CN109585117B - 一种具有支撑结构的超导线圈装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有支撑结构的超导线圈装置，涉及聚变技术领域，能够解决具有支撑结构的超导线圈内部的等离子体无法形成反场位形，进而导致等离子体无法实现聚变反应的问题。其中具有支撑结构的超导线圈装置设置在真空腔内，包括超导线圈单元与支架单元，所述超导线圈单元包括多个子超导线圈，所述支架单元包括固定所述子超导线圈的多个支架环与贯穿多个所述支架环的连接杆，所述连接杆的两端分别固定于所述真空腔的内壁。本发明用于形成有效反场位形。

Description

一种具有支撑结构的超导线圈装置

技术领域

本发明涉及聚变技术领域，尤其涉及一种具有支撑结构的超导线圈装置。

背景技术

随着人类对清洁能源的进一步需求，反场位形(FRC，Field ReverseConfiguration)的聚变方式具有高等离子体β值，高能量密度，磁场拓扑结构简单，具有可转移性，诊断手段成熟，被用于紧凑型聚变反应堆的优选技术方案之一。形成反场位形的方法很多，如环向箍缩(θ-pinch)方法、球马克融合(spheromak merging)、碰撞融合(collision merging)、旋转磁场(rotating magnetic fields)等。

其中，旋转磁场-反场位形(RMF-FRC)方案采用射频天线产生旋转磁场，旋转磁场驱动等离子体运动，磁通量保持线圈产生感应电流，通过感应电流形成径向的磁场使等离子体形成反场位形，并对等离子体进行压缩，使等离子体密度达到一定范围且维持一定时间实现聚变反应。

现有技术中，磁通量保持线圈采用铜线圈，由于铜线圈自身存在电阻，导致铜线圈产生感应电流的饱和时间很短(0.1s以内)，远低于旋转磁场-反场位形需要的饱和时间(0.5s～3s)，内部等离子体无法形成反场位形，进而无法实现聚变反应。超导线圈虽然在一定温度(例如80K，K指开尔文单位)下电阻可以忽略，能够拥有较长的饱和时间，但是无法固定于真空腔体内部，所以无法形成有效反场位形，因此，如何将超导线圈固定于真空腔体内以形成有效反场位形是需要解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术中所存在的问题，本发明的实施例提供一种具有支撑结构的超导线圈装置，使具有支撑结构的超导线圈固定于真空腔体内以形成有效反场位形，进而实现聚变反应。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

本发明实施例提供了一种具有支撑结构的超导线圈装置，设置在真空腔内，包括超导线圈单元与支架单元，超导线圈单元包括多个子超导线圈，支架单元包括固定子超导线圈的多个支架环与贯穿多个支架环的连接杆，连接杆的两端分别固定于真空腔的内壁。

进一步地，支架环上设置有超导线圈安装槽，子超导线圈卡接在超导线圈安装槽内。

进一步地，子超导线圈由多个超导带材围绕超导线圈安装槽依次层叠形成，且每圈超导带材具有切口。

进一步地，每相邻两圈超导线材的切口位置错开，且每相邻两圈超导带材的切口位置相对设置。

进一步地，每个支架环上设置有多个安装孔，连接杆贯穿安装孔将多个支架环固定连接在一起。安装孔依次对应同心设置，连接杆依次穿过支架环上的安装孔。

进一步地，每个支架环上的多个安装孔靠近支架环的边缘且沿周向均匀分布。

进一步地，支架环上设置有冷却管安装槽，冷却管安装槽与超导线圈安装槽同心设置，且位于超导线圈安装槽外侧。

进一步地，冷却管安装槽具有朝向支架环外边缘延伸的开口。

进一步地，多个子超导线圈依次间隔排列且同轴设置。

进一步地，多个支架环的外径尺寸相同，多个支架环的内径尺寸依次减小。

本发明实施例的具有支撑结构的超导线圈装置设置在真空腔内，具有支撑结构的超导线圈装置中，超导线圈单元包括多个子超导线圈，多个子超导线圈固定于多个支架环上，为了使多个子超导线圈能固定在真空腔内壁，所以使多个连接杆贯穿多个支架环，多个连接杆的两端分别固定于真空腔的内壁，进而超导线圈单元被支架单元连接在一起并固定于真空腔的内壁，以使多个子超导线圈内部等离子体形成有效反场位形，进而使等离子体实现聚变反应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例的具有支撑结构的超导线圈装置在真空腔内的安装结构示意图；

