李 超 梁立振 時 超 邑 偉 謝亞紅 謝遠來 胡純棟

1（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究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）

聚變堆主機關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施（Comprehensive Research Facility for Fusion Technology，CRAFT）是我國《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》中優(yōu)先部署的大科學(xué)裝置。它的主要功能是瞄準中國聚變工程實驗堆（China Fusion Experimental Test Reactor，CFETR）的需求開展相關(guān)工程技術(shù)研究?；谪撾x子源的中性束注入系 統(tǒng)（Negative ion based Neutral Beam Injection system，NNBI）是聚變等離子體加熱和電流驅(qū)動的必然需求［1?2］。

NNBI利用射頻激勵器產(chǎn)生額定參數(shù)的源等離子體，進而在引出區(qū)形成具有一定密度的負離子。這些負離子經(jīng)引出和加速后產(chǎn)生具有一定束品質(zhì)的負離子束。負離子束在穿越中性化器的過程中，通過與本底氣體分子的碰撞實現(xiàn)中性化。由于束流的中性化過程是粒子之間碰撞的動態(tài)平衡過程，它無法實現(xiàn)所有離子的中性化，未被中性化的帶電粒子若是進入到聚變堆裝置中，會受到裝置中的強磁場影響，偏轉(zhuǎn)轟擊到裝置部件上造成聚變堆裝置的損壞。因此，中性束注入器需采用剩余離子偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)將束流中未實現(xiàn)中性化的帶電粒子束剝離出去［3?5］。

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作為中性束注入器中剝離剩余帶電粒子的核心設(shè)備，其工作性能對于中性束注入器和聚變堆裝置的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義。隨著磁約束核聚變相關(guān)研究的不斷進展，聚變堆裝置尺寸越來越大、等離子體參數(shù)越來越高，對中性束注入加熱裝置的束功率要求也越來越高，空間利用率高，水冷效果更好的電偏轉(zhuǎn)器（Electrostatic Residual Ion Dump，ERID）已經(jīng)成為未來NNBI剩余離子偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的首選［6］。

根據(jù)CRAFT-NNBI系統(tǒng)的研制目標，需要產(chǎn)生束功率≥2 MW、束能量200~400 keV、束脈寬≥100 s的大面積高功率中性束［7］。本文針對CRAFT的NNBI束線系統(tǒng)對于剩余離子剝離能力的需求，對NNBI電偏轉(zhuǎn)器進行了概念設(shè)計，對電偏轉(zhuǎn)器的相關(guān)參數(shù)進行了設(shè)計討論，初步模擬了概念設(shè)計方案下電偏轉(zhuǎn)器極板的熱負荷分布。

1 電偏轉(zhuǎn)器工作原理及設(shè)計需求

電偏轉(zhuǎn)器的工作原理是帶電粒子在偏轉(zhuǎn)電場中受電場力的運動。如圖1所示，H?離子束在中性化室中與氣體靶碰撞后形成H?、H+和H0粒子束組成的混合束流，對中間極板施加負電位電壓，混合束流在通過板間通道時，帶電粒子束由于在電場中受到電場力的作用而做類似平拋的運動，H+粒子束和H?粒子束由于電場力的作用分別入射到低電位極板和接地極板，而中性束粒子由于不帶電，在通道內(nèi)不受電場力影響，從而直接注入到聚變堆裝置中［8］。電偏轉(zhuǎn)器的工作原理比較簡單，但是由于板間通道內(nèi)存在著空間電荷效應(yīng)、二次電子發(fā)射及等離子體的產(chǎn)生等物理問題，這些物理問題會影響電偏轉(zhuǎn)器正常工作性能，甚至?xí)痣娖D(zhuǎn)器極板間偏轉(zhuǎn)電場失效。盡管Rossi等［9］在國際熱核聚變實驗堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）電偏轉(zhuǎn)器的物理設(shè)計中已經(jīng)通過計算驗證了空間電荷效應(yīng)、二次電子發(fā)射在理論對于電偏轉(zhuǎn)器的工作性能沒有影響，且在實際運行條件下，板面并不會有等離子體鞘層產(chǎn)生。但是在實際工況下仍需要關(guān)注電偏轉(zhuǎn)器上這些物理現(xiàn)象的發(fā)生的可能性，所以電偏轉(zhuǎn)器后期實際應(yīng)用時需要有配套的診斷系統(tǒng)，實時監(jiān)測電偏轉(zhuǎn)器運行過程中的工作情況。

