EAST中性束注入器穩態偏轉磁鐵的參數設計與估算研究

梁立振,趙祥學,王 艷,胡純棟,韋江龍,謝遠來

(中科院等離子體物理研究所，安徽合肥230031)

EAST中性束注入器穩態偏轉磁鐵的參數設計與估算研究

梁立振,趙祥學,王 艷,胡純棟,韋江龍,謝遠來

(中科院等離子體物理研究所，安徽合肥230031)

中性束注入器偏轉磁鐵是剝離束流中剩余離子的關鍵設備，它與剩余離子吞食器等內部部件構成了中性束注入器的束偏轉系統。束偏轉系統的性能對中性束注入器束流的品質及其束傳輸效率發揮著重要作用。本文根據EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)中性束注入器對束偏轉系統的要求，對其偏轉磁鐵各性能參數進行了估算。為中性束注入器設計了一臺用以剩余離子180°偏轉的偏轉磁鐵。該偏轉磁鐵采用H型二極電磁鐵結構；其磁極端面設計為138cm×47cm的圓角矩形結構；其線圈設計為每側2餅，每餅2層，每層8根的串聯結構,導線選用外方內圓空心銅導體，以滿足偏轉磁鐵穩態運行的需要。該設計的偏轉磁鐵在370A勵磁電流條件下，可提供80keV氘離子束偏轉所需的磁場。實驗測試結果顯示：500A勵磁電流穩態運行條件下，偏轉磁鐵線圈冷卻水溫升約21.5℃，該設計結構的偏轉磁鐵滿足EAST中性束注入器滿參數穩態運行和未來運行參數逐步提高的需要。

中性束； 偏轉系統； 電磁鐵； 束流品質

中性束注入加熱是托卡馬克磁約束核聚變研究重要的外部加熱手段。它重點用于直接加熱離子和輸入環向動量，在無感電流驅動和聚變加料方面占也有重要地位，是實現高約束等離子體最重要的手段。隨著磁約束核聚變研究的不斷深入，中性束注入加熱成為托卡馬克等離子體高參數、穩態運行必不可少的輔助加熱手段[1-3]。將事先加速到很高能量的離子束變成高能中性粒子束，然后再注入等離子體中；高能中性粒子通過跟背景等離子體碰撞變成高能離子而被捕獲，再經過庫侖碰撞而熱化，同時將能量傳遞給電子和離子，從而達到給等離子體整體加熱的目的，這個過程就稱為中性束注入加熱(Neutral Beam Injection Heating，NBIH)。

偏轉磁鐵是中性束注入器將束流中剩余離子剝離束通道的核心設備。它的工作性能對束流品質的好壞有著決定性的作用，并對中性束注入器及聚變實驗裝置的安全運行具有重要意義[4]。目前，在運行的中性束注入器都工作在脈沖模式。因此，其偏轉磁鐵也工作在脈沖狀態下。本文以第二條中性束束線(4MW, 80keV，100s,70A)為例[5]，對偏轉磁鐵的相關參數進行了設計討論，并對磁體線圈穩態運行能力進行了估算。為了滿足EAST中性束注入器未來發展需要，結合第一套中性束注入器研制經驗，我們優化了偏轉磁體的冷卻結構，使其具備了穩態工作的能力。

1 偏轉磁鐵的設計要求

一般來說，進入偏轉磁鐵中的高能離子的能量至少有3個成分，即全能量(與加速電極能量相對應)、1/2能量和1/3能量。在偏轉系統內各種能量成分的離子都應該完全剝離束流通道，對于尺寸為12cm×48cm 且采用沿長邊180°偏轉的EAST中性束注入器來說，1/3能量離子偏轉半徑不應小于24cm。此時，全能量離子的偏轉半徑約為42cm。束流中各能量成分的離子偏轉過程如圖1所示。

圖1 偏轉磁鐵工作過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the deflection magnets

