CN114582527B - 一种用于准环对称仿星器的偏滤器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁约束核聚变设备技术领域，具体涉及一种用于准环对称仿星器的偏滤器及其设计方法，所述偏滤器包括挡板、支架结构、第一靶板和第二靶板，所述第一靶板位于挡板和第二靶板之间，第一靶板、第二靶板均用于承接粒子通量和热通量，支架结构通过挡板与仿星器的真空室连接。本发明提出的偏滤器是针对准环对称仿星器设计的特殊三维靶板结构，能在存在磁岛的等离子体位形下，通过磁力线，将粒子流和热流引入到偏滤器的靶板区域，排除聚变反应产生的热能以及杂质，其设计和制造能够帮助建造完成世界上第一个准环对称磁约束仿星器装置，为国内三维等离子体物理以及相关学科的科学研究提供实验平台，对磁约束核聚变的发展和研究具有重要意义。

Description

一种用于准环对称仿星器的偏滤器及其设计方法

技术领域

本发明涉及磁约束核聚变设备技术领域，具体涉及一种仿星器用的装置，尤其涉及一种用于准环对称仿星器的偏滤器及其设计方法。

背景技术

随着社会的发展进步，人类对能源的需求越来越大，世界能源危机日益加剧。在现有的能源体系中，主要以传统的煤、石油、天然气等不可再生能源为主，这些能源不仅在使用过程中会对环境产生巨大污染，而且可供使用的年限非常有限。因此，为了维持人类社会高速的可持续发展，必须发展安全且储量丰富的清洁能源。受控核聚变能正是这样一种能源，由于其燃料在海水中储量丰富且聚变反应过程中不产生长周期放射性物质，而被公认为是解决人类能源危机的最佳途径。

核聚变反应的发生需要上亿度的高温，如此高的温度使物质被电离而形成高温等离子体。研究表明，采用强磁场可以很好地将高温等离子体中的带电粒子约束在一个磁容器内，这就是磁约束的基本原理。多年来的研究结果表明，受控磁约束聚变是最有可能率先实现聚变能商业化的途径。目前，世界上最有成效的两种受控磁约束聚变装置为托卡马克和仿星器。

对于托卡马克，虽然经过半个多世纪的不懈探索，基于托卡马克位形的磁约束聚变研究已经取得了巨大的进展；但是，托卡马克等离子体电流在接近极端条件时可能由于磁流体不稳定性引起等离子体的大破裂，从而导致装置的安全风险。

而磁约束聚变的另一类装置——仿星器的磁场完全由外置磁场线圈的电流产生。由于仿星器没有等离子体电流，故不会引起大破裂，并能够长时间稳态运行，因此它更适合作为商用聚变堆。美国、日本和德国等国家都拥有仿星器装置，国际上对仿星器的研究也从未间断。仿星器通过外置扭曲的磁场线圈，不需要等离子体电流即可产生约束高温等离子体的螺旋磁场。然而，仿星器的线圈结构和制造工艺比托卡马克复杂得多。与托卡马克相比，早期建造的传统仿星器具有很高的磁场波纹度。从原理上讲，这将引起大的新经典输运损失，导致其约束性能低于托卡马克，这正是传统仿星器未能成为国际主流的磁约束聚变位形的主要原因。鉴于仿星器位形具有无等离子体大破裂的明显优势，人们一直在坚持不懈的对仿星器进行研究，其中，改善和优化传统仿星器的磁场位形以提高其对等离子体的约束性能便成为近年来磁约束聚变研究的焦点之一。

通过了解和分析当前国际上现有的磁约束聚变装置的特性，申请人设计了一种将托卡马克与传统仿星器优势相结合的准环对称磁场位形的仿星器，该准环对称仿星器包括线圈系统、真空系统、支撑系统、电源系统、水冷系统、中央控制系统、加热和诊断系统，所述准环对称仿星器的主机结构如图6所示，而偏滤器是真空系统的重要组成部件之一，其作用是在存在磁岛的等离子体位形下，通过磁力线，将粒子流和热流引入到偏滤器靶板区域，排除聚变反应产生的热能以及杂质。

