CN104051028A - 一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，包括有若干个被动反馈结构独立组块，各被动反馈结构独立组块的内、外侧分别设置有可拆解包层组件、永久氚增殖包层，各被动反馈结构独立组块在大环方向沿360度均匀布置构成整体外形呈鼓型的结构；被动反馈结构独立组块由导电铜皮、不锈钢支撑基材、冷却通道和侧边肋板组成。本发明能够在满足未来聚变堆装置在增加氚增殖包层和偏滤器窗口等结构，空间受到限制条件下，实现快速控制等离子体和避免等离子体垂直位移不稳定性发生，同时起到支撑氚增殖包层结构的作用，满足长期耐高温辐照的要求，保证未来聚变堆装置等离子体的稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于超导聚变领域，具体涉及一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构。
背景技术
超导聚变装置运行时，采用较多的是大拉长比的D形截面等离子体以提高β值（β是等离子体压强和磁场能量密度之比，其值越高，磁场约束等离子体的能力越好），但大的拉长比的等离子体在运行时会产生垂直不稳定性（等离子体在垂直方向受到扰动）。垂直不稳定性是等离子体发生破裂的重要影响因素，因此，目前很多超导托卡马克实验装置上采用在内部设计了尺寸较大的导电板作为被动反馈线圈。此类被动反馈线圈能够得以有效运用，主要基于目前的装置都是实验装置，不但没有开始氘氚反应而且装置真空室内部空间充裕，其原理是利用线圈自身感应涡流产生的磁场来抑制等离子体垂直不稳定性，其空间布局如图1所示。
然而，针对未来聚变堆要实现氘氚反应，必须增加氚增殖包层等结构，则目前采用大型导电板的被动反馈线圈结构无论从空间结构还是中子辐照角度，都将不能继续有效运用于未来聚变堆装置。因此，如何在增加氚增殖包层等部件的未来聚变堆内部设计有效的被动反馈结构以抑制等离子体的垂直不稳定，成为下一代聚变堆装置设计的关键之一。用于快速控制等离子体的被动反馈结构可以有效避免与内部部件之间空间干涉问题，同时可以作为包层的支撑结构，这对于提高未来聚变堆装置等离子体的稳定运行有着重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，能够在满足未来聚变堆装置在增加氚增殖包层和偏滤器窗口等结构，空间受到限制条件下，实现快速控制等离子体和避免等离子体垂直位移不稳定性发生，同时起到支撑氚增殖包层结构的作用，满足长期耐高温辐照的要求，保证未来聚变堆装置等离子体的稳定运行。
本发明的技术方案如下：
一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，其特征在于：包括有若干个被动反馈结构独立组块，各被动反馈结构独立组块的内、外侧分别设置有可拆解包层组件、永久氚增殖包层，各被动反馈结构独立组块在大环方向沿360度均匀布置构成整体外形呈鼓型的结构；所述的被动反馈结构独立组块包括有不锈钢支撑基材，不锈钢支撑基材呈弧形结构，不锈钢支撑基材的两端分别向外侧翻边构成两个侧边肋板，两个侧边肋板沿径向延伸并包裹永久氚增殖包层，不锈钢支撑基材的内壁以及两个侧边肋板的外侧由一块导电铜皮包覆，所述的不锈钢支撑基材与两个侧边肋板上开设有相通的冷却通道，每个被动反馈结构独立组块沿大环方向剖视截面为U型，两个相邻被动反馈结构独立组块之间沿极向留有一个隔缝；聚变装置运行时，被动反馈结构通过电磁感应形成沿大环方向整体涡流，进而产生沿径向的磁场对等离子体垂直位移进行有效的约束。
所述的一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，其特征在于：所述的两个相邻被动反馈结构独立组块之间设有的隔缝主要是为了使被动反馈结构能够对应导电铜皮内侧可拆解包层组件沿极向的装配，即可拆解包层组件与被动反馈结构独立组块的装配螺栓通过相邻被动反馈结构独立组块结构之间的隔缝固定在永久氚增殖包层上。
所述的一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，其特征在于：由于采用了导电铜皮和不锈钢支撑基材构成的双层结构，导电铜皮起到感应涡流的作用。
所述的一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，其特征在于：所述的两个相邻被动反馈结构独立组块的相邻侧边肋板上的涡流方向相反，从而产生的磁场相互抵消，因此可以近似将所有被动反馈结构独立组块感应的局部涡流连接成整体，最终形成等同于沿360度大环方向的整体涡流。
所述的一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，其特征在于：所述的冷却通道，用于对导电铜皮进行冷却，冷却通道的进、出口位于被动反馈结构独立组块的侧边肋板外端部。
本发明的有益效果在于：
