EAST中性束注入器穩(wěn)態(tài)偏轉(zhuǎn)磁鐵的參數(shù)設(shè)計與估算研究

梁立振,趙祥學(xué),王 艷,胡純棟,韋江龍,謝遠(yuǎn)來

(中科院等離子體物理研究所，安徽合肥230031)

EAST中性束注入器穩(wěn)態(tài)偏轉(zhuǎn)磁鐵的參數(shù)設(shè)計與估算研究

梁立振,趙祥學(xué),王 艷,胡純棟,韋江龍,謝遠(yuǎn)來

(中科院等離子體物理研究所，安徽合肥230031)

中性束注入器偏轉(zhuǎn)磁鐵是剝離束流中剩余離子的關(guān)鍵設(shè)備，它與剩余離子吞食器等內(nèi)部部件構(gòu)成了中性束注入器的束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的性能對中性束注入器束流的品質(zhì)及其束傳輸效率發(fā)揮著重要作用。本文根據(jù)EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)中性束注入器對束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的要求，對其偏轉(zhuǎn)磁鐵各性能參數(shù)進(jìn)行了估算。為中性束注入器設(shè)計了一臺用以剩余離子180°偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)磁鐵。該偏轉(zhuǎn)磁鐵采用H型二極電磁鐵結(jié)構(gòu)；其磁極端面設(shè)計為138cm×47cm的圓角矩形結(jié)構(gòu)；其線圈設(shè)計為每側(cè)2餅，每餅2層，每層8根的串聯(lián)結(jié)構(gòu),導(dǎo)線選用外方內(nèi)圓空心銅導(dǎo)體，以滿足偏轉(zhuǎn)磁鐵穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的需要。該設(shè)計的偏轉(zhuǎn)磁鐵在370A勵磁電流條件下，可提供80keV氘離子束偏轉(zhuǎn)所需的磁場。實驗測試結(jié)果顯示：500A勵磁電流穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈冷卻水溫升約21.5℃，該設(shè)計結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)磁鐵滿足EAST中性束注入器滿參數(shù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和未來運(yùn)行參數(shù)逐步提高的需要。

中性束； 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)； 電磁鐵； 束流品質(zhì)

中性束注入加熱是托卡馬克磁約束核聚變研究重要的外部加熱手段。它重點(diǎn)用于直接加熱離子和輸入環(huán)向動量，在無感電流驅(qū)動和聚變加料方面占也有重要地位，是實現(xiàn)高約束等離子體最重要的手段。隨著磁約束核聚變研究的不斷深入，中性束注入加熱成為托卡馬克等離子體高參數(shù)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行必不可少的輔助加熱手段[1-3]。將事先加速到很高能量的離子束變成高能中性粒子束，然后再注入等離子體中；高能中性粒子通過跟背景等離子體碰撞變成高能離子而被捕獲，再經(jīng)過庫侖碰撞而熱化，同時將能量傳遞給電子和離子，從而達(dá)到給等離子體整體加熱的目的，這個過程就稱為中性束注入加熱(Neutral Beam Injection Heating，NBIH)。

偏轉(zhuǎn)磁鐵是中性束注入器將束流中剩余離子剝離束通道的核心設(shè)備。它的工作性能對束流品質(zhì)的好壞有著決定性的作用，并對中性束注入器及聚變實驗裝置的安全運(yùn)行具有重要意義[4]。目前，在運(yùn)行的中性束注入器都工作在脈沖模式。因此，其偏轉(zhuǎn)磁鐵也工作在脈沖狀態(tài)下。本文以第二條中性束束線(4MW, 80keV，100s,70A)為例[5]，對偏轉(zhuǎn)磁鐵的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計討論，并對磁體線圈穩(wěn)態(tài)運(yùn)行能力進(jìn)行了估算。為了滿足EAST中性束注入器未來發(fā)展需要，結(jié)合第一套中性束注入器研制經(jīng)驗，我們優(yōu)化了偏轉(zhuǎn)磁體的冷卻結(jié)構(gòu)，使其具備了穩(wěn)態(tài)工作的能力。

