核聚变与等离子体物理

刘玉浩, 陈旭洲, 王子杰, 王建豹, 王英敏, 邓翔, 羌建兵, 封范, 练友运, 刘翔

2025, 45(3): 249-256. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503001

摘要 ( )

PDF (11270KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

氧化物弥散增强铜合金(ODS-Cu)是未来核聚变装置偏滤器部件的候选热沉材料。采用电弧熔炼和真空雾化法制备的Cu₆₄Zr₃₆ 非晶粉末与Cu₂O 和Cu 粉一起作为原料混合球磨，球磨粉体在980℃和70 MPa 压强下烧结获得相对密度95.5%的Cu-ZrO₂ 合金烧结坯。结合轧制和退火处理调控了合金的组织均匀性，轧制变形量为86%，热处理工艺为475℃退火1 h。退火态合金的室温电导率为87% IACS，室温屈服强度和抗拉强度分别为213 MPa 和282 MPa，断后延伸率为20.2%；450℃屈服强度和抗拉强度为分别为125 MPa 和159 MPa，断后延伸率为23.2%。提出了含非晶的粉体烧结氧化物的原位形成机制，分析了影响合金组织均匀性与高温稳定性的重要因素。

失超保护系统中多串联晶闸管阀组开断暂态过程均压特性研究

仝玮, 王琨, 李华, 徐猛

2025, 45(3): 257-264. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503002

摘要 ( )

PDF (7427KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)所配备的失超保护系统(QPS)设计采用了磁体电流人工过零换流技术，其中大功率晶闸管阀组的安全可靠动作直接决定了主回路机械开关能否成功分断磁体电流。为探究其开断暂态过程中的均压特性，通过实验对比了CRRC MKPE 330-052 型号脉冲功率器件和CRRC KPE 6900-065 型号普通晶闸管在开断过程中单个器件及桥臂的均压特性。分析实验结果表明，CRRC MKPE 330-052 型号脉冲功率器件阀组方案中，串联器件反向恢复过程均压系数极低(顶点均压系数K₂=0.713，后顶点均压系数K₃=0.246)；并从器件研制工艺和结构角度，分析了多串联脉冲功率晶闸管在开断暂态过程中均压特性劣化原因是门极面积的扩大和少数载流子寿命的缩短。相较之下，CRRC KPE 6900-065 型号普通晶闸管阀组方案在开断瞬态过程各阶段中，串联器件均压系数均大于0.9，具有极佳的均压特性。因此，从安全性和可靠性考虑，最终选择CRRC KPE6900-065 型号普通晶闸管三只串联阀组作为过载CRAFT QPS 人工过零回路触发开关的设计方案。

HL-3 烘烤实验中偏滤器与真空室间温差形成原因的仿真分析

白玉杰, 颉延风, 贾瑞宝, 蔡强, 蒙建朋, 邱丽媛, 王佳琪, 卢勇, 刘晓龙

2025, 45(3): 265-272. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503003

摘要 ( )

PDF (3099KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

针对HL-3 装置前2 轮烘烤实验中均出现偏滤器温升滞后于真空室温升，且二者之间的温差在烘烤至高温阶段后超过20℃的现象，采用三维仿真与一维仿真相结合的办法对下偏滤器的烘烤过程进行模拟，与真空室和偏滤器的烘烤实验结果进行了比对，进一步通过控制变量法分析了影响偏滤器烘烤温度变化的因素。结果显示，质量流量偏低和分/集气管处保温层厚度偏薄是导致真空室和偏滤器之间温差较大的主要原因。此外，分析表明减小偏滤器质量和减小偏滤器管道回路的歧管段直径有助于提高烘烤温度，为下一阶段上偏滤器的设计提供了参考。

J-TEXT 托卡马克相干成像光谱诊断系统设计

聂林, 吴骏彬, 龙婷, 雷驰, 严伟, 李杨波, 张霄翼, J-TEXT 实验团队

2025, 45(3): 273-279. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503004

摘要 ( )

