[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

说明书

本发明公开了一种聚变装置环向场线圈中心线的设计方法与系统，涉及低温和/或高温超导磁体设计的技术领域，设计方法具体为：根据输入的环向场线圈参数，初始化中心线；计算当前中心线的曲率半径；建立环向场线圈模型，计算当前中心线上的磁场；计算当前中心线的张力和张力不恒定度，若张力不恒定度不满足设计要求，则对当前中心线的几何形状进行修正即更新，计算出更新的中心线，继续迭代，直至张力不恒定度满足设计要求，环向场线圈的优化D形中心线的设计完成。本发明在准确计算中心线磁场的基础上，设计出具有更高的张力恒定性的优化D形中心线，可减小聚变装置环向场线圈中心线上张力的不均匀性。

技术领域

本发明涉及低温和/或高温超导磁体设计的技术领域，尤其是一种聚变装置环向场线圈中心线的设计方法与系统。

背景技术

随着聚变技术的发展，聚变发电将成为解决人类能源问题的重要选项。聚变装置环向场线圈一般由超导导体依据特定形状的中心线绕制而成，对于实现等离子体的稳定约束非常重要。载流的环向场线圈导体在环向磁场作用下，将承受巨大的电磁力。该电磁力导致超导导体承受张力作用。理想的环向场线圈中心线应该使环向场线圈导体所受的张力恒定，从而避免环向场线圈导体因局部张力过大而引起性能退化。目前绝大多数聚变装置环向场线圈设计采用的是普林斯顿D形或修正D形中心线。但由于在设计这两种D形中心线时，所使用的磁场偏离真实磁场较多，因此导体所受张力的变化幅度较大，恒定性较差。

所述中心线在聚变领域主要是指环向场线圈的中心线，环向场线圈可以看做是由一个垂直于中心线的截面绕着中心线做扫掠得到的几何形状。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明的目的之一是提供一种聚变装置环向场线圈中心线的设计方法，在准确计算中心线磁场的基础上，设计出具有更高的张力恒定性的优化D形中心线，可减小聚变装置环向场线圈中心线上张力的不均匀性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种聚变装置环向场线圈中心线的设计方法，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。

优选的，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。