当期目录

2024年 第44卷 第4期    刊出日期：2024-12-15

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核聚变工程

U 型耦合管道内液态金属 MHD 效应研究

吕欣婷, 张秀杰, 王 磊, 孙振超, 赵 耀

2024, 44(4):  373-379.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404001

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针对液态包层中常见的 U 型导电耦合管道内液态金属三维磁流体动力学(MHD)流动，利用自主开发的低磁雷诺数下液态金属磁流体流动的计算程序，获得了外加磁场和流体管道在不同倾斜角工况下管道内液态金属的流速、感应电流和压力分布。结果表明，U 型耦合管道内液态金属的 MHD 流动中耦合段的耦合效应使 MHD 压降明显增大，是相同参数下单根管道内压降的 2.4 倍左右。在 U 型耦合管流动转向处，部分中心流体区产生与初始流向相反的逆流流速分布，而此处的磁流体压力梯度随外加磁场倾角的增大而增大，但在初始增加倾角时，压力梯度会略微减小。


直流真空阴极弧管状内壁制备 TiN 涂层性能研究

吕 玲, 华 程, 梁 鑫, 廖广其

2024, 44(4):  380-387.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404002

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采用直流真空阴极弧沉积技术在管状内壁上制备了 TiN 涂层。用光学显微镜、SEM(扫描电子显微镜)、台阶仪、X 射线衍射能谱(XRD)、显微硬度计检测了涂层的结构和力学等相关特性。结果表明：管状内壁表面涂层厚度在2.7~3.0μm，厚度均匀性为 94.7%；涂层表面粗糙，均存在着大量微米级的颗粒分布，表面粗糙度 Ra 较未处理的样品增幅约为 0.2~0.3μm，涂层由立方相的 TiN(111)、TiN(102)、TiN(200)、TiN(220)、TiN(311)、TiN(222)组成。相同沉积温度条件下，氮气气压越高，涂层表面的颗粒度越细，表面显微硬度越高，TiN (111)的择优取向越明显；相同氮气气压下，沉积温度越高，涂层的表面显微硬度越高，TiN(111)的择优取向也越明显。


Nb3Sn 超导磁体绝缘用 HS/6 玻璃纤维改性实验研究

熊秋月, 刘志宏, 孙 静, 陈文革, 闫朝辉

2024, 44(4):  388-393.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404003

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为提高 HS/6 高强玻璃纤维复合材料的电绝缘性能以满足 Nb₃Sn 超导磁体的使用要求，对 HS/6 高强玻璃纤维进行除碳和表面改性处理。研究发现，经过 500℃/4h 的除碳工艺后，HS/6 高强玻璃纤维表面的碳含量降低了约 80%，随后采用质量比为 8:100 的棕榈酸溶液进行表面改性处理，改性处理后的 HS/6 高强玻璃纤维表面的碳含量较除碳纤维的提高了26.93%。改性处理后的 HS/6 高强玻璃纤维的力学性能比仅经过除碳处理的得到了显著提升，其中，拉伸强度提高约 10%，层间剪切强度提高约 40%，且耐压强度较好，能够满足 Nb₃Sn 超导磁体的使用需求。


抛光和真空退火对钨表面微结构变化的影响研究

李 峰, 刘 茗, 钱 伟, 张归航, 车 通, 魏 然, 谌继明, 郑鹏飞

2024, 44(4):  394-400.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404004

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针对钨表面微结构演变开展了一系列抛光和退火实验。借助扫描电子显微镜(SEM)以及电子背散射衍射(EBSD)等表征手段，研究了不同抛光工艺以及退火参数对表面形貌以及微结构的影响。结果表明，机械抛光后的钨在 800~1100℃范围内退火后，其表面会产生大量的具有小角度晶界的亚晶粒，而亚晶粒的尺寸和均匀性主要受到退火温度、时间以及表面变形程度的影响。研究发现，亚晶粒的平均晶粒尺寸会随着退火温度和时间的增加而增大，同时在温度高于 900℃时亚晶粒尺寸分布的均匀性降低；而在严重变形区域出现小晶粒的可能性更大。此外，当保温时间大幅增加时，即使退火温度低于再结晶温度也可以观察到样品表面会发生部分再结晶。


HL-3 装置环向场线圈热工分析

王佳琪, 蒙建鹏, 贾瑞宝, 刘晓龙, 李 强, 陈 鑫, 颉延风

2024, 44(4):  401-408.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404005