圖1 電偏轉(zhuǎn)器物理原理圖Fig.1 Thephysical schematic diagram of ERID

在剩余離子剝離過程中，電偏轉(zhuǎn)器極板既是形成均勻電場的核心部件，也是束流功率沉積的主要區(qū)域。在設(shè)計中，極板需要承受最高400 keV的束能量直接轟擊，熱負載大，故需要選用濺射率低、軟化溫度高、導(dǎo)熱性能好的材料［10］。板面還需要設(shè)置合適的測溫元件，實時監(jiān)測極板表面的溫升情況。在最高400 keV束能量轟擊下，極板冷卻系統(tǒng)需要具備優(yōu)異的冷卻性能，以滿足NNBI的穩(wěn)態(tài)運行。

2 電偏轉(zhuǎn)器的參數(shù)設(shè)計

依據(jù)NNBI的研制目標，需要產(chǎn)生束功率2 MW、束截面尺寸320 mm×1 600 mm、束脈寬100~1 000 s的大面積高功率負離子束。根據(jù)NNBI束源系統(tǒng)設(shè)計，為了充分利用NNBI真空室的空間，電偏轉(zhuǎn)器初步設(shè)計為由三塊大小為0.25 m×2 m×3 m的極板組成，極板間間距為0.15 m。因為混合束流入射進電偏轉(zhuǎn)器通道中，帶電粒子受到板間電場力的作用，所以剩余離子剝離過程中偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)帶電粒子的運動軌跡符合以下方程［11］（簡化運動軌跡如圖2所示）：

圖2 電偏轉(zhuǎn)器內(nèi)帶電粒子的運動軌跡簡化示意圖Fig.2 Simplified schematic diagram of motion trajectory of charged particlesin ERID

式中：s為離子沿入射方向的運動距離；l為帶電粒子距入射極板的垂直距離；d為電偏轉(zhuǎn)器極板間間距離；U為中間板所接的負電位：q為帶電粒子束所攜帶的電荷量：E為入射束的束能量?？梢?，在E、q、d等參數(shù)固定的情況下，s僅與U以及l(fā)有關(guān)。因此參照NNBI束線系統(tǒng)束發(fā)射面參數(shù)，即可以通過理論計算得出帶電束流在電偏轉(zhuǎn)器基板表面的沉積位置。以中間極板為例，根據(jù)束發(fā)射截面尺寸可知，要入射到中間極板的束能量為400 keV的H+粒子流在入射到板面的垂直距離（lmax）最大為0.133 m，最小（lmin）為0.017 m，極板間間距（d）為0.15 m，根據(jù)方程可以得到如圖3所示的U與s的關(guān)系，在?5~?20 kV電位下，3 m長的極板可以滿足離子沉積的要求。

圖3 偏轉(zhuǎn)電壓與運動距離的關(guān)系Fig.3 The relationship between deflection voltage and moving distance

