【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及磁约束聚变能设备，特别是涉及一种磁约束聚变反应堆。
技术介绍
1、自工业革命开始以来，对能源的需求逐年急剧增加，仍以化石能源为主来来满足能源需求，然而化石能源是不可再生资源，终有耗尽的一天，且在使用化石能源的过程中会造成对环境污染。虽然水电、太阳能和风能等可再生能源被证实是能够作为清洁能源来替代化石燃料的，但他们距离满足现在人类的需求还有很长的路要走。而可控聚变能是一种有无限潜力的能源，且具有安全、清洁、燃料丰富等优点，是解决人类未来能源问题的主要选择之一。在磁约束核聚变装置中，聚变反应需要严苛的聚变反应条件（如超高温和高压），换言之，如果反应条件不满足，则聚变反应停止，因此，磁约束核聚变装置不甚可能会引发核反应堆熔毁，从而导致放射性物质外泄的事故，有效地降低了装置对周边环境安全的影响。
2、虽然聚变能的优越性已得到世界的认可，但目前国际上的磁约束核聚变装置系统仍均面临着占建造成本、维护成本高、稳态运行时间短的问题。这些问题限制了磁约束核聚变装置的发展。目前聚变强国均瞄准发展紧凑型磁约束聚变装置技术，从而降低建造、维护费用，提升稳态运行时间。因此，发展长时间稳态运行的紧凑型聚变装置是发展磁约束聚变能的必要途径。
3、申请号cn99113505.9公开了一种球形磁约束核聚变反应堆主体设备。它的特殊球形磁场具有强磁场约束、强绝热压缩加热、能量反射集中的优点,单靠欧姆加热即可实现氘-氚聚变反应;增强磁场强度和辅助加热后，可实现氘-氚聚变反应。它还具有造价低、运行可靠、维修方便的优点，是一种实用的、
4、申请号cn200780007065.7公开了一种用于产生x射线和/或离子束和用于实现聚变能量生成和将能量转换为电能的设备和方法,包括同轴地且至少部分地在反应室内定位的阳极和阴极,通过具有螺旋形扭曲的阴极、以及围绕阴极的螺旋形线圈或其组合向等离子体团施加角动量阳极具有阳极半径且阴极具有阴极半径，其施加了高磁场。反应室包含了气体和与阳极和阴极电连通的电子放电源。作为电子放电的结果,形成了围绕阳极的密集的磁限制的等离子体团且发射了一个或多个粒子。
5、申请号cn201580030642.9公开了一种用作中子源或能量源的高效紧凑型核聚变反应堆。该反应堆具有环形等离子体室和等离子体约束系统，此等离子体约束系统被布置成产生用于约束等离子体室中的等离子体的磁场。等离子体约束系统被配置成使得被约束的等离子体的主要半径为1.5m或更小。环形磁场运行于5t或更小,以及等离子体电流是5ma或更小。此外,所生成的a粒子约束在等离子体中。
6、申请号cn201610083015.8公开了一种热核聚变发生方法及系统。其中,方法包括:预先设置内层含有热核材料的腔体,并且所述腔体上开有至少一个激光注入孔;激光通过所述激光注入孔向所述腔体注入并烧蚀所述腔体的内层热核材料,产生向所述腔体中心膨胀的冕区等离子体;所述冕区等离子体在所述腔体中心汇聚，并将等离子体动能转化为等离子体的离子内能，形成高温高密的汇聚等离子体:所述汇聚等离子体发生核聚变反应,释放能量。本专利技术实施例中提供的技术方案能够提高点火热斑的温度,实现稳定的高的聚变产出。
7、申请号cn202010292584.x公开一种保持高性能等离子体的装置和方法，该装置包括：中心柱；真空容器，其环绕中心柱设置，真空容器用于容纳形成的等离子体；等离子体磁约束系统，其通过磁场限制、成形和控制真空容器内的等离子体，以使等离体子形成具有多个流体的位形；其中，多个流体由内至外形成多层，位于外层的流体包围位于内层的流体，相邻流体之间至少部分重叠。本申请通过形成具有多个流体的位形，高能电子流体包围热电子流体与热离子流体，高能电子流体的维持使得环向电流在最外封闭磁面的外部也有很大的环向电流，从而有效避免等离子体湍流及能量扩散，降低粒子在最外封闭磁面的再循环现象，有效提升封闭磁面内热离子与热电子的能量约束能力与稳定性。
8、上述公开技术主要有以下不足之处：没有超导磁体技术；没有对人员、环境的辐射保护；对主机的磁场强度、等离子体参数、运行时间有待提高等，因此，亟需一种新型的磁约束聚变反应堆，以解决上述问题。
