[發明專利]一種托卡馬克反三角偏濾器磁場位形構建方法

有效

• 申請號: 201911271845.3
• 申請日: 2019-12-12
• 公開（公告）號: CN112992386B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 李佳鮮;鄭國堯;張錦華;宋顯明;潘衛;薛雷;王碩;李波;宋嘯;杜海龍;黃文玉;毛瑞;薛淼;謝金雨;周月;潘宇東
• 申請（專利權）人: 核工業西南物理研究院
• 主分類號: G21B1/13
• 分類號: G21B1/13;G21B1/05
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 高安娜

本發明屬于磁約束核聚變技術，具體涉及一種托卡馬克反三角偏濾器磁場位形構建方法，確定反三角偏濾器線圈位置，磁通展寬線圈的布局，之后進行線圈電流的初步估算，設計的反三角偏濾器位形，其三角形變率為負數(傳統的偏濾器位形三角形變為正數)；負的三角形變率使得X點和打擊點向弱場測移動，使得打擊點的大半徑R顯著增加，從而天然的增大了沾濕面積，有效的降低了靶板的熱負載。

技術領域

本發明屬于磁約束核聚變技術，具體涉及一種托卡馬克反三角偏濾器磁場位形構建方法。

背景技術

現代托卡馬克中，偏濾器位形的進展使許多裝置的約束性能得到很大提高，從而使偏濾器成為托卡馬克裝置的核心部件之一，其擔負著排熱、排灰等關鍵任務。目前國際上最大的聚變研究合作計劃—ITER已經進入建造階段，偏濾器已經成為其不可或缺的組成部分。然而，ITER現采用的下單零的常規偏濾器位形，內外靶板承受的熱負載遠超現有靶板設計允許的熱負載工程極限為10MW/m²，使得ITER偏濾器面臨嚴峻的挑戰；而對于未來需要穩態運行的聚變反應堆，將面臨著比ITER更高的熱功率負載。因此，需要探索降低靶板熱負載的方法；目前，國際聚變屆有兩個主流的方向，來探索研究降低靶板熱負載方法，實現靶板熱負載低于工程技術極限要求的目的。

第一種方法是通過增大濾器區域的輻射，降低到達靶板的熱功率，進而降低靶板的熱負載；這種方法主要依靠在偏濾器區域注入雜質來實現，但是，雜質的引入，可能會引起芯部等離子體參數的下降，降低聚變性能。第二種方法是通過增大靶板的沾濕面積(即靶板的有效承熱面積)，來實現靶板熱負載低于工程設計極限的要求。靶板沾濕面積(S＝2πR_tλ_qf_amp)，主要和靶板打擊點處的大半徑(R_t)，徑向能量衰減長度(λ_q)，打擊點處磁通相對于中平面處的展寬系數密切相關(f_amp)，其中，徑向能量衰減長度主要與外中平面的極向磁場的強度有關，針對固定的等離子體參數時，可變化范圍較小；展寬系數和打擊點處的磁拓撲結構和靶板傾角密切相關；因此可以通過將打擊點設計到大半徑較大的地方，或者通過位形優化或調整靶板傾角來增大展寬系數，進而實現增大沾濕面積的目的。

針對這些研究方法，聚變界設計了X偏濾器、超級X偏濾器、雪花偏濾器等多種先進偏濾器位形，這些位形的簡要介紹及優缺點如下：

早期提出的是CUSP偏濾器和X偏濾器，它們在偏濾器的靶板附近增加一對或是兩對極向場線圈，在靶板附近產生一個額外的X點(即第二X點)，偏濾器靶板位將覆蓋磁場的第二X點，CUSP偏濾器和X偏濾器是通過流擴張的方法實現增大熱流分布寬度從而降低熱流幅度；兩個線圈的距離相對接近，不能無限增加靶板的沾濕面積以及控制沾濕面積的位置；此外，線圈靠近偏濾器靶板處，對于偏濾器的設計的空間不足，線圈的設計也帶來很多的困難，尤其是超導托卡馬克的偏濾器位形設計，也不能充分的利用位形的第二個X點對靶板的熱流起緩解等作用。

超級X偏濾器是針對CUSP偏濾器和X偏濾器進行的改進，通過極向場線圈的優化布置，把偏濾器靶板的打擊點盡可能的向外側移動，并在靶板附近產生盡可能的大磁面膨脹，增加等離子體的沾濕面積。因此，超級X偏濾器位形通過增加靶板所處的徑向位置，進一步增加了靶板的沾濕面、等離子體到偏濾器靶板的連接長度和偏濾器腿部的長度(第一個X點到靶板的長度)，最大化提升偏濾器排熱的能力，該位形不僅可以降低芯部的輻射負擔，使芯部等離子體具備高功率密度運行的能力，還有利于隔絕偏濾器和芯部等離子體之間的聯系，尤其是中性粒子和雜質粒子的沿著磁力線流向芯部區域的影響。超級X偏濾器位形的實現對工程設計提出了極高的要求，尤其是在超導托卡馬克裝置下的線圈設計，其次是內外偏濾器都設計超級X偏濾器位形，空間受到了限制，如果內外偏濾器中，僅有一處采用超級X偏濾器位形，則另一側會出現相對常規偏濾器更高的熱負載，如果通過實現雙零偏濾器來改進，則面對上下線圈電流無法時時一致，形成準雙零的放電，其內靶板的熱負載依然很高。