PDF (4490KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

相干成像光谱诊断是一种采用高速相机拍摄方式对等离子体边界的杂质离子流速进行二维成像的被动光谱诊断，对研究托卡马克边界和偏滤器等离子体环向旋转、杂质离子分布有着重要的作用。J-TEXT 装置成功研制并部署了一套主要基于CⅢ线(464.88 nm)的相干成像光谱诊断系统。该系统的光学视场设计为12°，主要针对J-TEXT 强场侧边缘等离子体区域进行观测。在性能指标方面，系统具备2 ms 的时间分辨率，同时实现了11 mm(垂直方向)空间分辨。目前该诊断系统已完成实验测试，并成功获取了等离子体边界的关键数据，为开展边界物理研究提供了新的实验手段。

第二代高温超导带材及堆叠电缆交流损耗的仿真研究

周小盟, 赖小强, 朱运鹏, 侯炳林, 左佳欣, 李鹏远

2025, 45(3): 280-287. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503005

摘要 ( )

PDF (8639KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

基于H 方程，采用有限元法对第二代高温超导单带和多带堆叠电缆的交流损耗特性进行了仿真分析研究。结果表明，非磁性基底单带的简化模型同实际模型的交流损耗值具有较好的一致性，但前者可进一步缩短仿真时间从而提高效率。此外，堆叠电缆带材的间距和数量对整个电缆与每根带材之间的交流损耗产生了重要影响，其损耗值大小与带材排布的间距成反比，与堆叠层数成正比。

超导磁体接地检测装置静磁屏蔽系统分析

叶贝, 高格, 汪舒生

2025, 45(3): 288-294. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503006

摘要 ( )

PDF (4825KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

在聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)超导磁体接地检测装置运行过程中，对外界强磁干扰进行屏蔽是保证装置测量可靠性的关键。对检测装置进行静磁屏蔽设计，利用ANSYS 对不同材料、屏蔽厚度、干扰外场等参数对屏蔽效果的影响进行分析。仿真结果表明，贴合在检测装置内表面的5 mm 电工纯铁屏蔽方案空间利用率高，经济效能好，在20~90 mT 静磁场工况下，屏蔽效能在21 dB 以上，屏蔽后的磁感应强度小于10 mT，满足接地检测装置设计运行要求，为超导磁体接地检测装置静磁屏蔽设计提供一定参考。

钨瓦尺寸对W/CuCrZr 界面高热负荷行为的影响

崔诗雨, 黄攀, 陈艳宇, 韦郑兴, 张启航, 李前, 谌继明, 王平怀

2025, 45(3): 295-300. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503007

摘要 ( )

PDF (7950KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

以Cu 作为中间层，采用浇铸+热等静压的连接工艺制备了具有3 种钨瓦尺寸的ITER W/CuCrZr 第一壁小模块，对模块进行了15000 次4.7 MW·m⁻² 的高热负荷疲劳性能测试，研究了钨瓦尺寸对连接界面高热负荷性能的影响。结果表明，3 种钨瓦连接界面都出现了疲劳裂纹，裂纹主要位于靠近界面的钨中；钨瓦尺寸越大，疲劳裂纹萌生和扩展速度越快，但裂纹萌生到一定尺度就趋于稳定；3 种尺寸钨瓦均未出现熔化和脱落失效；高热负荷会导致Cu 中间层晶粒细化和硬度增加。

SLM 工艺参数对SLMed ODS-CLF-1 钢组织和显微硬度的影响研究

杨国平, 廖洪彬, 张龙, 王晓宇, 熊良银, 程银芬

2025, 45(3): 301-309. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503008

摘要 ( )

PDF (19752KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

采用不同选区激光熔化(SLM)工艺参数(激光功率和扫描速度)制备了SLMed ODS-CLF-1 钢。利用OM、SEM、TEM、EDS 和显微硬度测试等手段研究了不同SLM 工艺参数对SLMed ODS-CLF-1 钢微观组织和力学性能的影响。结果表明，当激光功率为260~300 W，扫描速度为400~600 mm·s^-1时，SLM 工艺制备的SLMed ODS-CLF-1 钢打印质量较佳、微观缺陷数量较少、显微硬度较高。层间呈堆叠的鱼鳞状形貌，微观组织主要由柱状晶和少量等轴晶组成，铁素体基体中弥散分布有大量纳米析出物，析出物呈球状和芯-壳结构。显微硬度均高于240 HV0.2，优于组织为回火马氏体的CLF-1 钢。