图2为本发明实施例的具有支撑结构的超导线圈装置的支架环的俯视图；

图3为图2中的A-A截面图；

图4为本发明实施例的具有支撑结构的超导线圈装置的支架环上设置超导线圈安装槽和冷却管安装槽的截面局部放大视图；

图5为本发明实施例的具有支撑结构的超导线圈装置的超导带材的缠绕方式结构示意图；

图6为本发明实施例的具有支撑结构的超导线圈装置的支架环的立体结构示意图；

图7为本发明实施例的具有支撑结构的超导线圈装置的支架环的一种不同内径尺寸例子；

图8为本发明实施例的具有支撑结构的超导线圈装置的支架环的另一种不同内径尺寸例子；

图9为本发明实施例的具有支撑结构的超导线圈装置的支架环的再一种不同内径尺寸例子；

图10为本发明实施例的具有支撑结构的超导线圈装置的支架环的第四种不同内径尺寸例子。

附图标记说明：

1-支架单元；2-支架环；3-连接杆；4-安装孔；5-第一法兰盘；6-第二法兰盘；7-超导线圈安装槽；8-超导带材；81-切口；9-冷却管安装槽；91-开口。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供的具有支撑结构的超导线圈装置，如图1和图2所示，设置在真空腔(图中未示出)内，包括超导线圈单元(图中未示出)与支架单元1，超导线圈单元包括多个子超导线圈(图中未示出)，支架单元1包括固定子超导线圈的多个支架环2与贯穿多个支架环2的连接杆3，连接杆3的两端分别固定于真空腔的内壁。

本发明实施例的具有支撑结构的超导线圈装置中，超导线圈单元包括多个子超导线圈，多个子超导线圈固定于多个支架环2上，为了使多个子超导线圈能固定在真空腔内壁，可以使多个连接杆3贯穿多个支架环2，多个连接杆3的两端分别固定于真空腔的内壁，进而超导线圈单元被支架单元1连接在一起并固定于真空腔的内壁，以使多个子超导线圈内部等离子体形成有效反场位形，进而使等离子体实现聚变反应。

支架环2固定在真空腔内的方式有很多种，比如焊接，比如卡接等，焊接虽然牢固，但是焊接不容易快速拆卸，不够灵活，适用范围不广，而且不易操作，成本较高。卡接容易实现，但是往往固定不够牢固，优选的，如图1和图2所示，支架环2上开设有安装孔4，连接杆3贯穿安装孔4将多个支架环2固定连接在一起。多个支架环2上的安装孔4依次对应同心设置，连接杆3的两端固定在真空腔的内壁上。

作为一种优选方式，如图1所示，真空腔的内壁两端设置有第一法兰盘5和第二法兰盘6，第一法兰盘5和第二法兰盘6可以焊接、卡接等方式固定在真空腔内部。超导线圈单元依靠安装孔4通过连接机构与第一法兰盘5和第二法兰盘6固定连接在真空腔内部。连接杆3穿过安装孔4连接设置在真空腔的内壁上的第一法兰盘5和第二法兰盘6，使多个子超导线圈固定在真空腔内部。连接杆3可以为整根杆件，也可以为多段等长或者不等长的杆件组成，材质可以为不锈钢，氧化铝等，连接杆3还可以设置成具有伸缩结构的杆件，这样，可以根据使用需要，调节连接杆3的长度，来实现对多个子超导线圈的排列方式进行改进，从而有效降低子超导线圈的电阻值，延长超导线圈单元内电流的饱和时间，使超导线圈单元内等离子体形成有效反场位形，进而实现聚变反应。

为了便于将超导线圈单元固定连接在在真空腔的内壁上，如图2所示，每个支架环2上的多个安装孔4靠近支架环2的边缘且沿周向均匀分布。安装孔4可以为螺丝通孔也可以为无螺纹通孔，安装孔6为螺丝通孔时，配套连接机构相应此处设置有螺纹，安装孔4为无螺纹通孔时，配套连接机构相应此处设计为紧密配合方式。