1 偏轉(zhuǎn)磁鐵的設(shè)計要求

一般來說，進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁鐵中的高能離子的能量至少有3個成分，即全能量(與加速電極能量相對應(yīng))、1/2能量和1/3能量。在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)各種能量成分的離子都應(yīng)該完全剝離束流通道，對于尺寸為12cm×48cm 且采用沿長邊180°偏轉(zhuǎn)的EAST中性束注入器來說，1/3能量離子偏轉(zhuǎn)半徑不應(yīng)小于24cm。此時，全能量離子的偏轉(zhuǎn)半徑約為42cm。束流中各能量成分的離子偏轉(zhuǎn)過程如圖1所示。

圖1 偏轉(zhuǎn)磁鐵工作過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the deflection magnets

對中性束注入器來說，為了滿足束流引出、束流中性化和抑制束流的再電離損失，裝置運(yùn)行時需要在束流通道中維持一定的真空梯度，且其動態(tài)平衡壓力約10-2Pa[6-8]。對EAST中性束注入器來說，其真空室內(nèi)主要抽氣設(shè)備分別以桶狀和片狀分布在注入器的第一、三段。同時，整個注入器真空系統(tǒng)設(shè)計的輔助抽氣接口安排在偏轉(zhuǎn)磁鐵安裝所在的第二段真空室上。那么這就要求磁體所在位置導(dǎo)流系數(shù)應(yīng)盡可能大，以保證注入器漂移段內(nèi)真空抽速足夠大。由于偏轉(zhuǎn)磁鐵工作中，磁體線圈將產(chǎn)生一定的熱量。為了滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的需要，偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈需利用冷卻系統(tǒng)將其產(chǎn)生的熱量及時帶走。

2 偏轉(zhuǎn)磁鐵的設(shè)計與參數(shù)估算

EAST中性束注入器一條束線具有兩個束流通道，且兩束流以8o40′的夾角向會聚方向傳輸。同時，對比C型、H型、WF型、框型二極電磁鐵的優(yōu)缺點(diǎn),考慮剩余離子180°偏轉(zhuǎn)的要求。鑒于H型二極電磁鐵具有場型對稱，適合于高場區(qū)工作的特點(diǎn)，EAST中性束注入器偏轉(zhuǎn)磁鐵采用組合H型二極電磁鐵設(shè)計結(jié)構(gòu)較為合適。即兩個束流通道分別具有獨(dú)立的H型偏轉(zhuǎn)磁鐵，兩偏轉(zhuǎn)磁鐵共享一個邊鐵軛，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 偏轉(zhuǎn)磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖及其磁路分布Fig.2 Deflecting magnet structure diagram and the magnetic circuit distribution

2.1 偏轉(zhuǎn)磁鐵參數(shù)的設(shè)計

EAST中性束注入器的偏轉(zhuǎn)磁鐵利用帶電粒子在橫向勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動時受到的洛倫茲力將束流中的氘離子偏離束流通道。根據(jù)全能量離子偏轉(zhuǎn)不小于42cm的設(shè)計要求，利用帶電粒子在磁場中運(yùn)動學(xué)方程，可以給出不同能量的離子所需要的偏轉(zhuǎn)磁場的強(qiáng)度如圖3所示。同時，考慮偏轉(zhuǎn)半徑在一定的條件下可調(diào)，且滿足束線未來100keV運(yùn)行的需要，磁場強(qiáng)度保留20%的可調(diào)空間，偏轉(zhuǎn)磁鐵磁場最大強(qiáng)度不小于0.19T。

圖3 氘離子能量和中心磁場強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between deuterium ion energy and the center magnetic field strength

