当期目录

2024年 第44卷 第1期    刊出日期：2024-03-15

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核聚变工程

强磁场托卡马克环向场线圈应力缓解研究

王富甲, 陈德鸿, 徐国盛, 吴佳戎, 万宝年

2024, 44(1):  1-6.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401001

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针对强磁场托卡马克环向场(TF)线圈应力过大、结构材料难以承受的问题，根据静水应力原理分析了通过外部承压结构来降低TF线圈内腿应力的有效性。采用COMSOL有限元软件开展模拟，研究了液氮冷却强磁场铜导体托卡马克外部承压结构在不同厚度下TF线圈磁体应力的降低程度；对比了铍铜合金和无氧铜作为导体材料所需要的外部承压结构的厚度和体积。

HL-3装置测量基准网的建立及部件定位测量

赖春林, 刘 健, 蔡立君, 刘宽程, 张 龙, HL-研制团队

2024, 44(1):  7-12.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401002

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根据HL-3装置总装集成设计安装精度的要求，需要建立一个高精度的测量基准网，在总装过程中采用激光跟踪仪等先进测量设备对安装部件的空间位置进行测量。建立的基准网实现了网内基准点空间坐标最大不确定度为0.133mm。特别在对真空室、临时第一壁/限制器等部件的安装中，进行定位测量和数据反馈，然后再进行安装调整，实现了真空室Æ1.84mm的同轴度精度，满足同轴度≤Æ3mm的要求；标高偏差为–0.08~+0.136mm，满足标高偏差≤±1mm的要求。临时第一壁/限制器安装最大偏差值为+1.9351mm，最小偏差值为–1.8337mm，均满足各模块表面位置误差不超过±2mm的技术要求。测量基准网的建立以及安装过程中对部件高精度的定位测量，保证了HL-3装置高质量的建造。

EXL-50 球形托卡马克装配测量基准的建立

杨圆明, 陈 博, 白仁华, 宋韵洋, 王 宇, 贾朋美, 臧 红, 薄晓坤, 袁保山

2024, 44(1):  13-18.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401003

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在EXL-50球形托卡马克安装过程中，通过在装置大厅布置参考点建立测量基准网，以真空室中心柱轴线和中平面建立全局坐标系，并以此构建了装置安装和测量基准网。通过该基准网的定位，对EXL-50装置真空室、环向场线圈、极向场线圈以及内部件偏滤器、限制器进行了安装和测量，主机安装结果符合设计要求。

未来聚变堆真空室扇区现场高精度装配技术研究

吉海标, 马建国, 刘志宏, 吴杰峰, 吴华鹏, 范小松, 钟亚奇, 林晓东, 高 翔

2024, 44(1):  19-23.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401004

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在CRAFT真空室1/8段的装配研究中，设计了用于补偿扇区间装配误差的过渡段，介绍了其制造方案，研制了在线铣削系统以保证项目现场的高精度装配。

EAST-CTI测试平台上六硼化镧等离子体源的研制

孟凡卫, 张小辉, 胡广海, 孔德峰, 叶 扬, 黄艳清, 齐美彬, 赵志豪, 李 博, 董期龙

2024, 44(1):  24-29.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401005

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为了更方便和深入研究紧凑环注入(CTI)系统产生的等离子体团在等离子体中的演化过程，特设计了一套大尺寸、均匀的六硼化镧等离子体源，用来产生磁化、高密度等离子体。等离子体源的阴极采用钨丝间接加热的方式来达到工作温度，阴极最高可达到1800℃。阳极采用耐高温、透过率50%的钼金属网，与阴极之间轴向间距1m。在阴极和阳极之间施加40~200V偏压，阴极发射的电子与中性气体碰撞、电离进而产生长1m直径100mm的稳态磁化等离子体柱。在台面实验中，测试了源的放电性能和等离子体相关参数。实验结果表明，在阴极发射电流密度为1~2A·cm^‒2的情况下，测得的氩等离子体电子密度可达到10¹⁸m^‒3量级，电子温度约为8eV。通过增加阴、阳极之间偏压，阴极发射电流密度最高达到8.5A·cm^‒2，等离子体参数与托卡马克边界参数相近。该等离子体源满足设计要求并具备为EAST-CTI系统开展台面实验的能力。

