胡純棟 許永建（中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）

EAST中性束注入器研制進(jìn)展

胡純棟 許永建
（中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）

EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)作為世界上第一個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托克馬克，其目標(biāo)是研究1000 s的長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的前沿性物理問(wèn)題，要達(dá)成這一目標(biāo)，必須有高功率電流驅(qū)動(dòng)和輔助加熱系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)EAST裝置的高參數(shù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。中性束注入(Neutral Beam Injection, NBI)加熱是等離子體輔助加熱和維持最有效的手段之一，為此一套注入功率4–8 MW、脈沖寬度10–100 s的中性束注入系統(tǒng)于2010年開工建設(shè)，并于2014年實(shí)現(xiàn)了對(duì)等離子體的加熱和驅(qū)動(dòng)。本文主要展示了EAST中性束注入器的最新進(jìn)展，從長(zhǎng)脈沖束引出和高功率束引出兩個(gè)方面介紹了EAST中性束注入器綜合測(cè)試臺(tái)的最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明在束功率和脈沖寬度方面已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

中性束注入器，束引出，離子源

EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)裝置是我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的國(guó)際首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，其設(shè)計(jì)指標(biāo)為1000 s穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)穩(wěn)態(tài)磁約束聚變的前沿問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究[1]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需研制可長(zhǎng)脈沖運(yùn)行的輔助加熱和電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[2]。因此一套注入功率4–8 MW、10–100 s中性束注入系統(tǒng)于2010年開工建設(shè)，并于2014年成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)等離子體的加熱和電流驅(qū)動(dòng)。電極采用中空鉬管加工制成，中空管道通有去氧去離子水冷卻。為進(jìn)一步提高NBI加熱效率，在不改變離子源的結(jié)構(gòu)的情況下提高束引出能力，PG的橫截面由原來(lái)的圓形改為菱形(圖3)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明離子源的束引出能力有了較大的提高。

1 EAST中性束注入器組成

依據(jù)EAST的研究計(jì)劃，中性束注入(Neutral Beam Injection, NBI)系統(tǒng)分為兩條束線，在EAST裝置上的布局如圖1所示。每條束線具有獨(dú)立的電源、控制、真空以及診斷系統(tǒng)等，可單獨(dú)工作并產(chǎn)生最大功率為4 MW，束能量為50–80 keV，脈沖寬度為10–100 s的氘中性束，其內(nèi)部構(gòu)成[3–6]如圖2所示。其中每條束線均安裝兩個(gè)離子源，離子源作為NBI裝置中最關(guān)鍵部件之一，其功能是產(chǎn)生等離子體并實(shí)現(xiàn)對(duì)其中的正離子加速。EAST-NBI采用了熱陰極大面積桶式源。離子源包括弧室和加速電極兩部分，其設(shè)計(jì)的束引出面為120 mm×480 mm。其中加速電極采用四電極靜電引出加速系統(tǒng)，分別是等離子電極(Plasma Grid, PG)、梯度電極(Gradient Grid, GG)、抑制電極(Suppression Grid, SG)和地電極(Earth Grid, EG)。為提高電極的主動(dòng)冷卻能力，

圖1 中性束注入器在EAST裝置上的布局Fig.1 Layout of the neutral beam injector system in EAST.

圖2 EAST中性束注入器結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic view of EAST-NBI.

圖3 EAST-NBI離子源加速電極最新改進(jìn)示意圖Fig.3 Improvement of accelerating electrode of EAST-NBI ion source.

2 EAST中性束注入器的性能測(cè)試

2.1 長(zhǎng)脈沖束引出測(cè)試

EAST為了實(shí)現(xiàn)高參數(shù)運(yùn)行，對(duì)各輔助加熱手段提出了更高的要求，對(duì)EAST-NBI提出了長(zhǎng)脈沖（穩(wěn)態(tài)）運(yùn)行的要求，為此我們測(cè)試了EAST-NBI長(zhǎng)脈沖束引出的能力。圖4給出了150 s長(zhǎng)脈沖的波形圖，圖4中Vfil為燈絲電壓，Ifil為燈絲電流，Varc為弧壓，Iarc為弧流，Vacc為加速電壓，Iacc為束流，Vsup為抑制電極電壓，Isup為抑制電極電流。為配合束流的引出，在對(duì)加速電壓進(jìn)行調(diào)制的同時(shí)要保證弧壓、抑制電極電壓要與加速電壓同步。由圖4可知，當(dāng)加速電壓為50 kV、弧功率為52.5 kW時(shí)，弧效率為0.57 A·kW?1。等離子體電極由圓形改為菱形，提高了離子源的束引出能力，減小了束散角，降低了束通道內(nèi)熱承載部件的換熱壓力，同時(shí)束調(diào)制技術(shù)的采用，也有效地減輕了束通道內(nèi)熱承載部件的換熱壓力，上述因素使長(zhǎng)脈沖束引出成為可能。