對中性束注入器來說，為了滿足束流引出、束流中性化和抑制束流的再電離損失，裝置運行時需要在束流通道中維持一定的真空梯度，且其動態平衡壓力約10-2Pa[6-8]。對EAST中性束注入器來說，其真空室內主要抽氣設備分別以桶狀和片狀分布在注入器的第一、三段。同時，整個注入器真空系統設計的輔助抽氣接口安排在偏轉磁鐵安裝所在的第二段真空室上。那么這就要求磁體所在位置導流系數應盡可能大，以保證注入器漂移段內真空抽速足夠大。由于偏轉磁鐵工作中，磁體線圈將產生一定的熱量。為了滿足穩態運行的需要，偏轉磁鐵線圈需利用冷卻系統將其產生的熱量及時帶走。

2 偏轉磁鐵的設計與參數估算

EAST中性束注入器一條束線具有兩個束流通道，且兩束流以8o40′的夾角向會聚方向傳輸。同時，對比C型、H型、WF型、框型二極電磁鐵的優缺點,考慮剩余離子180°偏轉的要求。鑒于H型二極電磁鐵具有場型對稱，適合于高場區工作的特點，EAST中性束注入器偏轉磁鐵采用組合H型二極電磁鐵設計結構較為合適。即兩個束流通道分別具有獨立的H型偏轉磁鐵，兩偏轉磁鐵共享一個邊鐵軛，其結構如圖2所示。

圖2 偏轉磁鐵結構示意圖及其磁路分布Fig.2 Deflecting magnet structure diagram and the magnetic circuit distribution

2.1 偏轉磁鐵參數的設計

EAST中性束注入器的偏轉磁鐵利用帶電粒子在橫向勻強磁場中運動時受到的洛倫茲力將束流中的氘離子偏離束流通道。根據全能量離子偏轉不小于42cm的設計要求，利用帶電粒子在磁場中運動學方程，可以給出不同能量的離子所需要的偏轉磁場的強度如圖3所示。同時，考慮偏轉半徑在一定的條件下可調，且滿足束線未來100keV運行的需要，磁場強度保留20%的可調空間，偏轉磁鐵磁場最大強度不小于0.19T。

圖3 氘離子能量和中心磁場強度的關系Fig.3 Relationship between deuterium ion energy and the center magnetic field strength

當束流在偏轉磁鐵內傳輸時，由于離子間的碰撞、入射離子橫向速度分量的存在以及偏轉磁鐵入口場的影響，束流中的部分離子將碰撞到磁極間隙的內壁上。同時，磁極間距離過大將使偏轉磁鐵帶來不必要的更大范圍的入口場。為滿足偏轉磁鐵防護的需要，考慮工程實施的可行性，設計磁極防護屏高度為1cm。那么，磁極間距離應設計為20cm。

由上文敘述可知，偏轉磁鐵內束流的運動半徑取為rm=42cm。根據經驗公式:

(1)

式中：ξ——磁極利用系數；

R——磁極端部半徑，cm。

磁極利用系數一般取0.78～0.91。那么，設計磁極端部半徑應在46.1～53.8cm。由于本偏轉磁鐵設計為90°入射，90°出射，180°偏轉，那么磁極端面設計為矩形結構，同時考慮離子偏轉半徑調整的需要，磁極端面設計為138cm×47cm的圓角矩形。

2.2 偏轉磁鐵線圈參數的設計

由安培環路定律知

∮H·dl=NI

(2)

其中，N為線圈匝數；I為線圈中電流，單位為A。NI為勵磁安匝數，那么它可以由下式給出:

NI=

(3)

式中：μ0——真空磁導率；

μiron——磁鐵鐵芯的磁導率。

當磁鐵鐵芯不飽和時，μiron近似為常數。一般來說，鐵芯材料的磁導率在2000H/m 以上，甚至更高；而真空磁導率僅僅為μ0=4π×10-7H/m。因此，在鐵芯結構的電磁鐵中μiron?μ0，那么上式可以簡化為：

NI≈LairB/μ0

(4)