为帮助发明制造一种对等离子体具有优异约束性能的准环对称仿星器，本发明提供一种用于准环对称仿星器的偏滤器及其设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于准环对称仿星器的偏滤器及其设计方法，所述偏滤器包括挡板、支架结构、第一靶板和第二靶板，所述第一靶板位于挡板和第二靶板之间，第一靶板、第二靶板均用于承接粒子通量和热通量，且第一靶板和第二靶板与支架结构连接，支架结构通过挡板与仿星器的真空室连接。本发明提出的偏滤器是针对准环对称仿星器设计的特殊三维靶板结构，能够在存在磁岛的等离子体位形下，通过磁力线，将粒子流和热流引入到偏滤器的靶板区域，排除聚变反应产生的热能以及杂质，其设计和制造能够帮助建造完成世界上第一个准环对称磁约束仿星器装置，为国内三维等离子体物理以及相关学科的科学研究提供实验平台，对磁约束受控核聚变的发展和研究具有重要意义。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用于准环对称仿星器的偏滤器，包括挡板、支架结构、第一靶板和第二靶板，所述第一靶板位于挡板和第二靶板之间，第一靶板和第二靶板均用于承接粒子通量和热通量，且第一靶板和第二靶板均与支架结构连接，支架结构通过挡板与准环对称仿星器的真空室连接；挡板、第一靶板和第二靶板连接后所组成的结构，截面呈“Z”字形。

进一步的，所述支架结构设置在靠近真空室的一侧，挡板、第一靶板和第二靶板均分别包括底板层、石墨层和热沉层，所述热沉层位于底板层和石墨层之间，石墨层靠近准环对称仿星器的最外闭合磁面设置。

更进一步的，所述支架结构包括多个支撑连接件，所述支撑连接件的一端与第二靶板连接，支撑连接件的中部与第一靶板连接，支撑连接件的另一端与挡板连接。

作为优选方案，第一靶板和第二靶板通过支撑连接件连接后形成截面呈“V”字形的结构，“V”字形结构的内侧面为第一靶板和第二靶板上铺设的石墨层，第一靶板和第二靶板构成的“V”字形结构的内侧表面均为曲面，且曲面形状与安装部位对应的最外闭合磁面的曲面形状相适配。

作为更优选的方案，所述石墨层由多个呈阵列设置的石墨块构成，第一靶板和第二靶板构成的“V”字形结构的内侧表面为作用面。

一种准环对称仿星器偏滤器的设计方法，用于设计上述偏滤器，包括以下步骤：

步骤S100：确定第一靶板和第二靶板的曲面形状；

获取准环对称仿星器的柱坐标系下最外闭合磁面的坐标：

式中：R表示柱坐标系内沿水平方向的环向坐标，Z表示柱坐标系内沿高度方向的纵向坐标，通过R和Z确定柱坐标系下的最外闭合磁面的坐标；

R _mn 表示磁面各模对应的R坐标的傅里叶分量，Z _mn 表示磁面各模对应的Z坐标傅里叶分量，θ表示极向角，φ表示环向角，s表示径向归一化磁通，m表示极向模数，n表示环向模数，N _p 表示环向周期数；

将最外闭合磁面的坐标值进行可视化处理，得到最外闭合磁面的曲面形状；根据准环对称仿星器的最外闭合磁面的曲面形状，确定第一靶板和第二靶板的曲面形状，所述第一靶板和第二靶板的曲面形状与准环对称仿星器的最外闭合磁面的曲面形状相适配。

步骤S200：确定最外闭合磁面上的向量参数：

式中：r表示坐标位置在(X, Y, Z)的位移矢量，r _u 表示极向方向的偏导数向量，r _v 表示环向方向的偏导数向量，i表示极向单位向量，j表示环向单位向量，k表示磁通方向的单位向量，u表示极向坐标，v表示环向坐标，r _uu 表示极向方向的二阶偏导数向量，r _uv 表示极向加环向方向的二阶偏导数，r _vv 表示环向方向的二阶偏导数向量，∂表示偏微分；