如图2所示，支架环2上设置有超导线圈安装槽7，子超导线圈卡接在超导线圈安装槽7内。为了固定牢靠，也可以将子超导线圈焊接在超导线圈安装槽7内，此处应该注意的是，如果选用焊接的方式，则焊接材料优选低温焊接材料。

进一步地，如图2～图4所示，为保护子超导线圈，还可以采用低温焊接材料将超导线圈安装槽7的顶面开口封闭，从而将子超导线圈保护起来，避免子超导线圈暴露在外，焊接材料可以为低温无铅合金焊料，焊接温度不超过超导线圈正常工作允许最高温度(例如可以为179K，K指开尔文单位)。

为了方便子超导线圈装入超导线圈安装槽7，如图3和图4所示，超导线圈安装槽7为顶面开口的“U”型槽，“U”型槽截面尺寸优选高为9mm宽为3.5mm。这个尺寸可以方便超导带材8依次层叠盘绕，而且能够容纳最少需求量的超导带材8，优选的，超导带材8的厚度范围在55-95μm之间，超导带材8盘绕大于25层。这样设置的好处是可以使电流在超导线圈单元内交替流动，确保超导线圈单元产生的感应电流达到反场位形需求的饱和时间(0.5s～3s)，同时电流强度可以在每一个子超导线圈达到1.5kA的大小，继而使等离子体形成有效反场位形，使等离子体实现聚变反应。

此外，通过改变设置在支架环2上的超导线圈安装槽7的截面尺寸大小可以使超导线圈固定在支架环2上不同位置上，也可以实现降低子超导线圈的电阻值，延长子超导线圈的饱和时间，使等离子体形成有效反场位形，进而实现聚变反应。

优选的，如图2和图3所示，超导线圈安装槽7为环形，支架环2为与超导线圈安装槽7适配的环形支架。超导线圈安装槽7为环形，超导线圈单元为与之匹配的环形，可以在保证超导线圈单元产生相同的电流大小时使每个子超导线圈的使用量最少。支架环2为环形支架还可以更方便的设置安装孔4，而且在相同内径覆盖范围内，环形为最节省材料的形状。

优选的，这里支架环2的材质为无氧铜。

需要说明的是，如图5所示，子超导线圈由超导带材8围绕超导线圈安装槽7依次层叠形成，且每圈具有切口81，每相邻两圈超导线材8的切口81位置错开，且每相邻两圈超导带材8的切口81位置相对设置。示例性的，每相邻的两圈超导带材8的切口81位置周向差距为180度，这样排布的好处是，可以保证超导带材8组成的子超导线圈内的电流可以最大限度的满足具有支撑结构的超导线圈装置正常工作的要求。超导带材8可以为ReBCO(ReBa₂Cu₃O_7-δ)、YBCO(稀土钡铜氧体系)等二代高温超导带材。超导带材8在一定温度以下时(例如可以为80K，K指开尔文单位)，超导带材8的电阻基本上可以忽略不计，子超导线圈内的电感的变化量非常小，所以子超导线圈内产生的感应电流能保持较长的饱和时间。

为了使超导带材8的电阻尽量降低，超导带材8需要冷却至一定温度以下(例如可以为80K，K指开尔文单位)，因此可以设置冷却管以对超导带材8进行冷却降温。具体的，冷却管内循环流动有冷却液。为了保证冷却效果，冷却管应尽量靠近子超导线圈设置，如图2和图6所示，在支架环2上设置有冷却管安装槽9，冷却管安装槽9与超导线圈安装槽7同心设置，且位于超导线圈安装槽7外侧，这样，冷却管可以安装在冷却管安装槽9内，进而靠近子超导线圈，保证冷却效果。需要说明的是，这里冷却液可以为液态氮。这样做的好处是，冷却管安装槽9位于超导线圈安装槽7的外侧且环形设置，冷却管与子超导线圈相邻布置，保证了冷却效果，可以更好地实现快速冷却子超导线圈至工作温度的作用。