其中，B的單位為Wb/m2；Lair的單位為m；同時,1 Wb/m2=1T=104Gs。在二極磁鐵中，磁鐵氣隙的大小Lair就是兩磁極間的距離g。由于以上計算忽略了磁鐵鐵芯的貢獻，引入勵磁系數f后，上式可以簡化為：

NI=0.8fgB

(5)

式中：f——勵磁系數；

g——氣隙高度,cm；

B——中心磁感應強度, Gs。

其中，勵磁系數一般取1.05～1.1。根據前文分析，對于EAST中性束注入器的偏轉磁鐵來說，它的磁場強度和磁極間距離分別為：1900Gs，20cm。那么，設計電磁鐵的安匝數為：31920～33440。根據電工學手冊外水冷導線電流密度取3A/mm2，內水冷導線電流密度取10A/mm2。將前文計算的電流安匝數取為33500，那么導線外水冷和內水冷的情況下，線圈的截面面積分別為11166mm2、3350mm2。結合偏轉磁鐵安裝空間和裝置穩態運行的要求，偏轉磁鐵線圈采用內水冷導線繞制。結合工程實踐的實際情況，線圈導線選用9.3mm×9.3mm×D6.5mm 的空心導體。根據前面計算結果，偏轉磁鐵線圈總匝數為：

(6)

那么，取勵磁線圈匝數為64匝；根據二極磁體對稱設計的原則，將其設計為每側2餅，每餅2層，每層8根的串聯結構。

2.3 偏轉磁鐵線圈水冷參數的設計

根據公式(5)，取勵磁系數為1.075，可得線圈電流約為500A，符合空心水冷線圈導線的載流能力要求。根據磁場空間的設計要求，偏轉磁鐵單側線圈的導線長度大約為125m，那么，單側線圈的電阻約為46.3mΩ。根據線圈設計結構，每個束流通道的偏轉磁鐵的線圈采用串聯結構。那么，每條束流通道上線圈的發熱功率為：

P=I2R=11.575 kW

(7)

對于處于真空系統的線圈來說，沉積在上面的熱量需要冷卻水帶走。線圈自身熱負荷約為12kW。根據冷卻水溫升不大于25 ℃的設計要求。那么偏轉磁鐵需要的冷卻水流量為：

(8)

對內徑為6.5mm的導線來說，冷卻水如要達到此流量，其流速約3.5m/s，那么線圈兩端供水壓力約需1.5MPa。然而，中性束注入器其他部件的設計水冷壓力為0.7 MPa，這為系統的兼容性帶來了不便。為了優化線圈的冷卻能力，在考慮工程造價和可行性的基礎上，增加線圈冷卻水抽頭的方案被采用。增加線圈冷卻水抽頭后，磁體線圈每兩層有一對冷卻水進出口，經估算在0.6MPa冷卻水壓力下，該線圈可滿足穩態運行的需要。當EAST-NBI處于穩態運行情況時，可以認為單位時間內線圈勵磁電流產生的熱量與單位時間內冷卻水帶走的熱量相等，根據熱平衡方程：

I2R=cpmΔt

(9)

式中：I——線圈通過的電流，單位為A；

R——線圈的總電阻，單位為Ω；

cp——冷卻水的比熱容，單位為J/(kg·K)；

m——冷卻水的質量流量，單位為kg/s;

Δt——冷卻水的進出水溫度差，單位為℃。

根據公式(9)和偏轉磁鐵穩態運行參數，可計算得到線圈冷卻水出口溫升為21.1 ℃。

3 偏轉磁鐵的測試結果

為了確定偏轉磁鐵勵磁線圈的性能，EAST中性束注入器偏轉磁鐵在中性束綜合測試臺開展了相關測試。首先，偏轉磁鐵的線圈按照實際工況要求連接到冷卻水系統，并分別測量了供水壓力由0.25MPa增加至0.65MPa情況下冷卻水流量大小，其測試結果如表1。