為進一步確認參數(shù)設(shè)計下電偏轉(zhuǎn)器的工作性能，在comsol軟件中建立了如圖4所示的電偏轉(zhuǎn)器仿真模型，束傳輸通道尺寸為0.32 m×1.6 m，入射束發(fā)射面按照6×16×4×2的束布局結(jié)構(gòu)，以孔的中心為發(fā)射面，每個孔發(fā)射的為H?離子束。電偏轉(zhuǎn)器簡化為三塊平行放置的大小為0.025 m×2 m×3 m的極板，板間距為0.15 m，中間極板通負電位。在仿真模型中進行模擬時，為降低計算量，提高計算機計算速度，取一個束發(fā)射面即1/8電偏轉(zhuǎn)器模型進行計算。圖5為電偏轉(zhuǎn)器在中間極板通不同負電壓時板面的束沉積情況?？梢姡M計算情況下，帶電粒子在板面的沉積位置與圖3中計算所得的沉積位置基本符合，少許的差異是由于混合束流本身的束散以及帶電粒子的板間通道的空間電荷效應(yīng)效應(yīng)引起的。在極板模型后半段，還有少數(shù)的中性粒子由于束在發(fā)射過程中的束散會打到電偏轉(zhuǎn)器的極板上，這部分粒子帶來的熱負荷很小，幾乎可以忽略。另外在電偏轉(zhuǎn)器出口處應(yīng)設(shè)置出口限制器，把中性束流限制在一定的空間內(nèi)運動，防止散射的高能束轟擊束線系統(tǒng)外殼，阻礙系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行。

圖4 電偏轉(zhuǎn)器仿真模型 (a)束發(fā)射面，(b)電偏轉(zhuǎn)器模型Fig.4 The simulation model of beam emitting surface(a)and ERID(b)

圖5 不同負電位下粒子沉積位置分布Fig.5 Distribution of particle deposition position under different negativepotentials

結(jié)合上述計算結(jié)果和仿真結(jié)果以及考慮到實際工程中可能出現(xiàn)的物理問題，電偏轉(zhuǎn)器中間極板添加?6 kV（可調(diào)）的負電位已經(jīng)可以滿足NNBI對于剩余離子剝離性能的需求。當極板上電壓提高后，帶電粒子主要沉積在電偏轉(zhuǎn)器極板的前半部分，所以總長3 m的極板設(shè)計為可靈活拆卸的1.5 m+1.5 m的拼裝結(jié)構(gòu)，板面采用多管拼接的加工方式，用以應(yīng)對束能量200~400 keV不同工況下的束流沉積，也為今后NNBI裝置升級、束功率進一步提高后，電偏轉(zhuǎn)器調(diào)整參數(shù)即可繼續(xù)投入使用在工程設(shè)計上提前做好準備。

3 電偏轉(zhuǎn)器極板熱分布及水冷參數(shù)設(shè)計

極板作為直接接受高能帶電粒子束轟擊的部件，其表面熱功率的移除是電偏轉(zhuǎn)器設(shè)計中需要重點關(guān)注的問題。按照NNBI設(shè)計源功率最大11.2 MW離子束考慮。在中性化器充氣運行情況下，電偏轉(zhuǎn)器需吸收最大剩余離子功率（考慮束散與中性化效率）40%，約4.6 MW熱功率［12］。按照NNBI中性化器物理設(shè)計中的結(jié)果，混合束流的帶電成分中正負離子的比例約為1∶1，中間極板需吸收的熱功率約為2.3 MW，每側(cè)板面的熱沉積為1.15 MW左右，兩側(cè)極板需吸收的熱功率約為中間極板的一半。如果按單側(cè)板面有效熱沉積面積長150 cm、寬160 cm（對應(yīng)束引出高度），單側(cè)板面表面平均功率密度約為0.48 MW·m?2。即使在中性化器不充氣運行條件下，板面平均功率密度約為0.96 MW·m?2。當然，上述結(jié)果是在按照束功率密度在電偏轉(zhuǎn)器極板均勻分布考慮，實際上由于負離子束引出、束散和電偏轉(zhuǎn)畸形電場的分布等因素的影響，帶電粒子束功率在電偏轉(zhuǎn)器板面上的沉積會具有一定的差異，甚至出現(xiàn)局部熱功率極高的“熱點”。

