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中性束注入托卡马克中产生的快离子自举电流

核聚变与等离子体物理 2009年第1期29卷 16-22页

作者：黄千红龚学余谢安平刘柏青南华大学数理学院衡阳421001

研究了在托卡马克装置中中性束注入时快离子自举电流的产生。利用快离子分布函数在两小增量δ=ρp/a(ρp是极向拉莫尔半径,a是小半径)和δ*=τB/τs(τB是俘获粒子反弹周期,τs是慢化时间)下进行展开的方法求解漂移动力学方程;给出了快... 详细信息

研究了在托卡马克装置中中性束注入时快离子自举电流的产生。利用快离子分布函数在两小增量δ=ρp/a(ρp是极向拉莫尔半径,a是小半径)和δ*=τB/τs(τB是俘获粒子反弹周期,τs是慢化时间)下进行展开的方法求解漂移动力学方程;给出了快离子自举电流的一般表达式。计算了圆截面大纵横比托卡马克中快离子自举电流密度分布和总的快离子自举电流的大小,研究表明:在中性束垂直注入时快离子自举电流约占总电流的10%;自举电流的大小既敏感地依赖于中性束注入的角度——平行注入时较小、接近垂直时迅速增大,同时也较强的依赖于快离子的产生速度与临界速度的比值,即v b vc,而v b2∝E(束能量);自举电流的大小随注入束能量的增加而迅速增大。

关键词：自举电流中性束注入

EAST上离子回旋波与中性束注入协同加热产生的高能粒子分布及输运研究

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物理学报 2023年第21期72卷 46-55页

作者：张伟张新军刘鲁南朱光辉杨桦张华朋郑艺峰何开洋黄娟中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所合肥230031 深圳大学物理与光电工程学院深圳518060 中国科学技术大学核科学技术学院合肥230026

在磁约束聚变等离子体中,离子回旋共振加热(ICRF)与中性束注入(NBI)是两种主要的加热方法.它们的协同加热一直都是聚变领域研究的重点.本文首先阐明了ICRF高次谐波加热以及ICRF与NBI协同加热的基本原理.通过EAST托卡马克上实验和相应的T... 详细信息

在磁约束聚变等离子体中,离子回旋共振加热(ICRF)与中性束注入(NBI)是两种主要的加热方法.它们的协同加热一直都是聚变领域研究的重点.本文首先阐明了ICRF高次谐波加热以及ICRF与NBI协同加热的基本原理.通过EAST托卡马克上实验和相应的TRANSP模拟,发现了ICRF与NBI的协同加热不仅可以显著提高等离子体参数(极向比压、等离子体储能、离子温度、中子产额等),而且能产生大量高能粒子,形成高能粒子尾巴.例如,1 MW的ICRF三次谐波可将初始能量为60 keV的NBI高能氘离子加速至600 keV.通过改变氢少子含量、提高ICRF和NBI加热功率、使用ICRF在轴加热、优化NBI注入角度等,可以有效地提高协同加热效率以及高能粒子的能量.进一步地,将协同加热产生的高能粒子分布代入粒子轨道程序中,计算了高能粒子的输运以及其在第一壁上的损失.结果表明,损失的高能粒子的初始位置位于低场侧,且损失轨道大部分为捕获粒子轨道.高能粒子损失位置主要位于主限制器以及ICRF和低杂波限制器的中上平面.这些损失的高能粒子被认为是造成限制器上热斑的主要原因之一.

关键词：离子回旋共振加热中性束注入协同加热高能粒子分布

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中性束注入系统加速极电源高压部件设计

强激光与粒子束 2024年第2期36卷 77-85页

作者：张鸿淇李志恒马少翔张明华中科技大学电气与电子工程学院磁约束聚变与等离子体国际合作联合实验室武汉430074

基于负离子的中性束注入是未来大型托卡马克装置不可或缺的辅助加热方式。中性束系统中的加速极电源需要输出-200 kV电压和5 MW的功率,还经常面临负载短路和断路的特殊工况。过去对加速极电源的研究中缺少高压部分的方案设计,而电源中... 详细信息

基于负离子的中性束注入是未来大型托卡马克装置不可或缺的辅助加热方式。中性束系统中的加速极电源需要输出-200 kV电压和5 MW的功率,还经常面临负载短路和断路的特殊工况。过去对加速极电源的研究中缺少高压部分的方案设计,而电源中高压部件的绝缘设计是电源研制过程中必不可少的关键环节。据电源指标和特殊工况的特点,计算了电源高压部分的隔离升压变压器、高压整流器和高压滤波器的电路参数,并对这些部件基于油浸式绝缘进行了工程设计,通过有限元仿真分析进行了绝缘验证。仿真结果表明,这些部件中的电场强度最高为16.22 kV/mm,小于变压器油击穿场强并具有2倍的绝缘裕度。设计的高压部件结构可以满足电源的绝缘要求。

