CN105682333A

CN105682333A - 一种等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法及其控制系统

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Publication number: CN105682333A
Application number: CN201610099587.5A
Authority: CN
Inventors: 金显吉; 佟为明; 李中伟; 陶宝泉; 林景波; 李凤阁; 刘勇
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2016-06-15

Abstract

本发明提供一种等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法，包括：S1：确定溜槽线圈与多极磁阱线圈的相对位置；S2：确定溜槽线圈轴线与多极磁阱线圈轴线的夹角θ；S3：计算所述多极磁阱线圈的外部磁壳的通用磁感应强度，并根据注入点位置数据计算出等离子体注入点的磁感应强度B2；S4：根据等离子体注入点磁感应强度，结合所述溜槽线圈的结构参数，计算所述溜槽线圈在注入点处轴线上产生的磁感应强度为B2时所需的电流值；S5：计算溜槽线圈的启动时刻Tc；S6：计算溜槽线圈的工作时间Tw。本发明还提供一种根据上述方法形成的等离子体进入多极磁阱线圈的控制系统。通过本发明能提高进入多极磁阱线圈中等离子体的数量，并减少上述等离子体的能量损失。

Description

一种等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及等离子体物理领域，特别涉及一种能够使等离子体有效进入多极磁阱线圈的控制方法及其控制系统。

背景技术

等离子体物理是研究等离子体的形成、性质及运动规律的学科。它的应用前景之一是在受控热核聚变方面，即通过利用具有特殊结构的磁场对高温等离子体进行约束，从而实现持续的核聚变反应。

在磁约束聚变的设想中，用于约束高温等离子体的磁场位形是关键因素之一。迄今为止，国际聚变界已提出多种磁约束方法，它们的磁场位形按磁力线的形状分为开端的磁镜场和闭合的环形位形磁场两类。目前广泛采用的高温核聚变等离子体准稳态磁约束的方法是环形系统托卡马克和仿星器，并且在托卡马克实验研究上取得的实质性进展证明了受控热核聚变反应堆的可行性。

多极磁阱磁约束装置作为非托卡马克型受控热核聚变等离子体磁约束的初极研究装置，与托卡马克、仿星器等磁约束装置相比，具有结构简单、体积小、成本低、能自动抑制等离子体的互换不稳定性等优点。多极磁阱装置的磁场位形特点是外部为闭合磁力线围绕形成的磁壳的强磁场区，内部为平均磁感应强度较小的弱磁场区，进入多极磁阱的等离子体被约束在弱磁场区。等离子进入多极磁阱需要穿越多极磁阱外部的磁壳，这样会两个不利的影响：一是会减少进入多极磁阱的等离子体数量；二是即使一部分能量较高的等离子可以进入到磁阱中，但会导致等离子体的能量损失，从而降低多极磁阱装置的等离子体约束效率，制约了多极磁阱装置的应用。

在这种背景下，本发明提出了一种使等离子体有效进入多极磁阱线圈的控制方法及其控制系统。通过使用溜槽线圈系统产生一个与多极磁阱外部的磁壳的磁场方向相反、大小相等的反向磁场，抵消一定区域内的多极磁阱的磁壳磁场，在多极磁阱的磁壳上打开一个“缺空”，实现了等离子体顺利注入到多极磁阱中，从而提高进入多极磁阱中等离子体的数量，减少的等离子体的能量损失。当等离子体全部注入到磁阱后，关闭溜槽线圈系统，多极磁阱的磁壳恢复到初始闭合状态，将等离子体约束在磁阱中，防止磁阱中的等离子体由抵消区域逃逸。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷，、提供一种等离子体进入多极磁阱的方法和系统。实现了对多极磁阱装置的一定区域内外部磁壳磁场的抵消中和，使等离子体顺利注入到多极磁阱中，提高了进入多极磁阱中等离子体的数量，并减少了进入磁阱中的等离子体能量损失。