负离子源中性束注入器智慧能源管理系统设计

丁 健, 李逸斌, 蒋才超, 宋士花, 刘 胜, 段 练, 徐康幸, 刘智民, 谢远来

2024, 44(1):  30-35.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401006

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为保障负离子源中性束注入(NNBI)系统用电的电能质量和稳定性，设计一套智慧能源管理系统。该系统以西门子PLC及分布式I/O系统为控制核心，通过对供配电系统各回路状态监控，基于Modbus通讯协议与多功能表的信息交互，实现对用电系统能耗监测及管理。通过可视化人机交互界面设计，为实验运行人员提供直观便捷的系统状态诊断工具。该系统具备一定的兼容性和扩展能力。相关台面测试表明，智慧能源管理系统运行稳定，控制可靠，能满足供配电系统的智能化管理和监测需求。

CFETR胀板式杜瓦冷屏的初步设计与热分析

柴永生, 崔立民, 葛 剑, 陈兆波, 张 龙, 庞雪威

2024, 44(1):  36-42.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401007

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为进一步减少托卡马克装置中超导磁体的热负荷，将胀板结构应用于杜瓦冷屏(CTS)中，代替传统管板式冷屏结构。胀板结构是一种在屏蔽板间形成冷却介质流动的夹层空间结构。选择304LN不锈钢作为CTS材料，选择模压-焊接作为CTS成型方式，选择氦气作为冷却剂。确定了最佳焊点参数及屏蔽板参数。首先根据辐射热原理计算杜瓦冷屏表面热流密度，然后应用流体仿真软件CFX对杜瓦冷屏进行热分析，得到了杜瓦冷屏面板温度及进出口压差。分析表明，胀板式杜瓦冷屏面板的温度分布均匀，相比管板式杜瓦冷屏有显著降低，理论上证明了胀板式杜瓦冷屏结构的优越性。

六通道高温超导导体载流性能和交流损耗特性的仿真研究

穆永春, 张莉莉, 刘继伟, 羊新胜, 蒋 婧

2024, 44(1):  43-50.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401008

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为了满足未来聚变装置磁体系统大电流、强磁场以及优良机械特性的要求，提出一种六通道TSTC-CICC高温超导导体，并采用自洽模型和T-A法，对三种结构的六通道高温超导导体的载流性能和交流损耗特性进行了二维有限元仿真研究，其中结构1中带材堆叠方向垂直于径向方向，结构2中带材堆叠方向平行于径向方向，结构3中带材堆叠方式既有垂直于径向又有平行于径向两种方式。由研究结果可知，结构1导体的临界电流最大，结构2导体的最小，结构3导体的介于两者之间。结构1和结构3导体在低磁场下具有较好的临界电流各向同性特性。三种结构导体的临界电流随外磁场角度及磁场强度的变化各不相同。结构1导体的传输交流(AC)损耗最小，结构2导体的传输AC损耗最大，结构3导体的AC传输损耗介于两者之间。在不同角度的外磁场中，三种结构的导体表现出的AC损耗各不相同。

级联STATCOM直流侧电容电压失衡分析

王健声, 吴亚楠, 茆华风, 李 俊, 茆智伟, 卢 晶, 许留伟

2024, 44(1):  51-57.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401009

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在托卡马克磁体电源系统运行过程中，发现其对应的无功补偿装置级联静止同步补偿器(STATCOM)各相链节间存在直流侧电压失衡的现象，且随着补偿电流增大。这一失衡程度有增大的趋势，这一问题会影响装置的稳定可靠运行，严重时会直接导致装置停止运行。通过建立STATCOM的电路模型，结合其电路模型建立了相应的数学模型，研究了电网谐波、电容容量、损耗以及脉冲触发延时对电容电压失衡的影响。通过MATLAB/Simulink仿真软件验证，发现电网谐波、电容容量差异、开关触发脉冲延时差异、并联型损耗差异以及混合型损耗差异是造成STATCOM直流侧电容电压失衡的重要原因。