本发明能够在满足未来聚变堆要实现氘氚反应必须增加氚增殖包层等结构的情况下，实现由位于可拆解包层组件和永久氚增殖包层之间的多个被动反馈结构独立组块通过电磁感应形成沿大环方向整体涡流，进而产生沿径向（即水平方向）的磁场对等离子体垂直位移进行有效的约束；同时起到支撑氚增殖包层和快速控制等离子体的作用，实现聚变堆装置内部高温等离子体的稳定运行，降低等离子体垂直不稳定性导致的等离子体整体破裂事故。
附图说明
图1为托卡马克实验装置的控制等离子体垂直位移被动板示意图。
图2为本发明被动反馈结构整体示意图。
图3为本发明的被动反馈结构的独立组块局部示意图
图4为本发明的被动反馈结构的独立组块与内侧可拆解包层组件和外侧永久氚增殖包层的装配示意图。
图5为本发明的装配示意图沿水平方向的U型剖视图。
图6为被动反馈结构的独立组块感应涡流和相邻肋板沿极向的电流产生的环向磁场相互抵消示意图。
具体实施方式
参见附图1-6。图中标号：1－独立组块，2－隔缝，3－导电铜皮，4－不锈钢支撑基材，5－冷却通道，6－侧边肋板，7－内侧可拆解包层组件，8－外侧永久氚增殖包层，9-电流，10-大涡流。
一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，其结构主要由独立组块1组成；相邻独立组块1之间沿极向有一个隔缝2；独立组块1主要由10mm厚的导电铜皮3、60mm厚的不锈钢支撑基材4和冷却通道5组成。每个独立组块1与内侧可拆解包层组件7和外侧永久氚增殖包层8通过螺栓或者销钉等装配在一起。独立组块1沿水平方向的截面为U型，其环向两个侧边肋板6的主要作用是为了抵消两个相邻独立组件在侧边沿极向的电流9产生的环向磁场，从而保证所有独立组件的感应涡流在360度大环方向近似形成整体大涡流10。
隔缝2沿环向的间隙设计为25mm-35mm，可以有效保证为导电铜皮3内侧的可拆解包层提供足够的螺栓装配空间。导电铜皮3与不锈钢支撑基材4之间主要通过焊接等工艺装配成一体。通过机加工在不锈钢基材4上开设冷却通道5，在装置运行时，冷却通道5内通冷却水或者低温气体，用于对被动反馈独立组件进行冷却，避免温度过高导电铜皮电阻率升高，保证被动反馈独立组件感应涡流的稳定性。
本发明快速控制等离子体的被动反馈结构已经按照本发明具体实施方式建立了数学模型，通过公式计算及数值仿真进行详细分析，结果表明此种被动反馈结构可快速通过等离子体响应在大环方向形成感应涡流，并且能够有效提供水平方向磁场，以抑制等离子体的垂直不稳定性。本发明工程设计结构与等离子体物理以及电磁学理论严格契合，特点鲜明，可操作性强，并且对于未来聚变堆装置的稳定运行有着重要的工程实际运用意义。
Claims (5)
1.一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，其特征在于：包括有若干个被动反馈结构独立组块，各被动反馈结构独立组块的内、外侧分别设置有可拆解包层组件、永久氚增殖包层，各被动反馈结构独立组块在大环方向沿360度均匀布置构成整体外形呈鼓型的结构；所述的被动反馈结构独立组块包括有不锈钢支撑基材，不锈钢支撑基材呈弧形结构，不锈钢支撑基材的两端分别向外侧翻边构成两个侧边肋板，两个侧边肋板沿径向延伸并包裹永久氚增殖包层，不锈钢支撑基材的内壁以及两个侧边肋板的外侧由一块导电铜皮包覆，所述的不锈钢支撑基材与两个侧边肋板上开设有相通的冷却通道，每个被动反馈结构独立组块沿大环方向剖视截面为U型，两个相邻被动反馈结构独立组块之间沿极向留有一个隔缝；聚变装置运行时，被动反馈结构通过电磁感应形成沿大环方向整体涡流，进而产生沿径向的磁场对等离子体垂直位移进行有效的约束。
2.根据权利要求1所述的一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，其特征在于：所述的两个相邻被动反馈结构独立组块之间设有的隔缝主要是为了使被动反馈结构能够对应导电铜皮内侧可拆解包层组件沿极向的装配，即可拆解包层组件与被动反馈结构独立组块的装配螺栓通过相邻被动反馈结构独立组块结构之间的隔缝固定在永久氚增殖包层上。
3.根据权利要求1所述的一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，其特征在于：由于采用了导电铜皮和不锈钢支撑基材构成的双层结构，导电铜皮起到感应涡流的作用。
4.根据权利要求1所述的一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，其特征在于：所述的两个相邻被动反馈结构独立组块的相邻侧边肋板上的涡流方向相反，从而产生的磁场相互抵消，因此可以近似将所有被动反馈结构独立组块感应的局部涡流连接成整体，最终形成等同于沿360度大环方向的整体涡流。
5.根据权利要求1所述的一种适用于未来聚变堆快速控制等离子体的被动反馈结构，其特征在于：所述的冷却通道，用于对导电铜皮进行冷却，冷却通道的进、出口位于被动反馈结构独立组块的侧边肋板外端部。
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