为达上述目的，本发明首先提出了一种等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法，包括以下步骤：

S1：确定溜槽线圈与多极磁阱线圈的相对位置,包括溜槽线圈与多极磁阱线圈的横向距离d，以及溜槽线圈的轴线与多极磁阱线圈轴线的纵向距离h；

S2：确定溜槽线圈轴线与多极磁阱线圈轴线的夹角θ；

S3：根据所述多极磁阱线圈的半径、匝数、相对位置和多极磁阱线圈中的电流值计算所述多极磁阱线圈的外部磁壳的通用磁感应强度，并根据注入点位置数据计算出等离子体注入点的磁感应强度B2；

S4：根据等离子体注入点磁感应强度，结合所述溜槽线圈的结构参数，计算所述溜槽线圈在注入点处轴线上产生的磁感应强度为B2时所需的电流值；

S5：计算溜槽线圈的启动时刻Tc；

S6：计算溜槽线圈的工作时间Tw。

根据本发明提出的等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法，其中，所述夹角θ的取值范围在15°-30°之间。

根据本发明提出的等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法，其中，所述启动时刻Tc需要满足的条件为：所述溜槽线圈需要在等离子体到达所述溜槽线圈前启动。

根据本发明提出的等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法，其中，所述溜槽线圈的工作时间Tw的计算方法为：

T_{w} = \frac{L + d}{v}

其中v为等离子体的速度，d为溜槽线圈与多极磁阱的距离，L为溜槽线圈的长度。

根据本发明提出的等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法，其中，当等离子体完全经过溜槽线圈后，脉冲电源系统停止对溜槽线圈供电，从而关闭反向中和磁场，防止等离子体通过中和区域逃逸。

本发明同时还提供了一种等离子体进入多极磁阱线圈的控制系统，包括：

多极磁阱线圈，由多个同轴线圈组成，用于产生环形磁场位形以稳定约束等离子体束；

溜槽线圈，由两个同轴且相互平行的线圈组成，用于产生一个与所述多极磁阱线圈的外部磁壳的磁场方向相反、大小相等的反向磁场；

脉冲电源模块，与所述溜槽线圈电性相连，通过产生的脉冲电流来控制所述溜槽线圈产生的反向磁场的大小以及所述溜槽线圈的反向磁场的启停状态。

根据本发明提出的等离子体进入多极磁阱线圈的控制系统，其中，所述溜槽线圈由两个半径为r＝55mm的多匝线圈组成，每个多匝线圈采用直径为2.5mm的铜线绕指10匝，两个多匝线圈的间距为50mm。

根据本发明提出的等离子体进入多极磁阱线圈的控制系统，其中，所述溜槽线圈的轴线与所述多极磁阱线圈的轴线夹角θ的取值范围在15°-30°之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：实现了对多极磁阱线圈的一定区域内外部磁壳磁场的抵消中和，使等离子体顺利注入到多极磁阱线圈中，提高了进入多极磁阱线圈中等离子体的数量，并减少了进入磁阱线圈中的等离子体的能量损失。

附图说明

图1为本发明的等离子体进入多极磁阱线圈的控制系统的结构示意图；

图2是本发明的等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明的等离子体进入多极磁阱线圈的控制系统的结构示意图，该控制系统包括多极磁阱线圈10、溜槽线圈14以及脉冲电源13模块，其中溜槽线圈14由两个共轴且相互平行的线圈11、12组成，溜槽线圈14的轴线与多极磁阱线圈10的轴线存在一个夹角θ；脉冲电源模块13用于产生中和多极磁阱线圈10外部磁壳的反向磁场，并控制溜槽线圈14的反向磁场的开启和关闭。

所述的溜槽线圈14由两个互相平行的多匝线圈11和12组成，线圈11和线圈12的半径相同，均为r＝55mm，多匝线圈11/12采用直径为2.5mm的铜线绕指10匝，两个线圈的间距为L＝50mm。

操作时，对溜槽线圈14的两个多匝线圈11和12通入相同的电流I1，电流I1的方向与多极磁阱线圈10的电流方向相反，当通入电流I1＝200A-300A时，溜槽线圈14的轴线上产生的磁感应强度为0.03T-0.04T。溜槽线圈14的内部产生一个平行磁场，该磁场可以对通过其中的等离子体进行输运，溜槽线圈14产生的磁场与多极磁阱线圈10外部的磁壳的磁场方向相反、大小相等的反向磁场，中和一定区域内的多极磁阱线圈10的磁壳磁场，从而在多极磁阱线圈10的磁壳上打开一个“缺空”，使等离子体顺利注入到多极磁阱线圈10中。