瞬态热流下钨再结晶规律的研究

屈 苗, 颜 莎

2024, 44(1):  58-64.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401010

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通过观测钨分别在能量密度3.82MJ×m^-2/脉宽5ms和能量密度1.5MJ×m^-2/脉宽1ms的脉冲电子束1~100次的辐照下发生再结晶及晶粒长大的情况，研究了钨在瞬态热流下的再结晶行为及其对脉冲参数的依赖关系。根据非等温匀速加热退火过程的晶粒尺寸表达式推导出了瞬态热流下晶粒正常长大的表达式，再结合实验数据推导出了钨在脉宽ms量级瞬态热流辐照下发生正常长大的晶粒尺寸对脉冲参数的依赖关系。利用该关系计算得到的钨在脉宽5ms、1ms的脉冲电子束辐照下的晶粒尺寸与晶粒只发生正常长大的实验结果相吻合。

等离子体物理

径向湍性输运条件下CFETR平行热通量及包层能量沉积模拟

高泽石, 王亚磊, 李彦龙, 田文喜, 才来中, 吴雪科, 连 强, 李昕泽, 王占辉

2024, 44(1):  65-71.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401011

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采用BOUT++输运程序与PFCFlux程序的耦合对CFETR包层第一壁上的能量沉积情况进行了模拟。研究发现，当湍性输运系数为50m²·s^‒1时，最外闭合磁面上的极向平均平行热通量为14058.5MW·m^‒2，进入刮削层的等离子体功率P_sol的值为197.4MW；CFETR包层第一壁上的能量沉积主要集中于真空室壁靠近中心螺线管的高场侧区域，最大热通量出现在这一区域的中间部分。

HL-2A装置边缘湍流与带状流相互作用的实验研究

方 茜, 程 钧, 王威策, 严龙文, 黄治辉, 吴 娜, 许宇鸿, 唐昌建, 石中兵, 钟武律, 许 敏

2024, 44(1):  72-77.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401012

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利用组合静电探针阵列研究了HL-2A装置中湍流与带状流相互作用的动力学过程。实验结果表明，在粒子注入后的等离子体恢复阶段，边界区径向电场剖面逐渐变陡，湍流相干尺度和带状流幅度相应增加，而湍流强度随之降低。这些实验提供了带状流与边缘湍流相互作用的直接实验证据，暗示了能量转移是引起带状流增长的主要原因。

旋转磁岛对捕获快离子输运影响的研究

赵建华, 曹锦佳, 向 东, 戴勇智, 杨骏辉, 赵佳蔚, 杨文军

2024, 44(1):  78-84.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401013

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采用漂移动理学理论，研究了旋转磁岛与捕获快离子的反弹运动和进动频率(包括极向进动和螺旋进动)之间共振引起的快离子输运。求解捕获离子香蕉轨道回旋心动理学方程，获得了共振和非共振情况下的快离子分布函数。计算了磁漂移、电漂移和磁岛旋转产生的快离子输运通量。与极向角周期性相关的磁漂移和电漂移产生的输运在磁岛分界线附近存在强烈的流剪切，在磁岛靠近等离子体边界一侧输运向内；磁岛旋转诱发的输运则与磁漂移和电漂移产生的输运相反，在磁岛靠近等离子体边界一侧输运沿径向向外，并起主要作用。当磁岛宽度大于某一阈值岛宽时，捕获快离子输运增长缓慢，趋于饱和。

反剪切剖面下的非共振鱼骨模不稳定性混合模拟

徐敬坤, 任珍珍, 汪卫华

2024, 44(1):  85-91.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401014

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利用磁流体动理学混合模拟程序M3D-K对具有反剪切剖面下的非共振鱼骨模不稳定性进行了线性模拟。在类EAST参数下，当安全因子最小值略大于1时，捕获高能量粒子可以激发非共振鱼骨模不稳定性。详细分析了高能量粒子比压的份额β_hot/β_total、中心螺旋角、注入能量、安全因子最小值q_min及其径向位置等参数对鱼骨模的影响。当螺旋角约为0.7时，模结构表现出双模扭曲特征。当q_min大于1.08时，不稳定性从鱼骨模向β诱导的比压阿尔芬本征模转移。从螺旋角为0.7的傅里叶分析和螺旋角为0.8的绝热系数扫描结果可以看出，非共振鱼骨模和β诱导的比压阿尔芬本征模可以同时存在，模频率与安全因子剖面向右移动的关系与理论分析一致。

