【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于磁约束核聚变，具体涉及一种适用于紧凑型聚变堆的葫芦型偏滤器及位形构建方法。
技术介绍
1、近年来，国际磁约束受控核聚变研究取得长足发展，其中，托卡马克(tokomak)整体参数最高，是最接近建立聚变堆的装置类型。国际上三个大型托卡马克装置：美国的tftr、欧洲的jet和日本的jt-60u，在磁约束核聚变实验研究取得了突破性进展，等离子体温度达4.4亿度，脉冲聚变输出功率超过16mw，聚变功率增益q等效值超过1.25，jet于2021年创造了59mj聚变能输出的世界纪录。这些突破性进展在实验上验证了托卡马克途径实现聚变的科学可行性，表明了托卡马克是最有可能首先实现聚变建堆的途径。目前聚变研究发展已经从原理探索阶段进入聚变堆的科学技术问题的探索阶段，部分国家已经开始进入聚变堆的环境、工程和技术的探索阶段。全球最大、影响最为深远的国际合作项目——国际热核工程试验堆(iter)旨在实现400秒时间内聚变功率增益q大于10，以及3000秒的时间内聚变功率增益q大于5运行，验证聚变堆的科学和工程技术可行性。当前iter已开始主机工程安装，将在几年后投入运行，核聚变研究正进入实验堆阶段。
2、偏滤器作为托卡马克装置的核心部件之一，其担负着排热、排灰等关键任务。iter现采用的下单零的常规偏滤器位形，内外靶板承受的热负载远超现有靶板设计允许的热负载工程极限为10mw/m2，使得iter偏滤器面临严峻的挑战；而对于未来需要稳态运行的聚变反应堆，将面临着比iter更高的热功率负载。因此，亟需探索降低靶板热负载的技术。目前，
3、(1)通过设计改变靶板的结构，如倾斜角度、靶板材料等；这种技术从偏滤器出现开始一直使用，但是由于受到空间位置、工程研制、以及材料性能等影响，无法满足偏滤器对承受热负载快速增长的需求；
4、(2)通过增大偏滤器区域的辐射，降低到达靶板的热功率，进而降低靶板的热负载；这种技术还可能使偏滤器运行进入脱靶状态，也能缓解偏滤器的热负载。这种技术主要依靠在偏滤器区域注入杂质来实现，但是杂质的引入，可能会引起芯部等离子体参数的下降，降低聚变性能；
5、(3)通过优化偏滤器位形，增大靶板的沾湿面积来降低靶板热负载峰值的要求。靶板沾湿面积(s＝2πrtλqfexp)，即靶板的有效承热面积，主要和靶板打击点处的大半径(rt)、径向能量衰减长度(λq)、打击点处磁通相对于中平面处的展宽系数(fexp)密切相关。其中，径向能量衰减长度主要与外中平面的极向磁场的强度有关，针对固定的等离子体参数时，可变化范围较小；展宽系数和打击点处的磁拓扑结构和靶板倾角密切相关。因此，可以通过将打击点设计到大半径较大的地方，或者通过位形优化或调整靶板倾角来增大展宽系数，进而实现增大沾湿面积的目的。
6、针对位形优化技术，目前主要形成了x偏滤器、超级x偏滤器、雪花偏滤器等多种先进偏滤器位形。其中，x偏滤器通过在靶板附近增加一对或两对极向场线圈，从而产生一个额外的x点(即第二x点)。然而，两个线圈的距离相对接近，不能无限增加靶板的沾湿面积以及控制沾湿面积的位置。此外，线圈靠近偏滤器靶板处，对于偏滤器的设计的空间不足，线圈的设计也带来很多的困难。尤其是对于超导托卡马克的偏滤器位形设计，由于空间限制，不能充分地利用位形的第二个x点来缓解靶板的热流。因此，尽管x偏滤器旨在通过流扩张的方法增大热流分布宽度从而降低热流幅度，但在实际应用中仍面临许多挑战和局限性。超级x偏滤器位形通过增加靶板所处的径向位置，进一步增加了靶板的沾湿面积和偏滤器腿部的长度(即第一个x点到靶板的长度)，最大化提升偏滤器排热的能力，该位形不仅可以降低芯部的辐射负担，使芯部等离子体具备高功率密度运行的能力，还有利于隔绝偏滤器和芯部等离子体之间的联系，尤其是中性粒子和杂质粒子的沿着磁力线流向芯部区域的影响。