所述的脉冲电源模块13为溜槽线圈14提供一定脉冲宽度和幅值的脉冲电流，通过对脉冲电流的脉冲宽度控制可以控制溜槽线圈14的开启和关闭时间，对脉冲电流幅值的控制可以使溜槽线圈14产生不同强度反向中和磁场。

如图2所示，本发明还给出了一种等离子体进入多极磁阱的溜槽线圈系统的控制方法。该方法包括以下步骤：

步骤21：确定溜槽线圈与多极磁阱的相对位置。使用有限元软件计算得到溜槽线圈与多极磁阱的距离为d＝13cm，溜槽线圈的轴线与多极磁阱线圈轴线的距离h＝28cm。

步骤22：确定溜槽线圈轴线与多极磁阱轴线的夹角θ，当θ＝15°时溜槽线圈产生的反向磁场中和多极磁阱的外部磁壳磁场效果较好。

步骤23：计算多极磁阱注入位置的磁感应强度。在已知多极磁阱线圈的半径、匝数、相对位置和线圈中的电流值，使用毕奥萨代尔定律计算多极磁阱中的各个线圈在空间中任意一点产生的磁感应强度。并根据将注入点位置数据计算出等离子体注入点的磁感应强度B2。

步骤24：计算溜槽线圈通过的电流值。溜槽线圈产生磁场与多极磁阱外部的磁壳的磁场方向相反、大小相等的反向磁场。在已知多极磁阱的等离子体注入点的磁感应强度B2的条件下，溜槽线圈轴线上产生的反向磁场满足B1＝-B2，则由毕奥萨代尔定律可以得出溜槽线圈的电流值。

步骤25：溜槽线圈的启动时刻Tc。为保证等离子体可靠的进入到多极磁阱中，溜槽线圈的启动时刻Tc与多极磁阱装置的启动时刻相同，即溜槽线圈系统提前开启等待离子体的注入。

步骤26：溜槽线圈的工作时间Tw。设等离子体的速度为v，等离子体通过的距离为溜槽线圈的长度L、溜槽线圈与多极磁阱之间的距离d之和。则T_W满足如下关系式：

T_{w} = \frac{L + d}{v}

当等离子体完全经过溜槽线圈后，脉冲电源系统应当停止对溜槽线圈供电，从而关闭反向中和磁场，防止等离子体通过中和区域逃逸。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2：确定溜槽线圈轴线与多极磁阱线圈轴线的夹角θ；

S5：计算溜槽线圈的启动时刻Tc；

S6：计算溜槽线圈的工作时间Tw。

2.根据权利要求1所述的等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法，其特征在于，所述夹角θ的取值范围在15°-30°之间。

3.根据权利要求1所述的等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法，其特征在于，所述启动时刻Tc需要满足的条件为：所述溜槽线圈需要在等离子体到达所述溜槽线圈前启动。

4.根据权利要求1所述的等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法，其特征在于，所述溜槽线圈的工作时间Tw的计算方法为：

T_{w} = \frac{L + d}{v}

5.根据权利要求4所述的等离子体进入多极磁阱线圈的控制方法，其特征在于，当等离子体完全经过溜槽线圈后，脉冲电源系统停止对溜槽线圈供电，从而关闭反向中和磁场，防止等离子体通过中和区域逃逸。

6.一种等离子体进入多极磁阱线圈的控制系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的等离子体进入多极磁阱线圈的控制系统，其特征在于，所述溜槽线圈由两个半径为r＝55mm的多匝线圈组成，每个多匝线圈采用直径为2.5mm的铜线绕指10匝，两个多匝线圈的间距为50mm。

8.根据权利要求6所述的等离子体进入多极磁阱线圈的控制系统，其特征在于，所述溜槽线圈的轴线与所述多极磁阱线圈的轴线夹角θ的取值范围在15°-30°之间。