趙祥學(xué) 王 艷 梁立振 胡純棟 韋江龍

1（中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）

2（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026）

EAST-NBI偏轉(zhuǎn)磁體線圈水冷能力分析與測(cè)試研究

趙祥學(xué)1,2王 艷1梁立振1胡純棟1韋江龍1

1（中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）

2（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026）

偏轉(zhuǎn)磁體是中性束注入器的關(guān)鍵部件之一，它安裝在中性束注入器真空室內(nèi)部。為適應(yīng)核聚變研究裝置對(duì)中性束注入器高能量、長脈沖、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求，對(duì)其偏轉(zhuǎn)磁體原先勵(lì)磁線圈的水冷系統(tǒng)進(jìn)行了分析，提出增加水冷抽頭的方法完成了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)改進(jìn)前后線圈的冷卻能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)中性束注入器長脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，改進(jìn)后的水冷結(jié)構(gòu)能及時(shí)帶走偏轉(zhuǎn)磁體勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的熱量；冷卻水的進(jìn)出口水溫差約21 °C；偏轉(zhuǎn)磁體線圈導(dǎo)體表面的溫度約45 °C；改進(jìn)設(shè)計(jì)水冷系統(tǒng)性能得到優(yōu)化，滿足了EAST-NBI高參數(shù)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求。

中性束，偏轉(zhuǎn)磁體，勵(lì)磁線圈，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試

中性束注入(Neutral Beam Injection, NBI)加熱是對(duì)托卡馬克等離子體的外部加熱和維持的主要手段之一[1-3]，它利用注入的高能中性粒子束在等離子體中的電離、熱化，把能量轉(zhuǎn)化成等離子體的內(nèi)能來提高等離子體溫度。先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)將建設(shè)兩條中性束注入束線，從而滿足其穩(wěn)態(tài)、高參數(shù)運(yùn)行的需要。

中性束注入器是一套用來產(chǎn)生高能帶電粒子并進(jìn)行中性化的設(shè)備。它產(chǎn)生高能中性束的過程是：離子源的燈絲發(fā)射熱電子，熱電子在離子源弧室和工作氣體分子碰撞產(chǎn)生源等離子體。源等離子體中的離子被高壓電極引出并且加速到所需要的能量后，再經(jīng)過中性化室，變成高能中性粒子。由于經(jīng)過中性化室的離子不能全部變成中性粒子，未被中性化的離子稱為剩余離子，其必須從粒子束中剝離。這是因?yàn)槭芡锌R克裝置約束磁場(chǎng)的影響，剩余離子難以注入到托卡馬克等離子體芯部，它將沉積在托卡馬克等離子體的邊緣，進(jìn)而為托卡馬克第一壁帶來大量的熱量，并給等離子體帶來污染。因此，剩余離子必須由中性束注入器的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)剝離出束通道。剩余離子的偏轉(zhuǎn)可以采用電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)，EAST-NBI中性束注入器采用了180°磁偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，它主要由偏轉(zhuǎn)磁體和離子吞食器構(gòu)成，其布局如圖1所示。當(dāng)粒子束經(jīng)過偏轉(zhuǎn)磁體產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，中性粒子不受磁場(chǎng)力的作用，不改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。帶電粒子在恒定磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，被剝離出粒子束，最終被離子吞食器捕獲。經(jīng)過偏轉(zhuǎn)磁體剝離帶電粒子后的高能粒子束即是中性束，注入托卡馬克對(duì)等離子進(jìn)行加熱。

式中，F(xiàn)為離子受到的洛倫茲力；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；q為離子的帶電量；m為離子的質(zhì)量；ν為離子的運(yùn)動(dòng)速率；r為離子運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑。

