[發明專利]用于聚變反應堆的環向場線圈

有效

• 申請號: 201480050310.2
• 申請日: 2014-09-10
• 公開（公告）號: CN105637592B
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發明（設計）人: 阿蘭·賽克斯;米哈爾·格瑞亞耐維奇;大衛·金厄姆;大衛·霍克沃斯;齊亞德·赫爾曼;斯蒂文·波爾
• 申請（專利權）人: 托卡馬克能量有限公司
• 主分類號: G21B1/05
• 分類號: G21B1/05
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 李江暉

技術領域

本申請涉及在強環向場中操作的緊湊型聚變反應堆。特別地，但并非排他性地，本發明涉及適于用作能源或者作為高效中子源的球形托卡馬克反應堆，并且其具有等離子體約束系統，等離子體約束系統包括高溫超導體(HTS)線圈。

背景技術

產生聚變能所面臨的挑戰是非常復雜的。目前已經提出除托卡馬克之外的許多替代裝置，盡管還沒有一個已產生任何與當前運行的最好的托卡馬克(如JET)可比的結果。

在開始建造有史以來最大及最昂貴(cl5bn歐元)的托卡馬克ITER之后，世界核聚變的研究已經進入了新的階段。到達商業核聚變反應堆的成功路線要求長脈沖、穩定運行結合高效率以使得發電具有經濟效益。這三個條件特別難以同時達到，并且計劃中的方案將需要對ITER和其它核聚變設施進行多年的實驗研究，以及理論和技術研究。普遍預期的是通過這一路線發展的商業核聚變反應堆將不會在2050年之前建成。

為了獲得使發電具有經濟效益(即功率輸出比功率輸入更多得多)所需的核聚變反應堆，常規的托卡馬克必須是巨大的(如由ITER所例證)，從而可以有足夠多的能量約束時間(該時間大約與等離子體體積成比例)，以致等離子體足夠熱以用于發生熱聚變。

WO 2013/030554描述了一種替代方案，其涉及將緊湊球形托卡馬克用作中子源或能源。球形托卡馬克設計中的重要考慮是環向磁場的強度，B_T，環向磁場由穿過中心柱的線圈產生。在本文獻中，通過在環向場線圈中使用高溫超導體材料(HTS)解決了下面這種挑戰：能保持中心柱足夠小以用于較小型的托卡馬克，同時使B_T最大。

這種HTS線圈的材料和構造的優化對于可獲得的場和反應堆效率具有重大影響。

發明內容

根據本發明的一方面，提供一種環向場線圈，其用于在核聚變反應堆中產生環向磁場，核聚變反應堆包括環向等離子體腔室，環向等離子體腔室具有中心柱，環向場線圈包括多個繞組，多個繞組被構造成穿過中心柱并且繞等離子體腔室的外側傳遞。每個繞組包括電纜，電纜包括多個堆疊的HTS帶材，每個HTS帶材包括一層或多層高溫超導體材料。HTS帶材被布置成使得在電纜通過中心柱時，在反應堆操作期間每個HTS帶材的面垂直于最大中子通量的方向。在電纜繞等離子體腔室外側傳遞時它們可以扭轉地絞合。

根據本發明的另一方面，提供一種環向場線圈，其用于在核聚變反應堆中產生環向磁場，核聚變反應堆包括環向等離子體腔室，環向等離子體腔室具有中心柱，環向場線圈包括多個繞組，多個繞組被構造成穿過中心柱并且繞等離子體腔室外側傳遞。每個繞組包括電纜，電纜包括多個HTS帶材，每個HTS帶材包括一層或多層高溫超導體材料。構造為與所述中心柱的中心靠近地經過的電纜中至少一個電纜所具有的截面小于構造為離中心更遠地穿過中心柱的電纜。

構造為靠近中心柱中心經過的電纜中至少一個電纜具有的截面可以小于構造為離中心更遠地穿過中心柱的電纜。

構造為靠近中心柱中心經過的至少一個電纜可載送比構造為離中心更遠地經過的電纜更高電流密度的電流。

堆疊的HTS帶材可選地被布置成使得當電纜穿過中心柱時，每個HTS帶材的面基本上平行于環向(和極向)磁場。堆疊的HTS帶材可以被布置成使得當電纜繞等離子體腔室外側經過時，它們扭轉地絞合。

每個電纜可以包括多個堆疊HTS帶材，可選地被布置成使得當電纜穿過中心柱時，每個HTS帶材的面基本上平行于環向(和極向)磁場。堆疊的HTS帶材被布置成使得當電纜繞等離子體腔室的外側經過時，它們扭轉地絞合。

或者，每個電纜可包括繞銅芯布置的多個HTS帶材。

環向場線圈還可包括：冷卻系統，其能將電纜冷卻到77K或更低，更優選地30K或更低，更優選地4K或更低。在使用中環向磁場為可選地為3T或更高，優選地5T或更高，優選地10T或更高，更優選地15T或更高。

本發明還提供一種核聚變反應堆，包括等離子體腔室，等離子體腔室具有中心柱和上文所描述的環向場線圈。中心柱可包括中央芯，螺線管定位于或可插入于中央芯中。反應堆可以包括四個或更多個環向場線圈。

聚變反應堆可以被構造成將等離子體約束在等離子體腔室內，等離子體腔室具有1.5m，優選地小于1.0m，更優選地小于0.5m的受約束等離子體的主半徑。反應堆可以具有2.5或更小的縱橫比并且優選地為縱橫比為2.0或更小的球形托卡馬克反應堆。