当期目录

2025年 第45卷 第1期    刊出日期：2025-03-15

上一期   

核聚变工程

EAST装置上新型离子回旋天线法拉第屏蔽的设计及应用

梁启超, 张 伟, 刘鲁南, 秦成明, 毛玉周, 杨 桦

2025, 45(1):  1-6.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501001

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为达到全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)长脉冲高功率目标，提高离子回旋波与等离子体的耦合效率，并降低离子回旋共振加热(ICRH)天线法拉第屏蔽的热负载，需对ICRH天线中的法拉第屏蔽进行优化设计。通过RAPLICASOL ICRH天线计算模型对法拉第屏蔽结构进行计算分析，综合考虑最大电场强度、耦合阻抗以及离子回旋天线有限的内部空间，最终确定了法拉第屏蔽的结构尺寸。然后对法拉第屏蔽的流热分布进行了优化和分析。经过仿真优化设计，在300s运行条件下，法拉第屏蔽最高温度为300℃，满足法拉第屏蔽热设计要求。该天线于2021年成功应用于EAST实验。实验结果表明，新ICRH天线的耦合及加热效率明显提高，已完成1.5MW/30s和0.5MW/300s的长脉冲实验，并且法拉第屏蔽最高温度为330℃，满足ICRH天线的设计要求。


基于cosRMC对HL-3装置的天空反散射模拟及屏蔽分析

张一恒, 赵自强, 栗再新, 才来中

2025, 45(1):  7-12.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501002

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中国环流三号(HL-3)装置下一步将进行氘氘(DD)/氘氚(DT)聚变实验，聚变中子对人体的电离辐射损伤不可忽视，辐射防护安全是开展聚变实验研究的保障。利用蒙特卡罗方法，通过三维粒子输运程序cosRMC[1]计算了在HL-3装置芯部中DD聚变中子对主机大厅周围1000m半径范围内的天空反散射问题。将天空反散射和直接贯穿两种情况下中子辐照对人体的有效吸收剂量进行评估，确定现在主机大厅的辐射防护在安全范围以内。针对DT聚变实验，估算在10MJ的聚变能量下，DT聚变中子的天空反散射情况，在现有的屏蔽措施基础上提出加强屏蔽的合理建议，供未来HL-3装置实验的环境评估和防护设计使用。


HL-3装置Bolometer系统金属膜电阻探测器的研制

何宗钰慧, 高金明, 郝广周, 梁绍勇, 才来中

2025, 45(1):  13-18.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501003

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为了满足HL-3托卡马克装置的辐射功率测量和二维辐射剖面反演的需求，设计了一套金属薄膜电阻式Bolometer系统及其探测器。介绍了系统视线的布局和探测器研制。探测器主要包含吸收薄膜、陶瓷底板、热敏电阻及不锈钢外壳。金属吸收薄膜采用金、镍2种材料以匹配装置放电的不同参数。陶瓷底板利用磁控溅射工艺确保了其绝缘和导热性能，提高了探测器的时间分辨率。热敏电阻通过电桥结构相连，平抑了环境温度造成的误差。电阻丝通过光刻技术刻蚀在氮化硅基片上，提高了探测器的灵敏度和测量范围。陶瓷电路板和无磁不锈钢外壳具备耐高温耐烘烤的能力。每个探测器集成4个测量通道，空间占用率低，便于安装在HL-3装置真空室内。探测器电源和信号采用弹簧针接引，可靠性强。测试结果显示，探测器电阻阻值均匀，能随温度线性变化。本系统未来能够为HL-3装置等离子体辐射功率测量提供良好的技术手段。


ITER PF6大型超导磁体线圈吊装精密准直测量关键技术

顾永奇, 郑元阳, 袁 忠, 王 琳, 邓 磊, 李志虎, ITER TAC项目联合体团队

2025, 45(1):  19-26.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501004

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PF6超导磁体线圈是ITER装置上首个吊装且重量最重的磁体线圈，其吊装精度直接影响后续部件的安装。根据ITER总装厂房和装置大厅的结构状况、基准分布和通视条件等，通过对线圈吊具负载变形测试、吊装测试、线圈方位调整、吊装路径、最终定位等阶段的准直测量过程进行的模拟测量分析，简化了测量方案，优化了准直测量关键步骤，保证了ITER TAC1项目进度。实现了PF6线圈一次性吊装落位精度±4mm的要求，经评估测量不确定度为0.66mm，满足ITER公差与测量不确定度比值不小于5的准则要求。


