[科普中国]-中性束注入回旋加速器

概述

高能中性束注入器（NBI）是当今世界大型托卡马克（Tokamak）装置及下一代聚变堆一国际热核聚变实验反应堆（ITER）所采用的芯部辅助加热和非感应电流驱动的主要手段之一，同时也是目前为止加热效率最高、物理驱动机理最明晰的加热方式。而NBI离子源运行在强电场条件下的等离子体负载状态，这使得高压击穿现象时有发生，负载故障时吸收的能量只要大于几J，昂贵的离子源设备就可能被严重损坏。为防止离子源打火时受到损坏，必须在电路中设计高压缓冲器保护单元，以限制故障电流，同时吸收分布电容所释放的能量。由于先进超导托卡马克实验装置（EAST）的空间限制，必须优化设计高压缓冲器布局，设计不同材质的串联缓冲器来抑制放电电流并吸收故障能量。

在设计中性束高电压真空设备时，需要考虑瞬间故障弧流放电会对电路及相关设备造成破坏，当高压真空被击穿时，尽管高压电源可以在10内快速切断供电电源，但是储存在电路杂散电容的能量在放电时还是会对电真空设备造成破坏。1

束线本体结构及主真空受力分析中性束注入器束线本体结构NBI束线装置本体主要由大功率强流离子源、主真空室及内部部件、漂移管道、调节支撑平台及其它辅助系统等组成，如图1所示。

中性束注入器主真空室受力分析由于主真空室内部部件较多且体积庞大，为了保证装置在拆分和组装时的方便，根据中性束注入器装置的工作模式、束线各主要功能部件的排布和工程实施的可行性，主真空室采用桶式结构分三部分装配而成。主真空室简体采用6061一T6铝材料，总体外径约为2.3m，长度约为3.64m；其中靠近离子源端的称为第一段长约为1.9m，内部安装有中性化室，后低温冷凝屏、离子吞食器；第二段长约0.88m，内部安装有偏转磁体；第三段靠近漂移管道长约0.86m，内部安装有功率测量靶、前低温冷凝屏。主真空室有两种工作状况：一种是三段各自安装其内部构件分别放置于地面（简称第一种工作状况）；另一种是处于丁作状态下三段整体连接，并通过相应的盖板和离子源及漂移管道相连接，装置整体通过安装在真空室底部的链轮机构放置在主支撑导轨上（简称第二种工作状况）。2

国内发展历程东方超环（EAST）中性束注入系统第一套中性束注入器(EAST-NBI-1)近期进行了全面工程调试，测试结果表明首套中性束注入器已具备向EAST注入兆瓦级中性束的能力。

EAST的建成和投入运行仅仅是它整个科学计划的第一步，要实现EAST的科学目标，尚需建设电流驱动和高功率辅助加热系统。作为EAST的配套设施，低杂波电流驱动和中性束注入辅助加热系统的建设可以极大地提高EAST的科学研究水平，提升我国核聚变研究领域在国际上的地位。

首套中性束注入器的工程总装工作于6月前开始。中性束注入加热系统广泛涉及等离子体物理、强流离子束、精密机械制造、低温真空、高电压及隔离、远程测控以及辐射防护等多学科技术领域。中性束注入系统团队不畏高温酷暑，顺利完成了束线总装、电源系统、控制系统等多个子系统工程建设（图2）、各子系统联调及子系统与中性束注入总控的联调工作。

9月初，在中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所领导的鼎力支持及低温工程与技术研究室、托卡马克物理研究室等科研人员的大力配合下，首套中性束注入器在最短时间内达到实验条件。本次实验采用的工作气体为氘气。在历经一天一夜的起弧调试后，顺利进行了束引出实验，各子系统运行稳定，实验逐步进入稳定状态。9月9日，左右离子源分别成功获得束能量52千伏，束流22安培，束脉宽1秒（低导流系数模式）及束能量40千伏，束流25安培，束脉宽1秒的束引出束流（高导流系数模式）。

此次工程调试旨在验证首套中性束注入器各子系统工作正常并具备向EAST注入兆瓦级中性束的能力，为在EAST上正式开展中性束注入实验打下了坚实基础。3