CN111566755B - 双极向场线圈 - Google Patents
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Abstract
一种用于托卡马克装置的极向场线圈组件。极向场线圈组件包括内部极向场线圈和外部极向场线圈以及控制器。内部极向场线圈被配置为安装在托卡马克装置的环形场线圈的内部。外部极向场线圈被配置为安装在环形场线圈的外部。控制器被配置为使电流被供应到内部极向场线圈和外部极向场线圈，使得由内部极向场线圈和外部极向场线圈产生的组合磁场具有位于环形场线圈处的零位。
Description
技术领域
本发明涉及托卡马克等离子体室。具体地，本发明涉及极向场线圈相对于环形场线圈的定位。
背景技术
产生核聚变动力的挑战非常复杂。除了托卡马克装置之外，已经提出了许多替代性装置，但是还没有一种装置产生与目前运行的最佳托卡马克装置(诸如JET)相当的结果。
在ITER(国际热核实验堆)开始建造后，世界核聚变研究进入了新阶段，这是有史以来最大且最昂贵(约150亿欧元)的托卡马克装置。通往商用核聚变反应堆的成功途径需要长脉冲、稳定运行以及使发电经济所需的高效率。这三个条件很难同时实现，并且计划的程序将需要对ITER和其他核聚变设施进行多年的实验研究以及理论和技术研究。人们普遍预计，通过这种途径开发的商用核聚变反应堆将不会在2050年之前建成。
为了获得经济发电所需的核聚变反应(即，功率输出比功率输入更多)，常规的托卡马克装置必须很大(如ITER所示)，以便能量限制时间(其与等离子体体积大致成比例)可以足够大，使得等离子体可以足够热以发生热核聚变。
WO 2013/030554描述了一种替代性方法，该方法包括使用紧凑的球形托卡马克装置作为中子源或能量源。球形托卡马克装置中的低纵横比的等离子体形状改善了热限制时间，并且允许在更小的机器中净发电功率。然而，小直径的中心柱是必需的，这为等离子体稳定性所需的环形磁体的设计提出了挑战。为了允许足够的电流密度来实现所需的高磁场，超导磁体至少用于球形托卡马克装置的环形场(TF)线圈。
超导材料通常分为“高温超导体”(HTS)和“低温超导体”(LTS)。LTS材料(诸如Nb和NbTi)是可以通过BCS理论描述其超导性的金属或金属合金。所有低温超导体都具有低于约30K的临界温度(如果高于该临界温度，则即使在零磁场下，材料也不会超导)。BCS理论并未描述HTS材料的行为，并且此类材料具有的临界温度可以超过30K(尽管应注意的是，定义HTS材料的是超导操作和成分方面的物理差异而不是临界温度)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”——基于铜酸盐(含有氧化铜基团的化合物)的陶瓷，诸如BSCCO或ReBCO(其中，Re是稀土元素，通常是Y或Gd)。其他HTS材料包括铁磷化物(例如FeAs和FeSe)和二硼酸镁(MgB2)。
ReBCO通常被制造为带，其结构如图1所示。一般来说，这种带500的厚度通常为约100微米，并且包括基底501(典型地是电抛光的哈氏合金，厚度为约50微米)，该基底上通过IBAD、磁控溅射或者其他适当的技术沉积了一系列缓冲层，这一系列缓冲层被称为缓冲堆叠体502，厚度约为0.2微米。外延ReBCO-HTS层503(通过MOCVD或者其他适当的技术沉积)覆盖在缓冲堆叠体上，并且通常为1微米厚。1-2微米的银层504通过溅射或者其他适当的技术沉积在HTS层上，并且铜稳定剂层505通过电镀或者其他适当的技术沉积在带上，其通常将带完全封装。
