效粒径球床的有效热导率结果相差不大；在辐射换热可以忽略的情况下，粒径尺寸对一元球床有效热导率的影响可以忽略不计；二元混合钛酸锂球床相较于一元钛酸锂球床有更高的球床填充率和有效热导率。

CFETR螺旋波行波天线的仿真设计与分析

杨宇晴1，秦成明*2，赵燕平2，杨 桦2

2021, 41(2):  138-142.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102007

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在中国聚变工程实验堆(CFETR)螺旋波的设计参数下，提出一种多阵列行波天线用于螺旋波电流驱动的方案。利用电磁仿真软件CST对三维天线的参考模型进行了仿真，结果表明，在50MHz带宽内，天线电压驻波比<1.2，且天线阵列激发的k谱具有很好的定域性，有利于提高天线的电流驱动效率。

CFETR水冷包层一回路系统初步设计和配套设备的模拟

王开松1，孙明明1，徐 坤2

2021, 41(2):  143-149.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102008

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通过设计两套独立的聚变堆一回路系统(PHTS)，分别为増殖区(BZ)和第一壁(FW)提供冷却，采用在FW PHTS和电力转换系统(PCS)之间设计一套中间传热系统(IHTS)的方案，解决了托卡马克装置脉冲操作对PCS的影响。同时利用Ebsilon软件建立一套核电厂配套设备(BOP)的系统模型，模拟该系统在1.5GW聚变功率下的运行状况。初步的设计包括管道、蒸汽发生器(SG)、中间换热器(IHX)、给水泵在内的PHTS设计和布局，并确定了系统各部件的主要参数。从Ebsilon软件模拟的结果可以看出，该系统可以在脉冲/间隙时间为2h/0.5h的模式下以80%的功率下平稳的运行，保证了PCS有持续稳定的电力输出。

ITER PF电源现场层监控系统网络拓扑延时分析

杨亚龙1, 2, 3，许强林1, 3，刘 为1, 3，高 格2

2021, 41(2):  150-156.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102009

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为保障ITER极向场(PF)电源系统的高实时性控制需求，根据其设备体积大、分布分散等特点，选取了支持多种设备连接拓扑的实时工业以太网现场总线EtherCAT作为ITER PF电源现场层监控系统的数据通讯协议。为研究ITER极向场电源现场层监控系统的实时性，分析了数据帧在几种适合ITER PF整流器单元现场层信号采集与控制的现场总线设备网络拓扑中的传输延时，通过搭建测试平台验证了方案设计的可行性与正确性。在满足控制系统高实时性要求的同时，经对比找出了较为适合的设备网络拓扑来设计ITER PF电源现场层监控系统，也为ITER PF电源的其他子控制系统的拓扑优化提供了借鉴。

ITER第一壁铍铜连接部件在高热负荷作用下的热性能分析

赵宝玲1，谌继明2,吴 晶2，康伟山2

2021, 41(2):  157-161.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102010

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对ITER屏蔽包层第一壁板铍铜连接件在高热负荷作用下的传热性能进行了分析，模拟了第一壁铍铜连接手指部件的热应力和热应变，得到其对应的热疲劳寿命。计算结果表明，在局部4.7MW×m^-2高热负荷作用和ITER水冷条件下，现有设计方案中的铍铜连接件的热性能和热疲劳性能均满足设计要求。

ITER边缘局域模线圈研制焊接形变测量研究

郑元阳，顾永奇*，袁 忠，刘 辰，王 俊，金 京，韩厚祥

2021, 41(2):  162-166.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102011

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针对ITER 边缘局域模(ELM)线圈在研制和焊接过程中的焊接形变测量问题，提出了一种基于激光扫描和逆向建模技术的线圈焊接形变量检测方法。实验表明，该方法对曲面的检测精度可以优于0.1mm，有效地解决了焊接过程中的焊接形变定量检测难题。在ITER ELM线圈焊接工艺改进和评定中，用该方法完成了焊接过程中线圈和工装的形变量的测量，为焊接工艺评估提供了可靠的定量数据。

非均匀加热条件下内插扭带管强化传热模拟分析

刘 萍，丁文龙，靳海波

2021, 41(2):  167-173.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102012

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以水为工作介质，采用欧拉多相流模型和非平衡沸腾模型，当流速在0.3~0.7m·s^-1范围内、工作压力为4.5MPa、热流密度为2MW·m^-2时，数值模拟了内插扭带管和光管管内流动过冷沸腾传热。对比了两种管道的换热系数、气泡份额、流动速度、流场流线、固体组件温度和压降，分析了内插扭带管的综合性能。结果表明，与光管相比较，内插扭带管的换热系数提高约6%~90%，压降增大约200%~250%，得到流速在0.4~0.6m·s^-1范围内时内插扭带管的综合性能评价因子η为1.1~1.3。

脉冲发电机电源宽频变化情况下锁相技术仿真

王海兵，宣伟民*，王英翘，李华俊，刘晓龙

2021, 41(2):  174-177.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102013

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针对在基波频率变化情况下传统锁相环无法进行正确锁相的问题，提出了基于同步参考坐标系的追踪型三相软件锁相环。三相电压信号(V_a、V_b、V_c)经同步坐标变换后，得到两相静止坐标(V_α、V_β)信号，再经过旋转坐标变化后获得(V_d、V_q)信号；V_q信号经过低通滤波后，进行动态信号延迟，其延迟的时间由输出的频率信号获得；把延迟前后的信号做差，经过PID调节后输出为角频率，对角频率积分后获得稳定基波正序相位。为了验证该算法，基于matlab建立了仿真模型。仿真结果表明，该锁相环在电源基波频率线性变化情况下其相移时间小于0.2ms，在脉冲发电机电压基波频率非线性变化情况下需要经过一个周波也能获得精准地锁相，其运用于有源电力滤波器有效地抑制了脉冲发电机的输出谐波。

强磁场环境下铁素体钢矩形流体通道内磁场分布研究

赵 耀，张秀杰，潘传杰，许增裕，王 磊，王 凡

2021, 41(2):  178-182.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102014

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用Ansys静磁模块数值模拟了在外加强磁场环境下铁素体矩形通道管中心磁感应强度分布。与文献结果、解析解及实验数据的对比表明，模拟结果与它们基本一致。进一步的数值模拟还表明，铁素体矩形管对其内部的整体磁场分布影响较大，不同区域内产生不同程度的磁力线扭曲及非均匀的磁感应强度分布效应。该分布可能对管道内磁流体动力学效应产生较大影响。

进气量对强流正离子源反向电子流的影响研究

吴铭钐1, 2，胡纯栋1, 2，谢亚红*1, 2，邑 伟1，许永建1，梁立振1, 2

2021, 41(2):  183-186.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102015

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分析了EAST-NBI离子源束引出过程中反向电子的产生及物理特性，对典型情况下的进气量对离子源的影响进行了计算和实验研究。实验结果发现，质子比受进气量影响较小，进气量与反向电子流呈明显正相关。

等离子体应用

感应耦合等离子体中和枪的电子引出特性研究

罗先文

2021, 41(2):  187-192.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202102016

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给出了一种感应耦合等离子体源的设计，用于等离子体中和枪装置。通过实验方法研究等离子体源的电子引出特性，并结合理论分析了等离子体密度随射频功率的变化关系。研究结果表明等离子体源的电子引出特性与放电腔内气压有关联性，E?H模式转换中电子密度的变化与负载的电感值相关。研究成果对等离子体中和枪的发展有重要的参考价值。