NBI负离子束源加速系统的多场耦合研究取得进展

   近期，中性束注入研究室的负离子源课题组在NBI负离子束源加速系统的多场耦合设计与分析研究方面取得新进展，相关研究成果分别以“An integration design model for a large-scale negative ion accelerator of neutral beam injection system for fusion application”为题发表于Physics of Plasma期刊和“Suppression of stray electrons in the negative ion accelerator of CRAFT NNBI test facility”为题发表于Nuclear Engineering and Technology期刊。

   高能量、大功率、稳态负离子束源是大型磁约束聚变装置的中性束注入（Neutral Beam Injection，NBI）系统最核心的部件之一，其加速系统的功能是将负离子引出和加速并形成具有良好聚集性能的负离子束。加速系统涉及束流光学与加速、束流轨道调控、超高电压维持、残余气体排出、杂散粒子流与热流抑制、电极高效冷却、电极热机械强度等关键技术，而且这些关键技术之间高度关联。

   在以往NBI负离子束源加速系统的设计或模拟分析中，一般针对不同的设计项目采用不同的专业软件或程序，其优势是在多次迭代设计中具有较高的计算精度和速度。然而不同软件或程序的计算结果难以直接传递，需要近似或假设处理后再导入，导致加速系统不同设计项目之间的强相关性就弱化了。为此，中性束注入研究室基于统一的软件平台发展了NBI负离子束源加速系统的多场耦合设计模型，其包括了几乎所有的与加速系统相关的关键物理与工程问题，不同设计项目的仿真结果能够完全自洽的导出和导入。该多场耦合模型已经成功地应用于CRAFT、CFETR、BEST负离子束源加速系统的物理与工程设计，为负离子束源的研发提供了科学的理论依据和数据支持。

   负离子在引出与加速过程中，与背景气体碰撞后极易失去最外层的电子（由于H－电子亲和能较低~0.75eV），从而无法继续加速，造成电子剥离损失。由此产生的杂散电子同样会被电场加速，这不但会降低加速系统的电效率（因为加速电子无用），更会给加速系统和下游的其他部件造成严重的粒子轰击和热负荷，增加了电极打火和热变形的风险。为此，利用该多场耦合模型对CRAFT负离子束源的杂散粒子抑制开展了详细的设计与模拟研究。研究结果表明，改变电极支撑框架侧面排气通道，对进一步降低背景气体密度的效果并不明显；构建加速电极附近的局域磁场位形，能够有效抑制杂散电子的加速、降低电极的热负荷。

   上述研究工作得到了聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）项目和国家自然科学基金项目的资助。

   POP论文链接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0139827

   NET论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1738573322005691

图1 负离子加速系统多场耦合模型的仿真模块与设计流程

图2 不同磁场位形下杂散电子的产生与输运轨迹