基底501提供了可以通过制造线供给的机械主干，并且允许后续层的增长。需要缓冲堆叠体502提供使HTS层在其上增长的双轴地起纹理的晶体模板，并且防止元素从基底到HTS的化学扩散，该元素破坏HTS的超导特性。需要银层504提供从ReBCO到稳定剂层的低电阻界面，并且在ReBCO的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下，稳定剂层505提供替代性电流路径。
为了形成高电流容量的导体，可以布置HTS带以形成电缆。在每条电缆中，存在多个带，并且所有带的铜稳定剂层都已连接(通常通过附加的铜包层)。有两种通用方法来形成电缆——HTS带可以移置和/或绞合，或者电缆可以被堆叠。移置或绞合的电缆通常用于AC或快速倾斜的磁体中，因为这种结构显著降低了磁体的耦合损耗。堆叠的电缆通常用于慢速倾斜的磁体中，例如托卡马克装置的TF线圈，因为这样允许带相对于局部磁场进行布置，使得将临界电流IC增至最大。
一段HTS磁带上的电压以高度非线性的方式依赖于传输电流I，通常通过以下方式对其进行参数设置：
其中，E0＝100nV/m是定义的临界电流标准，n是模拟超导到正态跃迁的锐度的实验参数；对于ReBCO，n通常在20至50的范围内。根据n的值，对于I/IC＜～0.8的值，电压可以忽略不计。
当带中的电流接近临界电流时，HTS带将停止超导。这可以通过增加传输电流I或减小临界电流IC来发生。有数个因素可能降低临界电流，最明显的是温度、外部磁场和应变。减少任何这些因素将改善HTS带的稳定性。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于托卡马克装置的磁体组件，所述磁体组件包括：
包括高温超导体的环形场线圈；以及
极向场线圈组件，所述极向场线圈组件包括：
内部极向场线圈；
外部极向场线圈；以及
控制器，其中：
所述内部极向场线圈被安装在所述环形场线圈的内部；
所述外部极向场线圈被安装在所述环形场线圈的外部；并且
所述控制器被配置成使电流被供应到所述内部极向场线圈和所述外部极向场线圈，使得由所述内部极向场线圈和所述外部极向场线圈产生的组合磁场具有位于所述环形场线圈处的零位。
优选地，每个极向场线圈包括高温超导体。
优选地，所述环形场线圈包括接头，并且所述内部极向场线圈和所述外部极向场线圈被定位成使得由所述内部极向场线圈和所述外部极向场线圈产生的组合磁场具有位于所述接头处的零位。
根据第二方面，提供了一种托卡马克装置，所述托卡马克装置包括环形等离子体室和根据第一方面所述的磁体组件。
附图说明
图1是HTS带的示意图；
图2是托卡马克装置在极向平面中的剖面；
图3是由线圈产生的磁场的图；
图4是示例性托卡马克装置的剖视图；以及
图5是图4的极向场线圈组件之一的放大图。
具体实施方式
在图2中示出了托卡马克装置的一侧的剖面。托卡马克装置200包括：环形等离子体室201；具有返回臂221和中心柱222的环形场(TF)线圈220；以及极向场(PF)线圈230、231、232、233、234、235。TF线圈220在等离子体室201中提供环形磁场。PF线圈执行各种功能，例如合并压缩(MC)线圈230提供脉冲以引发等离子体，并且分流器线圈231、232在托卡马克装置操作期间拉长等离子体包膜202。广义上讲，PF线圈可以分为两组——第一组(其包括MC线圈230)仅在短时段内通电，典型地在等离子体的引发期间通电；第二组(其包括分流器线圈231)在托卡马克装置运行期间的长时段内通电。
每个PF线圈可以包括高温超导体。
每个PF线圈典型地被构造为单个导体环。导体可以是超导导电的，或者是正常导电的，这取决于线圈所需的特性，例如，承载AC电流的线圈在其由超导材料制成时典型地会经历高损耗，因此，优选正常导电的材料。图3示出了由导线302的回路产生的磁场301的剖面(在平面300上)。每个PF线圈将产生相同的场图案。如图所示，靠近PF线圈的场相对较强。