當(dāng)束流在偏轉(zhuǎn)磁鐵內(nèi)傳輸時，由于離子間的碰撞、入射離子橫向速度分量的存在以及偏轉(zhuǎn)磁鐵入口場的影響，束流中的部分離子將碰撞到磁極間隙的內(nèi)壁上。同時，磁極間距離過大將使偏轉(zhuǎn)磁鐵帶來不必要的更大范圍的入口場。為滿足偏轉(zhuǎn)磁鐵防護(hù)的需要，考慮工程實施的可行性，設(shè)計磁極防護(hù)屏高度為1cm。那么，磁極間距離應(yīng)設(shè)計為20cm。

由上文敘述可知，偏轉(zhuǎn)磁鐵內(nèi)束流的運(yùn)動半徑取為rm=42cm。根據(jù)經(jīng)驗公式:

(1)

式中：ξ——磁極利用系數(shù)；

R——磁極端部半徑，cm。

磁極利用系數(shù)一般取0.78～0.91。那么，設(shè)計磁極端部半徑應(yīng)在46.1～53.8cm。由于本偏轉(zhuǎn)磁鐵設(shè)計為90°入射，90°出射，180°偏轉(zhuǎn)，那么磁極端面設(shè)計為矩形結(jié)構(gòu)，同時考慮離子偏轉(zhuǎn)半徑調(diào)整的需要，磁極端面設(shè)計為138cm×47cm的圓角矩形。

2.2 偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈參數(shù)的設(shè)計

由安培環(huán)路定律知

∮H·dl=NI

(2)

其中，N為線圈匝數(shù)；I為線圈中電流，單位為A。NI為勵磁安匝數(shù)，那么它可以由下式給出:

NI=

(3)

式中：μ0——真空磁導(dǎo)率；

μiron——磁鐵鐵芯的磁導(dǎo)率。

當(dāng)磁鐵鐵芯不飽和時，μiron近似為常數(shù)。一般來說，鐵芯材料的磁導(dǎo)率在2000H/m 以上，甚至更高；而真空磁導(dǎo)率僅僅為μ0=4π×10-7H/m。因此，在鐵芯結(jié)構(gòu)的電磁鐵中μiron?μ0，那么上式可以簡化為：

NI≈LairB/μ0

(4)

其中，B的單位為Wb/m2；Lair的單位為m；同時,1 Wb/m2=1T=104Gs。在二極磁鐵中，磁鐵氣隙的大小Lair就是兩磁極間的距離g。由于以上計算忽略了磁鐵鐵芯的貢獻(xiàn)，引入勵磁系數(shù)f后，上式可以簡化為：

NI=0.8fgB

(5)

式中：f——勵磁系數(shù)；

g——?dú)庀陡叨?cm；

B——中心磁感應(yīng)強(qiáng)度, Gs。

其中，勵磁系數(shù)一般取1.05～1.1。根據(jù)前文分析，對于EAST中性束注入器的偏轉(zhuǎn)磁鐵來說，它的磁場強(qiáng)度和磁極間距離分別為：1900Gs，20cm。那么，設(shè)計電磁鐵的安匝數(shù)為：31920～33440。根據(jù)電工學(xué)手冊外水冷導(dǎo)線電流密度取3A/mm2，內(nèi)水冷導(dǎo)線電流密度取10A/mm2。將前文計算的電流安匝數(shù)取為33500，那么導(dǎo)線外水冷和內(nèi)水冷的情況下，線圈的截面面積分別為11166mm2、3350mm2。結(jié)合偏轉(zhuǎn)磁鐵安裝空間和裝置穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求，偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈采用內(nèi)水冷導(dǎo)線繞制。結(jié)合工程實踐的實際情況，線圈導(dǎo)線選用9.3mm×9.3mm×D6.5mm 的空心導(dǎo)體。根據(jù)前面計算結(jié)果，偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈總匝數(shù)為：

(6)

那么，取勵磁線圈匝數(shù)為64匝；根據(jù)二極磁體對稱設(shè)計的原則，將其設(shè)計為每側(cè)2餅，每餅2層，每層8根的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

