EAST-NBI反向電子吸收板換熱計(jì)算與分析

許永建　栗　翔,2　胡純棟　于　玲　陶　玲　謝亞紅　蔣才超　顧玉明　李　軍

1（中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所　合肥　230031）2（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)　合肥　230026）

EAST-NBI反向電子吸收板換熱計(jì)算與分析

許永建1栗翔1,2胡純棟1于玲1陶玲1謝亞紅1蔣才超1顧玉明1李軍1

1（中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所合肥230031）2（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥230026）

中性束注入是托卡馬克主要的輔助加熱手段。目前先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克中性束注入（Experimental Advanced Superconducting Tokamak-Neutral Beam Injection, EAST-NBI）裝置采用的是正離子源，運(yùn)行過(guò)程中離子源的部分部件有很大的熱沉積，其中反向電子吸收板最為嚴(yán)重。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)束功率為3.5 MW時(shí)，沉積在反向電子吸收板上的平均功率密度高達(dá)4.4 MW·m-2，有著較大的換熱負(fù)擔(dān)。為探究反向電子吸收板的極限運(yùn)行時(shí)間，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)反向電子吸收板在不同束功率、冷卻水水壓等多種工況進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，電子吸收板隨著束功率的增大，換熱負(fù)擔(dān)加重、換熱效果變差，通過(guò)增壓泵提高冷卻水入口壓力一定程度上可以提高換熱能力，使其極限運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)。對(duì)該課題的研究可以指導(dǎo)EAST-NBI的運(yùn)行，以保證離子源安全、穩(wěn)定工作，此外還為反向電子吸收板的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)展長(zhǎng)脈沖、高功率的離子源具有重要意義。

中性束注入，電子吸收板，換熱，極限運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，數(shù)值模擬

中性束注入（Neutral Beam Injection, NBI）加熱是對(duì)托卡馬克等離子體外部加熱和維持的重要手段之一［1-6］。它主要通過(guò)電荷交換和粒子間碰撞實(shí)現(xiàn)對(duì)離子和電子的加熱，是目前在托卡馬克上除了歐姆加熱外，對(duì)等離子體外部加熱和維持的4種主要加熱手段（中性束注入、低雜波、離子回旋頻段波、電子回旋頻段波）中加熱效率最高、物理機(jī)制最清楚的手段。先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克（Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST）建有兩條中性束注入束線，均采用正離子源，以滿足其穩(wěn)態(tài)、高參數(shù)運(yùn)行的需要。EAST-NBI須滿足高功率、長(zhǎng)脈沖運(yùn)行的初期建設(shè)要求，即實(shí)現(xiàn)束能量50-80keV可調(diào)、脈寬10-100 s、功率2-4 MW情況下的運(yùn)行［7-10］。

強(qiáng)流離子源反向電子的產(chǎn)生存在于束引出的過(guò)程中，離子束經(jīng)過(guò)縫型引出系統(tǒng)時(shí)會(huì)與引出電極和從離子源弧室擴(kuò)散到引出系統(tǒng)的中性氣體分子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生電子。這些電子一部分打到等離子體電極和梯度極上形成電極負(fù)荷，一部分經(jīng)引出電極的高場(chǎng)加速后進(jìn)入離子源放電室，形成高能的反向電子流，打到電子吸收板上［11］。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，在NBI運(yùn)行的過(guò)程中，反向電子吸收板的換熱壓力最為嚴(yán)重，當(dāng)束功率為3.5 MW時(shí)，沉積在反向電子吸收板上的平均功率密度高達(dá)4.4 MW·m-2，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中曾出現(xiàn)反向電子吸收板被燒蝕的現(xiàn)象［12］。如今，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）的發(fā)展，數(shù)值模擬方法為研究流體傳熱和流動(dòng)提供了重要手段［13］。本文利用ANSYS軟件模擬了電子吸收板在不同束功率、冷卻水水壓等工況下的運(yùn)行情況，并直觀地觀察反向電子吸收板的溫度分布情況并分析該結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱過(guò)程的影響。

1　反向電子吸收板

1.1物理模型

離子源反向電子吸收板結(jié)構(gòu)及冷卻水回路如圖1所示。反向電子吸收板與燈絲座之間有隔離板，并裝有麥拉絕緣密封。反向電子吸收板采用無(wú)氧銅材料，外形尺寸為698.5 mm×238 mm×44.45 mm。吸收板背部有磁體槽，用來(lái)安裝永久磁體［14］。離子源采用縫型束引出系統(tǒng)，束引出時(shí)，存在高能的反向電子轟擊在吸收板上，主要集中在束引出面（480 mm×120 mm）上。因電子吸收板上有較高的熱負(fù)荷，故在吸收板上通過(guò)深孔鉆設(shè)計(jì)有多路水冷卻管，以滿足對(duì)離子源長(zhǎng)脈沖的要求。板中間并排設(shè)有4根內(nèi)徑為6.35 mm的管道，板長(zhǎng)邊方向兩側(cè)各設(shè)有直徑為24.6 mm的一根粗冷卻管路，這些光滑直管通過(guò)外接軟管來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)回路。

圖1　電子吸收板結(jié)構(gòu)及冷卻水回路Fig.1　Structure and cooling water circulation circuit of electron dump.

