許永建　栗　翔,2　胡純棟　于　玲　陶　玲　謝亞紅　蔣才超　顧玉明　李　軍

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反向電子吸收板換熱計算與分析

許永建1栗翔1,2胡純棟1于玲1陶玲1謝亞紅1蔣才超1顧玉明1李軍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）

中性束注入是托卡馬克主要的輔助加熱手段。目前先進實驗超導(dǎo)托卡馬克中性束注入（Experimental Advanced Superconducting Tokamak-Neutral Beam Injection, EAST-NBI）裝置采用的是正離子源，運行過程中離子源的部分部件有很大的熱沉積，其中反向電子吸收板最為嚴(yán)重。經(jīng)實驗研究，當(dāng)束功率為3.5 MW時，沉積在反向電子吸收板上的平均功率密度高達4.4 MW·m-2，有著較大的換熱負擔(dān)。為探究反向電子吸收板的極限運行時間，采用數(shù)值模擬的方法，對反向電子吸收板在不同束功率、冷卻水水壓等多種工況進行了計算。結(jié)果表明，電子吸收板隨著束功率的增大，換熱負擔(dān)加重、換熱效果變差，通過增壓泵提高冷卻水入口壓力一定程度上可以提高換熱能力，使其極限運行時間延長。對該課題的研究可以指導(dǎo)EAST-NBI的運行，以保證離子源安全、穩(wěn)定工作，此外還為反向電子吸收板的進一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)，對發(fā)展長脈沖、高功率的離子源具有重要意義。

中性束注入，電子吸收板，換熱，極限運行時長，數(shù)值模擬

中性束注入（Neutral Beam Injection, NBI）加熱是對托卡馬克等離子體外部加熱和維持的重要手段之一［1-6］。它主要通過電荷交換和粒子間碰撞實現(xiàn)對離子和電子的加熱，是目前在托卡馬克上除了歐姆加熱外，對等離子體外部加熱和維持的4種主要加熱手段（中性束注入、低雜波、離子回旋頻段波、電子回旋頻段波）中加熱效率最高、物理機制最清楚的手段。先進實驗超導(dǎo)托卡馬克（Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST）建有兩條中性束注入束線，均采用正離子源，以滿足其穩(wěn)態(tài)、高參數(shù)運行的需要。EAST-NBI須滿足高功率、長脈沖運行的初期建設(shè)要求，即實現(xiàn)束能量50-80keV可調(diào)、脈寬10-100 s、功率2-4 MW情況下的運行［7-10］。

強流離子源反向電子的產(chǎn)生存在于束引出的過程中，離子束經(jīng)過縫型引出系統(tǒng)時會與引出電極和從離子源弧室擴散到引出系統(tǒng)的中性氣體分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生電子。這些電子一部分打到等離子體電極和梯度極上形成電極負荷，一部分經(jīng)引出電極的高場加速后進入離子源放電室，形成高能的反向電子流，打到電子吸收板上［11］。經(jīng)實驗研究，在NBI運行的過程中，反向電子吸收板的換熱壓力最為嚴(yán)重，當(dāng)束功率為3.5 MW時，沉積在反向電子吸收板上的平均功率密度高達4.4 MW·m-2，實驗過程中曾出現(xiàn)反向電子吸收板被燒蝕的現(xiàn)象［12］。如今，隨著計算機技術(shù)和計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）的發(fā)展，數(shù)值模擬方法為研究流體傳熱和流動提供了重要手段［13］。本文利用ANSYS軟件模擬了電子吸收板在不同束功率、冷卻水水壓等工況下的運行情況，并直觀地觀察反向電子吸收板的溫度分布情況并分析該結(jié)構(gòu)對傳熱過程的影響。

1　反向電子吸收板

1.1物理模型

離子源反向電子吸收板結(jié)構(gòu)及冷卻水回路如圖1所示。反向電子吸收板與燈絲座之間有隔離板，并裝有麥拉絕緣密封。反向電子吸收板采用無氧銅材料，外形尺寸為698.5 mm×238 mm×44.45 mm。吸收板背部有磁體槽，用來安裝永久磁體［14］。離子源采用縫型束引出系統(tǒng)，束引出時，存在高能的反向電子轟擊在吸收板上，主要集中在束引出面（480 mm×120 mm）上。因電子吸收板上有較高的熱負荷，故在吸收板上通過深孔鉆設(shè)計有多路水冷卻管，以滿足對離子源長脈沖的要求。板中間并排設(shè)有4根內(nèi)徑為6.35 mm的管道，板長邊方向兩側(cè)各設(shè)有直徑為24.6 mm的一根粗冷卻管路，這些光滑直管通過外接軟管來實現(xiàn)冷卻水循環(huán)回路。

圖1　電子吸收板結(jié)構(gòu)及冷卻水回路Fig.1　Structure and cooling water circulation circuit of electron dump.