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利用 COMSOL Multiphysics 软件对 HL-3 装置环向场线圈(TF)进行了热工水力分析，研究了不同工况下线圈的冷却效率，得到了冷却水的压力、流量及温度分布情况。分析结果表明，TF 线圈的冷却时间控制在 900s 内完全可以满足装置的冷却需求。在 140kA 和 190kA 电流的条件下，一次通电周期内线圈的最高温度不会超过 80℃，不会对线圈之间的匝间绝缘造成破坏。TF 线圈的主要发热集中在中心柱段，在对线圈施加冷却措施下，600s 时线圈的温度可以降到较低的范围，900s 时可以使线圈得到充分的冷却。线圈内部管道中的冷却水流速控制在 2~4m·s⁻¹ 较为合适，入口压力不宜超过 0.45MPa。在必要的情况下，可以将 TF 线圈的冷却时间减少至 600s。

高温超导导体测试装置 12kA 电流引线设计与分析

袁 磊, 付猷昆, 左佳欣, 陈 鑫, 李鹏远

2024, 44(4):  409-414.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404006

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基于传热学理论，设计制作了 12T 高温超导导体测试装置的电流引线，它主要由铜换热器和高温超导段组成，铜换热器设计成换热面积大的叠片式结构，高温超导段采用 Bi-2223/Ag-Au 和 YBCO 超导材料共同实现载流。利用有限元分析软件对高温超导段冷端热负荷及载流能力进行了分析，比较了全 Bi 系材料、Bi 系和 Y 系材料混合来制作高温超导段的载流效果。结果表明，采用 Bi 系和 Y 系材料共同载流的效果较好，该电流引线可满足测试装置载流能力大于 12kA、20K冷端漏热小于 4W 的运行需求。


兆瓦级超级电容储能系统向中心螺线管供电的仿真研究

王鸿之, 彭建飞, 王英翘, 李华俊, 宣伟民

2024, 44(4):  415-422.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404007

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为满足 HL-3 装置高参数供电需求，开展了 150MW 超级电容储能系统初步设计及向中心螺线管(CS)电源系统供电的匹配性仿真研究。储能系统采用基于载波移相调制的级联 H 桥结构设计，通过建模仿真的方法验证储能系统整体参数设计的合理性后，进行了储能系统对中心螺线管电源供电的虚拟放电实验。实验结果表明，储能系统交流输出侧需串接合适参数的滤波器，不仅能降低交流谐波含量，同时有利于 CS 电源变流器大电流逆变成功，实现 CS 电源四象限运行；另外，设计的超级电容储能系统可以吸收 CS 电源逆变过程中回馈的能量且输出电压波动小于 7%，放电运行过程中各项参数均满足系统性能要求。建立的仿真模型可以作为后续验证复杂控制策略的研究平台。


负离子源中性束注入系统打火瞬间关键信号高速数据采集系统设计

班 挺, 吴 斌, 赵远哲, 崔庆龙, 谢亚红, 王 泽

2024, 44(4):  423-428.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404008

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为了弥补负离子源中性束注入系统(NNBI)低速数据采集系统的打火瞬间对关键信号波形无法精确表征，设计了 NNBI 打火瞬间关键信号高速数据采集系统，由高速数据采集板卡、采集上位机和数据服务器组成，实现了对打火瞬间关键信号的微秒量级的采集。针对打火事件具备瞬时性和随机性的特点，采用预触发和随机触发方式，对打火瞬间关键信号数据进行高精度测量，大幅节约了存储成本，解决了 NNBI 打火瞬间关键信号采样精度低、长脉冲采集存储成本高的问题。该系统在测试中安全稳定运行，采集结果达到实验要求，为投入 NNBI 长脉冲注入实验进行高精度数据采集奠定基础。


KTX 双偏压电极运行放电改善实验研究

蔡 虎, 邬佳仁, 兰 涛, 庄 革, 毛文哲, 卫子安, 温晓辉, 周 楚, 刘阿娣, 吴征威, 谢锦林, 刘万东

2024, 44(4):  429-435.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404009

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研究了在 KTX 装置中的单偏压电极以及双偏压电极对环形等离子体约束特性的影响。实验发现偏压影响放电时长，通过调节偏压可以使得放电时长达到磁通极限；偏压电极改变放电时长的机制可能是通过改变边界 E_r 改变等离子体位移；实验还观测到施加偏压过程中等离子体电子密度有抬升的现象，并伴随电磁相干模出现。通过对涨落量引起的粒子输运通量频域展开，研究了偏压对粒子输运的影响，发现偏压增强电磁相干模频段涨落引起的粒子输运。