2.2 高功率束引出測(cè)試

為測(cè)試EAST中性束注入器的高功率束引出能力，我們測(cè)試了單離子源4 MW離子束引出。圖5給出了在該參數(shù)下的波形圖。從圖5中可以看到，離子源引出功率達(dá)到了其設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖4 150s長(zhǎng)脈沖束引出波形圖(50kV, 30A, 150s調(diào)制)Fig.4 Waveform of 150 s long pulse beam extraction (50 kV, 30 A, 150 s, modulating).

圖5 高功率束引出實(shí)驗(yàn)波形(4 MW, 80 keV, 50 A)Fig.5 Waveforms of high power beam extraction (4 MW, 80 keV, 50 A).

2.3 束關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量

為測(cè)量束流在熱承載部件下的沉積功率，我們利用水流熱量量積測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試[7–8]，圖6給出了在偏轉(zhuǎn)磁鐵通斷情況下熱承載部件上沉積功率占總功率的百分比。束流的中性化效率隨著電壓的升高呈下降趨勢(shì)（見圖7），通過(guò)改變中性化室的進(jìn)氣量還可以進(jìn)一步優(yōu)化中性化效率。核聚變研究希望從離子源中引出的離子束的質(zhì)子比盡可能高，但分子離子依然存在，為測(cè)量束的質(zhì)子比，利用多普勒光譜測(cè)量系統(tǒng)對(duì)束流進(jìn)行了測(cè)量，圖8給出了束能量與質(zhì)子比的關(guān)系，由圖8可以看到全能量的質(zhì)子比隨著束能量而增大。圖9給出了PG改進(jìn)前后的對(duì)比，從圖9可以看出，PG由原來(lái)的圓形改為菱形后，離子源的最佳運(yùn)行區(qū)間變寬，束引出效率提高同時(shí)最佳束散角變小。

圖6 束流在熱承載部件上的功率沉積Fig.6 Beam power deposition distribution on the heat load components.

圖7 不同束能量的中性化效率1（中性化室未進(jìn)氣，工作氣體為1H）Fig.7 Neutralizing efficiency as a function of beam energy(without neutralizer gas puff, for hydrogen).

圖8 束成分與束能量之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between beam species and beam energy.

圖9 束散角隨導(dǎo)流系數(shù)的變化曲線Fig.9 Divergence angle as a function of perveance.

3 結(jié)語(yǔ)

中性束注入系統(tǒng)作為國(guó)家“九五”重大科學(xué)工程全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)的高功率輔助加熱和電流驅(qū)動(dòng)的主要組成部分之一，在綜合測(cè)試臺(tái)上已經(jīng)完成各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試，結(jié)果表明束功率和脈沖寬度已達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)，為在EAST上開展近堆芯等離子體物理與工程研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

致謝 感謝中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所中性束注入課題組全體成員對(duì)本實(shí)驗(yàn)給予的支持。

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Development progresses of EAST neutral beam injector HU Chundong XU Yongjian

(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Background: As the first full superconducting non-circular cross section Tokomak in the world, Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) is used to explore the forefront physics and engineering issues on the construction of Tokomak fusion reactor. Neutral beam injection has been recognized as one of the most effective means for plasma heating. Purpose: This paper aims to present the latest progresses of EAST neutral beam injector. Methods: Long pulse beam extraction and high power beam extraction were experimentally tested to verify the performance of a set of neutral beam injectors (4–8 MW, 10–100 s) which were developed and put into operation in 2014. Results: Test results showed that beam power and pulse length met or exceeded the design requirments. Conclusion: All these progresses lay a solid foundation for the achievement of plasma heating and current drive for EAST in the future.

Neutral beam injector, Beam extraction, Ion source

TL61+2.11

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110603

國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)(No.2013GB101001)資助

胡純棟，男，1963年出生，1999年于中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事中性束物理與實(shí)驗(yàn)研究

許永建，E-mail: yjxu@ipp.ac.cn

2015-03-25，

2015-07-29

CLC TL61+2.11