基于APROS 的CFETR 包层氦冷实验回路模拟与实验验证

赵政宁, 叶兴福, 颜永江, 徐婧寒, 赵奉超, 张龙

2025, 45(3): 310-316. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503009

摘要 ( )

PDF (4726KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

HeCEL-3 是一个高温、高压、高流量的氦气冷却实验回路，主要用于聚变堆包层部件热工水力实验。根据实验回路的系统设计与布局参数，运用APROS 软件对回路建模，模拟氦气在不同工况下的温度、压力、流量等重要工艺参数分布与变化，以及重要设备如印刷电路板式换热器(PCHE)和风机等在运行或状态切换过程中的瞬态参数，以获得热工特性曲线。目前HeCEL-3 实验回路已建设完工，回路已完成部分运行状态的实验研究工作。通过对模拟获取的热工特性与调试实验参数进行对比，以验证APROS 模拟方法的有效性与适用性，为未来运用该方法设计和运行聚变堆氦气冷却回路提供参考。

ITER 冷屏汇集管道临时支撑设计与分析

杨璐旭, 杨印, 江涛

2025, 45(3): 317-323. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503010

摘要 ( )

PDF (2853KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为解决安装ITER 装置冷屏汇集管道时无法维持管道相对安装位置的问题，提出一种满足管道安装位移要求、提高后续工序安装精度的管道临时支撑设计。运用仿真模拟软件对该临时支撑进行输入条件下和正常条件下的结构分析，结果显示该设计完全满足设计要求，保证了ITER 装置现场后续安装的进度。

基于PLC 的HL-3 装置活动孔栏位移控制系统的设计

许婕, 蔡立君, 刘健, 卢勇, 李云峰, 罗山, 黄文玉

2025, 45(3): 324-331. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503011

摘要 ( )

PDF (6293KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

为了实现HL-3 装置活动孔栏位移的自动化控制，基于PLC 和步进电机的应用原理，设计了活动孔栏位移自动控制系统。选用两相混合式步进电机，采用S7-1200PLC 作为步进电机控制器。通过运动轴组态，并运用PLC-open 运动功能块实现了对活动孔栏驱动步进电机的开环速度控制和位置控制。同时完成了人机界面交互，实现了对HL-3 装置活动孔栏位移实时显示、参数设置、自动反馈控制和阈值报警等功能。该系统已成功投入到HL-3 装置放电实验运行中。自此系统投入运行以来的结果表明，所设计的控制系统能够满足控制要求，完成了预期目标。

HL-2A 装置上撕裂模与湍流相互作用研究的进展

蒋敏, 许宇鸿, 钟武律, 陈伟, 石中兵, 李继全, 张毅, 栗钰彩

2025, 45(3): 332-341. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503012

摘要 ( )

PDF (3928KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

开展等离子体中撕裂模与湍流之间的相互作用的研究，有助于理解撕裂模对等离子体输运的影响，对在大型聚变装置上发展撕裂模的有效控制技术及维持等离子体高约束性能具有重要指导意义。结合HL-2A 装置实验与数值模拟，系统研究了等离子体中撕裂模与湍流的多尺度相互作用机制及其对能量输运的影响。研究取得以下重要发现：(1) 发现撕裂模磁岛边界形成强极向流剪切层；(2) 证实了撕裂模旋转对湍流幅度的调制效应存在临界磁岛宽度阈值，为Fitzpatrick 理论提供了直接实验证据；(3) 创新性地发现湍流可通过非线性过程横越磁岛传播，揭示了大磁岛边界激发准相关模湍流的物理现象，并提出非局域相位耦合的湍流传播机制；(4) 阐明了磁岛X 点区域湍流诱发等离子体热淬灭的物理机理。这些结果表明，主动调控湍流可能成为控制撕裂模稳定性和缓解破裂的一种新方法。

HL-2A 托卡马克边界湍流涡旋结构的测量及其统计参数特征

聂林, 许敏, 柯锐, 龙婷, 吴婷, 王占辉, 黄治辉, HL-A 实验团队

2025, 45(3): 342-348. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503013

摘要 ( )

