東方超環準穩態中性束注入裝置束流限制器結構設計

陶 玲，謝遠來，胡純棟，許永建

（中國科學院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031）

中性束注入（NBI）加熱是實現東方超環準穩態實驗運行目標（脈寬100s、高壓50～80keV、功率2～4 MW）的重要輔助加熱方式之一［1-2］。在中性束注入過程中，尤其是在高引出束參數反復工作條件下，由于粒子束物理效應，高能束流在傳輸過程中會不斷發散而超出束流通道，進而引發一系列真空甚至熱問題。束流限制器正是為了避免上述問題而布置在束流通道上用以吸收發散束流的熱流承載部件。根據束傳輸過程，束通道中每兩個部件間隔較大處一般考慮布置有束流限制器，主要分布于：離子源出口處、氣體擋板入口處、氣體擋板返回口處、偏轉系統入口處、偏轉系統出口處和漂移管道入口限制器處。當束能量較高或束參數不匹配時，束流限制器上沉積能量大、分布不均勻。因而，合理設計束流限制器結構對實現高功率NBI系統安全運行至關重要。

1 束流限制器設計要求

束流限制器設計要求主要包括以下幾點。

1）能量沉積移除要求。在束參數（能量60keV、束流引出面積100 mm×480 mm、束散角（0.6°，1.5°）、電極傾角1.5°）條件下，東方超環NBI裝置中各束流限制器上的理論能量沉積分布如圖1所示［3］。

2）留有束流通道。根據離子源引出系統的機械參數，束引出時引出面積為100 mm×480mm，因此對應束流通道四周的束流限制器必須保證留出相應面積的束流通道，以保證足量的粒子注入到托卡馬克中。

3）內置冷卻水管。冷卻水除可有效對靶板進行冷卻外，還可完成對靶板上沉積能量的測量。除布置熱電偶進行表面溫升的測量外，利用脈沖時間內的冷卻水的進出口水溫差估算沉積在束流限制器靶板上的能量大小［4］：

式中：˙m 為流經部件的冷卻水的質量流量；T（t）為流經待測部件的冷卻水進回水溫差；cp為水的比熱。

4）采用板式結構。板式結構可直接懸掛固定在束流通道的四周，且布置上應有效緩解離子轟擊靶板引起的粒子濺射到其他非熱流部件上的問題。

2 束流限制器結構初步設計及傳熱學驗證

根據文獻［5-6］，在給定冷卻水條件（進水壓力0.7MPa）下，以不超過材料溫度限制為前提，綜合考慮工程實施的可靠性和經濟性，從束流限制器板式結構參數（外框厚度、寬度、長度）、冷卻水管直徑、水管距離邊的間距等角度進行設計分析，獲得了束參數條件（能量50～80keV、功率2～4 MW）下各位置處的束流限制器結構，如圖2所示。靶板采用鉻鋯銅材料。

圖1 各束流限制器的理論能量沉積分布Fig.1 Theoretical energy deposition distribution of each beam collimator

以能量沉積值最高的偏轉磁鐵入口處束流限制器結構為例，該處能量沿X、Y 方向的束分布如圖3所示（圖中虛線標識為偏轉磁鐵入口處束流限制器中間的束通道尺寸）。根據冷卻水的測量要求，冷卻水管串聯布置，如圖4 所示。根據圖3確定的束散情況，可得束流承載面面積為：縱向（X）0.011 m2；水平方向（Y）0.014m2。

采用商用CFD 工程軟件FLUENT 對初步設計完成的偏轉磁鐵入口處束流限制器結構進行數值模擬計算。流體區域均采用結構化網格，近壁區網格加密以確保計算的準確性［7］；水管為不銹鋼材質，采用結構化網格；其余為非結構化網格。水管壁與銅板之間考慮接觸熱阻，具體大小按各靶板厚度的1／10進行考慮。結構建模及網格劃分如圖5所示。計算條件設置如下：進口取速度進口，出口取壓力出口，進口水溫取20℃，出口壓力取0.1MPa。在給定設計能量60keV、功率4 MW 前提下，偏轉磁鐵處入口束流限制器能量沉積為總能量的4.42%，呈高斯分布。取該高斯分布最大值的兩倍作為仿真分析時能量沉積輸入條件，計算獲得串聯的4塊靶板熱承載面上的溫度分布狀況，如圖6所示。由圖6可知，考慮足夠的安全裕量前提下，在當前NBI離子源以及束引出系統結構設計的條件下，束流限制器穩態運行時的最高溫度為344 ℃，仍低于材料溫度限制350 ℃。因此，能量沉積值最高的偏轉磁鐵入口處束流限制器結構的設計能較好滿足4 MW、脈寬100s的設計要求。

圖2 NBI系統不同位置處束流限制器結構設計示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of each beam collimator of NBI system

圖3 偏轉磁鐵入口處束流限制器能量分布示意圖Fig.3 Energy distribution of magnet entrance beam collimator

圖4 偏轉磁鐵入口處束流限制器結構示意圖Fig.4 Structure of magnet entrance beam collimator

圖5 偏轉磁鐵入口處束流限制器的上部限制器網格劃分Fig.5 Meshing of upper portion of magnet entrance beam collimator

圖6 偏轉磁鐵入口處束流限制器在最高功率條件下4塊靶板表面溫度分布Fig.6 Surface temperature distribution of four target plates of magnet entrance beam collimator

3 小結

本文針對東方超環NBI裝置能量60keV、束流引出面積100 mm×480 mm、束散角（0.6°，1.5°）、電極傾角1.5°的實驗運行條件，綜合考慮各束流限制器能量分布、功率沉積面大小、機械要求，利用計算流體力學方法對各束流限制器部件進行了初步結構設計，并以偏轉磁鐵入口處束流限制器為例，對初步設計結構進行了傳熱學校核，驗證了初步設計能滿足系統4MW、脈寬100s的工作要求。本文為其他典型高熱流部件的設計校核提供了參考，為實現東方超環NBI的準穩態運行提供了工程借鑒。

［1］ 朱士堯.核聚變原理［M］.合肥：中國科學技術大學出版社，1992.

［2］ 胡純棟，謝遠來，謝亞紅，等.EAST 長脈沖中性束注入器的研制［C］∥中國核學會主編.中國核科學技術進展報告：中國核學會2009 年學術年會論文集.北京：原子能出版社，2009：31-36.

［3］ LIANG Lizhen，HU Chundong，XIE Yuanlai，et al.Calculation of beam intensity distribution for the neutral beam injection in EAST［J］.Plasma Science and Technology，2011，13（4）：502-505.

［4］ HONG R，COLLERATINE A.Power flow measurements on the doublet neutral beam system［J］.Bulletin of the American Physical Society，1982，27：11 409-11 412.

［5］ 陶玲.EAST 長脈沖高功率中性束注入系統高熱流部件設計研究［D］.合肥：中國科學院大學，2013.

［6］ 陶玲，胡純棟，謝遠來，等.全超導托卡馬克中性束注入系統離子吞食器工程設計［J］.強激光與粒子束，2013，25（10）：2 687-2 691.TAO Ling，HU Chundong，XIE Yuanlai，et al.Engineering design of ion dump for EAST neutral beam injection system［J］.High Power Laser and Particle Beams，2013，25（10）：2 687-2 691（in Chinese）.

［7］ 王福軍.計算流體動力學分析：CFD 軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.