陶 玲，謝遠(yuǎn)來，胡純棟，許永建

（中國科學(xué)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(shí)現(xiàn)東方超環(huán)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行目標(biāo)（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(shù)反復(fù)工作條件下，由于粒子束物理效應(yīng)，高能束流在傳輸過程中會(huì)不斷發(fā)散而超出束流通道，進(jìn)而引發(fā)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(fā)散束流的熱流承載部件。根據(jù)束傳輸過程，束通道中每兩個(gè)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(zhuǎn)系統(tǒng)入口處、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)出口處和漂移管道入口限制器處。當(dāng)束能量較高或束參數(shù)不匹配時(shí)，束流限制器上沉積能量大、分布不均勻。因而，合理設(shè)計(jì)束流限制器結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)高功率NBI系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要。

1 束流限制器設(shè)計(jì)要求

束流限制器設(shè)計(jì)要求主要包括以下幾點(diǎn)。

1）能量沉積移除要求。在束參數(shù)（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(huán)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(jù)離子源引出系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)，束引出時(shí)引出面積為100 mm×480mm，因此對(duì)應(yīng)束流通道四周的束流限制器必須保證留出相應(yīng)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(nèi)置冷卻水管。冷卻水除可有效對(duì)靶板進(jìn)行冷卻外，還可完成對(duì)靶板上沉積能量的測(cè)量。除布置熱電偶進(jìn)行表面溫升的測(cè)量外，利用脈沖時(shí)間內(nèi)的冷卻水的進(jìn)出口水溫差估算沉積在束流限制器靶板上的能量大?。?］：

式中：˙m 為流經(jīng)部件的冷卻水的質(zhì)量流量；T（t）為流經(jīng)待測(cè)部件的冷卻水進(jìn)回水溫差；cp為水的比熱。

4）采用板式結(jié)構(gòu)。板式結(jié)構(gòu)可直接懸掛固定在束流通道的四周，且布置上應(yīng)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(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)及傳熱學(xué)驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)［5-6］，在給定冷卻水條件（進(jìn)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(shí)施的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，從束流限制器板式結(jié)構(gòu)參數(shù)（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(jìn)行設(shè)計(jì)分析，獲得了束參數(shù)條件（能量50～80keV、功率2～4 MW）下各位置處的束流限制器結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)磁鐵入口處束流限制器結(jié)構(gòu)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(biāo)識(shí)為偏轉(zhuǎn)磁鐵入口處束流限制器中間的束通道尺寸）。根據(jù)冷卻水的測(cè)量要求，冷卻水管串聯(lián)布置，如圖4 所示。根據(jù)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(duì)初步設(shè)計(jì)完成的偏轉(zhuǎn)磁鐵入口處束流限制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。流體區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，近壁區(qū)網(wǎng)格加密以確保計(jì)算的準(zhǔn)確性［7］；水管為不銹鋼材質(zhì)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；其余為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)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(jìn)行考慮。結(jié)構(gòu)建模及網(wǎng)格劃分如圖5所示。計(jì)算條件設(shè)置如下：進(jìn)口取速度進(jìn)口，出口取壓力出口，進(jìn)口水溫取20℃，出口壓力取0.1MPa。在給定設(shè)計(jì)能量60keV、功率4 MW 前提下，偏轉(zhuǎn)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(shí)能量沉積輸入條件，計(jì)算獲得串聯(lián)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(dāng)前NBI離子源以及束引出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條件下，束流限制器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)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(zhuǎn)磁鐵入口處束流限制器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能較好滿足4 MW、脈寬100s的設(shè)計(jì)要求。

圖2 NBI系統(tǒng)不同位置處束流限制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of each beam collimator of NBI system

圖3 偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁鐵入口處束流限制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of magnet entrance beam collimator

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

圖6 偏轉(zhuǎn)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(jié)

本文針對(duì)東方超環(huán)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(shí)驗(yàn)運(yùn)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(jī)械要求，利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)各束流限制器部件進(jìn)行了初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并以偏轉(zhuǎn)磁鐵入口處束流限制器為例，對(duì)初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了傳熱學(xué)校核，驗(yàn)證了初步設(shè)計(jì)能滿足系統(tǒng)4MW、脈寬100s的工作要求。本文為其他典型高熱流部件的設(shè)計(jì)校核提供了參考，為實(shí)現(xiàn)東方超環(huán)NBI的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行提供了工程借鑒。

［1］ 朱士堯.核聚變?cè)恚跰］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1992.

［2］ 胡純棟，謝遠(yuǎn)來，謝亞紅，等.EAST 長脈沖中性束注入器的研制［C］∥中國核學(xué)會(huì)主編.中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告：中國核學(xué)會(huì)2009 年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：原子能出版社，2009：31-36.

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［5］ 陶玲.EAST 長脈沖高功率中性束注入系統(tǒng)高熱流部件設(shè)計(jì)研究［D］.合肥：中國科學(xué)院大學(xué)，2013.

［6］ 陶玲，胡純棟，謝遠(yuǎn)來，等.全超導(dǎo)托卡馬克中性束注入系統(tǒng)離子吞食器工程設(shè)計(jì)［J］.強(qiáng)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析：CFD 軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.