[发明专利]一种托卡马克反三角偏滤器磁场位形构建方法

说明书

本发明属于磁约束核聚变技术，具体涉及一种托卡马克反三角偏滤器磁场位形构建方法，确定反三角偏滤器线圈位置，磁通展宽线圈的布局，之后进行线圈电流的初步估算，设计的反三角偏滤器位形，其三角形变率为负数(传统的偏滤器位形三角形变为正数)；负的三角形变率使得X点和打击点向弱场测移动，使得打击点的大半径R显著增加，从而天然的增大了沾湿面积，有效的降低了靶板的热负载。

技术领域

本发明属于磁约束核聚变技术，具体涉及一种托卡马克反三角偏滤器磁场位形构建方法。

背景技术

现代托卡马克中，偏滤器位形的进展使许多装置的约束性能得到很大提高，从而使偏滤器成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。目前国际上最大的聚变研究合作计划—ITER已经进入建造阶段，偏滤器已经成为其不可或缺的组成部分。然而，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，需要探索降低靶板热负载的方法；目前，国际聚变届有两个主流的方向，来探索研究降低靶板热负载方法，实现靶板热负载低于工程技术极限要求的目的。

第一种方法是通过增大滤器区域的辐射，降低到达靶板的热功率，进而降低靶板的热负载；这种方法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。第二种方法是通过增大靶板的沾湿面积(即靶板的有效承热面积)，来实现靶板热负载低于工程设计极限的要求。靶板沾湿面积(S＝2πR_tλ_qf_amp)，主要和靶板打击点处的大半径(R_t)，径向能量衰减长度(λ_q)，打击点处磁通相对于中平面处的展宽系数密切相关(f_amp)，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。

针对这些研究方法，聚变界设计了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，这些位形的简要介绍及优缺点如下：

早期提出的是CUSP偏滤器和X偏滤器，它们在偏滤器的靶板附近增加一对或是两对极向场线圈，在靶板附近产生一个额外的X点(即第二X点)，偏滤器靶板位将覆盖磁场的第二X点，CUSP偏滤器和X偏滤器是通过流扩张的方法实现增大热流分布宽度从而降低热流幅度；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，尤其是超导托卡马克的偏滤器位形设计，也不能充分的利用位形的第二个X点对靶板的热流起缓解等作用。

超级X偏滤器是针对CUSP偏滤器和X偏滤器进行的改进，通过极向场线圈的优化布置，把偏滤器靶板的打击点尽可能的向外侧移动，并在靶板附近产生尽可能的大磁面膨胀，增加等离子体的沾湿面积。因此，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、等离子体到偏滤器靶板的连接长度和偏滤器腿部的长度(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。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，如果通过实现双零偏滤器来改进，则面对上下线圈电流无法时时一致，形成准双零的放电，其内靶板的热负载依然很高。