Ti涂层对Be/CuCrZr热等静压扩散连接的影响

王海龙, 唐江科, 朱盈喜, 胡桉得

2025, 45(1):  27-33.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501005

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采用热等静压扩散连接(HIPB)方法对Be和CuCrZr合金进行扩散连接，利用超声无损检测(UT)、SEM、EDS、XRD、硬度计及材料性能实验机对界面连接情况、微观组织形貌、元素分布、物相组成、显微硬度及剪切强度进行了分析表征。结果表明：在580℃/150MPa/2h条件下可实现Be/CuCrZr合金的有效连接，接头剪切强度达到110MPa，Be和CuCrZr界面结合良好且平整光滑，无连接裂纹；Be表面沉积的Ti过渡层能有效阻止Be-Cu界面脆性相的生成，Ti在Cu中的扩散层厚度约4μm，在Be中的扩散层厚度约2μm，扩散界面存在Cu4Ti、CuTi3、Cu4Ti3、Be10Ti、Be12Ti、Be17Ti2等多种Cu-Ti、Be-Ti金属间化合物，剪切断裂发生在Cu-Ti扩散界面上。


氮化硼陶瓷105GHz/1MW微波透射窗的研究

王 超, 黄 梅, 陈罡宇, 陈 程

2025, 45(1):  34-38.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501006

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利用开放腔法测量了105GHz/1MW ECRH系统氮化硼陶瓷微波透射窗的介电参数，研究了其相对介电常数的变化以及加工精度对窗片性能的影响。通过模拟仿真得到功率沉积后窗片温度的分布，确定在1MW功率下对氮化硼陶瓷应用的脉冲宽度。通过低功率测试获得了最佳的窗片厚度，为下一步焊接封装做好了准备。


类ITER多功能机械臂关节三电机控制系统设计

齐国栋, 姚达毛, 仲崇峰

2025, 45(1):  39-44.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501007

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多功能机械臂遥操作系统是托卡马克遥操作系统的主要构成部分，主要用于托卡马克装置内部检测和内部部件维护。多功能重载机械臂是多功能机械臂遥操作系统的重要部分，其关键旋转关节输出力矩大、末端定位精度高且安装尺寸有限，针对这些问题采用三台电机协同驱动的方法进行解决。为此针对类ITER多功能机械臂关键关节设计了一种基于EtherCAT实时总线的三电机同步控制系统并完成了测试。在目前实验条件下，对单台电机进行了空载下的位置、速度跟踪测试。实验结果表明，控制系统能够正常运行，在给定点位置最大跟踪误差小于2′，满足定位精度要求。该控制系统的设计和搭建为后续三台电机的空载同步测试和加载实验奠定了基础。


循环力载荷下CICC超导接头临界电流退化的分析

邹春龙, 刘旭峰, 杜双松

2025, 45(1):  45-48.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501008

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从力学和电学两个角度分别对循环力载荷下接头临界特性展开了分析，以探索管内电缆导体(CICC)超导接头在聚变堆服役工况下临界特性的变换情况，期望为未来聚变堆CICC超导接头设计提供理论依据与参考，对接头在运行过程中的性能退化做出更为精确的预测。


磁约束聚变堆核安全系统研究与设计

王 芬, 张 龙, 曹启祥, 赵奉超, 周 冰, 王艳灵

2025, 45(1):  49-57.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501009

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建造聚变堆必须要考虑核安全系统的设计，聚变堆最大的安全问题是高能中子和氚的包容。对磁约束聚变堆的特点进行了分析，提出了磁约束聚变堆的核安全功能、核安全系统组成，包括包容系统、多层屏蔽以及包容的保护功能、支持功能；探讨了氚防护措施；针对现有核安全标准中安全部件分级方法对于聚变堆过于复杂，提出了一种新的分级方法，针对聚变设施上的纵深防御层次给出了每一层次对应的目标和措施。可对未来聚变堆的核安全系统设计提供参考。


HL-3装置第一壁温度监测系统研制

许 婕, 蔡立君, 刘 健, 卢 勇, 张 龙, 刘宽程, 黄文玉, 刘雨祥, 罗 山

2025, 45(1):  58-63.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501010

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为了满足HL-3装置第一壁系统的安全运行和实验需求，对第一壁温度监测系统进行了设计和研制，主要包括对第一壁系统监控点位的设计、硬件设计研制和软件开发。采用S7-300PLC作为主控制器，ET200远程模块作为模拟数据输入采集器，实现了第一壁关键位置包括第一壁强场侧、弱场侧、下偏滤器、活动孔栏等热负荷集中区域的温度实时监测。同时完成了人机界面交互，实现了对HL-3装置第一壁工程温度的数据实时显示、历史曲线查看和阈值报警等功能。该系统已成功投入到HL-3装置烘烤和放电实验运行中。自2022年以来的运行结果表明，该系统实现了对第一壁温度状态的动态监控，保障了HL-3装置主机安全可靠的运行。