在中性束注入器長脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的情況下，偏轉(zhuǎn)磁體線圈勵(lì)磁電流產(chǎn)生的熱量必須及時(shí)被冷卻水帶走，否則會(huì)危及偏轉(zhuǎn)磁體的安全運(yùn)行。對(duì)偏轉(zhuǎn)磁體水冷結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和測(cè)試，是偏轉(zhuǎn)磁體正常工作的基礎(chǔ)。本文在偏轉(zhuǎn)磁體線圈基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算線圈進(jìn)、出口冷卻水參數(shù)和線圈表面溫升情況，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)與性能等因素的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了線圈冷卻水結(jié)構(gòu)，確保該線圈能夠滿足EAST-NBI裝置穩(wěn)態(tài)運(yùn)行要求。

圖1 剩余離子偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of residual ions deflection system of EAST-NBI.

1 EAST-NBI偏轉(zhuǎn)磁體線圈結(jié)構(gòu)

EAST-NBI一條束線具有兩個(gè)束流通道，且兩束流以8°40'的夾角向會(huì)聚方向傳輸?？紤]剩余離子180°偏轉(zhuǎn)的要求以及H型二極電磁鐵具有場(chǎng)型對(duì)稱，適合于高場(chǎng)區(qū)工作的特點(diǎn)，EAST中性束注入器偏轉(zhuǎn)磁體采用組合H型二極電磁鐵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為合適。即兩個(gè)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(gè)邊鐵軛。

根據(jù)偏轉(zhuǎn)磁體勵(lì)磁要求，結(jié)合工程實(shí)踐的實(shí)際情況，EAST-NBI偏轉(zhuǎn)磁體線圈導(dǎo)線選用9.3 mm× 9.3 mm×?6.5 mm的空心導(dǎo)體。根據(jù)二極磁體對(duì)稱設(shè)計(jì)的原則，將其設(shè)計(jì)為每側(cè)2餅，每餅2層，每層8根的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，單個(gè)線圈導(dǎo)體總長度約120 m。為滿足偏轉(zhuǎn)磁體各導(dǎo)線間的絕緣需要，導(dǎo)線外側(cè)需裹覆兩層寬25.4 mm，厚度分別為0.13 mm、0.05 mm的玻璃絲膜和聚酰亞胺膜。線圈的引線采用外圓內(nèi)圓的焊接連接結(jié)構(gòu)，以方便電源和冷卻水路的接入。

當(dāng)中性束注入器在長脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，偏轉(zhuǎn)磁體勵(lì)磁線圈的發(fā)熱功率約為10 kW量級(jí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱導(dǎo)致線圈溫度升高。過高的線圈溫升，會(huì)改變勵(lì)磁線圈的負(fù)載特性，甚至?xí)p壞線圈導(dǎo)體的絕緣層，危及磁體安全運(yùn)行。由于偏轉(zhuǎn)磁體工作在高真空系統(tǒng)內(nèi)，偏轉(zhuǎn)磁體線圈產(chǎn)生的熱量必須使用冷卻水及時(shí)帶走。EAST-NBI偏轉(zhuǎn)磁體勵(lì)磁線圈是利用外方內(nèi)圓的無氧銅管導(dǎo)體繞制的，導(dǎo)體中間圓管道內(nèi)通有循環(huán)冷卻水，帶走勵(lì)磁線圈通電時(shí)產(chǎn)生的熱量。效率高、運(yùn)行可靠的冷卻水系統(tǒng)是偏轉(zhuǎn)磁體安全工作的基礎(chǔ)。

2 線圈水冷參數(shù)計(jì)算

2.1 初步設(shè)計(jì)線圈冷卻能力計(jì)算

初步設(shè)計(jì)一餅線圈設(shè)置一個(gè)冷卻水進(jìn)口和一個(gè)冷卻水出口，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在NBI長脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的條件下，以偏轉(zhuǎn)磁體勵(lì)磁電流500 A，線圈電阻0.047 Ω，冷卻水壓力為0.65 MPa，冷卻水流量為0.172 t·h-1，冷卻水進(jìn)口溫度為20 °C，可以計(jì)算出冷卻水出口溫度。