技术实现思路
1、本申请的目的是提供一种磁约束聚变反应堆，以提升目前磁约束聚变装置的磁场强度、等离子体参数、运行时间。
2、本申请的目的是通过如下技术方案实现的：
3、一种磁约束聚变反应堆，包括：设于主机大厅的聚变堆主机，所述聚变堆主机包括杜瓦系统、冷屏系统、超导磁体系统、真空室系统、偏滤器系统、包层系统、遥操作系统和维护系统，所述超导磁体系统中设有中心螺线管磁体、极向场磁体和环向场磁体，所述中心螺线管磁体通过电流变化用于提供产生、建立和维持等离子体电流所需的伏秒数，所述极向场磁体产生的极向磁场用于控制等离子体截面形状和位置平衡，所述环向场磁体产生的环向磁场用于保证等离子体的宏观整体稳定性，环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场用于约束等离子体；所述杜瓦系统和所述冷屏系统用于为所述超导磁体系统提供真空和低温环境；所述真空室系统用于为等离子体的稳定运行提供清洁的超高真空环境，并降低聚变产生的中子在超导磁体上的核热沉积和对环境的污染；所述偏滤器系统和所述包层系统均设于所述真空室内，所述偏滤器系统用于屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染，排出来自中心等离子体的粒子流和热流以及核聚变反应过程中所产生的氦灰；聚变中子携带的能量在所述包层系统沉积，由冷却剂带到反应堆外，并通过中子与氚增殖剂的核反应产生氚以补给聚变燃料。
4、本申请的一些实施例中，所述杜瓦系统包括顶盖组件、环体组件、底座组件、波纹管组件、支撑组件和泄放系统组件，所述顶盖组件与所述环体组件采用真空密封结构形式连接固定，所述环体组件和所述底座组件焊接固定，所述波纹管组件与所述环体组件焊接固定，所述底座组件安装于所述支撑组件上，所述底座组件的外边缘与外侧建筑连接固定。
5、本申请的一些实施例中，所述顶盖组件采用椭圆形封头组件，其内侧布置有第一环向加强筋和第一径向加强筋，并且其顶部开设有若干安装通道和维护通道。
6、本申请的一些实施例中，所述环体组件采用圆柱形直筒结构，其外侧布置有第二环向加强筋和第二径向加强筋，所述环体组件沿着高度和环向开设有若干第一连接通道。
7、本申请的一些实施例中，所述底座组件采用圆柱形直筒带有裙边结构，裙边内侧沿着环向设计有与所述超导磁体系统和所述真空室系统支撑连接结构，圆柱形直筒上沿着高度和环向开设有若干第二连接通道。
8、本申请的一些实施例中，所述泄放系统组件包括泄放阀和爆破组件及泄放管路，用于在所述杜瓦系统发生氦泄露事故工况下实现压力快速泄放。
9、本申请的一些实施例中，所述冷屏系统在环向上分为若干个冷屏扇区，相邻的所述冷屏扇区之间采用绝缘垫片连接。
10、本申请的一些实施例中，所本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种磁约束聚变反应堆，其特征在于，包括：设于主机大厅的杜瓦系统、冷屏系统、超导磁体系统、真空室系统、偏滤器系统、包层系统、遥操作系统和维护系统，以形成聚变堆主机，所述超导磁体系统中设有中心螺线管磁体、极向场磁体和环向场磁体，所述中心螺线管磁体通过电流变化用于提供产生、建立和维持等离子体电流所需的伏秒数，所述极向场磁体产生的极向磁场用于控制等离子体截面形状和位置平衡，所述环向场磁体产生的环向磁场用于保证等离子体的宏观整体稳定性，环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场用于约束等离子体；所述杜瓦系统和所述冷屏系统用于为所述超导磁体系统提供真空和低温环境；所述真空室系统用于为等离子体的稳定运行提供清洁的超高真空环境，并降低聚变产生的中子在超导磁体上的核热沉积和对环境的污染；所述偏滤器系统和所述包层系统均设于所述真空室内，所述偏滤器系统用于屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染，排出来自中心等离子体的粒子流和热流以及核聚变反应过程中所产生的氦灰；聚变中子携带的能量在所述包层系统沉积，由冷却剂带到反应堆外，并通过中子与氚增殖剂的核反应产生氚以补给聚变燃料。