1.2計算模型及假設(shè)

為探究反向電子吸收板在不同工況下的運行情況，分別模擬計算了電子吸收板在冷卻水入口水壓一定的情況，束功率從2 MW到4 MW時運行時間的變化；在功率一定的情況下，隨入口冷卻水水壓從0.2 MPa到0.8 MPa的變化（系統(tǒng)設(shè)計壓力最高1 MPa）。管內(nèi)流體與電子吸收板間的換熱主要為導(dǎo)熱和對流的復(fù)合傳熱過程，為計算方便，模擬過程中做了如下簡化與假設(shè)：

1） 假定電子吸收板的熱流密度均勻分布；

2） 建模過程中忽略螺栓孔、氣孔及圓角等加工工藝對換熱的影響；

3） 電子吸收板冷水卻管簡化為通管；

4） 忽略高溫部件對周圍環(huán)境（空氣及其他部件）散熱；

5） 冷卻水不可壓縮，且進、出口壓力保持恒定；

6） 各種工況下，冷卻水進口水溫均為環(huán)境溫度（293 K）；

7） 中間管道高溫區(qū)有少量氣泡產(chǎn)生，一定程度上加強了換熱，但氣泡較少，結(jié)果差別不大。主流仍為過冷態(tài)，所以這里模擬采用單相計算。

1.3控制方程

基于不可壓縮的牛頓型流體，在常物性和宏觀熱能守恒的假設(shè)下，流體流動和傳熱必須滿足以下控制方程［15-16］。

連續(xù)性方程：

式中：ρ是密度；t是時間；U是速度矢量。動量方程：

式（2）-（4）也稱動量守恒方程或Navier-Stokes方程。式中：u、v和w是速度矢量U在x、y和z方向的分量；p是流體微元體上的壓力；μ是動力粘度；Su、Sv和Sw是動量守恒方程的廣義源項。

能量方程：式中：T為溫度；λ是第二粘度；cp為比熱容；ST為粘性耗散項。

此外，湍流模型選用的RNG k-ε模型在連續(xù)性方程與雷諾方程的基礎(chǔ)上，再建立一個湍動能的輸運方程和一個湍流耗散率方程，經(jīng)簡化，使湍流的一組方程式在附加了k和ε的兩個方程后構(gòu)成封閉問題，從而能結(jié)合具體的邊界條件求解［17］。

2　結(jié)果與分析

2.1電子吸收板換熱計算

模擬管道采用壓力入口，通過迭代，得到電子吸收板的溫度分布情況。這里以常用入口水壓0.2MPa、束功率4 MW為例進行分析。以電子吸收板材料無氧銅的軟化溫度573 K為閾值，當(dāng)表面最高點溫度到達573 K時，溫度分布見圖2?？梢园l(fā)現(xiàn)，外側(cè)的冷卻水管與中心冷卻水管間的部分溫度最高，原因是這部分距離冷卻管道較遠，所以換熱情況相比于其他地方較高。為更清楚地了解熱流面上溫度場，圖3給出了溫度場沿短邊的分布。

圖2　電子吸收板熱流面溫度分布　（a） 俯視圖，（b） 側(cè)視圖Fig.2　Heat flux surface temperature distribution of electron dump. （a） Top view, （b） Side view

圖3　熱流面中間位置溫度沿短邊方向的變化Fig.3　Temperature change along the short length of electron dump on middle of heat flux surface.

圖4　電子吸收板極限運行時間（0.2 MPa, 4 MW）Fig.4　The maximum operating time of electron dump（0.2 MPa, 4 MW）.

圖4是電子吸收板上最高點的溫度隨運行時間的變化趨勢。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，溫度是隨時間先迅速增加然后緩慢爬升，最后達到穩(wěn)態(tài)。在該工況下當(dāng)溫度達到573 K時，電子吸收板極限運行時長為6.64 s。

2.2隨束功率變化

為探究電子吸收板在不同束功率下的換熱情況，對入口水壓在0.2 MPa條件下，束功率從2 MW到4 MW時進行了模擬分析。圖5是電子吸收板表面最高溫度隨工作時間的變化趨勢，可以明顯看出，各束功率下表面溫度的上升趨勢基本相似，溫度增長由快到慢最后保持不變，達到動態(tài)平衡。達到573K時電子吸收板的極限工作時間隨束功率的增加，明顯減少。

圖5　不同束功率下表面最高溫度隨運行時間的關(guān)系Fig.5　The relationship between maximum surface temperature and operating time at different beam power.