步骤S300：确定第一基本形式的系数和第二基本形式的系数；

第一基本形式的系数包括E、F、G，由以下公式得到：

定义对表面的单位法线a

第二基本形式的系数包括L、M、N，由以下公式得到：

式中：E表示第一基本形式系数一、F表示第一基本形式系数二、G表示第一基本形式系数三；a表示单位法线；L表示第二基本形式系数一、M表示第二基本形式系数二、N表示第二基本形式系数三；

步骤S400：确定平均曲率和高斯曲率；

平均曲率为：

高斯曲率为：

式中：K _m 表示平均曲率，K _g 表示高斯曲率；

步骤S500：计算最外闭合磁面的极向曲率，并设定最外闭合磁面的极向曲率的上限值；

式中：K _p 表示最外闭合磁面的极向曲率；

步骤S600：确定偏滤器的安装位置，最外闭合磁面的极向曲率K _p 超过设定的上限值的部位，为最外闭合磁面上的极向局部区域脊，在极向局部区域脊的位置安装偏滤器。

优选的，设定最外闭合磁面的极向曲率的上限值为0.8 m^-1。

进一步的，第一靶板和第二靶板的作用面与准环对称仿星器的极向局部区域脊所在的切面相对应。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种用于准环对称仿星器的偏滤器及其设计方法，是针对准环对称仿星器设计的特殊三维靶板结构，能够在存在磁岛的等离子体位形下，通过磁力线，将粒子流和热流引入到偏滤器的靶板区域，排除聚变反应产生的热能以及杂质，其设计和制造能够帮助建造完成世界上第一个准环对称磁约束仿星器装置，为国内三维等离子体物理以及相关学科的科学研究提供实验平台，对磁约束受控核聚变的发展和研究具有重要意义。

附图说明

图1为本发明提出的偏滤器的结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为本发明提出的偏滤器在另一个视角下的结构示意图；

图4为本发明提出的偏滤器在第三个视角下的结构示意图；

图5为本发明提出的偏滤器的使用状态图；

图6为准环对称仿星器主机的结构示意图；

图中，1、挡板；2、第一靶板；3、第二靶板；4、支架结构；5、热沉层；6、石墨层；410、支撑连接件；100、偏滤器；200、线圈系统；300、真空系统；400、支撑系统；800、最外闭合磁面。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

申请人设计了一种将托卡马克与传统仿星器优势相结合的准环对称仿星器，具体如图6所示，所述准环对称仿星器包括线圈系统200、真空系统300和支撑系统400，真空系统300包括真空室。

本实施方式提出的一种用于准环对称仿星器的偏滤器100，如图1至图5所示，偏滤器100是真空系统300的重要组成部件，偏滤器的作用是在存在磁岛的等离子体位形下，通过磁力线，将粒子流和热流引入到偏滤器的靶板区域，以排除聚变反应产生的热能以及杂质。

如图1~图5所示，本实施方式提出的一种用于准环对称仿星器的偏滤器100，包括挡板1、支架结构4、第一靶板2和第二靶板3，所述第一靶板2位于挡板1和第二靶板3之间，第一靶板2和第二靶板3均用于承接粒子通量和热通量，第一靶板2和第二靶板3构成靶板区域，且第一靶板2和第二靶板3均与支架结构4连接，支架结构4通过挡板1与准环对称仿星器的真空室连接。

具体地，所述支架结构4设置在靠近真空室内壁的一侧，挡板1、第一靶板2和第二靶板3均分别包括底板层、石墨层6和热沉层5，且所述热沉层5设于底板层和石墨层6之间，石墨层6靠近准环对称仿星器的最外闭合磁面800设置。

具体地，所述石墨层6由多个呈阵列设置的石墨块构成。

具体地，所述底板层为不锈钢材质。

具体地，所述支架结构4包括多个支撑连接件410，所述支撑连接件410的一端与第二靶板3连接，并具体与第二靶板3的底板层连接；支撑连接件410的中部与第一靶板2连接，支撑连接件410的另一端与挡板1连接，并具体与挡板1的底板层连接。