但是，超级x偏滤器位形的实现对工程设计提出了极高的要求，尤其是在超导托卡马克装置下的线圈设计，其次是内外偏滤器都设计超级x偏滤器位形，空间受到了限制，如果内外偏滤器中，仅有一处采用超级x偏滤器位形，则另一侧会出现相对常规偏滤器更高的热负载。通过将标准偏滤器的一阶x点变为二阶x点，二阶x点将标准x点的4条分支变为6条分支，这就形成了雪花偏滤器位形；该位形在x点附近存在非常大的极低极向场区域，实现磁面膨胀，增加等离子体的沾湿面积和增大从最外中平面到偏滤器靶板的连接长度，弱场区也会引起x点附近区域的粒子损失增强，等离子体通过极向磁场接近为零的高极向比压区域时会出现强对流扩散，然后再沿着四条腿流向靶板，最终实现降低靶板热负载的效果；但是雪花偏滤器的靶板太接近主等离子体区域，虽然可以降低热负载，但达到靶板的粒子温度很高且粒子分散，无法对粒子进行有效的控制，尤其是杂质粒子密度的控制。
7、此外，在聚变堆中，偏滤器的功能不仅仅是排热，还需兼顾粒子排除与杂质屏蔽；而当前常见的偏滤器靶板设计，其直接面对上亿度的高温等离子体，需要承受极高的热负载和高能聚变中子的辐照，使得偏滤器运行在非常恶劣的环境中，不仅对偏滤器靶板材料的抗热疲劳性能和抗中子辐照性能提出了极高的要求，也将严重影响偏滤器的运行寿命。另外，从成本和经济性的角度考虑，紧凑型聚变堆的设计具有极大的优势，这就要求偏滤器也相对紧凑，体积不能过大。
技术实现思路
1、为了解决现有缓解偏滤器靶板热负载的技术在未来聚变堆应用中，面临难以兼顾偏滤器粒子排除、杂质屏蔽、主等离子体高性能运行，以及没有考虑偏滤器面临的中子辐照等问题，本专利技术提供了一种适用于紧凑型聚变堆的葫芦型偏滤器及位形构建方法，本专利技术采用葫芦型偏滤器位形，该位形引入了弧形设计的内、外偏滤器腿，且偏滤器腿中部位置磁面压缩、偏滤器腿底部位置磁面展宽，通过增加偏滤器腿的长度以及磁通扩展来降低靶板热负载，同时还避免对主等离子体的影响，具有较强的粒子排除和杂质屏蔽能力。
2、本专利技术通过下述技术方案实现：
3、一种适用于紧凑型聚变堆的葫芦型偏滤器，所述葫芦型偏滤器的位形包括主等离子体区、偏滤器区和x点，所述主等离子体区是由最外封闭磁面围成的发生聚变反应的区域，所述x点是所述主等离子体区与偏滤器区的分界点，所述偏滤器区由内偏滤器腿和外偏滤器腿组成；
4、所述内偏滤器腿和外偏滤器腿均为向外凸出的弧形，所述内偏滤器腿和外偏滤器腿的中部位置的磁面收缩，所述内偏滤器腿和外偏滤器腿的底部位置的磁面展宽，所述内偏滤器腿和外偏滤器腿的底部位置布置偏滤器靶板。
5、现有缓解偏滤器靶板热负载的技术，应用到未来聚变堆时，一方面由于流入聚变堆偏滤器的功率比现有偏滤器高1～2个数量级，现有技术难以有效解决偏滤器靶板热负载问题，另一方面现有技术也难以兼顾偏滤器粒子排除、杂质屏蔽、主等离子体高性能运行，以及没有考虑偏滤器面临的中子辐照等问题。而本专利技术提出的偏滤器采用葫芦型位形，其中，内、外偏滤器腿均采用弧形设计，并伴随内、外偏滤器腿中部位置磁面压缩，内、外偏滤器腿底部位本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于紧凑型聚变堆的葫芦型偏滤器，所述葫芦型偏滤器的位形包括主等离子体区、偏滤器区和X点，所述主等离子体区是由最外封闭磁面围成的发生聚变反应的区域，所述X点是所述主等离子体区与偏滤器区的分界点，所述偏滤器区由内偏滤器腿和外偏滤器腿组成；其特征在于，
2.根据权利要求1所述的一种适用于紧凑型聚变堆的葫芦型偏滤器，其特征在于，所述主等离子体区左右边界之间的距离的一半等于等离子体的小半径。
3.根据权利要求1所述的一种适用于紧凑型聚变堆的葫芦型偏滤器，其特征在于，所述内偏滤器腿或所述外偏滤器腿的长度等于等离子体的小半径的2～3倍。
4.权利要求1-3任一项所述葫芦型偏滤器的位形构建方法，其特征在于，所述位形构建方法包括：
5.根据权利要求4所述的位形构建方法，其特征在于，所述极向场线圈包括中心螺线管线圈、偏滤器线圈和成形场线圈；
