[發明專利]用于降低波紋度的楔形截面超導磁體線圈及導體繞制成型方法

無效

• 申請號: 201210295301.2
• 申請日: 2012-08-20
• 公開（公告）號: CN102820117A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 鄭金星;宋云濤;楊慶喜;張建成
• 申請（專利權）人: 中國科學院等離子體物理研究所
• 主分類號: H01F6/06
• 分類號: H01F6/06;H01F41/06
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及超導托克馬克裝置領域，具體涉及一種用于降低波紋度的楔形截面超導磁體線圈及導體繞制成型方法。

背景技術

????磁約束是利用強磁場可以很好的約束帶電粒子這個特性，構造一個特殊的磁容器，建成聚變反應堆，在其中將聚變材料加熱至數億攝氏度高溫，實現聚變反應。目前隨著ITER、EAST、KSTAR等托克馬克裝置(Tokamak)的建立，聚變能的研究取得了重大的進展。托克馬克類型的磁約束研究領先于其他途徑的可控熱核聚變而被認為是最有希望用于商用能源。

?托克馬克是一種環形強磁場裝置，其特殊的構造而產生的磁場位形可以使等離子體得到穩定的約束，使得聚變反應自持進行。目前世界各國托克馬克裝置上縱場磁體線圈內部導體排列沿大環徑向均采用矩形截面，該縱場磁體系統可在等離子體中心產生穩定的環向場，用來約束高溫等離子體，但此種線圈對于抑制等離子體外緣區域波紋度效果不明顯，隨著未來裝置的升級，等離子體直徑也將隨之增加，如何確保等離子體外緣區域波紋度將直接影響等離子體運行的穩定性，這是亟待解決的關鍵問題。降低縱場線圈大環圓周方向的波紋度可有效降低等離子體外緣的波紋度，對于提高等離子體運行的穩定性有著重要意義。

?在圓柱坐標系（r,?φ,z）下，縱場磁體線圈系統在大圓面上繞Z軸方向的B_j波紋度ψ可以用下式表達：ψ（r,z）=(B_max-B_min)/?(B_max+B_min)，若B_j的最大值B_max在φ=0處，則B_j的最小值B_min在φ=π/N_coil處，N_coil為線圈數。圖1為矩形截面和楔形截面磁體線圈磁感應強度最大和最小值示意圖，由于楔形截面相對矩形截面線圈兩個相鄰縱場線圈的大環最外側距離明顯減小，因此相同B_max下B_min（楔形截面）>?B_min（矩形截面）。

降低縱場線圈的波紋度目前主要通過調節線圈數量來實現的，考慮增加縱場線圈數目來降低波紋度，同時考慮在通過噴涂磁性材料達到降低縱場波紋度。目前的托克馬克裝置全部屬于實驗堆，主要通過增加矩形截面的縱場磁體線圈數量達到降低波紋度，效果良好。但考慮到未來聚變堆實現氘氚反應，對于用于拆卸和維護內部部件的窗口尺寸會要求很大，如果繼續按照目前的經驗將縱場磁體線圈增加到較高的密度，必然會與裝置大窗口尺寸的設計要求相沖突。因此通過調整線圈的形狀和尺寸可以在保證裝置裝配尺寸和不增加縱場線圈數量的基礎上，在一定程度上有效降低波紋度，并且保證相鄰縱場磁體線圈之間有較大空間保證大型拆卸和維護窗口的實現。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于降低波紋度的楔形截面超導磁體線圈及導體繞制成型方法，能夠在滿足托克馬克裝置正常運行和保證等離子體中心環向場磁場強度的情況下，同時在不增加磁體線圈數量的前提下，達到一定程度上有效降低大環最外側波紋度的目的，實現提高等離子體運行的穩定性。同時，楔形截面超導磁體線圈的內部導線采用在特定設計的模具上連續繞制成型，楔形截面線圈導體的繞制模具可以保證線圈繞制加工后楔形截面角度的精確度。

本發明的技術方案如下：

一種用于降低波紋度的楔形截面超導磁體線圈，其特征在于：包括有一個D型線圈，D型線圈由導線繞制成型，D型線圈包括有直線段、兩個小圓弧段、大圓弧段，D型線圈的直線段的截面為矩形，D型線圈的小圓弧段、大圓弧段的截面呈楔形，D型線圈的直線段的兩端與大圓弧段的兩端之間的部分為小圓弧段。

一種用于降低波紋度的楔形截面超導磁體線圈的導體繞制成型方法，其特征在于：包括有模具，所述的模具包括有中心支撐柱，和套在中心支撐柱外的構成D形的多層成型塊，每層成型塊間有間隔；所述的每層成型塊包括有兩個一端對接的弧形塊，所述的中心支撐柱的兩側分別自上至下設有數個定位塊，每個弧形塊的內壁上開有裝配孔，卡裝在定位塊上；

具體繞制成型方法如下：

（1）各成型塊的一對弧形塊分別自中心支撐柱的兩側卡接于中心支撐柱上，中心支撐柱兩側的定位塊分別卡于弧形塊的裝配孔中，每對弧形塊的一端對接，各相鄰成型塊之間有間隔；

（2）導線在模具上沿著各相鄰成型塊之間的間隔圍繞著中心支撐柱進行連續繞制成型；