防止仿星器三维模块化线圈因受电磁力而变形的设计方法.docxVIP

CN 114444337 A 说明书 1/15 页 防止仿星器三维模块化线圈因受电磁力而变形的设计方法 技术领域 [0001]本创造涉及磁约束核聚变装置技术领域，具体涉及一种仿星器，尤其涉及一种防止 仿星器三维模块化线圈在使用过程中因受电磁力作用而产生变形的设计方法。 背景技术 [0002]随着社会的开展进步，人类对能源的需求越来越大，世界能源危机日益加剧。在现有的 能源体系中，主要以传统的煤、石油、天然气等不可再生能源为主，这些能源不仅在使用过程中 会对环境产生巨大污染，而且可供使用的年限非常有限。因此，为了维持人类社会高速的可持 续开展，必须开展平安且储量丰富的清洁能源。受控核聚变能正是这样一种能源，由于其燃料 在海水中储量丰富且聚变反响过程中不产生长周期放射性物质，而被公认为是解决人类能源 危机的最正确途径。 [0003]核聚变反响的发生需要上亿度的高温，如此高的温度使物质被电离而形成高温等离 子体。研究说明，采用强磁场可以很好地将高温等离子体中的带电粒子约束在一个磁容器内， 这就是磁约束的基本原理。多年来的研究结果说明，受控磁约束聚变是最有可能率先实现聚变能 商业化的途径。目前，世界上最有成效的两种受控磁约束聚变装置为托卡马克和仿星器。 [0004]对于托卡马克，虽然经过半个多世纪的不懈探索，基于托卡马克位形的磁约束聚变研 究已经取得了巨大的进展；但是，托卡马克等离子体电流在接近极端条件时可能由于磁流体 不稳定性引起等离子体的大破裂，从而导致装置的平安风险。 [0005] 磁约束聚变的另一类装置——仿星器的磁场完全由外置磁场线圈的电流产生。由于 仿星器没有等离子体电流，故不会引起大破裂，并能够长时间稳态运行，因此它更适合作为商用聚 变堆。美国、日本和德国等国家都拥有仿星器装置，国际上对仿星器的研究也从未间断。仿星器 通过外置扭曲的磁场线圈，不需要等离子体电流即可产生约束高温等离子体的螺旋磁场。然而, 仿星器的线圈结构和制造工艺比托卡马克复杂得多。与托卡马克相比，早期建造的传统仿星器 具有很高的磁场波纹度。从原理上讲，这将引起大的新经典输运损失，导致其约束性能低于托 卡马克，这正是传统仿星器未能成为国际主流的磁约束聚变位形的主要原因。鉴于仿星器位形 具有无等离子体大破裂的明显优势，人们一直在坚持不懈的对仿星器进行研究，其中，改善和 优化传统仿星器的磁场位形以提高其对等离子体的约束性能便成为近年来磁约束核聚变研究 的焦点之一。 [0006]通过了解和分析当前国际上现有的磁约束聚变装置的特性，申请人设计了一种将托 卡马克与传统仿星器优势相结合的准环对称磁场位形的仿星器，该准环对称仿星器包括线圈 系统、真空系统、支撑系统、电源系统、水冷系统、中央控制系统、加热和诊断系统；线圈系统产 生用于约束等离子体的磁场位形，该线圈系统包括十六个非平面模块化线圈（由四个极向场 线圈和十二个环向场线圈组成），这十六个非平面模块化线圈的分布参见图1所示。 [0007] 这十六个线圈具有：（1）利用非平面模块化线圈系统实现准环对称磁场约束的位 CN 114444337 A说明书10/15 CN 114444337 A 说明书 10/15 页 金=鼠7r (cosmipdip 4 = 一鼠(sin〃叩叫 Em=；『 Ocosmipdip Pm = Osinmipdip 0=(cosO ?如砂=0 式中?为常数，取值3.14；d为微分符号;必表示360°环向上不同截面的极向角，沙的数 值是(0,1),将一个线圈沿360°环向划分的48个剖切截面，第1个剖切截面的加t是1/48,第 2个剖切截面的力值是2/48……第48个剖切截面的必直是48/48=1； 力表示极向模数，指当前剖切截面所处的数量，在本实施方式中，力的取值是1至48；步 骤S120：求仿线器线圈内环限制面和外环限制面的坐标； 仿线器线圈包括位于内圈的内环限制面和位于外周的外环限制面，其中： 内环限制面的坐标为： 即⑹4)=￡(%n mnCOS (冶-n/V()) z出(仇《)=2(Z mncos (冶 一 nN()) 外环限制面的坐标为： 凡加a 0= ERut mnCOS (m3 一 Zout(e，C= XC^outmnCOS (m0 一〃N()) 式中：〃表示内环限制面的球坐标、Z/〃表示内环限制面的柱坐标;必〃即表示内环 限制面的球坐标的傅里叶分量、Z/〃加表示内环限制面的柱坐标的傅里叶分量； ?t表示外环限制面的球坐标、Z.表示外环限制面的柱坐标;?t版表示外环限制面 的球坐标的傅里叶分量、初表示外环限制面的柱坐标的傅里叶分量； 〃为环向模数，指当前仿星器线圈在环向上所处的数量，在本实施方式中，〃的取值 是1至16,幡-8至8； N是准环对称仿星器的环向周期数,N=2； 步骤S