等离子体物理

HL-3装置垂直汤姆逊散射系统激光传播特性的研究

龚少博, 张通川, 郭文平, 侯智培, 翟文延, 刘春华, 邓必河, 石中兵, 钟武律, 许 敏, 段旭如

2025, 45(1):  64-68.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501011

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HL-3装置上发展了一套垂直边缘汤姆逊散射诊断系统，该系统采用波长1064nm、能量0.6~2J、重复频率30Hz、脉冲宽度15ns的Nd:YAG激光作为诊断光束。入射激光垂直穿过等离子体区域，在水平方向上收集散射光信号。对Nd:YAG激光传播特性进行了实验研究，利用非理想高斯光束传播方程对实验数据进行了拟合，得到了入射激光的束腰半径、束腰位置及品质因子等重要参数。基于实验获得的入射激光参数，设计了一套伽利略扩束准直系统和单透镜聚焦方案，在观测视场中心成功获得了束腰半径为2mm的激光光斑。所开展的Nd:YAG激光传播特性研究不仅是确定汤姆逊散射系统观测视场的关键，也是开展消杂散光孔径光阑设计的基础。


EAST密度台基对线性剥离气球模稳定性的影响

刘志洋, 王一丰, 李永亮, 张 涛, 王敏锐, 臧 庆, 刘海庆, 徐国盛

2025, 45(1):  69-75.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501012

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为了理解台基密度分布相关参数(分界面密度、台基顶部密度和归一化台基顶部碰撞率)对台基区线性剥离气球模稳定性的影响，基于EAST实验数据并利用ELITE程序进行了模拟研究。研究表明，随着分界面密度的降低(保持台基温度分布不变)，台基从高环向模数主导的气球模边界附近逐渐移动到较低环向模数主导的剥离模边界附近，这主要是因为分界面密度降低，使压强梯度增加，离子逆磁频率增加，导致高环向模数的气球模更加稳定；随着台基顶部密度的降低(保持台基温度分布不变)，台基从剥离气球模不稳定区域移动到稳定区；通过改变密度、温度来改变归一化台基顶部碰撞率，随着归一化台基顶部碰撞率的降低，台基从剥离气球模稳定区域移动到不稳定区。


EAST上共振磁扰动引起的随机场对杂质输运的模拟研究

常友友, 孙有文, 盛 回, 闫星廷, 李翰辉, 谢朋成, 张文敏, 郭 晋, 毛世峰, 刘钺强, 张 凌, 段艳敏, 李颖颖, 臧 庆, 叶民友

2025, 45(1):  76-83.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501013

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基于EAST实验并结合随机场输运模型，模拟研究了真空场假设下和考虑等离子体响应时，共振磁扰动(RMP)引起的随机场对W20+输运的影响。模拟结果表明，在随机场区域内，真空场假设下W20⁺的等效输运系数更大，但响应场下W20⁺的等效输运系数可达3~5m²·s⁻¹，约为W20⁺二维新经典扩散系数的3~5倍。考虑等离子体响应时，随机场区域W20+的等效输运系数与RMP谱型的依赖关系和实验结果符合得较好，但真空场假设下的结果与实验结果存在约60°的相位差。此外，相比于高环向模数的RMP，W20⁺的等效输运系数在低环向模数的RMP下更大，这与实验观测定性一致。


EAST上外偏滤器靶板粒子流分布与中性气体压强关系的实验研究

赵平安, 丁 芳, 张 青, 余 林, 孟令义, 胡振华, 王 亮, 余耀伟, 丁 锐, 罗广南

2025, 45(1):  84-90.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501014

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托卡马克偏滤器的挡板结构可以增强偏滤器的粒子封闭性，但也可能会阻挡刮削层中部分粒子流进入偏滤器，这会影响偏滤器靶板粒子流的分布。研究靶板粒子流分布与中性气压的关系，有助于优化等离子体位形，促进偏滤器脱靶，并改善与主等离子体的兼容性。计算EAST偏滤器表面的粒子流变化与中性气压变化之间的相关性系数，研究了在典型的低杂波加热和RMP调制两种条件下，这种相关性系数与偏滤器表面不同位置的依赖关系。结果显示，相关性系数在上外靶板第6号和第7号探针位置之间(第6、7号探针分别距离外靶板上边缘约149.6mm和126.0mm)存在陡变，反映了该位置以上的偏滤器靶板区域接收到的粒子流可以更好地被偏滤器约束，是偏滤器中性气压的主要贡献者；该位置以下部分接收到的粒子流则较难进入偏滤器，承担着baffle的作用。偏滤器光谱分析结果显示靶板区域的电子离子复合过程是影响中性气压的一个重要因素。