2.根据权利要
3.根据权利要求2所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述顶盖组件采用椭圆形封头组件，其内侧布置有第一环向加强筋和第一径向加强筋，并且其顶部开设有若干安装通道和维护通道。
4.根据权利要求2所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环体组件采用圆柱形直筒结构，其外侧布置有第二环向加强筋和第二径向加强筋，所述环体组件沿着高度和环向开设有若干第一连接通道。
5.根据权利要求2所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述底座组件采用圆柱形直筒带有裙边结构，裙边内侧沿着环向设计有与所述超导磁体系统和所述真空室系统支撑连接结构，圆柱形直筒上沿着高度和环向开设有若干第二连接通道。
6.根据权利要求2所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述泄放系统组件包括泄放阀和爆破组件及泄放管路，用于在所述杜瓦系统发生氦泄露事故工况下实现压力快速泄放。
7.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷屏系统在环向上分为若干个冷屏扇区，相邻的所述冷屏扇区之间采用绝缘垫片连接。
8.根据权利要求7所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷屏扇区包括若干冷却面板，相邻的所述冷却面板之间采用绝缘垫片连接。
9.根据权利要求8所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷却面板上焊接有蛇形的冷却管道。
10.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷屏系统的表面采用抛光和镀银处理。
11.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场磁体包括超导线圈、环向场线圈盒、环向场终端盒、环向场环向支撑和环向场重力支撑，所述环向场磁体由16个扇形的相似的超导磁体组成，用于提供磁场，以约束等离子体。
12.根据权利要求11所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述超导线圈由若干D形子绕组套装组合而成，所述D型子绕组采用低场绕组和高场绕组，所述低场绕组采用Nb3Sn导体绕制两个六饼子绕组，所述高场绕组采用Nb3Sn导体绕制一个十二饼子绕组，并通过超导第一接头串联起来。
13.根据权利要求11所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场线圈盒呈D字型，包括内侧U型盒组件、内侧密封盖板、外侧U型盒组件和外侧密封盖板，其中所述内侧U型盒组件与所述内侧密封盖板中的直线段部分采用N50不锈钢，所述内侧U型盒组件、所述内侧密封盖板和所述外侧U型盒组件、所述外侧密封盖板中的圆弧段采用316LN不锈钢设计。
14.根据权利要求11所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场线圈盒内布置有冷却管。
15.根据权利要求11所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场终端盒包括支撑框架、超导第一接头和液氦进出管路，所述液氦进出管路包括与低温系统连接的低温管路及环线线圈内部各绕组之间连接的氦支路管，所述液氦进出管路均设有绝缘子。
16.根据权利要求11所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场环向支撑包括剪切支撑板、抗剪切方键、螺栓、中间上翼翅组件和下翼翅组件，用于在环形方向上将16个扇形的相似的...
