聚變堆中性束注入系統(tǒng)的電偏轉(zhuǎn)器概念設(shè)計(jì)

李 超 梁立振 時(shí) 超 邑 偉 謝亞紅 謝遠(yuǎn)來(lái) 胡純棟

1（中國(guó)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026）

聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施（Comprehensive Research Facility for Fusion Technology，CRAFT）是我國(guó)《國(guó)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(zhǔn)中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（China Fusion Experimental Test Reactor，CFETR）的需求開(kāi)展相關(guān)工程技術(shù)研究?；谪?fù)離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(dòng)的必然需求［1?2］。

NNBI利用射頻激勵(lì)器產(chǎn)生額定參數(shù)的源等離子體，進(jìn)而在引出區(qū)形成具有一定密度的負(fù)離子。這些負(fù)離子經(jīng)引出和加速后產(chǎn)生具有一定束品質(zhì)的負(fù)離子束。負(fù)離子束在穿越中性化器的過(guò)程中，通過(guò)與本底氣體分子的碰撞實(shí)現(xiàn)中性化。由于束流的中性化過(guò)程是粒子之間碰撞的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，它無(wú)法實(shí)現(xiàn)所有離子的中性化，未被中性化的帶電粒子若是進(jìn)入到聚變堆裝置中，會(huì)受到裝置中的強(qiáng)磁場(chǎng)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(shí)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(duì)于中性束注入器和聚變堆裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)展，聚變堆裝置尺寸越來(lái)越大、等離子體參數(shù)越來(lái)越高，對(duì)中性束注入加熱裝置的束功率要求也越來(lái)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(lái)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(biāo)，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(duì)CRAFT的NNBI束線系統(tǒng)對(duì)于剩余離子剝離能力的需求，對(duì)NNBI電偏轉(zhuǎn)器進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，對(duì)電偏轉(zhuǎn)器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)討論，初步模擬了概念設(shè)計(jì)方案下電偏轉(zhuǎn)器極板的熱負(fù)荷分布。

1 電偏轉(zhuǎn)器工作原理及設(shè)計(jì)需求

電偏轉(zhuǎn)器的工作原理是帶電粒子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中受電場(chǎng)力的運(yùn)動(dòng)。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(duì)中間極板施加負(fù)電位電壓，混合束流在通過(guò)板間通道時(shí)，帶電粒子束由于在電場(chǎng)中受到電場(chǎng)力的作用而做類似平拋的運(yùn)動(dòng)，H+粒子束和H?粒子束由于電場(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)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(wèn)題，這些物理問(wèn)題會(huì)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(chǎng)失效。盡管Rossi等［9］在國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）電偏轉(zhuǎn)器的物理設(shè)計(jì)中已經(jīng)通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了空間電荷效應(yīng)、二次電子發(fā)射在理論對(duì)于電偏轉(zhuǎn)器的工作性能沒(méi)有影響，且在實(shí)際運(yùn)行條件下，板面并不會(huì)有等離子體鞘層產(chǎn)生。但是在實(shí)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(shí)際應(yīng)用時(shí)需要有配套的診斷系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電偏轉(zhuǎn)器運(yùn)行過(guò)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(guò)程中，電偏轉(zhuǎn)器極板既是形成均勻電場(chǎng)的核心部件，也是束流功率沉積的主要區(qū)域。在設(shè)計(jì)中，極板需要承受最高400 keV的束能量直接轟擊，熱負(fù)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(cè)溫元件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(yùn)行。

2 電偏轉(zhuǎn)器的參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)NNBI的研制目標(biāo)，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(fù)離子束。根據(jù)NNBI束源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了充分利用NNBI真空室的空間，電偏轉(zhuǎn)器初步設(shè)計(jì)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?yàn)榛旌鲜魅肷溥M(jìn)電偏轉(zhuǎn)器通道中，帶電粒子受到板間電場(chǎng)力的作用，所以剩余離子剝離過(guò)程中偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡符合以下方程［11］（簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示）：

圖2 電偏轉(zhuǎn)器內(nèi)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)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(fù)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?jiàn)，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(guò)理論計(jì)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?。╨min）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(zhǎng)的極板可以滿足離子沉積的要求。

