兆瓦级长脉冲NBI束流剖面原位实时测量方法研究

As one of effective means for plasma heating and current driving, neutral beam injector have been installed in most of nuclear fusion experimental devices in the world. In order to achieve to plasma heating and current driving, it is necessary to diagnose the neutral beam exactly. As the calorimeter used in EAST NBI is cut-off water-cooling copper inertia calorimeter based on the thermocouples, it means that the beam would been cut off during measurement, so NBI can not inject and heat plasma during beam profile measurement, moreover, for steady-operation NBI system in future, the cut-off water-cooling copper inertia calorimeter can not meet the requirement of long pulse beam profile measurement. A non-invasive method of beam profile measurement based on Tungsten wire is been put up, it can measure.the beam profile in situ and in real time during long pulse plasma heating of NBI.The proposal includes: (1)Tungsten heating by current in vacuum and finding the relationship between temperature distribution and heat conduction, radiation; (2)Analysis of tungsten wire heat transfer during beam hitting using finite element analysis and confirm the parameters of tungsten wire; (3)Experimental research in real working condition. Comparing the general cut-off water-cooling cooper calorimeter, this method can offer higher time and spatial resolution and it provides powerful method to research the dynamic change of beam during long pulse beam extraction.

中性束注入作为主要的等离子体加热和驱动手段之一，广泛应用于世界众多的核聚变研究装置中，要实现高效的等离子体加热，对中性束进行精确诊断是必要的。国际上通用的束诊断靶是截止式水冷铜靶，即测量时必须置入束通道截断束流，从而导致在束流剖面测量时中性束无法注入至等离子体，另外对于未来稳态运行的中性束系统，该惯性冷却的水冷铜靶已无法满足长脉冲的束诊断需求。本项目提出一种基于钨丝网状靶原位在线近无损式的束流剖面测量方法，可实现注入等离子体的同时进行束剖面测量。本项目首先在真空环境下对钨丝通电加热，探索钨丝温度分布与传导、辐射之间的关系；然后利用有限元法分析束流轰击钨丝的传热学过程，确定钨丝直径及网格大小；最后在真实工况下进行测试并获得束流剖面。相对于通用的截止式水冷铜诊断靶，该方法可以在长脉冲运行情况下提供高时空分辨率的束流剖面，为研究束剖面的动态变化提供了一个强有力的手段。

为了实现聚变点火，有效的等离子体加热手段是必不可少的。中性束注入作为重要的辅助加热手段之一，在世界上运行的核聚变研究装置中得到了广泛的应用。随着聚变研究的深入，对中性束加热提出了更高的要求。在这种情况下须研发新一代射频（Radio Frequency, RF）负离子源，使之能够满足高功率和长脉冲束引出的需求。束流剖面是RF负离子源最关键的指标之一，现有束流剖面的评估通常是采用一定分布的热电偶的水冷铜靶来进行的，束流剖面测量时必须置于束通道，从而使后端诊断手段无法同时工作。.针对上述问题，本项目开展了基于钨丝靶的原位在线的束流剖面测量技术研究，可有效的解决当前截止式的水冷铜诊断靶在测量束流剖面时无法进行中性束注入等离子体的问题；并为离子源的锻炼调试提供一种更为直观的观察技术，这为未来稳态运行的中性束注入器的束剖面的动态变化研究奠定了基础。.本项目按照任务书的研究计划按年度开展各项研究，针对MW级大功率射频离子源的引出束流特性，完成了钨丝在真空室内通电加热测试，研究了钨丝温度分布与热传导、辐射之间的关系，利用有限元分析软件对钨丝在不同的束流条件下的温度分布情况进行了分析，获得了温度场分布。通过对温度场的分析确定了钨丝的选型，并在此基础上评估了束参数对钨丝靶的空间分辨率的影响。在完成数值仿真的基础上，开展了钨丝靶的设计工作并完成了钨丝靶的加工。在CRAFT NNBI 1/4尺寸RF离子源测试平台上完成钨丝诊断靶实验研究，获得束能量为15-40keV时，钨丝靶受束流轰击发光的图像及束流剖面，并以此为基础完成了用于CRAFT NNBI全尺寸RF离子源的钨丝移动靶设计与加工，并结合三维模型进行图像采集仿真，选定了钨丝靶的最佳观测位置，确定了相机和镜头的主要参数，并完成了视觉采集和图像合成的算法方案。以上工作为CRAFT NNBI射频离子源的锻炼调试提供了一种在线直观的诊断方法，同时为束诊断技术的研发积累了经验。综上所述，本项目已经完成了课题任务书所列各项指标，并成功实现了NNBI射频负离子源的束流剖面分析。