再次参考图2，将看到托卡马克装置的数个PF线圈靠近TF线圈。这意味着PF线圈将向TF线圈施加外部磁场，这将减小TF线圈中超导材料的临界电流。
为了避免这种影响，提出了一种替代性构造。虽然这在图4中被示出为一组分流器线圈(相当于图2中的分流器线圈231)，但是可以通过适当的调整而扩展到任何PF线圈。图4示出了包括环形等离子体室401和TF线圈420的示例性托卡马克装置400，该TF线圈包括中心柱421和返回臂422。托卡马克装置400还包括上部PF线圈组件430和下部PF线圈组件440，每个组件都包括内部PF线圈431、441和外部PF线圈432、442。图4所示的每个特征都具有围绕中心柱421的柱形对称性。在每个组件中，内部PF线圈431、441位于TF线圈420的内部(即，位于TF线圈420与环形等离子体室401之间)，并且外部PF线圈432、442位于TF线圈420的外部。
图5是上部PF线圈组件430的放大图，图中示出了在极向平面中的操作期间，内部PF线圈431和外部PF线圈432产生的磁场(为了简化图示，忽略了来自托卡马克装置中的其他部件的场；但是在设计过程中以及在运行时，这些其他场将被包括在内并考虑在内)。PF线圈组件430被配置为使得内部和外部线圈中的电流沿相同方向(在该示例中为“流入纸面”)流动。两个线圈之间的磁场形成零位502，该零位位于两个线圈之间的一距离处，该距离取决于两个线圈的相对电流。在两个线圈的外部，在远场区域501中，每个线圈产生的磁场将彼此增强。控制每个线圈的电流，使得PF线圈组件产生的远场501与图2中的单个等效场线圈基本相同，并且使得两个线圈的相对电流使零位502形成在TF线圈420上。这意味着与等效单个PF线圈的影响相比，PF线圈组件的磁场对TF线圈的临界电流的影响被显著减小。
可以基于TF线圈的设计来选择TF线圈上的零位的确切位置。例如，如果在TF线圈上有任何“热点”被预期为较不稳定或通常具有较低的IC(例如接头)，则内部PF线圈431和外部PF线圈432可以被定位成使得零位位于该热点(例如接头)处。
这种构造对于替换在托卡马克装置的运行期间连续活跃并且靠近TF线圈(诸如分流器线圈)定位的PF线圈是最有利的。然而，这种构造也可以用来替换磁体的其他PF线圈。
这种构造既可以用于球形托卡马克装置，也可以用于常规的大纵横比的托卡马克装置。
Claims (5)
1.一种用于托卡马克装置的磁体组件，所述磁体组件包括：
包括高温超导体的环形场线圈；以及
极向场线圈组件，所述极向场线圈组件包括：
内部极向场线圈；
外部极向场线圈；以及
控制器，其中：
所述内部极向场线圈被安装在所述环形场线圈的内部；
所述外部极向场线圈被安装在所述环形场线圈的外部；并且
所述控制器被配置成使电流被供应到所述内部极向场线圈和所述外部极向场线圈，使得由所述内部极向场线圈和所述外部极向场线圈产生的组合磁场具有位于所述环形场线圈处的零位。
2.根据权利要求1所述的磁体组件，其中，每个极向场线圈包括高温超导体。
3.根据权利要求1所述的磁体组件，其中，所述环形场线圈包括接头，并且其中，所述内部极向场线圈和所述外部极向场线圈被定位成使得由所述内部极向场线圈和所述外部极向场线圈产生的组合磁场具有位于所述接头处的零位。
4.一种托卡马克装置，包括环形等离子体室和根据权利要求1所述的磁体组件。
5.根据权利要求4所述的托卡马克装置，其中，所述托卡马克装置是球形托卡马克装置。
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