2.3隨冷卻水水壓變化

為更好地指導(dǎo)實驗，延長電子吸收板的工作時間，以滿足EAST對NBI離子源長脈沖、高功率的運行要求，在4 MW束功率下對電子吸收板不同冷卻水進口水壓進行了增壓計算，發(fā)現(xiàn)隨冷卻水入口水壓的提高，表面最高溫度有所降低、極限工作時間延長，如圖6所示，即通過增壓泵提高水壓是一種保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的有效方法。

圖6　不同冷卻水入口水壓下表面最高溫度隨運行時間的關(guān)系Fig.6　The relationship of maximum surface temperature and operating time at different pressure inlet of cooling water.

圖7是電子吸收板在該束功率下，平衡溫度隨冷卻水入口水壓變化的擬合曲線，由擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷卻水入口水壓超過0.577 MPa時，電子吸收板表面最高溫度將不會達到軟化溫度，即一直處于安全運行的范圍內(nèi)。

圖7　平衡溫度隨冷卻水入口水壓變化的擬合曲線Fig.7　The fitting curve of equilibrium temperature at different pressure inlet of cooling water.

3　結(jié)語

中性束注入加熱是對托卡馬克等離子最有效的加熱手段之一。EAST-NBI裝置采用的是正離子源，在設(shè)備的運行過程中離子源的部分部件會有較大的熱量沉積，其中對電子吸收板的換熱能力及其實驗運行是很大的考驗。對電子吸收板在不同功率、不同壓力下的模擬計算可以明顯發(fā)現(xiàn)：電子吸收板在一定水壓下隨著束功率的增加，極限運行時間明顯減少；提高水壓可以適當(dāng)延長電子吸收板的工作時長，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，因此可以增設(shè)增壓系統(tǒng)來延長離子源的工作時間。對NBI離子源反向電子吸收板在各工況下運行能力的探究，對指導(dǎo)NBI系統(tǒng)目前安全、穩(wěn)定的運行具有重要的意義，但提高水壓是以犧牲泵功為代價的，并不能從根本上解決問題，還需要進一步利用強化換熱技術(shù)對電子吸收板進行加強換熱，如利用內(nèi)插物等。此外，對NBI離子源反向電子吸收板在各工況下運行能力的探究能為后期對離子源高熱流承載部件的換熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)，對發(fā)展長脈沖、高功率的正離子源具有重大意義。

1 Hu C D. First achievement of plasma heating for EAST neutral beam injector［J］. Plasma Science and Technology, 2015, 17（1）: 1-3. DOI: 1009-0630/17/1/01

2 Liang L Z, Hu C D, Xie Y L, et al. Calculation of beam intensity distribution for the neutral beam injection in EAST［J］. Plasma Science and Technology, 2011, 13（4）:502-505. DOI: 10.1088/1009-0630/13/4/22

3 Xie Y L, Hu C D, Liu S, et al. The R&D progress of 4 MW EAST-NBI high current ion source［J］. Review of Scientific Instruments, 2014, 85（2）: 02B315. DOI: 10.1063/1.4916457

4 Xu Y J, Hu C D, Xie Y L, et al. Analysis of the cooling water temperature rise of accelerating electrodes in EAST neutral beam injector beam extraction［J］. Chinese Physics Letters, 2013, 30（3）: 032901. DOI: 10.1088/0256-307x/ 30/3/032901

5 Xu Y J, Hu C D, Yu L, et al. Progress of beam diagnosis system for EAST neutral beam injector［J］. Review of Scientific Instruments, 2016, 87（2）: 02B934. DOI: 10.1063/1.4936998

6 陶玲, 胡純棟, 謝遠來, 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［J］. 強激光與粒子束, 2013, 25（10）: 2687-2692. DOI: 10.3788/HPLPB20132510.2687

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）: 2687-2692. DOI: 10.3788/ HPLPB20132510.2687

7 胡立群, 張曉東, 姚若河. EAST托卡馬克的中性束注入方案［J］. 核技術(shù), 2006, 29（2）: 149-152. DOI: 10.3321/j.issn:0253-3219.2006.02.018

HU Liqun, ZHANG Xiaodong, YAO Ruohe. EAST neutral beam injection project for EAST tokamak［J］. Nuclear Techniques, 2006, 29（2）: 149-152. DOI: 10.3321/j.issn:0253-3219.2006.02.018

8 Hu C D, Xie Y L, Liu S, et al. First plasma of megawatt high current ion source for neutral beam injector of the experimental advanced superconducting tokamak on the test bed［J］. Review of Scientific Instruments, 2011, 82（2）: 023303. DOI: 10.1063/1.3545843

9 Hu C D, Xie Y H, Xie Y L, et al. Performance of positive ion based high power ion source of EAST neutral beam injector［J］. Review of Scientific Instruments, 2016, 87（2）: 02B301. DOI: 10.1063/1.4931709