2.3 偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈水冷參數(shù)的設(shè)計

根據(jù)公式(5)，取勵磁系數(shù)為1.075，可得線圈電流約為500A，符合空心水冷線圈導(dǎo)線的載流能力要求。根據(jù)磁場空間的設(shè)計要求，偏轉(zhuǎn)磁鐵單側(cè)線圈的導(dǎo)線長度大約為125m，那么，單側(cè)線圈的電阻約為46.3mΩ。根據(jù)線圈設(shè)計結(jié)構(gòu)，每個束流通道的偏轉(zhuǎn)磁鐵的線圈采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。那么，每條束流通道上線圈的發(fā)熱功率為：

P=I2R=11.575 kW

(7)

對于處于真空系統(tǒng)的線圈來說，沉積在上面的熱量需要冷卻水帶走。線圈自身熱負(fù)荷約為12kW。根據(jù)冷卻水溫升不大于25 ℃的設(shè)計要求。那么偏轉(zhuǎn)磁鐵需要的冷卻水流量為：

(8)

對內(nèi)徑為6.5mm的導(dǎo)線來說，冷卻水如要達(dá)到此流量，其流速約3.5m/s，那么線圈兩端供水壓力約需1.5MPa。然而，中性束注入器其他部件的設(shè)計水冷壓力為0.7 MPa，這為系統(tǒng)的兼容性帶來了不便。為了優(yōu)化線圈的冷卻能力，在考慮工程造價和可行性的基礎(chǔ)上，增加線圈冷卻水抽頭的方案被采用。增加線圈冷卻水抽頭后，磁體線圈每兩層有一對冷卻水進(jìn)出口，經(jīng)估算在0.6MPa冷卻水壓力下，該線圈可滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的需要。當(dāng)EAST-NBI處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況時，可以認(rèn)為單位時間內(nèi)線圈勵磁電流產(chǎn)生的熱量與單位時間內(nèi)冷卻水帶走的熱量相等，根據(jù)熱平衡方程：

I2R=cpmΔt

(9)

式中：I——線圈通過的電流，單位為A；

R——線圈的總電阻，單位為Ω；

cp——冷卻水的比熱容，單位為J/(kg·K)；

m——冷卻水的質(zhì)量流量，單位為kg/s;

Δt——冷卻水的進(jìn)出水溫度差，單位為℃。

根據(jù)公式(9)和偏轉(zhuǎn)磁鐵穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)，可計算得到線圈冷卻水出口溫升為21.1 ℃。

3 偏轉(zhuǎn)磁鐵的測試結(jié)果

為了確定偏轉(zhuǎn)磁鐵勵磁線圈的性能，EAST中性束注入器偏轉(zhuǎn)磁鐵在中性束綜合測試臺開展了相關(guān)測試。首先，偏轉(zhuǎn)磁鐵的線圈按照實際工況要求連接到冷卻水系統(tǒng)，并分別測量了供水壓力由0.25MPa增加至0.65MPa情況下冷卻水流量大小，其測試結(jié)果如表1。

表1 線圈冷卻水壓力和流量測量Table 1 Coil cooling water pressure Vs flow rate measurement

為了確定線圈冷卻性能，利用水流熱量計系統(tǒng)對偏轉(zhuǎn)磁鐵的線圈在運(yùn)行電流500A的情況下進(jìn)行了長脈沖測試，其運(yùn)行時間分別為100s，130s，200s，500s，1000s，測試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)通電時間大于500s時，線圈冷卻水的溫升基本保持不變；此時，冷卻水溫升約21.5℃。這說明：勵磁電流的熱功率與單位時間內(nèi)冷卻水帶走的熱量達(dá)到動態(tài)平衡，冷卻水溫升保持不變，這也與理論計算結(jié)果符合得很好。