如圖6所示，束能量為400 keV的負離子束在中性化室中中性化后，根據(jù)NNBI束生成與傳輸過程的物理分析結(jié)果，電偏轉(zhuǎn)器入口處束峰值功率可達到30 MW·m?2，在?6 kV偏轉(zhuǎn)電壓的作用下，在板間束通道混合束流中的離子成分被沉積到電偏轉(zhuǎn)器極板上，且束流熱載荷分布比較均勻，板面熱載荷最高的地方熱流密度約在1 MW·m?2，沒有熱負荷極高的熱點出現(xiàn)。

圖6 極板表面的熱載荷分布(a)接地板板面熱發(fā)布，(b)負電位板板面熱發(fā)布Fig.6 Thermal distribution on platesurface(a)Heat releaseof ground platesurface,(b)Heat releaseof negativepotential platesurface

根據(jù)上述計算的結(jié)果以及仿真所得的熱載荷分布，對處在真空系統(tǒng)中的電偏轉(zhuǎn)器極板，極板需要將2.3 MW的熱功率通過冷卻水帶出電偏轉(zhuǎn)器裝置。為此，極板采用多管拼接結(jié)構(gòu)，通過外方邊長25 mm、內(nèi)圓直徑16 mm的無氧銅管拼接而成，中間水管通冷卻水來帶走板面的熱量。每塊1.5 m極板由60只無氧銅管部件組成，30只為出水管，30只為進水管。在400 keV束能量、?6 kV偏轉(zhuǎn)電壓的情況下，根據(jù)：

式中：Q為板面熱功率；c為冷卻水比熱容；M為水流量（因為兩塊極板上束流沉積面積只占整塊極板的一半左右，所以估算時水流量取兩塊極板上總水流量的一半）；ΔT為冷卻水的溫升。按照一般管道內(nèi)水壓，假設(shè)極板導(dǎo)體內(nèi)水流速度為3 m·s?1（冷卻水冷狀態(tài)處在紊流冷卻效果最好，因此水流速度應(yīng)足夠大，但是水流速度過快會對管壁產(chǎn)生沖刷作用，長期運行可能損傷導(dǎo)體內(nèi)壁，一般水流速取1.2~3.6 m·s?1）。計算可得冷卻水的溫升約為30.4℃，滿足電偏轉(zhuǎn)器冷卻系統(tǒng)要求。

4 結(jié)語

本文提出了中國科學(xué)院等離子體物理研究所負離子源中性束系統(tǒng)電偏轉(zhuǎn)器的概念設(shè)計，主要包括電偏轉(zhuǎn)器的物理原理、參數(shù)設(shè)計、熱載荷分布以及冷卻系統(tǒng)的初步設(shè)計。NNBI電偏轉(zhuǎn)器概念設(shè)計下為三板兩通道設(shè)計，中間板負電位為?6 kV（可調(diào)），極板大小為0.025 m×2 m×3 m（總長3 m的極板設(shè)計為可靈活拆卸的1.5 m＋1.5 m的拼裝結(jié)構(gòu)），板面采用外方內(nèi)圓的無氧銅管多管拼接而成，銅管內(nèi)部通冷卻水來達到移除板面的熱負荷。根據(jù)概念設(shè)計參數(shù)下NNBI電偏轉(zhuǎn)器束傳輸過程模擬結(jié)果，電偏轉(zhuǎn)器能夠?qū)崿F(xiàn)剝離混合束流中帶電粒子并沉積在極板上的功能。極板熱負荷分布較為均勻，通過估算水冷系統(tǒng)也滿足電偏轉(zhuǎn)器熱移除的需求，為今后電偏轉(zhuǎn)器的工程設(shè)計提供了設(shè)計基礎(chǔ)。

作者貢獻聲明李超：醞釀和設(shè)計系統(tǒng)，起草論文初稿；梁立振：指導(dǎo)，對文章知識性內(nèi)容作批評性審閱；時超：分析/解釋數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析；邑偉：實施研究；謝亞紅：指導(dǎo)，支持性貢獻；謝遠來：指導(dǎo)，支持性貢獻；胡純棟：獲取研究經(jīng)費，行政、技術(shù)支持。