具体地，挡板1、第一靶板2和第二靶板3通过支撑连接件410连接，挡板1、第一靶板2和第二靶板3连接后所组成的结构，截面呈“Z”形，参照图4所示。

如图1所示，第一靶板2和第二靶板3通过支撑连接件410连接后形成截面呈“V”字形的结构，“V”字形结构的内侧面为第一靶板2和第二靶板3上铺设的石墨层6，且第一靶板2和第二靶板3构成的“V”字形结构的内侧表面均为曲面，该曲面形状与其安装部位对应的最外闭合磁面800的曲面相适配。

本实施方式还提出一种偏滤器的设计方法，用于确定偏滤器的第一靶板2和第二靶板3的曲面形状，以及确定偏滤器的安装位置。

一种偏滤器的设计方法，包括以下步骤：

步骤S100：确定第一靶板2和第二靶板3的曲面形状；

获取准环对称仿星器的柱坐标系下最外闭合磁面的坐标：

式中：R表示柱坐标系内沿水平方向的环向坐标，Z表示柱坐标系内沿高度方向的纵向坐标，通过R和Z确定柱坐标系下的最外闭合磁面的坐标；

R _mn 表示磁面各模对应的R坐标的傅里叶分量，Z _mn 表示磁面各模对应的Z坐标傅里叶分量，θ表示极向角，φ表示环向角，s表示径向归一化磁通，m表示极向模数，n表示环向模数，N _p 表示环向周期数；

将最外闭合磁面的坐标值进行可视化处理，得到最外闭合磁面800的曲面形状；

根据准环对称仿星器的最外闭合磁面800的曲面形状，确定第一靶板2和第二靶板3的曲面形状，所述第一靶板2和第二靶板3的曲面形状与准环对称仿星器的最外闭合磁面800的曲面形状相适配；

步骤S200：确定最外闭合磁面上的向量参数：

式中：r表示坐标位置在(X, Y, Z)的位移矢量，r _u 表示极向方向的偏导数向量，r _v 表示环向方向的偏导数向量，i表示极向单位向量，j表示环向单位向量，k表示磁通方向的单位向量，u表示极向坐标，v表示环向坐标，r _uu 表示极向方向的二阶偏导数向量，r _uv 表示极向加环向方向的二阶偏导数，r _vv 表示环向方向的二阶偏导数向量，∂表示偏微分；

步骤S300：确定第一基本形式的系数和第二基本形式的系数；

第一基本形式的系数包括E、F、G ，由以下公式得到：

定义对表面的单位法线a

第二基本形式的系数包括L、M、N，由以下公式得到：

式中：E表示第一基本形式系数一、F表示第一基本形式系数二、G表示第一基本形式系数三；a表示单位法线；L表示第二基本形式系数一、M表示第二基本形式系数二、N表示第二基本形式系数三；

步骤S400：确定平均曲率和高斯曲率；

平均曲率为：

高斯曲率为：

式中：K _m 表示平均曲率，K _g 表示高斯曲率；

步骤S500：计算最外闭合磁面的极向曲率，并设定最外闭合磁面的极向曲率的上限值；

式中：K _p 表示最外闭合磁面的极向曲率；

步骤S600：确定偏滤器的安装位置，最外闭合磁面800的极向曲率K _p 超过设定的上限值的部位，为最外闭合磁面800上的极向局部区域脊，在极向局部区域脊的位置安装偏滤器100。

在本实施方式中，通过极向曲率K _p 确定最外闭合磁面800上的极向局部区域脊，将磁面上极向曲率K _p 值大于设定的上限值的部位，设定为极向局部区域脊，在极向局部区域脊对应的位置安装偏滤器，并让第一靶板2、第二靶板3与极向局部区域脊所在的磁面对应设置。