1.2計(jì)算模型及假設(shè)

為探究反向電子吸收板在不同工況下的運(yùn)行情況，分別模擬計(jì)算了電子吸收板在冷卻水入口水壓一定的情況，束功率從2 MW到4 MW時(shí)運(yùn)行時(shí)間的變化；在功率一定的情況下，隨入口冷卻水水壓從0.2 MPa到0.8 MPa的變化（系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力最高1 MPa）。管內(nèi)流體與電子吸收板間的換熱主要為導(dǎo)熱和對(duì)流的復(fù)合傳熱過(guò)程，為計(jì)算方便，模擬過(guò)程中做了如下簡(jiǎn)化與假設(shè)：

1） 假定電子吸收板的熱流密度均勻分布；

2） 建模過(guò)程中忽略螺栓孔、氣孔及圓角等加工工藝對(duì)換熱的影響；

3） 電子吸收板冷水卻管簡(jiǎn)化為通管；

4） 忽略高溫部件對(duì)周圍環(huán)境（空氣及其他部件）散熱；

5） 冷卻水不可壓縮，且進(jìn)、出口壓力保持恒定；

6） 各種工況下，冷卻水進(jìn)口水溫均為環(huán)境溫度（293 K）；

7） 中間管道高溫區(qū)有少量氣泡產(chǎn)生，一定程度上加強(qiáng)了換熱，但氣泡較少，結(jié)果差別不大。主流仍為過(guò)冷態(tài)，所以這里模擬采用單相計(jì)算。

1.3控制方程

基于不可壓縮的牛頓型流體，在常物性和宏觀熱能守恒的假設(shè)下，流體流動(dòng)和傳熱必須滿足以下控制方程［15-16］。

連續(xù)性方程：

式中：ρ是密度；t是時(shí)間；U是速度矢量。動(dòng)量方程：

式（2）-（4）也稱動(dòng)量守恒方程或Navier-Stokes方程。式中：u、v和w是速度矢量U在x、y和z方向的分量；p是流體微元體上的壓力；μ是動(dòng)力粘度；Su、Sv和Sw是動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

能量方程：式中：T為溫度；λ是第二粘度；cp為比熱容；ST為粘性耗散項(xiàng)。

此外，湍流模型選用的RNG k-ε模型在連續(xù)性方程與雷諾方程的基礎(chǔ)上，再建立一個(gè)湍動(dòng)能的輸運(yùn)方程和一個(gè)湍流耗散率方程，經(jīng)簡(jiǎn)化，使湍流的一組方程式在附加了k和ε的兩個(gè)方程后構(gòu)成封閉問(wèn)題，從而能結(jié)合具體的邊界條件求解［17］。

2　結(jié)果與分析

2.1電子吸收板換熱計(jì)算

模擬管道采用壓力入口，通過(guò)迭代，得到電子吸收板的溫度分布情況。這里以常用入口水壓0.2MPa、束功率4 MW為例進(jìn)行分析。以電子吸收板材料無(wú)氧銅的軟化溫度573 K為閾值，當(dāng)表面最高點(diǎn)溫度到達(dá)573 K時(shí)，溫度分布見(jiàn)圖2?？梢园l(fā)現(xiàn)，外側(cè)的冷卻水管與中心冷卻水管間的部分溫度最高，原因是這部分距離冷卻管道較遠(yuǎn)，所以換熱情況相比于其他地方較高。為更清楚地了解熱流面上溫度場(chǎng)，圖3給出了溫度場(chǎng)沿短邊的分布。

圖2　電子吸收板熱流面溫度分布　（a） 俯視圖，（b） 側(cè)視圖Fig.2　Heat flux surface temperature distribution of electron dump. （a） Top view, （b） Side view

圖3　熱流面中間位置溫度沿短邊方向的變化Fig.3　Temperature change along the short length of electron dump on middle of heat flux surface.

圖4　電子吸收板極限運(yùn)行時(shí)間（0.2 MPa, 4 MW）Fig.4　The maximum operating time of electron dump（0.2 MPa, 4 MW）.

圖4是電子吸收板上最高點(diǎn)的溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，溫度是隨時(shí)間先迅速增加然后緩慢爬升，最后達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在該工況下當(dāng)溫度達(dá)到573 K時(shí)，電子吸收板極限運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為6.64 s。

2.2隨束功率變化

為探究電子吸收板在不同束功率下的換熱情況，對(duì)入口水壓在0.2 MPa條件下，束功率從2 MW到4 MW時(shí)進(jìn)行了模擬分析。圖5是電子吸收板表面最高溫度隨工作時(shí)間的變化趨勢(shì)，可以明顯看出，各束功率下表面溫度的上升趨勢(shì)基本相似，溫度增長(zhǎng)由快到慢最后保持不變，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。達(dá)到573K時(shí)電子吸收板的極限工作時(shí)間隨束功率的增加，明顯減少。

圖5　不同束功率下表面最高溫度隨運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系Fig.5　The relationship between maximum surface temperature and operating time at different beam power.