當(dāng)EAST-NBI處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況時(shí)，可以認(rèn)為單位時(shí)間內(nèi)線圈勵(lì)磁電流產(chǎn)生的熱量與單位時(shí)間內(nèi)冷卻水帶走的熱量相等，根據(jù)熱平衡方程[4]：

式中，I為勵(lì)磁線圈通過的電流強(qiáng)度；R為勵(lì)磁線圈的電阻；cp為冷卻水的比熱容；m為冷卻水的流量；ti為冷卻水進(jìn)水溫度；to為冷卻水出水溫度。以上文所述數(shù)據(jù)代入式(3)，可得冷卻水出水口溫度為79°C。

這個(gè)溫度已經(jīng)接近線圈絕緣材料的所能承受溫度的最大值。為避免線圈的溫升可能對(duì)絕緣材料造成的損壞，必須設(shè)法減小冷卻水溫升。

圖2 初步設(shè)計(jì)線圈水冷結(jié)構(gòu)Fig.2 Preliminarily designed cooling structure.

2.2 改進(jìn)線圈的冷卻能力計(jì)算

為了適應(yīng)EAST-NBI中性束注入器高功率、長脈沖、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求，必須解決初步設(shè)計(jì)線圈冷卻水溫升過大的問題。降低冷卻水的溫升可以考慮不改變線圈水冷結(jié)構(gòu)，增大冷卻水供水壓力，從而增大冷卻水流速，增強(qiáng)冷卻效果。這種方法勢(shì)必對(duì)冷卻水供水系統(tǒng)提出更高的要求，增加投入。也可以考慮不改變冷卻水供水壓力，縮短冷卻水通水路徑的方法，增加冷卻水流速增強(qiáng)冷卻效果，從而達(dá)到降低冷卻水溫升的目的?？紤]在原冷卻通道長度的二分之一處將其一分為二，增加一對(duì)冷卻水進(jìn)出口，其電路利用短接銅塊仍然保持其串聯(lián)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后線圈結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改進(jìn)線圈的水冷結(jié)構(gòu)Fig.3 Improved water cooling structure.

式(3)中代入偏轉(zhuǎn)磁體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)，可計(jì)算得到線圈冷卻水出口溫度為：

NBI在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，線圈勵(lì)磁電流單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量和冷卻水單位時(shí)間內(nèi)帶走的熱量相等，達(dá)到平衡狀態(tài)。冷卻水管的厚度僅為1.4 mm，忽略管壁厚度，認(rèn)為冷卻水出口平均溫度近似等于線圈平均溫度。該溫度不會(huì)破壞線圈導(dǎo)體間的絕緣層，磁體在此溫度下可以安全運(yùn)行。

3 勵(lì)磁線圈冷卻能力測(cè)試結(jié)果

為了確定偏轉(zhuǎn)磁體勵(lì)磁線圈的性能，初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的線圈和增加水冷抽頭的線圈均在中性束綜合測(cè)試臺(tái)開展了相關(guān)測(cè)試。

3.1 勵(lì)磁線圈通水性能測(cè)試

初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的線圈和增加水冷抽頭的線圈按照實(shí)際工況要求連接到冷卻水系統(tǒng)，并分別測(cè)量了供水壓力由0.25 MPa增至0.65 MPa情況下冷卻水流量大小。其測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 初步設(shè)計(jì)線圈和改進(jìn)前后線圈冷卻水壓力和流量測(cè)量Table 1 Measurements of cooling water pressure and flow of the preliminary designed and improved coils.

圖4 改進(jìn)線圈與初步設(shè)計(jì)線圈通電時(shí)間和冷卻水溫升Fig.4 Cooling water temperature rise of improved coil and the preliminary designed coil.