【技术特征摘要】
1.一种磁约束聚变反应堆，其特征在于，包括：设于主机大厅的杜瓦系统、冷屏系统、超导磁体系统、真空室系统、偏滤器系统、包层系统、遥操作系统和维护系统，以形成聚变堆主机，所述超导磁体系统中设有中心螺线管磁体、极向场磁体和环向场磁体，所述中心螺线管磁体通过电流变化用于提供产生、建立和维持等离子体电流所需的伏秒数，所述极向场磁体产生的极向磁场用于控制等离子体截面形状和位置平衡，所述环向场磁体产生的环向磁场用于保证等离子体的宏观整体稳定性，环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场用于约束等离子体；所述杜瓦系统和所述冷屏系统用于为所述超导磁体系统提供真空和低温环境；所述真空室系统用于为等离子体的稳定运行提供清洁的超高真空环境，并降低聚变产生的中子在超导磁体上的核热沉积和对环境的污染；所述偏滤器系统和所述包层系统均设于所述真空室内，所述偏滤器系统用于屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染，排出来自中心等离子体的粒子流和热流以及核聚变反应过程中所产生的氦灰；聚变中子携带的能量在所述包层系统沉积，由冷却剂带到反应堆外，并通过中子与氚增殖剂的核反应产生氚以补给聚变燃料。
2.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述杜瓦系统包括顶盖组件、环体组件、底座组件、波纹管组件、支撑组件和泄放系统组件，所述顶盖组件与所述环体组件采用真空密封结构形式连接固定，所述环体组件和所述底座组件焊接固定，所述波纹管组件与所述环体组件焊接固定，所述底座组件安装于所述支撑组件上，所述底座组件的外边缘与外侧建筑连接固定。
3.根据权利要求2所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述顶盖组件采用椭圆形封头组件，其内侧布置有第一环向加强筋和第一径向加强筋，并且其顶部开设有若干安装通道和维护通道。
4.根据权利要求2所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环体组件采用圆柱形直筒结构，其外侧布置有第二环向加强筋和第二径向加强筋，所述环体组件沿着高度和环向开设有若干第一连接通道。
5.根据权利要求2所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述底座组件采用圆柱形直筒带有裙边结构，裙边内侧沿着环向设计有与所述超导磁体系统和所述真空室系统支撑连接结构，圆柱形直筒上沿着高度和环向开设有若干第二连接通道。
6.根据权利要求2所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述泄放系统组件包括泄放阀和爆破组件及泄放管路，用于在所述杜瓦系统发生氦泄露事故工况下实现压力快速泄放。
7.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷屏系统在环向上分为若干个冷屏扇区，相邻的所述冷屏扇区之间采用绝缘垫片连接。
8.根据权利要求7所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷屏扇区包括若干冷却面板，相邻的所述冷却面板之间采用绝缘垫片连接。
9.根据权利要求8所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷却面板上焊接有蛇形的冷却管道。
10.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述冷屏系统的表面采用抛光和镀银处理。
11.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场磁体包括超导线圈、环向场线圈盒、环向场终端盒、环向场环向支撑和环向场重力支撑，所述环向场磁体由16个扇形的相似的超导磁体组成，用于提供磁场，以约束等离子体。
12.根据权利要求11所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述超导线圈由若干d形子绕组套装组合而成，所述d型子绕组采用低场绕组和高场绕组，所述低场绕组采用nb3sn导体绕制两个六饼子绕组，所述高场绕组采用nb3sn导体绕制一个十二饼子绕组，并通过超导第一接头串联起来。
13.根据权利要求11所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场线圈盒呈d字型，包括内侧u型盒组件、内侧密封盖板、外侧u型盒组件和外侧密封盖板，其中所述内侧u型盒组件与所述内侧密封盖板中的直线段部分采用n50不锈钢，所述内侧u型盒组件、所述内侧密封盖板和所述外侧u型盒组件、所述外侧密封盖板中的圆弧段采用316ln不锈钢设计。
14.根据权利要求11所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场线圈盒内布置有冷却管。
15.根据权利要求11所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场终端盒包括支撑框架、超导第一接头和液氦进出管路，所述液氦进出管路包括与低温系统连接的低温管路及环线线圈内部各绕组之间连接的氦支路管，所述液氦进出管路均设有绝缘子。
16.根据权利要求11所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场环向支撑包括剪切支撑板、抗剪切方键、螺栓、中间上翼翅组件和下翼翅组件，用于在环形方向上将16个扇形的相似的超导磁体连接起来，并限制所述环向场磁体之间的滑移扰动。