CFQS仿星器线圈中电磁力的优化研究

许峻铭, 刘海峰

2025, 45(1):  91-97.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501015

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研究了线圈的有限尺寸效应对工程及磁场位形特性的影响，如面扭转、线扭转、曲率、电磁力，以及磁拓扑结构。通过改变线圈截面的形状，设计了多套无面扭转的三维线圈系统，并对这些线圈系统进行了综合研究与分析，提出一种新的对于有限尺寸线圈系统的优化方法。与原有线圈设计相比，利用该方法优化后的线圈系统，具有更低的电磁力和优化的线圈构形，并可以精确产生约束等离子体的三维目标磁场位形。


横向倾斜磁场作用下铁磁低活化钢矩形管道内磁流体流动的分析

董铠玮, 王 俊, 王晓宇, 武兴华, 郭礼凯

2025, 45(1):  98-103.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501016

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为了研究液态金属包层在强磁场中的磁流体特性，基于多物理场仿真软件COMSOL开发了二维MHD计算程序，并利用该程序对横向磁场作用下矩形管道内液态金属流动进行了数值模拟。在充分发展流动模型基础上，研究了使用低活化铁素体马氏体钢作为管道材料对流动状态的影响，以及横向磁场方向和强度对平均速度的影响。结果表明，使用低活化钢作为管壁材料对速度分布特征的影响较小；低哈特曼数和大磁场倾斜角度下对平均速度的影响更明显；在高哈特曼数且磁场方向与管壁几乎垂直的情形下，可以忽略磁场分布的改变对流体压降的影响。研究结果可为液态金属包层的设计提供理论帮助。


磁场位形对内交换模不稳定性影响的研究

高正坤, 杨文军, 龚学余, 钟翊君

2025, 45(1):  104-110.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501017

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基于J-TEXT装置参数，采用VMEC程序，设计了4种等离子体电流分布与安全因子分布的磁场位形。使用Mercier判据来对不同磁场位形下的内交换模不稳定性进行判定，分析了4种磁剪切——正磁剪切、无磁剪切、反磁剪切和弱正剪切对Mercier判据的影响，发现正磁剪切抑制内交换模不稳定性的效果最好，而且正磁剪切越强烈，其对内交换模不稳定性的抑制作用越好。


电晕放电离子风推力的实验研究

陈 圳, 马 贺, 李 山, 刘友江, 陈池来

2025, 45(1):  111-116.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501018

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为了探讨不同气体介质对电晕放电离子风特性的影响，选取空气、氮气、氦气作为放电气体介质，研究了相同条件下，不同气体介质环境中针-环电晕放电离子风的推力和风速随电极电压的变化。实验结果表明，在3种气体介质中电晕放电离子风的推力随电流变化均呈现出饱和趋势，但不同气体介质的饱和点各不相同，氦气饱和电流最小，其正电晕饱和推力为0.98mN，氮气正电晕饱和推力为1.96mN，空气趋向饱和速度最慢。放电性质变化前最大推力可达11.76mN；推功比随电压呈现下降趋势，3种气体中氦气的推功比下降速度最快，空气的推功比下降速度最慢，且并不呈现线性关系；3种气体介质离子风风速差异也较大，氦气环境下离子风风速最大能达到4.4m·s^‒1，而氮气仅有1.4m·s^‒1。现有简单的离子排斥理论并不能很好地解释以上现象，研究表明，这些现象与电子参与、气体粘滞性和密度等性质密切相关。这项研究对离子风机理的深入研究和应用都提供了重要参考。


外界磁场和天线构型对射频等离子体微放电的影响研究

张金恒, 苌 磊, 杨 鑫, 周海山, 罗广南

2025, 45(1):  117-124.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202501019

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利用HELIC程序，研究了磁场和天线构型对射频微放电的影响。在天线方位角模数m=0和m=1两类典型模式下，外界磁场总是通过影响射频电场的分布影响天线的功率沉积分布，其中m=1的半螺旋(half helix)天线在达到临界磁场(10mT)后，轴向上的功率沉积分布由单峰转变为双峰分布，且峰值主要分布在天线的两侧；而m=0的环形(loop)天线在外界磁场达到临界值(1mT)后，主要呈现为一个单峰分布，且峰值位于天线正下方。而对并排的两个loop(loop⁺⁺)天线，发现其不同轴向位置处的临界磁场值不同(z=0mm处为1mT，z=±60mm处为9mT)，但是其功率沉积和电磁波受外界磁场的影响与m=0的loop天线类似。在无外磁场条件下，loop⁺⁺天线的功率沉积相较于其他两种天线的更大。