[发明专利]一种用于准环对称仿星器的偏滤器及其设计方法

说明书

本发明涉及磁约束核聚变设备技术领域，具体涉及一种用于准环对称仿星器的偏滤器及其设计方法，所述偏滤器包括挡板、支架结构、第一靶板和第二靶板，所述第一靶板位于挡板和第二靶板之间，第一靶板、第二靶板均用于承接粒子通量和热通量，支架结构通过挡板与仿星器的真空室连接。本发明提出的偏滤器是针对准环对称仿星器设计的特殊三维靶板结构，能在存在磁岛的等离子体位形下，通过磁力线，将粒子流和热流引入到偏滤器的靶板区域，排除聚变反应产生的热能以及杂质，其设计和制造能够帮助建造完成世界上第一个准环对称磁约束仿星器装置，为国内三维等离子体物理以及相关学科的科学研究提供实验平台，对磁约束核聚变的发展和研究具有重要意义。

技术领域

本发明涉及磁约束核聚变设备技术领域，具体涉及一种仿星器用的装置，尤其涉及一种用于准环对称仿星器的偏滤器及其设计方法。

背景技术

随着社会的发展进步，人类对能源的需求越来越大，世界能源危机日益加剧。在现有的能源体系中，主要以传统的煤、石油、天然气等不可再生能源为主，这些能源不仅在使用过程中会对环境产生巨大污染，而且可供使用的年限非常有限。因此，为了维持人类社会高速的可持续发展，必须发展安全且储量丰富的清洁能源。受控核聚变能正是这样一种能源，由于其燃料在海水中储量丰富且聚变反应过程中不产生长周期放射性物质，而被公认为是解决人类能源危机的最佳途径。

核聚变反应的发生需要上亿度的高温，如此高的温度使物质被电离而形成高温等离子体。研究表明，采用强磁场可以很好地将高温等离子体中的带电粒子约束在一个磁容器内，这就是磁约束的基本原理。多年来的研究结果表明，受控磁约束聚变是最有可能率先实现聚变能商业化的途径。目前，世界上最有成效的两种受控磁约束聚变装置为托卡马克和仿星器。

对于托卡马克，虽然经过半个多世纪的不懈探索，基于托卡马克位形的磁约束聚变研究已经取得了巨大的进展；但是，托卡马克等离子体电流在接近极端条件时可能由于磁流体不稳定性引起等离子体的大破裂，从而导致装置的安全风险。

而磁约束聚变的另一类装置——仿星器的磁场完全由外置磁场线圈的电流产生。由于仿星器没有等离子体电流，故不会引起大破裂，并能够长时间稳态运行，因此它更适合作为商用聚变堆。美国、日本和德国等国家都拥有仿星器装置，国际上对仿星器的研究也从未间断。仿星器通过外置扭曲的磁场线圈，不需要等离子体电流即可产生约束高温等离子体的螺旋磁场。然而，仿星器的线圈结构和制造工艺比托卡马克复杂得多。与托卡马克相比，早期建造的传统仿星器具有很高的磁场波纹度。从原理上讲，这将引起大的新经典输运损失，导致其约束性能低于托卡马克，这正是传统仿星器未能成为国际主流的磁约束聚变位形的主要原因。鉴于仿星器位形具有无等离子体大破裂的明显优势，人们一直在坚持不懈的对仿星器进行研究，其中，改善和优化传统仿星器的磁场位形以提高其对等离子体的约束性能便成为近年来磁约束聚变研究的焦点之一。

通过了解和分析当前国际上现有的磁约束聚变装置的特性，申请人设计了一种将托卡马克与传统仿星器优势相结合的准环对称磁场位形的仿星器，该准环对称仿星器包括线圈系统、真空系统、支撑系统、电源系统、水冷系统、中央控制系统、加热和诊断系统，所述准环对称仿星器的主机结构如图6所示，而偏滤器是真空系统的重要组成部件之一，其作用是在存在磁岛的等离子体位形下，通过磁力线，将粒子流和热流引入到偏滤器靶板区域，排除聚变反应产生的热能以及杂质。

为帮助发明制造一种对等离子体具有优异约束性能的准环对称仿星器，本发明提供一种用于准环对称仿星器的偏滤器及其设计方法。

发明内容