6.根据权利要求5所述的位形构建方法，其特征在于，所述极向场线圈的位置排布应满足：
7.根据权利要求6所述的位形构建方法，其特征在于，所述内部偏滤器线圈的极向截面的中心点在垂直方向
8.根据权利要求7所述的位形构建方法，其特征在于，所述内部偏滤器线圈的极向截面的中心点与偏滤器腿的曲率最大点处于同一水平线上。
9.根据权利要求7所述的位形构建方法，其特征在于，所述中心螺线管线圈中对应偏滤器腿中部位置的线圈的极向截面的中心点位于穿过所述内部偏滤器线圈的极向截面的中心点的水平线附近，且上、下偏移距离小于所述内部偏滤器线圈的极向截面高度的0.5倍。
10.根据权利要求9所述的位形构建方法，其特征在于，所述中心螺线管线圈中对应偏滤器腿中部位置的线圈的极向截面的中心点与所述内部偏滤器线圈的极向截面的中心点处于同一水平线上。
11.根据权利要求9所述的位形构建方法，其特征在于，所述中心螺线管线圈中对应偏滤器腿底部位置的线圈的极向截面的中心点位于穿过打击点位置的水平线附近，且上、下偏移距离小于阈值。
12.根据权利要求11所述的位形构建方法，其特征在于，所述中心螺线管线圈中对应偏滤器腿底部位置的线圈的极向截面的中心点与打击点位置处于同一水平线上。
13.根据权利要求11所述的位形构建方法，其特征在于，所述外部偏滤器线圈的极向截面的中心点应位于穿过所述内部偏滤器线圈的极向截面的中心点和所述X点的直线的左侧，且所述外部偏滤器线圈中最靠近所述直线的线圈的极向截面的中心点距离所述直线的水平距离小于该线圈的极向截面宽度的1.0倍。
14.权利要求1-3任一项所述的葫芦型偏滤器的位形构建系统，其特征在于，所述位形构建系统包括：
15.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求4-13中任一项所述方法的步骤。
16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求4-13中任一项所述方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种适用于紧凑型聚变堆的葫芦型偏滤器，所述葫芦型偏滤器的位形包括主等离子体区、偏滤器区和x点，所述主等离子体区是由最外封闭磁面围成的发生聚变反应的区域，所述x点是所述主等离子体区与偏滤器区的分界点，所述偏滤器区由内偏滤器腿和外偏滤器腿组成；其特征在于，
2.根据权利要求1所述的一种适用于紧凑型聚变堆的葫芦型偏滤器，其特征在于，所述主等离子体区左右边界之间的距离的一半等于等离子体的小半径。
3.根据权利要求1所述的一种适用于紧凑型聚变堆的葫芦型偏滤器，其特征在于，所述内偏滤器腿或所述外偏滤器腿的长度等于等离子体的小半径的2～3倍。
4.权利要求1-3任一项所述葫芦型偏滤器的位形构建方法，其特征在于，所述位形构建方法包括：
5.根据权利要求4所述的位形构建方法，其特征在于，所述极向场线圈包括中心螺线管线圈、偏滤器线圈和成形场线圈；
6.根据权利要求5所述的位形构建方法，其特征在于，所述极向场线圈的位置排布应满足：
7.根据权利要求6所述的位形构建方法，其特征在于，所述内部偏滤器线圈的极向截面的中心点在垂直方向的位置能够根据中子屏蔽模块对垂直高度的需求进行调整，同时所述内部偏滤器线圈的极向截面的中心点位于穿过偏滤器腿的曲率最大点的水平线的附近，且上、下偏移距离小于所述内部偏滤器线圈的极向截面高度的1.0倍。
8.根据权利要求7所述的位形构建方法，其特征在于，所述内部偏滤器线圈的极向截面的中心点与偏滤器腿的曲率最大点处于同一水平线上。
9.根据权利要求7所述的位形构建方法，其特征在于，所述中心螺线管线圈中对...
【专利技术属性】
技术研发人员：李佳鲜，郑国尧，薛雷，杜海龙，王硕，薛淼，晏泽，
申请(专利权)人：核工业西南物理研究院，
类型：发明
国别省市：
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