由于冷却管里需要循环流动有冷却液才能换热降温，因此在冷却管需要引入和引出冷却液的出口，为了保证冷却液在冷却管输入口和输出口的良好流动性，冷却管上冷却液输入口和冷却液输出口处需要设置成平滑曲线型过渡管路，参照图2和图6，如果冷却管安装槽9不设置开口，为一个闭环结构，冷却管上冷却液输入口和冷却液输出口处就需要设置成90度的折角才能引入和引出冷却液，不能满足冷却液在冷却管输入口和输出口的良好流动性，因此，冷却管安装槽9设置有朝向支架环2外边缘延伸的开口91，冷却管由开口91处引入冷却管安装槽9内和引出至冷却系统。这样，可以保证冷却管为平滑曲线型过渡管路。

需要说明的是，此处，开口91优选喇叭形，开口91也可以为矩形或者其他形状。

进一步的，如图1所示，多个子超导线圈依次间隔排列且同轴设置，以便于多个子超导线圈呈线性排列，从而保证了多个子超导线圈内部等离子体形成有效反场位形，进而使等离子体实现聚变反应。

作为一种实施方式，如图1和图7～图10所示，具有支撑结构的超导线圈装置由两组内径尺寸分别为142cm、138cm、128cm和104cm(外径尺寸均为178cm)的子超导线圈对称同轴平行排列，每个子超导线圈距离对称平面中心线的距离约为3.5cm、9.0cm、15.0cm和23.0cm。此处，可根据实际需要调节多个子超导线圈的排列间距及排列顺序从而降低子超导线圈的电阻值，延长子超导线圈内电流的饱和时间，使子超导线圈内等离子体形成有效反场位形，进而实现聚变反应。

为了便于通过安装孔4将多个子超导线圈固定连接在一起且固定于真空腔内，如图7～图10所示，多个支架环2的外径尺寸相同，多个支架环2的内径尺寸依次减小。支架环2上的安装孔4的孔中心同轴设置，可以方便且通过改变设置在支架环2上的超导线圈安装槽7的内径尺寸大小可以使子超导线圈固定在支架环2上不同位置上，也可以实现降低子超导线圈的电阻值，延长子超导线圈的饱和时间，使等离子体形成有效反场位形，进而实现聚变反应。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种具有支撑结构的超导线圈装置，设置在真空腔内，其特征在于，包括超导线圈单元与支架单元，所述超导线圈单元包括多个子超导线圈，所述支架单元包括固定所述子超导线圈的多个支架环与贯穿多个所述支架环的连接杆，所述连接杆的两端分别固定于所述真空腔的内壁；所述支架环上设置有超导线圈安装槽，所述子超导线圈卡接在所述超导线圈安装槽内；所述子超导线圈由多个超导带材围绕所述超导线圈安装槽依次层叠形成，且每圈所述超导带材具有切口；每相邻两圈所述超导带材的所述切口位置错开，且每相邻两圈所述超导带材的所述切口位置相对设置。

2.根据权利要求1所述的具有支撑结构的超导线圈装置，其特征在于，所述支架环上还设置有多个安装孔，所述连接杆贯穿所述安装孔将多个所述支架环固定连接在一起，所述安装孔依次对应同心设置，所述连接杆依次穿过所述支架环上的所述安装孔。

3.根据权利要求2所述的具有支撑结构的超导线圈装置，其特征在于，每个所述支架环上的多个所述安装孔靠近所述支架环的边缘且沿周向均匀分布。

4.根据权利要求1所述的具有支撑结构的超导线圈装置，其特征在于，所述支架环上设置有冷却管安装槽，所述冷却管安装槽与所述超导线圈安装槽同心设置，且位于所述超导线圈安装槽外侧。

5.根据权利要求4所述的具有支撑结构的超导线圈装置，其特征在于，所述冷却管安装槽具有朝向所述支架环外边缘延伸的开口。

6.根据权利要求2所述的具有支撑结构的超导线圈装置，其特征在于，多个所述子超导线圈依次间隔排列且同轴设置。

7.根据权利要求1所述的具有支撑结构的超导线圈装置，其特征在于，多个所述支架环的外径尺寸相同，多个所述支架环的内径尺寸依次减小。

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