EAST兆瓦级NBI漂移管道内束功率沉积的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学机械与汽车工程学院 作者:李雪军

  超导托卡马克兆瓦级中性束注入器漂移管道是NBI的关键部件之一,它对减少中性束的能量损失,提高中性束的加热效率有着重要的意义。根据EAST兆瓦级NBI的强流、高功率、长脉冲运行的要求,运用Matlab软件对漂移管道内的束功率沉积进行编程模拟计算分析,得到了漂移管道内束功率沉积在不同束散角下的分布规律。研究结果表明中性束的能量以及中性束的束流发散角是影响漂移管道内束功率沉积的主要因素。为漂移管道系统、内部组件以及冷却系统的设计提供了理论依据。

  强流、高功率、长脉冲运行的先进超导托卡马克实验装置(EAST)兆瓦级中性束注入器(NBI)是通过产生高能中性粒子以加热托卡马克等离子体的中性束注入装置。自离子源引出的离子束经过中性化室,偏转磁体等功能部件后变为高能中性粒子束,并最终通过漂移管道进入EAST装置。

  EAST兆瓦级NBI要求中性束流尽可能多的穿过漂移管道,减少中性束的能量损失,提高加热效率。漂移管道内的束功率沉积是漂移管道内中性束能量损失的主要因素之一,其大小不仅影响着中性束的加热效率,同时对漂移管道的优化设计提出了相应的要求。因此漂移管道内束功率沉积的研究具有重要的工程应用价值。

1、EAST兆瓦级NBI布局

  EAST托卡马克环向磁场和极向磁场的超导线圈占据了大量的空间,限制了EAST的可近性。综合考虑实际条件及EAST对注入束的物理要求,在EAST上设置布局了两套NBI如图1示。由图1可见第一套NBI拟沿EAST装置A窗口切向注入,NBI中心线与A窗口轴线最大可成19.5°夹角。第二套NBI拟沿EAST装置F窗口切向注入,注入方式与第一套NBI相同,在几何上与第一套NBI成镜像关系。

NBI在EAST上的布置方式

图1 NBI在EAST上的布置方式

结论

  根据EAST兆瓦级NBI的总体规划与基本工作原理,应用MATLAB软件对中性束在漂移管道内的束功率沉积进行了模拟分析计算,得到了漂移管道内不同中性束发散角与束功率沉积的变化规律以及漂移管道内束功率沉积达到最大值时漂移管道内的中性束沉积功率密度分布。

  中性束的束功率以及中性束的束流发散角对漂移管道内束功率沉积影响较大,中性束的束功率越大、束流发散角越大,漂移管道内束功率沉积越多,即中性束的能量损失也越大。在漂移管道内部,束功率沉积密度随着束线的传输距离增加而增大,在漂移管道出口处产生峰值,研究结果为优化设计漂移管道及其冷却系统提供了理论依据。

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