由表1，在相同冷卻水供水壓力下，增加水冷抽頭的線圈的冷卻水流量比初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的線圈的冷卻水流量增加了約50%。

3.2 改進(jìn)前后線圈的冷卻能力對(duì)比

3.2.1 線圈電流為500 A、通電時(shí)間為100 s時(shí)冷卻水溫升對(duì)比

利用水流熱量計(jì)系統(tǒng)測(cè)量了兩種結(jié)構(gòu)的線圈在不同通電電流、不同通電時(shí)間下線圈冷卻水的溫升情況。圖4給出了通電電流同為500 A、通電時(shí)間100 s時(shí)，初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的線圈與增加水冷抽頭的線圈冷卻水溫升隨時(shí)間變化情況。由圖4，初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的線圈熱量從線圈內(nèi)帶出時(shí)間相對(duì)滯后，且增加抽頭的線圈冷卻水的溫升較低，帶走熱量較快。初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的線圈冷卻水在放電結(jié)束后兩倍放電脈沖時(shí)間內(nèi)還在緩慢升高，而增加水冷抽頭的線圈冷卻水溫升在放電結(jié)束后在約0.2倍的脈沖時(shí)間內(nèi)上升，然后就開始迅速下降，且其冷卻水溫度下降的速度也比改進(jìn)前的線圈冷卻水溫度下降加快。

3.2.2 放電電流為500 A長脈沖放電時(shí)線圈冷卻水溫升

為了確定線圈冷卻能力，利用水流熱量計(jì)系統(tǒng)對(duì)初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的線圈和增加水冷抽頭的線圈在運(yùn)行電流500 A的情況下進(jìn)行了長脈沖測(cè)試。初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的線圈在放電時(shí)間增加至200 s后引冷卻水出口水溫過高而中止了更長脈沖的測(cè)試。增加水冷抽頭的線圈在通電電流為500 A情況下進(jìn)行了100 s、130 s、200 s、500 s、1000 s通電測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5，當(dāng)通電時(shí)間大于500 s時(shí)，增加水冷抽頭的線圈冷卻水的溫升速率變緩，通電時(shí)間大于500 s后增加水冷抽頭的線圈冷卻水的溫升基本保持不變；此時(shí)，冷卻水溫升約21.5 °C。說明勵(lì)磁電流的熱功率與單位時(shí)間內(nèi)冷卻水帶走的熱量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，冷卻水溫升保持不變，這也與理論計(jì)算結(jié)果符合得很好。

圖5 改進(jìn)線圈長脈沖冷卻水進(jìn)出水溫度差Fig.5 Improved coil long pulse when the cooling water inlet and outlet temperature difference.

3.2.3 初步設(shè)計(jì)線圈和改進(jìn)線圈冷卻水溫升紅外圖像對(duì)比

在初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的線圈和增加水冷抽頭的線圈通電測(cè)試時(shí)，利用紅外相機(jī)分別拍攝了它們的圖像(圖6和圖7)。圖片顯示，線圈冷卻水在進(jìn)出口，水溫有明顯差異。對(duì)應(yīng)初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的線圈和增加水冷抽頭的線圈，紅外攝像儀顯示的冷卻水出口線圈表面溫度分別約為50 °C、30 °C，與計(jì)算結(jié)果一致。

圖6 初步設(shè)計(jì)線圈通電時(shí)的紅外成像Fig.6 Infrared image of the preliminary design of the coil.

圖7 改進(jìn)線圈通電時(shí)的紅外成像Fig.7 Infrared image of the cooling structure of improved coil.

4 結(jié)語

只對(duì)初步設(shè)計(jì)線圈的水冷結(jié)構(gòu)改進(jìn)，偏轉(zhuǎn)磁體其它部分不做任何改動(dòng)，線圈的冷卻能力得到明顯增強(qiáng)。這種改進(jìn)在工藝技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，又可以節(jié)約經(jīng)費(fèi)。該水冷結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)磁體即可滿足EAST-NBI中性束注入器在高功率、長脈沖、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求。

