EAST兆瓦級NBI漂移管道內束功率沉積的研究

2013-12-12 李雪軍 合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車(chē)工程學(xué)院

　　超導托卡馬克兆瓦級中性束注入器漂移管道是NBI的關(guān)鍵部件之一，它對減少中性束的能量損失，提高中性束的加熱效率有著(zhù)重要的意義。根據EAST兆瓦級NBI的強流、高功率、長(cháng)脈沖運行的要求，運用Matlab軟件對漂移管道內的束功率沉積進(jìn)行編程模擬計算分析，得到了漂移管道內束功率沉積在不同束散角下的分布規律。研究結果表明中性束的能量以及中性束的束流發(fā)散角是影響漂移管道內束功率沉積的主要因素。為漂移管道系統、內部組件以及冷卻系統的設計提供了理論依據。

　　強流、高功率、長(cháng)脈沖運行的先進(jìn)超導托卡馬克實(shí)驗裝置(EAST)兆瓦級中性束注入器(NBI)是通過(guò)產(chǎn)生高能中性粒子以加熱托卡馬克等離子體的中性束注入裝置。自離子源引出的離子束經(jīng)過(guò)中性化室，偏轉磁體等功能部件后變?yōu)楦吣苤行粤Ｗ邮�，并最終通過(guò)漂移管道進(jìn)入EAST裝置。

　　EAST兆瓦級NBI要求中性束流盡可能多的穿過(guò)漂移管道，減少中性束的能量損失，提高加熱效率。漂移管道內的束功率沉積是漂移管道內中性束能量損失的主要因素之一，其大小不僅影響著(zhù)中性束的加熱效率，同時(shí)對漂移管道的優(yōu)化設計提出了相應的要求。因此漂移管道內束功率沉積的研究具有重要的工程應用價(jià)值。

1、EAST兆瓦級NBI布局

　　EAST托卡馬克環(huán)向磁場(chǎng)和極向磁場(chǎng)的超導線(xiàn)圈占據了大量的空間，限制了EAST的可近性。綜合考慮實(shí)際條件及EAST對注入束的物理要求，在EAST上設置布局了兩套NBI如圖1示。由圖1可見(jiàn)第一套NBI擬沿EAST裝置A窗口切向注入，NBI中心線(xiàn)與A窗口軸線(xiàn)最大可成19.5°夾角。第二套NBI擬沿EAST裝置F窗口切向注入，注入方式與第一套NBI相同，在幾何上與第一套NBI成鏡像關(guān)系。

NBI在EAST上的布置方式

圖1 NBI在EAST上的布置方式

結論

　　根據EAST兆瓦級NBI的總體規劃與基本工作原理，應用MATLAB軟件對中性束在漂移管道內的束功率沉積進(jìn)行了模擬分析計算，得到了漂移管道內不同中性束發(fā)散角與束功率沉積的變化規律以及漂移管道內束功率沉積達到最大值時(shí)漂移管道內的中性束沉積功率密度分布。

　　中性束的束功率以及中性束的束流發(fā)散角對漂移管道內束功率沉積影響較大，中性束的束功率越大、束流發(fā)散角越大，漂移管道內束功率沉積越多，即中性束的能量損失也越大。在漂移管道內部，束功率沉積密度隨著(zhù)束線(xiàn)的傳輸距離增加而增大，在漂移管道出口處產(chǎn)生峰值，研究結果為優(yōu)化設計漂移管道及其冷卻系統提供了理論依據。