关键词：中性束注入加速极电源高电压有限元仿真绝缘验证

一种基于多普勒频移光谱的中性束注入器气体靶厚度诊断的新方法（英文）

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光谱学与光谱分析 2018年第6期38卷 1987-1992页

作者：王艳刘智民焉镜洋梁立振韦江龙胡纯栋中国科学院等离子体物理研究所安徽合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230026

中性束注入是等离子体加热和电流驱动的最有效方法之一。中性束注入的三个基本过程为:离子束的产生,离子束的中性化和中性束的传输,其中,离子束的中性化是关键环节之一。对于EAST-NBI气体中性化室而言,中性化室内气体靶厚度会直接影响... 详细信息

中性束注入是等离子体加热和电流驱动的最有效方法之一。中性束注入的三个基本过程为:离子束的产生,离子束的中性化和中性束的传输,其中,离子束的中性化是关键环节之一。对于EAST-NBI气体中性化室而言,中性化室内气体靶厚度会直接影响离子束的中性化效率,而且还会进一步影响到中性束的传输效率。基于多普勒频移效应,提出了一种新的诊断气体靶厚度的方法,并且已经被应用于EASTNBI测试平台上。该方法主要是基于中性束的束成分随气体靶厚度的演化过程,利用中性束发射Dα光谱线强度完成计算。因此,它被应用于中国科学院等离子体物理研究所EASTNBI装置上。在中性化室出口处的观测窗口上进行测量,在束能量为40～65keV时,气体靶厚度值为(0.16～0.22)×10^(16) cm^(-2),随着引出束流的变化,气体靶厚度随之改变。根据质量守恒定律,对中性化室内的气体靶厚度进行一个粗略的估算,估算的结果与测量的结果基本保持一致,从而证明了该诊断方法的合理性。综上,实验结果表明,该种基于多普勒频移效应的光谱诊断法可以被用于测量中性化室内的气体靶厚度。

关键词：多普勒频移效应中性束注入气体靶厚度

EAST上中性束注入和离子回旋共振加热下快离子分布函数层析反演

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物理学报 2023年第21期72卷 64-73页

作者：孙延旭黄娟高伟常加峰张伟史唱李云鹤中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所合肥230031 中国科学技术大学合肥230026 北京大学核物理与技术国家重点实验室北京100871

聚变等离子体中快离子分布函数的速度空间层析反演(tomography)是研究磁约束核聚变装置中快离子分布和输运的重要手段.在东方超环(experimental advanced superconducting tokamak,EAST)中性束注入(neutral beam injection,NBI)与离子... 详细信息

聚变等离子体中快离子分布函数的速度空间层析反演(tomography)是研究磁约束核聚变装置中快离子分布和输运的重要手段.在东方超环(experimental advanced superconducting tokamak,EAST)中性束注入(neutral beam injection,NBI)与离子回旋共振加热(ion cyclotron range of frequencies heating,ICRF)协同加热实验中,快离子诊断测量信号以及TRANSP模拟获得的快离子分布函数中观测到协同效应产生的高于中性束注入能量的高能粒子.为了研究快离子分布行为,获得不同加热条件下诊断测量的快离子分布函数,采用不同的正则化方法,增加先验信息以及将快离子D_(α)光谱诊断(fast-ion D_(α)spectroscopy,FIDA)与中子发射谱仪(neutron emission spectrometers,NES)相结合等方式,有效提高快离子诊断信噪比以及在速度空间权重覆盖率,实现在单独NBI加热以及NBI和ICRF协同加热条件下基于诊断测量的层析反演,获得真实可靠的快离子分布函数.这为下一步提高NBI与ICRF协同加热效率,研究协同加热机制以及相关的快离子分布和输运行为奠定基础.