在相同電流和脈沖時(shí)間情況下，改進(jìn)后線圈的冷卻水溫升明顯低于原線圈的冷卻水溫升。在大電流、長脈沖的情況下，增加水冷抽頭的線圈冷卻水溫升比原線圈冷卻水的溫升下降更加明顯。并且，在放電結(jié)束時(shí)，線圈恢復(fù)到初始溫度的時(shí)間也比初步設(shè)計(jì)線圈減少。

根據(jù)NBI束能量和偏轉(zhuǎn)磁體線圈電流之間的關(guān)系[5]，當(dāng)束能量為80 keV時(shí)，對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)磁體的電流為361 A。如果NBI以此束能量下做長脈沖運(yùn)行，冷卻水的溫升應(yīng)小于21 °C?？梢?，改進(jìn)后的線圈冷卻能力能夠滿足EAST-NBI中性束注入器高功率、長脈沖、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求。

致謝 本工作得到中國科學(xué)院等離子體物理研究所EAST-NBI組成員的指導(dǎo)幫助，在此向他們表示衷心的感謝。

1 Liang L Z, Hu C D, Xie Y L. Calculation of beam intensity distribution for the neutral beam injection in EAST[J]. Plasma Science and Technology, 2011, 13(4): 502-505

2 梁立振, 胡純棟, 謝遠(yuǎn)來. 中性束再電離損失過程碰撞

電離截面特性研究[C]. 中國物理學(xué)會(huì)2008年秋季學(xué)術(shù)會(huì)議, 濟(jì)南, Sep.19-21, 2008 LIANG Lizhen, HU Chundong, XIE Yuanlai. The characteristics of cross section of collision loss process of neutral beam ionization[C]. Chinese Physical Society 2008 Fall Meeting, Jinan, Shandong, China, Sep.19-21, 2008

3 Hu C D, Liang L Z, Xie Y L, et al. The calculation of beam intensity distribution for EAST-NBI[C]. 9thInternational Symposium on Fusion Nuclear Technology, Dalian, Liaoning, China, Oct.11-16, 2009

4 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 197 YANG Shiming, TAO Wenquan. Heat transfer[M]. Beijing: Higher Education Press, 2006: 197

5 梁立振. 中性束注入器磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)束傳輸特性研究[D].合肥: 中國科學(xué)院等離子體物理研究所, 2011: 106-107 LIANG Lizhen. The study of beam transmission in magnetic deflection system for neutral beam injector[D]. Hefei: Institute of Plasma Physics China, 2011: 106-107

CLCO532+.26

Analyses and tests of cooling capability of EAST-NBI deflection magnet coils

ZHAO Xiangxue1,2WANG Yan1LIANG Lizhen1HU Chundong1WEI Jianglong1
1(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)2(University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background: The deflection magnet is one of the key components of the neutral beam injector, it is installed in the neutral beam injector vacuum chamber. While the neutral beam injector works, the heat generated by current running through exciting coils of deflection magnet must be taken away by the cooling water simultaneously. Purpose: In order to meet the requirements of the developing nuclear fusion researches, the neutral beam injector must work steadily, providing neutral beam of high energy, high power continuously. The cooling abilities of the deflection magnets must be enhanced. Methods: The water cooling structure of excitation coils of the original deflection magnet was optimized by adding a pair of water taps in each primary coil, and the tests were made to check the cooling capbilities of the improved exciting coils. Results: When the neutral beam injector runs at the state of long pulse, improved water cooling structures take away the heat generated by the exciting coils timely. The improvement of the cooling abilities of the coils was successful. Conclusion: The temperature difference between the inlet and outlet of the cooling water pipe is about 21 °C, and the surface temperature of deflection magnet coil is about 45 °C.

Neutral beam, Deflection magnet, Exciting coils, Structural design, Experimental tests

O532+.26

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120202

國際磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)基金(No.2013GB101000)資助

趙祥學(xué)，1967年出生，2009年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲碩士學(xué)位，從事中性束注入器束傳輸特性研究

梁立振，E-mail: lzliang@ipp.ac.cn

2014-05-13，

2014-09-12