表1 線圈冷卻水壓力和流量測量Table 1 Coil cooling water pressure Vs flow rate measurement

為了確定線圈冷卻性能，利用水流熱量計系統對偏轉磁鐵的線圈在運行電流500A的情況下進行了長脈沖測試，其運行時間分別為100s，130s，200s，500s，1000s，測試結果如圖4所示。從圖4可以看出，當通電時間大于500s時，線圈冷卻水的溫升基本保持不變；此時，冷卻水溫升約21.5℃。這說明：勵磁電流的熱功率與單位時間內冷卻水帶走的熱量達到動態平衡，冷卻水溫升保持不變，這也與理論計算結果符合得很好。

圖4 長脈沖時冷卻水進出水口溫度差Fig.4 The cooling water inlet and outlet temperature difference during long pulse operation

為了確定偏轉磁鐵的勵磁性能，在不同通電電流情況下，分別測量了偏轉磁鐵磁隙中9個不同位置的磁場強度，并取其平均值作為該勵磁電流情況下偏轉磁鐵的磁場強度。表2分別給出了偏轉磁鐵兩個磁隙的測量結果。可見，偏轉磁鐵左右兩個束通道具有較好的一致性，且其勵磁系數約為1.065，符合磁體工程實踐設計要求。圖5給出了磁隙中平面上磁場的分布情況，在磁極區域內形成了較好的勻場區。

圖5 偏轉磁鐵磁隙中平面上磁場分布Fig.5 The magnetic field distribution on the mid-plane of deflection magnet gap

4 結論

根據EAST中性束注入器的要求，設計了滿足其穩態運行需要的偏轉磁鐵。該偏轉磁鐵采用H型二級鐵結構，分別對應兩個離子源形成獨立的勻強磁場。其線圈采用選用外方內圓的空心導體，并根據二極磁體對稱設計的原則，將其設計為每側2餅，每餅2層，每層8根的串聯結構。為了滿足穩態運行需要，其線圈采用了每兩層一對冷卻水抽頭的結構，經測試該結構滿足偏轉磁鐵在500A勵磁電流條件下穩態運行的需要，磁體冷卻水溫升約21.5℃。

表2 磁極中心磁場強度與電流關系Table 2 Relationship between magnetic field strength of the magnetic pole center and the coil current

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Parameter design and estimation of deflectionmagnet for EAST neutral beam injector

LIANG Li-zhen, ZHAO Xiang-xue, WANG Yan,HU Chun-dong, WEI Jiang-long, XIE Yuan-lai

( Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Science, Hefei of Anhui Prov. 230031, China)

The deflection magnet is the key equipment for residual ion separating form the beam passage in neutral beam injector (NBI). The magnet and the ion dump composing the deflection system of neutral beam injector. Performance of beam deflection system plays an important role for beam quality and beam transmission efficiency. According to requirements of deflection system of EAST-NBI, parameters of deflection magnet were estimated. The deflection magnet is designed for residual ion separating with 180 degrees. The H-type two-pole electromagnet structure is employed for deflection magnet. Its design is a rounded rectangle magnetic pole at the dimension of 138cm×47cm. Coil of deflection magnet is designed with two units for each side, each unit has two layers and every layer includes 8 circles. The wire is chosen as quadrate hollow copper conductor, which will meet the needs of steady-state operation of the deflection magnet. The design of the deflection magnet with 370A excitation current will provide a magnetic field to deflect 80keV deuterium ions. Experimental results show: under steady-state operating with 500A excitation current conditions, the temperature rise of cooling water of deflection magnet coil is about 21.5 ℃. The designed deflection magnet can meet the requirement of steady-state operation at full parameters and also fulfill the requirement of operating parameters gradually increase in the future.

Neutral beam；Deflection system；Electromagnet；Beam quality；

2016-02-11

國家自然科學基金(項目號：11075183)；973國家磁約束核聚變能發展研究專項(項目號：2013GB101000);中國科學院等離子體物理研究所所基金(項目號：DSJJ-14-JC07)

梁立振(1984—)，男，山東兗州人，副研究員，博士，現從事中性束注入加熱方面研究

TL48

A

0258-0918(2016)05-0634-06