【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种托卡马克型的核聚变反应堆，特别是配置为利用负三角形的等离子体运行的球形托卡马克型的核聚变反应堆。
技术介绍
1、聚变反应被认为是一个绝佳的机会，能够为地面用途和太空任务产生丰富、生态友好且经济可行的能量。已知的核聚变系统之一是所谓的球形托卡马克装置。
2、低纵横比托卡马克装置或球形托卡马克装置是一种长半径(从环形体的中心到中心轴的距离)与短半径(环形体的半径)之比大约为1的托卡马克装置。如此低的纵横比会导致非常自然的等离子体构型，具有高伸长率和三角形，这对等离子体有许多有益的影响。
3、这种设计的优点早在第一个模型[peng(1986)]建立之前就已经为人所知，但当时认为，与中心柱宽度相关的限制将使其难以用环形磁场线圈和螺线管中心获得环形磁场和其运行所需的欧姆感应[lazarus(1985)]。
4、第一个建成并投入运行的球形托卡马克装置是start设备[sykes(1992)]，该设备迅速达到β值，即约束等离子体所需的等离子体压力与磁压力之比，比以前在传统托卡马克装置上发现的最大值[strait(1994)]的两倍多[gryaznevich(1998)]。这意味着需要较小的环形磁场来实现高等离子体压力。
5、在过去，除了增加的稳定性极限β之外，还注意到这种设计的其他优点，包括：高水平的等离子体内自感应电流[akers(2000)]；高水平的能量约束(也高于传统托卡马克装置良好的磁流体动力学稳定性；以及，随着β的增加，由粒子引起的不稳定能量模式的振幅和数量都减少[
6、在start之后，已经建造了具有这些设计特点的各种其他设备，包括pegasus[fonck(1996)]、globus-m[gusev(1999)]、nstx[ono(2000)]、mast[sykes(2001)]、ete[berni(2003)]，等等。
7、在托卡马克装置放电过程中，观察到等离子体的垂直膨胀和形成“d”形的形状可能会产生双重效果：减少通过等离子体的能量传输，从而减少达到给定温度所需的热量；同时提高临界磁流体动力学不稳定性出现前的压力极限，已知磁流体动力学不稳定性会导致中断而停机[troyon(1984)]。
8、[moret(1997)]对托卡马克装置à配置变量(tcv)进行了一些关于等离子体构型对约束影响的研究，这是一种纵横比r/a约3.5(尽管它可以随构型而有很大的变化)的“传统”托卡马克装置，并且具有大量独立的磁场线圈，有助于对等离子体构型进行此类研究。
9、在这些研究过程中分析的所有情况中，等离子体都局限于涂有石墨瓦的中心柱，并且等离子体的加热通过欧姆方式获得，即通过感应等离子体电流产生的电阻加热。
10、这些研究包括“倒d”或“负三角形”形状，并发现，与正三角形相比，稍微负的三角形或没有三角形保证更好的约束。然后，[pochelon(1999)]将这些实验扩展到通过电子回旋加速器进行加热，这种加热方式能够改变等离子体不同区域的加热沉积，从而能够通过等离子体来估计构型对能量约束的影响。
11、已经观察到，负三角形对能量约束具有有利的影响，计算为(1+δ)-0.35，但随着热功率的增加，这种影响趋向于减弱。还发现，当在负三角形的情况下施加高热输出时，与加热相关的等离子体不稳定性(会降低约束)不那么明显。
12、然后，[camenen(2007)]在tcv进行了其他测试。测试表明，为了获得相同的温度曲线，在负三角形(δ＝-0.4)情况下所需的热功率只有正三角形(δ＝0.4)情况下的一半。[fontana(2007)]和[huang(2018)]在tcv进行的进一步测试发现，具有负三角形的等离子体的构型减少了密度和温度的波动以及能量传输。对三角形影响的进一步研究随后在diii-d上进行，详见[marinoni(2019)，austin(2019)]。diii-d是纵横比在常规范围内(r/a约4.25)的另一种托卡马克装置。与tcv一样，放电仅限于涂有石墨瓦的中心柱，但在这些测试中，可以施加更多的热量给电子和离子，使得压力能够达到与反应堆使用目的相关的条件。
13、以前观察到，通过施加足够的热量，正三角形形式的等离子体自发地进入“高约束模式(模式h)”，其中能量约束显著增加并在等离子体的边缘形成压力阶跃；然而，这种阶跃涉及到被称为“边缘局部模式(elm)”的不稳定性，这种不稳定性会降低约束，并可能导致反应堆损坏和因中断而终止射流。
14、在对diii-d进行的负三角形研究中，发现有可能在与h模式相关的elm不稳定性的情况下，获得类似于该h模式的约束。由于diii-d上可用的加热系统可以对离子温度等于电子温度的情况以及电子温度高得多的情况进行调查，在所有情况下，与具有正三角形的等效放电相比，存在负三角形的等离子体外部的一半处的湍流波动降低了10-50％。
15、然后，[merlo(2019)]分析了tcv上电子和离子具有相同温度的进一步放电，也发现在这种情况下，负三角形具有更好的约束。
16、这些负三角形的示例也已经用理论模型进行了广泛的分析。
17、[hsu(1996)]使用高β平衡(等离子体压力/磁压力)的分析模型来研究由几何形状决定的对稳定性的影响，发现负三角形对托卡马克装置的稳定性有有益的影响。
18、[rewoldt(1982)]对与数值磁流体力学模型接口的等离子体模式进行了分析，并显示了具有低β值的类似模式，尽管这被认为不是特别重要。