J-TEXT 动态扰动磁场线圈电磁结构分析

宋 强, 杨锦宏, 桂 腾, 陈凯杰, 席绪尧, 江中和, 汪卫华, 杨清志

2024, 44(4):  436-443.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404010

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为了研究 J-TEXT 装置的动态扰动磁场线圈在放电破裂时刻的受力情况，使用 TSC 程序对 J-TEXT 装置进行等离子体放电模拟，得到了放电破裂期间等离子体电流及极向场线圈电流等数据，模拟结果与实验数据吻合。利用有限元分析软件 ANSYS 建立 J-TEXT 仿真模型，并导入模拟得到的破裂放电数据，将电流数据作为载荷施加在等离子体电流丝、极向场线圈等仿真模型中，对动态扰动磁场线圈进行电磁结构耦合分析，得到扰动磁场线圈受力情况。


CRAFT TF 线圈匝间绝缘包绕机运动控制

何 建, 吴杰峰, 文 伟, 闫朝辉, 武 玉, 文 军

2024, 44(4):  444-449.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404011

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根据 CRAFT TF 线圈的尺寸、绝缘结构、恒节距和恒张力包绕的要求，建立了单匝导体 D 形螺旋线方程。针对包绕机沿导体运动的匀速控制，在传统三相永磁同步电机(PMSM)矢量控制的基础上，设计了自适应神经模糊推理控制器(ANFIC)，并对包绕机的运动控制进行了优化仿真。结果表明，使用 ANFIC 的三相 PMSM 具有更好的转速和转矩的跟随性，同时三相电流波动较小，为 CRAFT TF 线圈匝间绝缘包绕系统的调试与优化提供参考。


EAST 装置高场侧 NBI 束透区第一壁的设计和分析

杨先科, 殷 磊, 姚达毛

2024, 44(4):  450-455.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404012

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高场侧第一壁作为全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)中面向等离子体部件的重要组成部分，其功能为承受高热负荷和保护真空室内部部件。随着中性束注入(NBI)功率和等离子体运行参数的提升，现有的高场侧 NBI 束透区第一壁已经不能满足 EAST 装置高功率、长脉冲的需求。因此，设计了一种组合式的高场侧 NBI 束透区第一壁面板，每个面板由进出水模块、标准模块和连接模块构成。每个模块均为 3 层结构，碳纤维复合材料(CFC)作为面向等离子层；无氧铜(OFC)作为中间层；CuCrZr/316L 复合金属板作为热沉层。通过仿真软件 Ansys 对 EAST 装置高场侧 NBI 束透区第一壁面板进行了传热和热应力分析，分析结果表明，各部件的材料温度和热应力值均在许用范围内。基于结构设计和热工水力分析，验证了高场侧 NBI 束透区第一壁设计的可行性。


偏转型中性束磁偏转器形状的概念设计

王雪纯, 邹桂清, 于 祺, 孙于龙, 张余弦, 赵自强, 雷光玖, 郑国尧, 耿少飞

2024, 44(4):  456-463.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404013

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目前直线型中性束注入器中的核心部件强流离子源无法长时间运行在强中子辐射区。面对未来聚变堆的需求，提出了偏转型中性束的概念。利用互相垂直的两线圈的横向磁场改变离子束传输路径方向，使偏转束注入通道在纵向上偏离离子源，从而缓解了离子源区域的辐射问题。通过分析不同形状和角度的磁偏转线圈对束偏转角度和聚散性的影响，确定了满足需求的亥姆霍兹线圈结构。综合平行四边形线圈和梯形线圈磁场分布使束在不同方向上汇聚的优点，优化线圈结构呈现扇形形状，最终实现了束在横向和纵向上的双聚焦设计，以保证负离子束大角度偏转并汇聚注入托卡马克窗口。


等离子体物理

HL-2A 托卡马克上 blob 结构的喷气成像观测和定量研究

袁金榜, 袁博达, 许 敏, 余 羿, 聂 林, HL-A 实验团队

2024, 44(4):  464-469.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404014