圖4 長脈沖時冷卻水進(jìn)出水口溫度差Fig.4 The cooling water inlet and outlet temperature difference during long pulse operation

為了確定偏轉(zhuǎn)磁鐵的勵磁性能，在不同通電電流情況下，分別測量了偏轉(zhuǎn)磁鐵磁隙中9個不同位置的磁場強(qiáng)度，并取其平均值作為該勵磁電流情況下偏轉(zhuǎn)磁鐵的磁場強(qiáng)度。表2分別給出了偏轉(zhuǎn)磁鐵兩個磁隙的測量結(jié)果。可見，偏轉(zhuǎn)磁鐵左右兩個束通道具有較好的一致性，且其勵磁系數(shù)約為1.065，符合磁體工程實踐設(shè)計要求。圖5給出了磁隙中平面上磁場的分布情況，在磁極區(qū)域內(nèi)形成了較好的勻場區(qū)。

圖5 偏轉(zhuǎn)磁鐵磁隙中平面上磁場分布Fig.5 The magnetic field distribution on the mid-plane of deflection magnet gap

4 結(jié)論

根據(jù)EAST中性束注入器的要求，設(shè)計了滿足其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行需要的偏轉(zhuǎn)磁鐵。該偏轉(zhuǎn)磁鐵采用H型二級鐵結(jié)構(gòu)，分別對應(yīng)兩個離子源形成獨(dú)立的勻強(qiáng)磁場。其線圈采用選用外方內(nèi)圓的空心導(dǎo)體，并根據(jù)二極磁體對稱設(shè)計的原則，將其設(shè)計為每側(cè)2餅，每餅2層，每層8根的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。為了滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行需要，其線圈采用了每兩層一對冷卻水抽頭的結(jié)構(gòu)，經(jīng)測試該結(jié)構(gòu)滿足偏轉(zhuǎn)磁鐵在500A勵磁電流條件下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的需要，磁體冷卻水溫升約21.5℃。

表2 磁極中心磁場強(qiáng)度與電流關(guān)系Table 2 Relationship between magnetic field strength of the magnetic pole center and the coil current

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Parameter design and estimation of deflectionmagnet for EAST neutral beam injector

LIANG Li-zhen, ZHAO Xiang-xue, WANG Yan,HU Chun-dong, WEI Jiang-long, XIE Yuan-lai

( Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Science, Hefei of Anhui Prov. 230031, China)

The deflection magnet is the key equipment for residual ion separating form the beam passage in neutral beam injector (NBI). The magnet and the ion dump composing the deflection system of neutral beam injector. Performance of beam deflection system plays an important role for beam quality and beam transmission efficiency. According to requirements of deflection system of EAST-NBI, parameters of deflection magnet were estimated. The deflection magnet is designed for residual ion separating with 180 degrees. The H-type two-pole electromagnet structure is employed for deflection magnet. Its design is a rounded rectangle magnetic pole at the dimension of 138cm×47cm. Coil of deflection magnet is designed with two units for each side, each unit has two layers and every layer includes 8 circles. The wire is chosen as quadrate hollow copper conductor, which will meet the needs of steady-state operation of the deflection magnet. The design of the deflection magnet with 370A excitation current will provide a magnetic field to deflect 80keV deuterium ions. Experimental results show: under steady-state operating with 500A excitation current conditions, the temperature rise of cooling water of deflection magnet coil is about 21.5 ℃. The designed deflection magnet can meet the requirement of steady-state operation at full parameters and also fulfill the requirement of operating parameters gradually increase in the future.

Neutral beam；Deflection system；Electromagnet；Beam quality；

2016-02-11

國家自然科學(xué)基金(項目號：11075183)；973國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(項目號：2013GB101000);中國科學(xué)院等離子體物理研究所所基金(項目號：DSJJ-14-JC07)

梁立振(1984—)，男，山東兗州人，副研究員，博士，現(xiàn)從事中性束注入加熱方面研究

TL48

A

0258-0918(2016)05-0634-06