19、[marinoni(2009)]使用局部陀螺动力学代码模拟tcv点火期间的不同等离子体区域，首次尝试再现负三角形的实验结果，并对约束方面进行了改进。在这种情况下，存在负三角形时发现了电子热通量的减少，但仅在三角形对局部几何形状有显著影响的区域，这种情况不会发生在靠近等离子体核心的区域，在那里实验观察到了湍流的抑制。
20、[merlo(2015)]对tcv中的点火进行了进一步的局部陀螺动力学模拟，尽管他们未能再现实验观察到的约束径向均匀改善。
21、为了点燃托卡马克装置内部的等离子体电流，还已知有可能使用称为“双零点合并(dnm)”的方法，该方法涉及在托卡马克装置的上部和下部区域产生一对环形等离子体，随后将它们合并，以获得单一等离子体[yamada(2013)]。
22、参考文献：
23、akers,rj,bond,a.,buttery,rj,carolan,pg,counsell,gf,cunningham,g.,fielding,sj,gimblett,cg,gryaznevich,m.,hastie,rj和helander,p.,2000年。球形托卡马克装置的稳态运行。《核聚变》，40(6)，第1223页。
24、austin,me,marinoni,a.,walker,ml,brookman,本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种球形托卡马克装置，所述球形托卡马克装置配置为利用负三角形的等离子体运行，所述球形托卡马克装置包括腔室(100)，所述腔室(100)用于容纳等离子体，所述托卡马克装置配置为，在运行期间，所述等离子体在上部等离子体区域(UR)和下部等离子体区域(LR)中限定具有径向内部等离子体分离腿(L1)和径向外部等离子体分离腿(L2)的轮廓；
2.根据权利要求1所述的托卡马克装置，其特征在于，所述腔室(100)的上部区域(100a)和下部区域(100b)分别在上方和下方由各自的偏滤器板(210、220)封闭，并且每个偏滤器包括各自的偏滤器板(210、220)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，其中，配置为利用负三角形(300)的等离子体运行的所述偏滤器，被配置为引导所述径向外部等离子体分离腿(L2)，使得所述径向外部等离子体分离腿(L2)不与用于支撑所述腔室(100)的容器(V)、偏滤器板(210、220)或任何偏滤器磁场线圈(D1a-D4a、D1b-D4b)相交。
4.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，包括极向磁场线圈磁体(
5.根据前述权利要求所述的托卡马克装置，其中，所述偏滤器(300)的所述磁场线圈(D1a-D4a、D1b-D4b)与所述极向磁场线圈磁体(311-316、S1a-S3a、S1b-S3b)协作以支持具有负三角形的聚变等离子体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，其中，所述偏滤器板(210、220)各自包括：
7.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，包括用于在至少两个不同位置之间移动所述极向磁场线圈磁体(311-316、S1a-S3a、S1b-S3b)的装置，特别是在所述托卡马克装置启动期间采取的第一位置和所述托卡马克装置完全运行期间采取的第二位置之间移动。
8.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，包括控制设备(400)和机器人机械结构(700)，所述控制设备(400)配备有人工智能代理(IA)并配置为管理核聚变过程，所述机器人机械结构(700)配置为垂直移动所述极向磁场线圈磁体(311-316、S1a-S3a、S1b-S3b)中的一个或多个，所述控制设备(400)也配置为控制所述机器人机械结构(700)。
9.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其中，所述机器人机械结构(700)在一个或多个内部极向磁场线圈(S1a-S3a、S1b-S3b)上活动，所述一个或多个内部极向磁场线圈(S1a-S3a、S1b-S3b)形成所述极向磁场线圈磁体(311-316、S1a-S3a、S1b-S3b)的一部分，并且特别是至少在直径大于其他内部极向磁场线圈的上方内部极向磁场线圈(S3a)和下方内部极向磁场线圈(S3b)上活动。
10.一种以负三角形配置运行的托卡马克装置，包括腔室(100)，在所述腔室(100)中限定由赤道(EQ)分开的上部区域(100a)和下部区域(100b)，所述两个区域(100a、100b)中的至少一个在其顶点具有偏滤器(300)，所述偏滤器(300)配置为与维持在负三角形状态的等离子体一起使用，每个偏滤器(300)包括偏滤器板(210、220)和至少一个磁体，优选为多个磁体(D1a-D6a、D1b-D6b)，并且被配置为产生偏滤器场，并且在所述腔室(100)内部，待电离的气体和/或从所述气体中获得的等离子体，称为等离子体，在运行期间限定：
11.根据前述权利要求中的一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置配置为形成等离子体，在正常运行状态下，所述等离子体具有与磁场最强区域(HFS)相对应的较大表面。
12.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述偏滤器(300)中的至少一个偏滤器是负三角形的super-X偏滤器。