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在 HL-2A 装置上发展了一套用于边界和刮削层(SOL)中等离子体涨落测量的喷气成像(GPI)诊断系统，该诊断测量范围在弱场侧中平面附近，测量范围大小为 160mm×160mm，极向-径向的空间分辨能力为 2.5mm×2.5mm，时间分辨能力为 3~10μs。通过与朗缪尔探针数据的对比，验证了 GPI 诊断可以得到高时空分辨率的等离子体密度扰动数据。本研究发展了分析 GPI 实验数据的椭圆拟合算法，从而定量研究大尺度相干结构(blob)的结构与运动。在此基础上，分别计算得到了blob 位置、空间尺度(包括极向、径向特征长度)及运动速度等关键参数。blob 空间尺度的演化验证了极向剪切流对大尺度湍流结构的拉伸及剪切分裂作用，且观察到极向运动由边界径向电场驱动的 E_r×B 极向流主导。而 blob 径向速度向外，符合blob 内部极向方向的电荷分离驱动了 blob 径向运动的分析。结果验证了椭圆拟合算法在 GPI 数据分析中的重要应用，为将来研究 blob 的演化过程提供了重要的测量分析方法和实验基础。


HL-3 装置台基区边缘局域模的数值模拟研究

王圣清, 王占辉, 唐腾飞, 徐欣亮, 陈 坚, 王志斌

2024, 44(4):  470-476.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404015

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基于剥离气球模模型，采用 BOUT++中三场 elm-pb 程序对 HL-3 装置中台基区边缘局域模(ELM)进行了数值模拟。研究结果表明，HL-3 中台基区主导 ELM 的环向模数为 n=25，驱动 ELM 的因素为电流主导的剥离气球模不稳定性，台基剖面垮塌集中在压强梯度最大处。此外，数值模拟结果显示在 HL-3 装置中台基区 ELM 幅值较小，是一种草丛型边缘局域模。


HL-3 装置上电荷交换复合光谱诊断系统的研制

何小雪, 陈文锦, 魏彦玲, 刘 亮, 王诗琴, 余德良

2024, 44(4):  477-482.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404016

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为了实现等离子体温度和环向旋转速度的测量，在 HL-3 装置上发展了一套环向电荷交换复合光谱诊断(CXRS)系统，该诊断系统通过测量电荷交换谱线的多普勒展宽和多普勒频移得到离子温度和旋转速度。HL-3 装置上的 CXRS 系统测量 CVI(n=87, 529.05nm)谱线，共有 32 个空间通道，覆盖等离子体的整个弱场侧半径 R 为 1.70~2.43m、空间分辨率为 1.0~2.5cm、时间分辨率为 5~50ms 可调，由光谱强度决定。目前已经实现了离子温度和旋转速度的测量。


聚变堆氚迁移分析程序 JD-CF 的设计与验证

邵利华, 刘泽康, 栗再新

2024, 44(4):  483-490.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404017

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聚变堆工程设计中，氚在聚变装置部件材料中的扩散、渗透、滞留是十分重要的问题。为便于开展氚的行为分析研究，基于 Python 语言，开发了聚变堆一维结构材料中氚输运计算程序 JD-CF。该程序可对一维平板、一维圆柱与一维球形的连续或多层结构模型所涉及的氚输运问题进行分析，还可实现传质与传热的耦合计算。将 JD-CF 程序与相关实验结果、TMAP 模拟程序以及 ANSYS 软件的结果进行验证，符合较好。结果证明，JD-CF 程序具有较高的精度，并可以满足气体/等离子体注入实验、热脱附实验、瞬态/稳态氢氘的浓度及温度分布模拟、通量变化模拟的需求，对于解决聚变堆结构材料内氚扩散、氚滞留等问题有一定参考价值。


时间分步平均法求解 1D LPIC 中的电流密度

李梦超, 郭 勇, 荣垂才, 陈 维, 黄 骏, 王兴权

2024, 44(4):  491-496.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202404018

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在一维(1D)的激光等离子体仿真(LPIC)中，提出了一种针对粒子有效停留时间、对格点附近不同位置的粒子采用不同的分配权重进行分步求解的时间分步平均方法，即在格点分布方向(激光传播方向，x 方向)电流密度由电流连续性方程求出，在垂直方向(y 与 z 方向)，用时间分步平均法求解电荷平均密度 ρ，然后利用 J_y= ρv_y 和 J_z= ρv_z求解电流密度的方法。在粒子云一阶权重分配的情况下，该方法得到的电流密度与大多数 LPIC 一阶电流密度一致。