2.3隨冷卻水水壓變化

為更好地指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，延長(zhǎng)電子吸收板的工作時(shí)間，以滿足EAST對(duì)NBI離子源長(zhǎng)脈沖、高功率的運(yùn)行要求，在4 MW束功率下對(duì)電子吸收板不同冷卻水進(jìn)口水壓進(jìn)行了增壓計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隨冷卻水入口水壓的提高，表面最高溫度有所降低、極限工作時(shí)間延長(zhǎng)，如圖6所示，即通過(guò)增壓泵提高水壓是一種保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的有效方法。

圖6　不同冷卻水入口水壓下表面最高溫度隨運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系Fig.6　The relationship of maximum surface temperature and operating time at different pressure inlet of cooling water.

圖7是電子吸收板在該束功率下，平衡溫度隨冷卻水入口水壓變化的擬合曲線，由擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷卻水入口水壓超過(guò)0.577 MPa時(shí)，電子吸收板表面最高溫度將不會(huì)達(dá)到軟化溫度，即一直處于安全運(yùn)行的范圍內(nèi)。

圖7　平衡溫度隨冷卻水入口水壓變化的擬合曲線Fig.7　The fitting curve of equilibrium temperature at different pressure inlet of cooling water.

3　結(jié)語(yǔ)

中性束注入加熱是對(duì)托卡馬克等離子最有效的加熱手段之一。EAST-NBI裝置采用的是正離子源，在設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中離子源的部分部件會(huì)有較大的熱量沉積，其中對(duì)電子吸收板的換熱能力及其實(shí)驗(yàn)運(yùn)行是很大的考驗(yàn)。對(duì)電子吸收板在不同功率、不同壓力下的模擬計(jì)算可以明顯發(fā)現(xiàn)：電子吸收板在一定水壓下隨著束功率的增加，極限運(yùn)行時(shí)間明顯減少；提高水壓可以適當(dāng)延長(zhǎng)電子吸收板的工作時(shí)長(zhǎng)，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，因此可以增設(shè)增壓系統(tǒng)來(lái)延長(zhǎng)離子源的工作時(shí)間。對(duì)NBI離子源反向電子吸收板在各工況下運(yùn)行能力的探究，對(duì)指導(dǎo)NBI系統(tǒng)目前安全、穩(wěn)定的運(yùn)行具有重要的意義，但提高水壓是以犧牲泵功為代價(jià)的，并不能從根本上解決問(wèn)題，還需要進(jìn)一步利用強(qiáng)化換熱技術(shù)對(duì)電子吸收板進(jìn)行加強(qiáng)換熱，如利用內(nèi)插物等。此外，對(duì)NBI離子源反向電子吸收板在各工況下運(yùn)行能力的探究能為后期對(duì)離子源高熱流承載部件的換熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)展長(zhǎng)脈沖、高功率的正離子源具有重大意義。

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Analysis of heat transfer capacity of electron dump on EAST-NBI

XU Yongjian1LI Xiang1,2HU Chundong1YU Ling1TAO Ling1XIE Yahong1JIANG Caichao1GU Yuming1LI Jun1

1（Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China）
2（University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China）

Background: Neutral beam injection is one of the main auxiliary heating methods in controllable nuclear fusion experiment. The positive ion source is adopted in the EAST-NBI （Experimental Advanced Superconducting Tokamak-Neutral Beam Injection） device, and during its operation, there is a large energy deposition on ion source components, especially on the electron dump. According to previous research, when beam power is 3.5 MW, the average power density deposited on electron dump is around 4.4 MW·m-2, which may cause great burden for its heat transfer capacity. Purpose: Research on the heat transfer conditions of electron dump is of great significance. Methods: A numerical simulation method is adopted to calculate the heat transfer effect with the change of beam power and inlet pressure of cooling water, and the maximum operating time of electron dump is obtained. Results: The results show that the heat transfer effect decreases with beam power growth, and by enhancing the inlet pressure of cooling water via booster pump, heat transfer capacity gets better to some extent, which can extend the maximumoperating time of electron dump. Conclusion: This research can guide EAST-NBI ion source to operate safely and steadily. Moreover, it can lay a foundation for increasing heat transfer capacity via structure optimization in future work, which is meaningful for the development of long pulse and high power ion source.

Neutral beam injection, Electron dump, Heat transfer, Maximum operating time, Numerical simulation

JIANG Caichao, E-mail: jcch@ipp.ac.cn

TL67，TL65，TK121

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.100602

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.11405207、No.11505225）資助

許永建，男，1977年生，2009年于中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副研究員，研究領(lǐng)域?yàn)橹行允\斷及實(shí)驗(yàn)研究

蔣才超，E-mail: jcch@ipp.ac.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China （No.11405207, No.11505225）First author: XU Yongjian, male, born in1977, graduated from Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences with a doctoral degree in 2009, associate research fellow, focusing on neutral beam diagnosis and experimental research

2016-06-23，

2016-08-19