东方超环准稳态中性束注入装置束流限制器结构设计

陶 玲，谢远来，胡纯栋，许永建

（中国科学院 等离子体物理研究所，安徽 合肥 230031）

中性束注入（NBI）加热是实现东方超环准稳态实验运行目标（脉宽100s、高压50～80keV、功率2～4 MW）的重要辅助加热方式之一［1-2］。在中性束注入过程中，尤其是在高引出束参数反复工作条件下，由于粒子束物理效应，高能束流在传输过程中会不断发散而超出束流通道，进而引发一系列真空甚至热问题。束流限制器正是为了避免上述问题而布置在束流通道上用以吸收发散束流的热流承载部件。根据束传输过程，束通道中每两个部件间隔较大处一般考虑布置有束流限制器，主要分布于：离子源出口处、气体挡板入口处、气体挡板返回口处、偏转系统入口处、偏转系统出口处和漂移管道入口限制器处。当束能量较高或束参数不匹配时，束流限制器上沉积能量大、分布不均匀。因而，合理设计束流限制器结构对实现高功率NBI系统安全运行至关重要。

1 束流限制器设计要求

束流限制器设计要求主要包括以下几点。

1）能量沉积移除要求。在束参数（能量60keV、束流引出面积100 mm×480 mm、束散角（0.6°，1.5°）、电极倾角1.5°）条件下，东方超环NBI装置中各束流限制器上的理论能量沉积分布如图1所示［3］。

2）留有束流通道。根据离子源引出系统的机械参数，束引出时引出面积为100 mm×480mm，因此对应束流通道四周的束流限制器必须保证留出相应面积的束流通道，以保证足量的粒子注入到托卡马克中。

3）内置冷却水管。冷却水除可有效对靶板进行冷却外，还可完成对靶板上沉积能量的测量。除布置热电偶进行表面温升的测量外，利用脉冲时间内的冷却水的进出口水温差估算沉积在束流限制器靶板上的能量大小［4］：

式中：˙m 为流经部件的冷却水的质量流量；T（t）为流经待测部件的冷却水进回水温差；cp为水的比热。

4）采用板式结构。板式结构可直接悬挂固定在束流通道的四周，且布置上应有效缓解离子轰击靶板引起的粒子溅射到其他非热流部件上的问题。

2 束流限制器结构初步设计及传热学验证

根据文献［5-6］，在给定冷却水条件（进水压力0.7MPa）下，以不超过材料温度限制为前提，综合考虑工程实施的可靠性和经济性，从束流限制器板式结构参数（外框厚度、宽度、长度）、冷却水管直径、水管距离边的间距等角度进行设计分析，获得了束参数条件（能量50～80keV、功率2～4 MW）下各位置处的束流限制器结构，如图2所示。靶板采用铬锆铜材料。

图1 各束流限制器的理论能量沉积分布Fig.1 Theoretical energy deposition distribution of each beam collimator

以能量沉积值最高的偏转磁铁入口处束流限制器结构为例，该处能量沿X、Y 方向的束分布如图3所示（图中虚线标识为偏转磁铁入口处束流限制器中间的束通道尺寸）。根据冷却水的测量要求，冷却水管串联布置，如图4 所示。根据图3确定的束散情况，可得束流承载面面积为：纵向（X）0.011 m2；水平方向（Y）0.014m2。

采用商用CFD 工程软件FLUENT 对初步设计完成的偏转磁铁入口处束流限制器结构进行数值模拟计算。流体区域均采用结构化网格，近壁区网格加密以确保计算的准确性［7］；水管为不锈钢材质，采用结构化网格；其余为非结构化网格。水管壁与铜板之间考虑接触热阻，具体大小按各靶板厚度的1／10进行考虑。结构建模及网格划分如图5所示。计算条件设置如下：进口取速度进口，出口取压力出口，进口水温取20℃，出口压力取0.1MPa。在给定设计能量60keV、功率4 MW 前提下，偏转磁铁处入口束流限制器能量沉积为总能量的4.42%，呈高斯分布。取该高斯分布最大值的两倍作为仿真分析时能量沉积输入条件，计算获得串联的4块靶板热承载面上的温度分布状况，如图6所示。由图6可知，考虑足够的安全裕量前提下，在当前NBI离子源以及束引出系统结构设计的条件下，束流限制器稳态运行时的最高温度为344 ℃，仍低于材料温度限制350 ℃。因此，能量沉积值最高的偏转磁铁入口处束流限制器结构的设计能较好满足4 MW、脉宽100s的设计要求。

图2 NBI系统不同位置处束流限制器结构设计示意图Fig.2 Structure schematic diagram of each beam collimator of NBI system

图3 偏转磁铁入口处束流限制器能量分布示意图Fig.3 Energy distribution of magnet entrance beam collimator

图4 偏转磁铁入口处束流限制器结构示意图Fig.4 Structure of magnet entrance beam collimator

图5 偏转磁铁入口处束流限制器的上部限制器网格划分Fig.5 Meshing of upper portion of magnet entrance beam collimator

图6 偏转磁铁入口处束流限制器在最高功率条件下4块靶板表面温度分布Fig.6 Surface temperature distribution of four target plates of magnet entrance beam collimator

3 小结

本文针对东方超环NBI装置能量60keV、束流引出面积100 mm×480 mm、束散角（0.6°，1.5°）、电极倾角1.5°的实验运行条件，综合考虑各束流限制器能量分布、功率沉积面大小、机械要求，利用计算流体力学方法对各束流限制器部件进行了初步结构设计，并以偏转磁铁入口处束流限制器为例，对初步设计结构进行了传热学校核，验证了初步设计能满足系统4MW、脉宽100s的工作要求。本文为其他典型高热流部件的设计校核提供了参考，为实现东方超环NBI的准稳态运行提供了工程借鉴。

［1］ 朱士尧.核聚变原理［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，1992.

［2］ 胡纯栋，谢远来，谢亚红，等.EAST 长脉冲中性束注入器的研制［C］∥中国核学会主编.中国核科学技术进展报告：中国核学会2009 年学术年会论文集.北京：原子能出版社，2009：31-36.

［3］ LIANG Lizhen，HU Chundong，XIE Yuanlai，et al.Calculation of beam intensity distribution for the neutral beam injection in EAST［J］.Plasma Science and Technology，2011，13（4）：502-505.

［4］ HONG R，COLLERATINE A.Power flow measurements on the doublet neutral beam system［J］.Bulletin of the American Physical Society，1982，27：11 409-11 412.

［5］ 陶玲.EAST 长脉冲高功率中性束注入系统高热流部件设计研究［D］.合肥：中国科学院大学，2013.

［6］ 陶玲，胡纯栋，谢远来，等.全超导托卡马克中性束注入系统离子吞食器工程设计［J］.强激光与粒子束，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］ 王福军.计算流体动力学分析：CFD 软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.