10 胡純棟, 許永建. EAST中性束注入器最新研制進展［J］.核技術(shù), 2015, 38（11）: 110603. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110603

HU Chundong, XU Yongjian. The latest development of EAST neutral beam injector［J］. Nuclear Techniques, 2015, 38（11）: 110603. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38. 110603

11 Chen Y Q, Hu C D, Liu Z M, et al. Study the characteristic of the hot cathode of high current ion source［J］. Journal of Fusion Energy, 2013, 32（5）: 536-539. DOI: 10.1007/s10894-013-9609-x

12 Li X, Xu Y J, Hu C D, et al. Analysis of energy deposition on ion source components of EAST neutral beam injector［J］. Fusion Science and Technology, 2016, 70（3）: 429-434. DOI: 10.13182/FST15-251

13 何杰, 夏曉彬, 蔡軍, 等. 2 MW液態(tài)釷基熔鹽實驗堆主屏蔽溫度場分析［J］. 核技術(shù), 2016, 39（4）: 040601. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.040601

HE Jie, XIA Xiaobin, CAI Jun, et al. Temperature field analysis for the main shielding of the 2-MW thorium-based molten salt experimental reactor［J］. Nuclear Techniques, 2016, 39（4）: 040601. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.040601

14 陳俞錢, 謝亞紅, 胡純棟, 等. EAST NBI強流離子源反向電子流沉積計算［J］. 原子能科學(xué)技術(shù), 2015, 49（增）: 497-501. DOI: 10.7538/yzk.2015.49.S1.0497

CHEN Yuqian, XIE Yahong, HU Chundong, et al. Calculation of deposited energy of backstream electrons for EAST NBI high current ion source［J］. Atomic Energy Science and Technology, 2015, 49（Suppl）: 497-501. DOI: 10.7538/yzk.2015.49.S1.0497

15 王福軍. 計算流體動力學(xué)分析［M］. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004

WANG Fujun. Computational fluid dynamics analysis［M］. Beijing: Tsinghua University Press, 2004

16 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)［M］. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001

TAO Wenshuan. Numerical heat transfer［M］. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 2001

17 徐志明, 劉楓, 朱宏娟. 內(nèi)置螺旋線圈換熱管換熱分析及數(shù)值模擬［J］. 東北電力大學(xué)學(xué)報, 2014, 34（5）: 5-10. DOI: 10.3969/j.issn.1005-2992.2014.05.002

XU Zhiming, LIU Feng, ZHU Hongjuan. Thermal analysis and numerical simulation for heat exchange tube with wire coil internally installed［J］. Journal of Northeast Dianli University, 2014, 34（5）: 5-10. DOI: 10.3969/j.issn.1005-2992.2014.05.002

Analysis of heat transfer capacity of electron dump on EAST-NBI

XU Yongjian1LI Xiang1,2HU Chundong1YU Ling1TAO Ling1XIE Yahong1JIANG Caichao1GU Yuming1LI Jun1

1（Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China）
2（University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China）

Background: Neutral beam injection is one of the main auxiliary heating methods in controllable nuclear fusion experiment. The positive ion source is adopted in the EAST-NBI （Experimental Advanced Superconducting Tokamak-Neutral Beam Injection） device, and during its operation, there is a large energy deposition on ion source components, especially on the electron dump. According to previous research, when beam power is 3.5 MW, the average power density deposited on electron dump is around 4.4 MW·m-2, which may cause great burden for its heat transfer capacity. Purpose: Research on the heat transfer conditions of electron dump is of great significance. Methods: A numerical simulation method is adopted to calculate the heat transfer effect with the change of beam power and inlet pressure of cooling water, and the maximum operating time of electron dump is obtained. Results: The results show that the heat transfer effect decreases with beam power growth, and by enhancing the inlet pressure of cooling water via booster pump, heat transfer capacity gets better to some extent, which can extend the maximumoperating time of electron dump. Conclusion: This research can guide EAST-NBI ion source to operate safely and steadily. Moreover, it can lay a foundation for increasing heat transfer capacity via structure optimization in future work, which is meaningful for the development of long pulse and high power ion source.

Neutral beam injection, Electron dump, Heat transfer, Maximum operating time, Numerical simulation

JIANG Caichao, E-mail: jcch@ipp.ac.cn

TL67，TL65，TK121

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.100602

國家自然科學(xué)基金（No.11405207、No.11505225）資助

許永建，男，1977年生，2009年于中國科學(xué)院等離子體物理研究所獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副研究員，研究領(lǐng)域為中性束診斷及實驗研究

蔣才超，E-mail: jcch@ipp.ac.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China （No.11405207, No.11505225）First author: XU Yongjian, male, born in1977, graduated from Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences with a doctoral degree in 2009, associate research fellow, focusing on neutral beam diagnosis and experimental research

2016-06-23，

2016-08-19