17.根据权利要求11所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述环向场重力支撑设置于环向磁体底部，用于承载磁体重力，包括环向场磁体支撑腿、绝缘垫板、热截止组件和柔性支撑，其中所述热截止组件内部布置有若干冷却管，所述柔性支撑由若干柔性支撑板组合而成。
18.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述中心螺线管磁体由多个螺管线圈堆叠形成，用于为聚变堆等离子体提供击穿所需的磁通量，并且所述中心螺线管磁体与所述极向场磁体共同作用，用于加热和成型等离子体。
19.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述中心螺线管磁体为全部由cicc导体绕制而成的环形超导线圈，所述中心螺线管磁体一部分由高温超导体构成，另一部分由nb3sn超导体构成。
20.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述的中心螺线管磁体包括第一线圈绕组、第一接头、冷却结构和预紧系统，所述第一线圈绕组包括多个高温超导模块和多个nb3sn超导模块，每个模块均采用无张力绕制方法。
21.根据权利要求20所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，导体与导体之间设计有过渡绝缘，饼与饼之间设计有饼间绝缘，外部设计有对地绝缘。
22.根据权利要求20所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，每个所述高温超导模块的端子从内侧引出，每个所述nb3sn超导模块的端子从外侧引出，并在整个中心螺线管磁体的上下端分别与馈线系统连接。
23.根据权利要求20所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述第一线圈绕组的第一接头包括与馈线连接的盒式第一接头以及绕组内部的同轴第一接头，液氦通过所述第一线圈绕组的冷却结构对中心螺线管磁体进行冷却。
24.根据权利要求20所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，预紧系统包括轴向预紧机构、上部对中机构、下部重力支撑机构、冷却管系，所述轴向预紧机构用于确保模块之间挤紧，所述上部对中机构用于保证所述中心螺线管磁体居中，所述下部重力支撑机构用于支撑所述中心螺线管磁体，所述冷却管系用于冷却所述预紧系统。
25.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述极向场磁体包括多个围绕在所述环向场磁体周边的环形线圈，用于为聚变堆等离子体提供极向磁场，以实现对等离子体的位型控制，并且所述中心螺线管磁体与所述极向场磁体共同作用，用于加热和成型等离子体。
26.根据权利要求25所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述极向场磁体为全部由cicc导体绕制而成的环形超导线圈，所述极向场磁体一部分由nbti超导体构成，另一部分由nb3sn超导体构成。
27.根据权利要求25所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述极向场磁体包括第二线圈绕组、氦管、第二接头、tail结构和极向场终端盒，所述第二线圈绕组由若干个双饼线圈或四饼线圈或六饼线圈通过所述第二接头串联而成，每个绕组单元由单根导线均采用无张力绕制方法绕制而成。
28.根据权利要求27所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，导体与导体之间设计有过渡绝缘，饼与饼之间设计有饼间绝缘，外部设计有对地绝缘。
29.根据权利要求27所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，饼间过渡位置设置所述氦管，用于将液氦引入导体中以冷却超导线。
30.根据权利要求27所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述第二线圈绕组的两个出线头处设置所述tail结构，用与增大出线头处的强度以抵制所述第二线圈绕组的环向应力。
31.根据权利要求27所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述第二线圈绕组的出线头以及液氦的进出总管和相应的测量线最终汇聚到所述极向场终端盒内，再通过与馈线的连接，引出到装置外部。
32.根据权利要求1所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，还包括传输馈线系统，所述传输馈线系统针对反应堆中每一个或每一组超导磁体，分别设置一个独立的具有供电回路，并包含必要信号的采集通道，所述传输馈线系统从反应堆的外围引入，最终与所述超导磁体系统相连。
33.根据权利要求32所述的磁约束聚变反应堆，其特征在于，所述传输馈线系统包括磁体馈线终端盒、高温超导电流引线、压力泄放阀架、过渡馈...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋云涛，郑金星，彭学兵，秦经刚，陆坤，刘旭峰，覃世军，雷明准，杨庆喜，刘辰，程勇，葛剑，张清泉，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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