EAST低杂波加热对同向切向中性束碰撞力矩影响的研究

杨 明, 张新军, 李新霞, 吕 波, 古敬仁

2024, 44(1):  92-97.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401015

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为研究低杂波加热对同向切向中性束注入的束功率沉积和碰撞力矩的影响，基于低杂波加热的实验参数，使用TRANSP程序进行了模拟分析。研究结果表明，当注入功率1.3MW、能量50keV的同向切向束时，随着LHW加热束沉积功率降低，快离子电荷交换损失增加20%；离子吸收的功率占总的束沉积功率的比例由45%增加到51%。碰撞力矩与束沉积功率的比值由1.327Nm·MW^‒1增加到1.457Nm·MW^‒1；等离子体电子温度越高，电荷交换损失和碰撞力矩与束沉积功率比值也越大，而低杂波加热期间的束碰撞力矩保持稳定。

基于Python的等离子体平衡重建程序设计及实现

鲍娜娜, 黄 耀, 闫星廷, 魏世闻, 王梓昊

2024, 44(1):  98-104.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401016

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基于Python环境，设计和编写了等离子体平衡重建算法(Py-EFIT)。利用NumPy和SciPy库求解平衡重建算法中矩阵的运算问题，运用Matplotlib库实现重建算法计算结果的可视化，基于交互式可视化设计包QT Designer，使用PyQt库设计并实现该程序的用户界面。Py-EFIT的测试结果显示等离子体平衡重建过程操作更加简单、直观，为托卡马克实验数据分析提供了一种有效的工具。

TT-1装置磁探针设计与频响特性研究

陈力行, 陈大龙, 沈 飊, 钱金平, 陈 明

2024, 44(1):  105-110.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401017

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利用NI Multisim仿真设计软件对泰国托卡马克1号(TT-1)磁探针的电路仿真模型进行测试，得出了探针的频响特性，其中分布电容主要影响磁探针的谐振频率大小，回路电感对磁探针的谐振频率和谐振峰值均有一定影响。基于亥姆霍兹线圈，进行了探针频响标定实验，结果显示磁探针的频率响应和仿真结果具有较好的一致性。通过实验和数值方法，分析了探针传输线缆长度对探针幅频响应的影响。确定了TT-1装置探针的频响参数，为探针尺寸的设计以及信号传输线缆的选择提供了重要的参考依据。

基于COMSOL的不同温度气体脉冲放电特性的数值模拟研究

宋先平, 席剑飞, 陆 洋, 蔡 杰, 顾中铸

2024, 44(1):  111-118.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401018

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为了研究基于脉冲电源的线管式静电除尘器的放电特性，使用COMSOL软件建立了空气放电模型。在实验参数下模拟了空气放电，模拟结果与实验数据结果吻合较好。探究峰值电压、电极尺寸及气体温度等因素对放电特性的影响。结果表明，随着峰值电压及温度的升高，放电空间电子及离子密度逐渐增大，且高密度区域范围逐渐增大。电极半径尺寸越小，放电效果越好，放电空间电子及离子密度越高。研究了不同温度下反应速率与热电子发射对气体放电的影响，发现温度较高时热电子发射对放电具有显著的增强效果，大大提高了放电区域的电子及离子密度。

CO₂电弧等离子加热器电热特性研究

朱兴营, 欧东斌, 杨国铭, 曾 徽, 张 智, 文 鹏

2024, 44(1):  119-124.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202401019

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对管状阴极轴线式CO₂电弧等离子加热器的电热特性进行了实验研究，得到了电流、气体流量、励磁电流和前电极长径比对电弧加热器的伏安特性和热效率的影响规律。采用相似理论模型，对实验数据进行回归分析，得到了加热器伏安特性和热损失系数的近似表达式。研究结果发现，CO₂气体流量和电弧电流对加热器的伏安特性和热效率都具有显著的影响，前电极的长径比和励磁电流则只对热效率具有影响。电弧加热器伏安特性和热损失系数的回归公式计算值与实验数据一致性较好，伏安特性回归误差＜10.0%，热损失系数回归误差＜18.2%。