PDF (4892KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

基于结构动力学理论和条件平均方法，采用3×4 阵列探针系统对HL-2A 装置边缘等离子体中的涡旋结构开展了系统性实验研究。首先通过探针信号相关性分析验证了该阵列对等离子体涡旋特征尺度的测量可行性，并采用全悬浮电位测量电路，成功实现了边缘等离子体中正/负极性涡旋旋转速度场的测量，其结果表现出良好的自洽性。实验进一步结合双探针诊断技术，获得了涡旋中心区域的温度、密度及速度分布特性。结果表明，正负涡旋结构中密度与温度扰动、径向速度与极向速度之间均存在显著耦合效应。这一发现为理解涡旋结构在等离子体输运过程中的作用机制提供了重要实验依据，提示涡旋结构可能对边缘等离子体的粒子、能量及动量输运具有重要贡献。

等离子体辐照下钨表面氘致起泡行为分析

元梦辉, 罗忠帆, 客振华, 朱秀丽

2025, 45(3): 349-356. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503014

摘要 ( )

PDF (3879KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

借助扫描电子显微镜和专业图像分析软件，研究了多组辐照参数下低能大束流等离子体辐照后钨材料的晶内和晶间氘致起泡行为，同时结合热脱附谱测试方法，对比了氘滞留量随辐照参数的变化。当前实验结果显示，低温辐照时，辐照剂量增加导致晶内泡数密度显著上升、尺寸分布趋势和平均尺寸变化不大；晶间泡数密度显著增加、尺寸分布范围变宽、甚至会有微米泡出现。辐照剂量一定时，辐照温度升高导致晶内泡数密度显著增加、平均尺寸有所下降，晶间泡数密度和平均尺寸均增加。相比于辐照剂量，氘致起泡行为对辐照温度更为敏感。氘滞留结果表明，低温辐照下的辐照剂量增加，氘滞留变化微弱；辐照温度升高到500 K 以上时，氘滞留增加显著，主要表现为中高温脱附峰强度增强。起泡行为与氘滞留的对比结果表明，晶内泡数密度的显著增多对氘滞留总量的贡献很小，而晶间泡数密度的显著增多和尺寸增大可显著影响氘滞留行为，主要表现为氘扩散深度增强、高能捕获的氘滞留量显著增多。

HL-2A 装置密度极限下电磁不稳定性的实验观测

胡力文, 陈伟, 施培万, 许健强

2025, 45(3): 357-364. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503015

摘要 ( )

PDF (6675KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

密度极限是等离子体的破裂机制之一，目前没有十分完善的理论可以解释所有的密度极限破裂。芯部电磁不稳定性在高密度等离子体中被激发是密度极限的物理机制之一。研究展示了在HL-2A 装置的高密度等离子体中观察到的电磁不稳定性。这些由压强梯度驱动的不稳定性在高密度等离子体中被激发并且靠近等离子体芯部，它们的频率大小与离子温度高低呈现正相关，表现出“楼梯式”的跳频行为且频率间隔固定。基于GENE 程序模拟分析表明，在高密度等离子体中激发的电磁不稳定性是阿尔芬离子温度梯度模。这些电磁不稳定性的增长率与压强、离子温度梯度及磁剪切有关，意味在未来燃烧等离子体中可以通过调节相关参数来实现有效控制，并进一步降低其对高密度/高比压等离子体约束性能的影响。

HL-3 装置快电子轫致辐射二维成像模拟研究

关帅, 程时葵, 张轶泼, 张洁, 朱宇轩

2025, 45(3): 365-372. DOI: 10.16568/j.0254-6086.202503016

摘要 ( )

PDF (3797KB) ( )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

针对高参数物理实验的诊断需求，中国环流三号(HL-3)装置计划发展一套二维硬X 射线(HXR)成像系统用于快电子物理实验。利用蒙特卡罗代码Geant4 构建了HL-3 装置快电子轫致辐射模型，输入源依据实验测量得到的电子温度和密度分布，同时考虑了等离子体环效应和快电子轫致辐射前向性。计算表明，虽然等离子体分布由于环效应而具有不对称性，但是在小孔成像以及快电子轫致辐射前向性的共同作用下，HXR 辐射在探测器上的能量沉积呈现出对称分布，并且与快电子密度剖面分布相吻合。模拟研究结果为二维HXR 成像诊断的系统设计和优化提供了理论支持，同时有助于进一步分析快电子轫致辐射实验测量数据，以开展更加深入的高能量电子物理研究。

当期目录