面向CFEDR的ECRH赤道发射器聚焦镜的热-机械与准光学分析

《Fusion Engineering and Design》：Thermo-mechanical and quasi-optical analysis of the ECRH equatorial launcher focusing mirror towards CFEDR

　　

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  CFEDR ECRH赤道发射器聚焦镜的最新进展。
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  基于波束分布的特殊设计水冷通道。
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  热变形导致高斯模纯度下降0.02%，影响可忽略不计。

引言

中国聚变工程实验堆（CFEDR）是中国磁约束聚变发展路线图的下一步。它旨在弥合ITER聚变实验堆与示范聚变功率堆（DEMO）之间的差距[1]。近期，CFEDR电子回旋共振加热（ECRH）系统的设计状态，特别是准光学设计，已得到更新。8 MW赤道发射器包含8束1 MW波束，排列成两个四束阵列。上四束通过FM2–SM2光学支路传输，而下四束通过FM1–SM1支路传输。因此，每个聚焦镜及其对应的转向镜处理四个独立波束。先前为实验先进超导托卡马克（EAST）[2]开发的1 MW单束ECRH镜的经验为镜材选择、制造和主动水冷提供了工程起点。然而，每个CFEDR聚焦镜必须在相当大的反射表面上同时容纳四个1 MW波束，导致更苛刻的热管理和结构设计要求。

根据最新的概念模型，ECRH赤道发射器（EL）单元配置为传输8 MW 170 GHz毫米波，用于等离子体加热和电子回旋电流驱动（ECCD）。EL由两个准光学传输单元组成，每个单元包含一个四束聚焦镜和一个四束转向镜。FM1和FM2用于维持波束尺寸以减轻散射损耗，而SM1和SM2将电磁波导入真空室，以优化等离子体中的功率沉积。与先前ECRH发射器镜的热机械研究相比，本工作为CFEDR FM1镜引入了一种双通道矩形冷却配置，并进一步将热诱导变形场与准光学FEKO模拟耦合，以量化其对高斯模纯度和波束指向的影响。这提供了比传统热-结构评估更全面的设计评价。

FM2是FM1的垂直镜像对应物，具有相同的反射面配置、材料组成、冷却通道设计和光学功能。本文介绍了FM1的最新设计进展，详细说明了其材料选择和结构配置。此外，进行了耦合流体-热-结构模拟，以评估其在高功率、长脉冲运行条件下的综合性能——特别是峰值温度、最大变形、最大等效应力以及由此产生的反射波束畸变。

章节片段

设计描述

ECRH赤道发射器（EL）样机的布局如图1所示。八束平行的1 MW波束从波导内射出，分为上下两组。上四束由聚焦镜（FM2）和转向镜（SM2）反射，而下四束由另一个聚焦镜（FM1）和转向镜（SM1）引导。最后，所有波束通过屏蔽包层模块（BSM）的开口加热等离子体。

的表面

热源

FM1表面的欧姆热流如图3所示，可使用式（1）和（2）[5]计算，其中$P_0$是单束功率1 MW，$f_{\Omega }$是受反射表面粗糙度S影响的吸收份额（非面向等离子体部件S=1.3 [6]），${\theta }_i$是入射波与镜面之间的夹角，$w_x$和$w_y$分别是沿x轴和y轴的波束宽度，${\rho }_e$是CuCrZr的电导率，$Z_0$是自由空间阻抗。

准光学分析

在稳态运行期间，热诱导变形导致反射表面偏离其设计的抛物面轮廓。这种偏差可能引入相位前畸变、波束指向误差和高斯模含量的变化，从而影响微波传输性能。因此，必须使用计算电磁学软件包FEKO进行准光学模拟，以准确量化这种影响[11,12]。为了

结论

在本研究中，开发了一个结合热-水力、热-机械和准光学分析的综合多物理场评估框架，并将其应用于CFEDR ECRH赤道发射器聚焦镜FM1的初步设计。所提出的工作流程将冷却性能、热诱导结构变形和高功率微波传输特性联系起来，从而避免了单独评估这些物理方面的局限性。

提出的

CRediT作者贡献声明

Chao Xu: 写作——原稿、方法学、调查、形式分析。Yuanyuan Kuang: 概念化。Dingzhen Li: 软件、资源。Nengtao Zhou: 资源。Yunying Tang: 资源。Xiaojie Wang: 监督、资金获取。

Chao Xu|Yuanyuan Kuang|Dingzhen Li|Nengtao Zhou|Yunying Tang|Xiaojie Wang