胡纯栋 许永建（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031）

EAST中性束注入器研制进展

胡纯栋 许永建
（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031）

EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)作为世界上第一个全超导非圆截面托克马克，其目标是研究1000 s的长脉冲稳态运行的前沿性物理问题，要达成这一目标，必须有高功率电流驱动和辅助加热系统以实现EAST装置的高参数稳态运行。中性束注入(Neutral Beam Injection, NBI)加热是等离子体辅助加热和维持最有效的手段之一，为此一套注入功率4–8 MW、脉冲宽度10–100 s的中性束注入系统于2010年开工建设，并于2014年实现了对等离子体的加热和驱动。本文主要展示了EAST中性束注入器的最新进展，从长脉冲束引出和高功率束引出两个方面介绍了EAST中性束注入器综合测试台的最新实验结果，结果表明在束功率和脉冲宽度方面已经达到或超过设计指标。

中性束注入器，束引出，离子源

EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)装置是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置，其设计指标为1000 s稳定运行，对稳态磁约束聚变的前沿问题进行相关研究[1]。为实现这一目标，需研制可长脉冲运行的辅助加热和电流驱动系统[2]。因此一套注入功率4–8 MW、10–100 s中性束注入系统于2010年开工建设，并于2014年成功实现了对等离子体的加热和电流驱动。电极采用中空钼管加工制成，中空管道通有去氧去离子水冷却。为进一步提高NBI加热效率，在不改变离子源的结构的情况下提高束引出能力，PG的横截面由原来的圆形改为菱形(图3)。经过测试，实验结果表明离子源的束引出能力有了较大的提高。

1 EAST中性束注入器组成

依据EAST的研究计划，中性束注入(Neutral Beam Injection, NBI)系统分为两条束线，在EAST装置上的布局如图1所示。每条束线具有独立的电源、控制、真空以及诊断系统等，可单独工作并产生最大功率为4 MW，束能量为50–80 keV，脉冲宽度为10–100 s的氘中性束，其内部构成[3–6]如图2所示。其中每条束线均安装两个离子源，离子源作为NBI装置中最关键部件之一，其功能是产生等离子体并实现对其中的正离子加速。EAST-NBI采用了热阴极大面积桶式源。离子源包括弧室和加速电极两部分，其设计的束引出面为120 mm×480 mm。其中加速电极采用四电极静电引出加速系统，分别是等离子电极(Plasma Grid, PG)、梯度电极(Gradient Grid, GG)、抑制电极(Suppression Grid, SG)和地电极(Earth Grid, EG)。为提高电极的主动冷却能力，

图1 中性束注入器在EAST装置上的布局Fig.1 Layout of the neutral beam injector system in EAST.

图2 EAST中性束注入器结构Fig.2 Schematic view of EAST-NBI.

图3 EAST-NBI离子源加速电极最新改进示意图Fig.3 Improvement of accelerating electrode of EAST-NBI ion source.

2 EAST中性束注入器的性能测试

2.1 长脉冲束引出测试

EAST为了实现高参数运行，对各辅助加热手段提出了更高的要求，对EAST-NBI提出了长脉冲（稳态）运行的要求，为此我们测试了EAST-NBI长脉冲束引出的能力。图4给出了150 s长脉冲的波形图，图4中Vfil为灯丝电压，Ifil为灯丝电流，Varc为弧压，Iarc为弧流，Vacc为加速电压，Iacc为束流，Vsup为抑制电极电压，Isup为抑制电极电流。为配合束流的引出，在对加速电压进行调制的同时要保证弧压、抑制电极电压要与加速电压同步。由图4可知，当加速电压为50 kV、弧功率为52.5 kW时，弧效率为0.57 A·kW−1。等离子体电极由圆形改为菱形，提高了离子源的束引出能力，减小了束散角，降低了束通道内热承载部件的换热压力，同时束调制技术的采用，也有效地减轻了束通道内热承载部件的换热压力，上述因素使长脉冲束引出成为可能。

2.2 高功率束引出测试

为测试EAST中性束注入器的高功率束引出能力，我们测试了单离子源4 MW离子束引出。图5给出了在该参数下的波形图。从图5中可以看到，离子源引出功率达到了其设计指标。

图4 150s长脉冲束引出波形图(50kV, 30A, 150s调制)Fig.4 Waveform of 150 s long pulse beam extraction (50 kV, 30 A, 150 s, modulating).

图5 高功率束引出实验波形(4 MW, 80 keV, 50 A)Fig.5 Waveforms of high power beam extraction (4 MW, 80 keV, 50 A).

2.3 束关键参数测量

为测量束流在热承载部件下的沉积功率，我们利用水流热量量积测量系统对其进行了测试[7–8]，图6给出了在偏转磁铁通断情况下热承载部件上沉积功率占总功率的百分比。束流的中性化效率随着电压的升高呈下降趋势（见图7），通过改变中性化室的进气量还可以进一步优化中性化效率。核聚变研究希望从离子源中引出的离子束的质子比尽可能高，但分子离子依然存在，为测量束的质子比，利用多普勒光谱测量系统对束流进行了测量，图8给出了束能量与质子比的关系，由图8可以看到全能量的质子比随着束能量而增大。图9给出了PG改进前后的对比，从图9可以看出，PG由原来的圆形改为菱形后，离子源的最佳运行区间变宽，束引出效率提高同时最佳束散角变小。

图6 束流在热承载部件上的功率沉积Fig.6 Beam power deposition distribution on the heat load components.

图7 不同束能量的中性化效率1（中性化室未进气，工作气体为1H）Fig.7 Neutralizing efficiency as a function of beam energy(without neutralizer gas puff, for hydrogen).

图8 束成分与束能量之间的关系Fig.8 Relationship between beam species and beam energy.

图9 束散角随导流系数的变化曲线Fig.9 Divergence angle as a function of perveance.

3 结语

中性束注入系统作为国家“九五”重大科学工程全超导托卡马克实验装置(EAST)的高功率辅助加热和电流驱动的主要组成部分之一，在综合测试台上已经完成各项指标的测试，结果表明束功率和脉冲宽度已达到或超过了设计指标，为在EAST上开展近堆芯等离子体物理与工程研究奠定了坚实的基础。

致谢 感谢中国科学院等离子体物理研究所中性束注入课题组全体成员对本实验给予的支持。

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Development progresses of EAST neutral beam injector HU Chundong XU Yongjian

(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Background: As the first full superconducting non-circular cross section Tokomak in the world, Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) is used to explore the forefront physics and engineering issues on the construction of Tokomak fusion reactor. Neutral beam injection has been recognized as one of the most effective means for plasma heating. Purpose: This paper aims to present the latest progresses of EAST neutral beam injector. Methods: Long pulse beam extraction and high power beam extraction were experimentally tested to verify the performance of a set of neutral beam injectors (4–8 MW, 10–100 s) which were developed and put into operation in 2014. Results: Test results showed that beam power and pulse length met or exceeded the design requirments. Conclusion: All these progresses lay a solid foundation for the achievement of plasma heating and current drive for EAST in the future.

Neutral beam injector, Beam extraction, Ion source

TL61+2.11

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110603

国家磁约束核聚变能发展研究专项(No.2013GB101001)资助

胡纯栋，男，1963年出生，1999年于中国科学院等离子体物理研究所获博士学位，现主要从事中性束物理与实验研究

许永建，E-mail: yjxu@ipp.ac.cn

2015-03-25，

2015-07-29

CLC TL61+2.11