[发明专利]一种聚变装置环向场线圈中心线的设计方法与系统

权利要求书

1.一种聚变装置环向场线圈中心线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据输入的环向场线圈参数，初始化中心线z(s)；其中，s为中心线弧长；

S2，计算当前中心线的曲率半径ρ(s)；

S3，建立环向场线圈模型，计算当前中心线上的磁场B(s)；

S4，计算当前中心线的张力T(s)；

S5，计算当前中心线的张力不恒定度，若张力不恒定度不满足设计要求，则进入步骤S6；若张力不恒定度满足设计要求，则结束迭代，进入步骤S7；

S6，对当前中心线的几何形状进行修正即更新当前中心线的几何坐标，计算出更新的中心线，然后返回步骤S2，继续迭代，即根据更新的中心线，计算出更新的中心线的曲率半径、张力、张力不恒定度，判断张力不恒定度是否满足设计要求；

S7，输出张力不恒定度满足设计要求的中心线，环向场线圈的优化D形中心线的设计完成。

2.根据权利要求1所述的一种聚变装置环向场线圈中心线的设计方法，其特征在于，步骤S2的详细过程如下所示：

S21，针对当前中心线，采用拟合算法将中心线的径向坐标r和轴向坐标z拟合成关于中心线弧长s的函数r(s)、z(s)；

S22，根据r(s)与z(s)函数，采用平面曲线曲率计算公式计算当前中心线的曲率半径ρ(s)；

平面曲线曲率计算公式为：

其中，dr(s)/ds和d²r(s)/ds²分别为r(s)函数关于中心线弧长s的一阶导数和二阶导数；dz(s)/ds和d²z(s)/ds²分别为z(s)函数关于中心线弧长s的一阶导数和二阶导数。

3.根据权利要求2所述的一种聚变装置环向场线圈中心线的设计方法，其特征在于，步骤S21中，拟合算法包括但不限于最小二乘拟合法和三次样条插值拟合法；

中心线的边界条件为：在中心线的内腿半径r1处，函数r(s)、z(s)对中心线弧长s的一阶导数分别为0和1；在中心线的外腿半径r2处，函数r(s)、z(s)对中心线弧长s的一阶导数分别为0和-1。

4.根据权利要求1所述的一种聚变装置环向场线圈中心线的设计方法，其特征在于，步骤S3中，采用有限元方法，建立基于当前中心线的环向场线圈有限元模型，计算当前中心线上的磁场B(s)；

或者，采用半解析方法，建立基于梯形棱柱体电流的环向场线圈模型，然后采用梯形棱柱体电流的磁场解析公式，计算当前中心线上的磁场B(s)。

5.根据权利要求4所述的一种聚变装置环向场线圈中心线的设计方法，其特征在于，采用半解析方法计算当前中心线上的磁场B(s)，详细过程如下所示：

S31，建立基于梯形棱柱体电流的环向场线圈模型之后，将中心线上的场点通过平移和旋转，从全局坐标系变换到梯形棱柱所在的局部坐标系；

S32，在局部坐标系下，通过梯形棱柱体电流的磁场解析公式计算各场点的磁场；

S33，将局部坐标系下计算得到的磁场，通过旋转变换，变换到全局坐标系下；在全局坐标系下，针对各场点，将所有梯形棱柱体电流的磁场累加，从而得到该场点的磁场。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种聚变装置环向场线圈中心线的设计方法，其特征在于，步骤S6的详细过程如下所示：

S61，定义如下的特征函数G(s)：

S62，基于恒张力原则和中心线的边界条件对当前中心线的几何形状进行修正，按照步骤S2的方式，计算得到更新的曲率半径ρ(s)；

恒张力原则如下所示：

其中，I为环向场线圈的总运行电流；

S63，基于更新的曲率半径ρ(s)和特征函数G(s)的定义，计算得到更新的特征函数G(s)；

S64，基于更新的曲率半径ρ(s)和更新的特征函数G(s)，计算得到更新的中心线z(s)：