[發明專利]一種聚變裝置環向場線圈中心線的設計方法與系統

在審

• 申請號: 202310018231.4
• 申請日: 2023-01-06
• 公開（公告）號: CN116011288A
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 劉小剛;王東全;高翔;李國強;武玉;吳凡;張杰;朱建東
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 合肥和瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

本發明公開了一種聚變裝置環向場線圈中心線的設計方法與系統，涉及低溫和/或高溫超導磁體設計的技術領域，設計方法具體為：根據輸入的環向場線圈參數，初始化中心線；計算當前中心線的曲率半徑；建立環向場線圈模型，計算當前中心線上的磁場；計算當前中心線的張力和張力不恒定度，若張力不恒定度不滿足設計要求，則對當前中心線的幾何形狀進行修正即更新，計算出更新的中心線，繼續迭代，直至張力不恒定度滿足設計要求，環向場線圈的優化D形中心線的設計完成。本發明在準確計算中心線磁場的基礎上，設計出具有更高的張力恒定性的優化D形中心線，可減小聚變裝置環向場線圈中心線上張力的不均勻性。

技術領域

本發明涉及低溫和/或高溫超導磁體設計的技術領域，尤其是一種聚變裝置環向場線圈中心線的設計方法與系統。

背景技術

隨著聚變技術的發展，聚變發電將成為解決人類能源問題的重要選項。聚變裝置環向場線圈一般由超導導體依據特定形狀的中心線繞制而成，對于實現等離子體的穩定約束非常重要。載流的環向場線圈導體在環向磁場作用下，將承受巨大的電磁力。該電磁力導致超導導體承受張力作用。理想的環向場線圈中心線應該使環向場線圈導體所受的張力恒定，從而避免環向場線圈導體因局部張力過大而引起性能退化。目前絕大多數聚變裝置環向場線圈設計采用的是普林斯頓D形或修正D形中心線。但由于在設計這兩種D形中心線時，所使用的磁場偏離真實磁場較多，因此導體所受張力的變化幅度較大，恒定性較差。

所述中心線在聚變領域主要是指環向場線圈的中心線，環向場線圈可以看做是由一個垂直于中心線的截面繞著中心線做掃掠得到的幾何形狀。

發明內容

為了克服上述現有技術中的缺陷，本發明的目的之一是提供一種聚變裝置環向場線圈中心線的設計方法，在準確計算中心線磁場的基礎上，設計出具有更高的張力恒定性的優化D形中心線，可減小聚變裝置環向場線圈中心線上張力的不均勻性。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案，包括：

一種聚變裝置環向場線圈中心線的設計方法，包括以下步驟：

S1，根據輸入的環向場線圈參數，初始化中心線z(s)；其中，s為中心線弧長；

S2，計算當前中心線的曲率半徑ρ(s)；

S3，建立環向場線圈模型，計算當前中心線上的磁場B(s)；

S4，計算當前中心線的張力T(s)；

S5，計算當前中心線的張力不恒定度，若張力不恒定度不滿足設計要求，則進入步驟S6；若張力不恒定度滿足設計要求，則結束迭代，進入步驟S7；

S6，對當前中心線的幾何形狀進行修正即更新當前中心線的幾何坐標，計算出更新的中心線，然后返回步驟S2，繼續迭代，即根據更新的中心線，計算出更新的中心線的曲率半徑、張力、張力不恒定度，判斷張力不恒定度是否滿足設計要求；

S7，輸出張力不恒定度滿足設計要求的中心線，環向場線圈的優化D形中心線的設計完成。

優選的，步驟S2的詳細過程如下所示：

S21，針對當前中心線，采用擬合算法將中心線的徑向坐標r和軸向坐標z擬合成關于中心線弧長s的函數r(s)、z(s)；

S22，根據r(s)與z(s)函數，采用平面曲線曲率計算公式計算當前中心線的曲率半徑ρ(s)；

平面曲線曲率計算公式為：

其中，dr(s)/ds和d²r(s)/ds²分別為r(s)函數關于中心線弧長s的一階導數和二階導數；dz(s)/ds和d²z(s)/ds²分別為z(s)函數關于中心線弧長s的一階導數和二階導數。