[發明專利]防止仿星器三維模塊化線圈因受電磁力而變形的設計方法

有效

• 申請號: 202210370852.4
• 申請日: 2022-04-11
• 公開（公告）號: CN114444337B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 許宇鴻;許峻銘;劉海峰;熊國臻;羅楊;張欣
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G21B1/05;G06F111/04;G06F119/14
• 代理公司: 成都華飛知識產權代理事務所(普通合伙) 51281
• 代理人: 葉任海

本發明提供一種防止仿星器三維模塊化線圈因受電磁力而變形的設計方法，適用于準環對稱仿星器，所述準環對稱仿星器包括線圈系統、真空系統和中央控制系統，在真空系統中激發等離子體，線圈系統用于產生磁場位形并約束等離子體的運動范圍，線圈系統包括若干個呈環形結構的三維模塊化的仿星器線圈，計算仿星器線圈各剖切截面所承受的電磁力；將仿星器線圈分成若干個分段體，將每個分段體上的各剖切截面所承受的電磁力進行積分求和，得到該分段體所承受的電磁力值，設定各分段體在承受電磁力時不會產生變形的上限值，在承受電磁力值大于設定上限值的分段體部位，設置線圈盒進行支撐，以防止該部位的線圈在通電過程中發生變形。

技術領域

本發明涉及磁約束核聚變裝置技術領域，具體涉及一種仿星器，尤其涉及一種防止仿星器三維模塊化線圈在使用過程中因受電磁力作用而產生變形的設計方法。

背景技術

隨著社會的發展進步，人類對能源的需求越來越大，世界能源危機日益加劇。在現有的能源體系中，主要以傳統的煤、石油、天然氣等不可再生能源為主，這些能源不僅在使用過程中會對環境產生巨大污染，而且可供使用的年限非常有限。因此，為了維持人類社會高速的可持續發展，必須發展安全且儲量豐富的清潔能源。受控核聚變能正是這樣一種能源，由于其燃料在海水中儲量豐富且聚變反應過程中不產生長周期放射性物質，而被公認為是解決人類能源危機的最佳途徑。

核聚變反應的發生需要上億度的高溫，如此高的溫度使物質被電離而形成高溫等離子體。研究表明，采用強磁場可以很好地將高溫等離子體中的帶電粒子約束在一個磁容器內，這就是磁約束的基本原理。多年來的研究結果表明，受控磁約束聚變是最有可能率先實現聚變能商業化的途徑。目前，世界上最有成效的兩種受控磁約束聚變裝置為托卡馬克和仿星器。

對于托卡馬克，雖然經過半個多世紀的不懈探索，基于托卡馬克位形的磁約束聚變研究已經取得了巨大的進展；但是，托卡馬克等離子體電流在接近極端條件時可能由于磁流體不穩定性引起等離子體的大破裂，從而導致裝置的安全風險。

磁約束聚變的另一類裝置——仿星器的磁場完全由外置磁場線圈的電流產生。由于仿星器沒有等離子體電流，故不會引起大破裂，并能夠長時間穩態運行，因此它更適合作為商用聚變堆。美國、日本和德國等國家都擁有仿星器裝置，國際上對仿星器的研究也從未間斷。仿星器通過外置扭曲的磁場線圈，不需要等離子體電流即可產生約束高溫等離子體的螺旋磁場。然而，仿星器的線圈結構和制造工藝比托卡馬克復雜得多。與托卡馬克相比，早期建造的傳統仿星器具有很高的磁場波紋度。從原理上講，這將引起大的新經典輸運損失，導致其約束性能低于托卡馬克，這正是傳統仿星器未能成為國際主流的磁約束聚變位形的主要原因。鑒于仿星器位形具有無等離子體大破裂的明顯優勢，人們一直在堅持不懈的對仿星器進行研究，其中，改善和優化傳統仿星器的磁場位形以提高其對等離子體的約束性能便成為近年來磁約束核聚變研究的焦點之一。

通過了解和分析當前國際上現有的磁約束聚變裝置的特性，申請人設計了一種將托卡馬克與傳統仿星器優勢相結合的準環對稱磁場位形的仿星器，該準環對稱仿星器包括線圈系統、真空系統、支撐系統、電源系統、水冷系統、中央控制系統、加熱和診斷系統；線圈系統產生用于約束等離子體的磁場位形，該線圈系統包括十六個非平面模塊化線圈（由四個極向場線圈和十二個環向場線圈組成），這十六個非平面模塊化線圈的分布參見圖1所示。

這十六個線圈具有：（1）利用非平面模塊化線圈系統實現準環對稱磁場約束的位形；（2）通過極向場線圈控制等離子體中心磁軸的位置；（3）通過改變環向場線圈電流實現磁島偏濾器位形。

這十六個線圈要實現上述三項功能，就需要將這十六個非平面模塊化線圈的構造形狀和擺放位置設計的非常精確，這樣才能產生精準的磁場約束位形，且在使用過程中，其線圈形狀不能發生變形或偏移。但線圈系統在使用過程中，線圈通電產生磁場，電流的運動電荷在磁場中將產生電磁力（洛倫茲力），該電磁力會作用在線圈上，從而可能會使線圈的局部發生變形。一旦線圈在使用過程中，如局部因為電磁力作用而發生變形，將破壞磁場約束和位形，從而影響對核聚變的約束。

發明內容