关键词：速度空间层析反演快离子 D_(α) 光谱诊断中性束注入离子回旋共振加热

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EAST中性束注入控制系统设计

强激光与粒子束 2014年第10期26卷 230-235页

作者：盛鹏胡纯栋宋士花刘胜 NBI团队中国科学院等离子体物理研究所合肥230031

中性束注入(NBI)是磁约束核聚变装置等离子体加热和电流驱动的重要手段。依据东方超环(EAST)NBI实验运行特点,设计了基于网络通讯的集散式控制系统。NBI控制系统采用计算机网络技术,按照控制层次分为远程监控层、服务器控制层和现场控制... 详细信息

中性束注入(NBI)是磁约束核聚变装置等离子体加热和电流驱动的重要手段。依据东方超环(EAST)NBI实验运行特点,设计了基于网络通讯的集散式控制系统。NBI控制系统采用计算机网络技术,按照控制层次分为远程监控层、服务器控制层和现场控制层,三层控制结构易于系统功能扩展与设备升级。一条束线的两个离子源可以独立运行控制,这为EAST第二条束线控制扩展奠定基础。实验表明,NBI控制系统具备了远程监控、连锁保护和数据处理功能,满足了NBI实验运行的自动化和可视化的需求。

关键词：中性束注入控制系统东方超环集散控制

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聚变堆中性束注入系统的电偏转器概念设计

核技术 2022年第2期45卷 76-80页

作者：李超梁立振时超邑伟谢亚红谢远来胡纯栋中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所合肥230031 中国科学技术大学合肥230026

中性束注入是磁约束核聚变研究重要的辅助加热和电流驱动手段。由于负离子源中性束注入系统束能量高、束斑大,电偏转已经成为剩余离子剥离的首选方案,其剩余离子剥离设备被称为电偏转器。电偏转器作为实现束流中性化的核心设备,其性能... 详细信息

中性束注入是磁约束核聚变研究重要的辅助加热和电流驱动手段。由于负离子源中性束注入系统束能量高、束斑大,电偏转已经成为剩余离子剥离的首选方案,其剩余离子剥离设备被称为电偏转器。电偏转器作为实现束流中性化的核心设备,其性能决定了中性束注入系统的工作效率。本文提出了聚变堆主机关键系统研究中负离子源中性束注入系统电偏转器的概念设计方案,通过理论计算和束流沉积模拟初步确定了电偏转器的结构和其表面较为均匀的热负荷分布,完成了电偏转器的参数设计,此设计可为电偏转器进一步的工程设计提供设计参考。

关键词：负离子源中性束注入电偏转

东方超环准稳态中性束注入装置束流限制器结构设计

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原子能科学技术 2015年第B10期49卷 492-496页

作者：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

束流限制器是中性束注入(NBI)装置中典型的高热流承载部件,用来吸收束通道上发散的多余能量,其稳定运行能力对实现高功率NBI系统安全运行至关重要。结合东方超环准稳态NBI装置的运行要求,本文对该装置束流限制器结构进行了初步设计,并基... 详细信息

束流限制器是中性束注入(NBI)装置中典型的高热流承载部件,用来吸收束通道上发散的多余能量,其稳定运行能力对实现高功率NBI系统安全运行至关重要。结合东方超环准稳态NBI装置的运行要求,本文对该装置束流限制器结构进行了初步设计,并基于FLUENT软件对偏转系统入口处束流限制器初步结构进行了稳态热分析。分析结果表明,初步设计方案在给定工作条件下能较好满足东方超环准稳态NBI系统(4 MW,脉宽100s)的运行要求。本文研究为东方超环准稳态NBI装置其他典型部件的设计和系统安全运行提供了有益的参考。

关键词：中性束注入高热流部件束流限制器结构设计

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EAST中性束注入器打火保护的缓冲器设计

高电压技术 2009年第3期35卷 667-671页

作者：李伟刘小宁黄懿贇中科院等离子体物理研究所合肥230031

为了保护国家重大科学工程超导托卡马克聚变实验装置(EAST)的中性束注入器在高压打火故障时免受损坏,设计了一种简单可靠的缓冲器(snubber),它是一种不需要偏置电源电路的无源保护单元,而且采用空心变压器以避免铁心缓冲器带来的饱和限... 详细信息

为了保护国家重大科学工程超导托卡马克聚变实验装置(EAST)的中性束注入器在高压打火故障时免受损坏,设计了一种简单可靠的缓冲器(snubber),它是一种不需要偏置电源电路的无源保护单元,而且采用空心变压器以避免铁心缓冲器带来的饱和限制,使设计简化。设计时首先分析放电回路并利用状态方程求解其等效电路。再根据已知的EAST中性束注入(NBI)电源的系统参数分析L、R、C对解的影响从而确定snubber优化的模型参数。通过放电回路的PSPICE建模仿真放电过程的结果与上面计算结果一致。设计的snubber经L、R和C的合理匹配满足了不同的传输线长度和不同杂散电容的NBI电源系统,具有工程应用价值。

关键词：中性束注入杂散电容传输线打火缓冲器空心变压器