13.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置没有任何螺线管。
14.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置没有任何用于启动阶段的螺线管。
15.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置配置为通过“双零点合并DNM”的方式启动。
16.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置还包括一个或多个检测设备(...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种球形托卡马克装置，所述球形托卡马克装置配置为利用负三角形的等离子体运行，所述球形托卡马克装置包括腔室(100)，所述腔室(100)用于容纳等离子体，所述托卡马克装置配置为，在运行期间，所述等离子体在上部等离子体区域(ur)和下部等离子体区域(lr)中限定具有径向内部等离子体分离腿(l1)和径向外部等离子体分离腿(l2)的轮廓；
2.根据权利要求1所述的托卡马克装置，其特征在于，所述腔室(100)的上部区域(100a)和下部区域(100b)分别在上方和下方由各自的偏滤器板(210、220)封闭，并且每个偏滤器包括各自的偏滤器板(210、220)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，其中，配置为利用负三角形(300)的等离子体运行的所述偏滤器，被配置为引导所述径向外部等离子体分离腿(l2)，使得所述径向外部等离子体分离腿(l2)不与用于支撑所述腔室(100)的容器(v)、偏滤器板(210、220)或任何偏滤器磁场线圈(d1a-d4a、d1b-d4b)相交。
4.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，包括极向磁场线圈磁体(311-316、s1a-s3a、s1b-s3b)，所述极向磁场线圈磁体(311-316、s1a-s3a、s1b-s3b)配置为支持具有正三角形和负三角形的聚变等离子体。
5.根据前述权利要求所述的托卡马克装置，其中，所述偏滤器(300)的所述磁场线圈(d1a-d4a、d1b-d4b)与所述极向磁场线圈磁体(311-316、s1a-s3a、s1b-s3b)协作以支持具有负三角形的聚变等离子体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，其中，所述偏滤器板(210、220)各自包括：
7.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，包括用于在至少两个不同位置之间移动所述极向磁场线圈磁体(311-316、s1a-s3a、s1b-s3b)的装置，特别是在所述托卡马克装置启动期间采取的第一位置和所述托卡马克装置完全运行期间采取的第二位置之间移动。
8.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，包括控制设备(400)和机器人机械结构(700)，所述控制设备(400)配备有人工智能代理(ia)并配置为管理核聚变过程，所述机器人机械结构(700)配置为垂直移动所述极向磁场线圈磁体(311-316、s1a-s3a、s1b-s3b)中的一个或多个，所述控制设备(400)也配置为控制所述机器人机械结构(700)。
9.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其中，所述机器人机械结构(700)在一个或多个内部极向磁场线圈(s1a-s3a、s1b-s3b)上活动，所述一个或多个内部极向磁场线圈(s1a-s3a、s1b-s3b)形成所述极向磁场线圈磁体(311-316、s1a-s3a、s1b-s3b)的一部分，并且特别是至少在直径大于其他内部极向磁场线圈的上方内部极向磁场线圈(s3a)和下方内部极向磁场线圈(s3b)上活动。
10.一种以负三角形配置运行的托卡马克装置，包括腔室(100)，在所述腔室(100)中限定由赤道(eq)分开的上部区域(100a)和下部区域(100b)，所述两个区域(100a、100b)中的至少一个在其顶点具有偏滤器(300)，所述偏滤器(300)配置为与维持在负三角形状态的等离子体一起使用，每个偏滤器(300)包括偏滤器板(210、220)和至少一个磁体，优选为多个磁体(d1a-d6a、d1b-d6b)，并且被配置为产生偏滤器场，并且在所述腔室(100)内部，待电离的气体和/或从所述气体中获得的等离子体，称为等离子体，在运行期间限定：
11.根据前述权利要求中的一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置配置为形成等离子体，在正常运行状态下，所述等离子体具有与磁场最强区域(hfs)相对应的较大表面。
12.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述偏滤器(300)中的至少一个偏滤器是负三角形的super-x偏滤器。
13.根据前述权利要求中一项或多项所述...
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