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

為進(jìn)一步確認(rèn)參數(shù)設(shè)計(jì)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(gè)孔發(fā)射的為H?離子束。電偏轉(zhuǎn)器簡(jiǎn)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(fù)電位。在仿真模型中進(jìn)行模擬時(shí)，為降低計(jì)算量，提高計(jì)算機(jī)計(jì)算速度，取一個(gè)束發(fā)射面即1/8電偏轉(zhuǎn)器模型進(jìn)行計(jì)算。圖5為電偏轉(zhuǎn)器在中間極板通不同負(fù)電壓時(shí)板面的束沉積情況。可見(jiàn)，模擬計(jì)算情況下，帶電粒子在板面的沉積位置與圖3中計(jì)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(guò)程中的束散會(huì)打到電偏轉(zhuǎn)器的極板上，這部分粒子帶來(lái)的熱負(fù)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)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(fù)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(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果以及考慮到實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的物理問(wèn)題，電偏轉(zhuǎn)器中間極板添加?6 kV（可調(diào)）的負(fù)電位已經(jīng)可以滿足NNBI對(duì)于剩余離子剝離性能的需求。當(dāng)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(zhǎng)3 m的極板設(shè)計(jì)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(duì)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(jí)、束功率進(jìn)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(jì)上提前做好準(zhǔn)備。

3 電偏轉(zhuǎn)器極板熱分布及水冷參數(shù)設(shè)計(jì)

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(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。按照NNBI設(shè)計(jì)源功率最大11.2 MW離子束考慮。在中性化器充氣運(yùn)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(jì)中的結(jié)果，混合束流的帶電成分中正負(fù)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(zhǎng)150 cm、寬160 cm（對(duì)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(yùn)行條件下，板面平均功率密度約為0.96 MW·m?2。當(dāng)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(shí)際上由于負(fù)離子束引出、束散和電偏轉(zhuǎn)畸形電場(chǎng)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(huì)具有一定的差異，甚至出現(xiàn)局部熱功率極高的“熱點(diǎn)”。

如圖6所示，束能量為400 keV的負(fù)離子束在中性化室中中性化后，根據(jù)NNBI束生成與傳輸過(guò)程的物理分析結(jié)果，電偏轉(zhuǎn)器入口處束峰值功率可達(dá)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(méi)有熱負(fù)荷極高的熱點(diǎn)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(fù)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(jì)算的結(jié)果以及仿真所得的熱載荷分布，對(duì)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(guò)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(guò)外方邊長(zhǎng)25 mm、內(nèi)圓直徑16 mm的無(wú)氧銅管拼接而成，中間水管通冷卻水來(lái)帶走板面的熱量。每塊1.5 m極板由60只無(wú)氧銅管部件組成，30只為出水管，30只為進(jìn)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?yàn)閮蓧K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(shí)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(guò)快會(huì)對(duì)管壁產(chǎn)生沖刷作用，長(zhǎng)期運(yùn)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(jì)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(yǔ)

本文提出了中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所負(fù)離子源中性束系統(tǒng)電偏轉(zhuǎn)器的概念設(shè)計(jì)，主要包括電偏轉(zhuǎn)器的物理原理、參數(shù)設(shè)計(jì)、熱載荷分布以及冷卻系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。NNBI電偏轉(zhuǎn)器概念設(shè)計(jì)下為三板兩通道設(shè)計(jì)，中間板負(fù)電位為?6 kV（可調(diào)），極板大小為0.025 m×2 m×3 m（總長(zhǎng)3 m的極板設(shè)計(jì)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(wú)氧銅管多管拼接而成，銅管內(nèi)部通冷卻水來(lái)達(dá)到移除板面的熱負(fù)荷。根據(jù)概念設(shè)計(jì)參數(shù)下NNBI電偏轉(zhuǎn)器束傳輸過(guò)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(fù)荷分布較為均勻，通過(guò)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(jì)提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

作者貢獻(xiàn)聲明李超：醞釀和設(shè)計(jì)系統(tǒng)，起草論文初稿；梁立振：指導(dǎo)，對(duì)文章知識(shí)性內(nèi)容作批評(píng)性審閱；時(shí)超：分析/解釋數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析；邑偉：實(shí)施研究；謝亞紅：指導(dǎo)，支持性貢獻(xiàn)；謝遠(yuǎn)來(lái)：指導(dǎo)，支持性貢獻(xiàn)；胡純棟：獲取研究經(jīng)費(fèi)，行政、技術(shù)支持。