[发明专利]一种适用于磁约束聚变装置的共振磁扰动线圈及实现方法

说明书

本发明公开了一种适用于磁约束聚变装置的新型共振磁扰动线圈，在环向均匀分布有两组线圈，各组线圈均位于低场侧中平面。每组线圈包括有两个闭合回路，每个闭合回路内的电路均有多匝线圈，上下对称，有多个电流接口，具有灵活的连接方式，通电后可以产生不同谱型的扰动磁场。线圈采用中空的水冷管道设计，能够在大电流情况下长时间稳定工作。本发明利用了外加磁扰动控制边界局域模的原理，通过本线圈产生具有高极向模数和宽环向模数谱型特征，并且具有足够强度的局域扰动磁场，降低了线圈对芯部等离子体的扰动，有效拓宽了共振磁扰动线圈主动控制、抑制边界局域模的工作窗口。本发明能够在磁约束核聚变装置上工作，结构简单，易于安装，占用空间小，性能可靠，是丰富边界局域模控制的一种重要方案。

技术领域

本发明涉及磁约束等离子体领域，具体是一种适用于磁约束聚变装置的共振磁扰动线圈及实现方法。

背景技术

受控核聚变的反应原料主要是氘和氚，在自然界的储量丰富，反应产物无污染无放射性，反应安全性高，所以受控核聚变被认为是未来人类能源发展的完美方案。在目前的研究中，磁约束聚变是最有希望实现聚变能利用的途径。

目前世界上主要的磁约束聚变装置包括仿星器和托克马克两种。在高约束模式下运行的托克马克装置，会在边界产生强烈的磁流体不稳定性，即边界局域模(ELM)，爆发时会引起大量的芯部能量排出，造成装置第一壁和靶板材料难以承受的热负荷。因此，控制边界局域模是现在磁约束聚变研究的一个重要课题。

外加共振磁扰动是控制边界局域模的主流方法，其有效性也已经在许多托克马克装置上被证实。外加共振磁扰动的方法，是由外加的共振磁扰动线圈产生共振磁扰动，能增加边界的等离子体输运，降低台基区压强梯度，从而抑制或者缓解边界局域模来降低边界峰值热流幅度，具有可重复性和高可靠性等特点。

现有各大磁约束聚变装置上的共振磁扰动线圈结构大多类似，在环向上分布有环绕装置一圈的多个矩形线圈，极向上则多分布在低场侧上下，通过接入电流后产生的外加扰动磁场，目前在各大装置，例如DIII-D、JET、MAST、ASDEX-U、EAST，上都实现了在一定q₉₅窗口内，边界局域模的缓解与抑制。

现有磁约束聚变装置上的共振磁扰动线圈在环向上分布有环绕装置一圈的多个矩形线圈，极向上则多分布在低场侧上下，占用空间大；扰动磁场的极向模数较低，对芯部等离子体存在一定程度的扰动，不利于实现聚变反应；而且对等离子体的扰动模式大多局限于n＝3以内，主要着重于单一低阶模的扰动，工作窗口有限。而在聚变等离子体中，气球模，撕裂模等不稳定性的表现，并不是以单支模的形式存在，而是多种模式的耦合，尤其是高阶模。因此发展一种具有宽谱特性的共振磁扰动线圈是非常必要的。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有共振磁扰动线圈占用空间大，工作窗口有限，对等离子体扰动模式单一的不足，提供一种适用于磁约束聚变装置的新型共振磁扰动线圈，能够拓宽现有共振磁扰动线圈的工作窗口，具有多种扰动模式，并且对芯部等离子体的扰动更小，占用空间更小，为控制边界局域模和改善边界等离子体边界输运提供新的手段。

为了达到上树目的，本发明采用的技术方案为：

一种适用于磁约束核聚变装置的共振磁扰动线圈，其特点在于：

在磁约束核聚变装置的环向上均匀分布有两组线圈，各组线圈均位于低场侧中平面,即磁约束聚变装置的外侧中平面；在磁约束核聚变装置的极向上，每组线圈依次排列，每组线圈包括有两个闭合回路，每个闭合回路内的电路均有多匝线圈，以增强线圈对等离子体的扰动强度；

每组线圈的两个闭合回路结构上下对称，闭合回路分别由两个反向绕制的圆角矩形形状的线圈构成，由于环绕的方向相反，通电后两个圆角矩形线圈产生的磁场方向也相反；