具体地，第一靶板2、第二靶板3的作用面与极向局部区域脊所在的切面对应，第一靶板2和第二靶板3上设置的石墨层6的表面为作用面。

经过反复计算与试验模拟，本实施方式最终得出，将最外闭合磁面800的极向曲率的上限值设定为0.8 m^-1最为合适。

使用时，在准环对称仿星器工作时，对于仿星器中非共振偏滤器位形，其主要特征是在最外闭合磁面800附近存在尖锐的“脊”；在这些“脊”的极向局部区域，磁力线沿着“脊”，这意味着峰曲率的方向垂直于场线；这与托卡马克偏滤器上X点的位形很相似，但与之不同的是“脊”是螺旋式的旋转结构，并且它只存在于表明的固定环形范围内。将偏滤器100安装在“脊”所在的极向局部区域，让第一靶板2、第二靶板3与极向局部区域脊所在磁面对应设置，当等离子体由于径向输运通过最外闭合磁面800进入刮削层后，随着刮削层区的磁力线最终到达偏滤器100的第一靶板2和第二靶板3上，再通过第一靶板2和第二靶板3处设置的导热部件和抽气泵，从而起到排热和排杂的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于准环对称仿星器的偏滤器，其特征在于，包括挡板、支架结构、第一靶板和第二靶板，所述第一靶板位于挡板和第二靶板之间，第一靶板和第二靶板均用于承接粒子通量和热通量，且第一靶板和第二靶板均与支架结构连接，支架结构通过挡板与准环对称仿星器的真空室连接；挡板、第一靶板和第二靶板连接后所组成的结构，截面呈“Z”字形；

所述支架结构包括多个支撑连接件，所述支撑连接件的一端与第二靶板连接，支撑连接件的中部与第一靶板连接，支撑连接件的另一端与挡板连接；第一靶板和第二靶板通过支撑连接件连接后形成截面呈“V”字形的结构，第一靶板和第二靶板构成的“V”字形结构的内侧表面均为曲面，且第一靶板和第二靶板的曲面形状以及偏滤器的安装位置按如下步骤确定：

步骤S100：确定第一靶板和第二靶板的曲面形状；

获取准环对称仿星器的柱坐标系下最外闭合磁面的坐标：

式中：R表示柱坐标系内沿水平方向的环向坐标，Z表示柱坐标系内沿高度方向的纵向坐标，通过R和Z确定柱坐标系下的最外闭合磁面的坐标；

R _mn 表示磁面各模对应的R坐标的傅里叶分量，Z _mn 表示磁面各模对应的Z坐标傅里叶分量，θ表示极向角，φ表示环向角，s表示径向归一化磁通，m表示极向模数，n表示环向模数，N _p 表示环向周期数；

将最外闭合磁面的坐标值进行可视化处理，得到最外闭合磁面的曲面形状；

根据最外闭合磁面的曲面形状，确定第一靶板和第二靶板的曲面形状，所述第一靶板和第二靶板的曲面形状与最外闭合磁面的曲面形状相适配；

步骤S200：确定最外闭合磁面上的向量参数：

式中：r表示坐标位置在(X, Y, Z)的位移矢量，r _u 表示极向方向的偏导数向量，r _v 表示环向方向的偏导数向量，i表示极向单位向量，j表示环向单位向量，k表示磁通方向的单位向量，u表示极向坐标，v表示环向坐标，r _uu 表示极向方向的二阶偏导数向量，r _uv 表示极向加环向方向的二阶偏导数向量，r _vv 表示环向方向的二阶偏导数向量，∂表示偏微分；

步骤S300：确定第一基本形式的系数和第二基本形式的系数；

第一基本形式的系数包括E、F、G，由以下公式得到：

定义对表面的单位法线a

第二基本形式的系数包括L、M、N，由以下公式得到：

式中：E表示第一基本形式系数一、F表示第一基本形式系数二、G表示第一基本形式系数三；a表示单位法线；L表示第二基本形式系数一、M表示第二基本形式系数二、N表示第二基本形式系数三；

步骤S400：确定平均曲率和高斯曲率；

平均曲率为：

高斯曲率为：

式中：K _m 表示平均曲率，K _g 表示高斯曲率；

步骤S500：计算最外闭合磁面的极向曲率，并设定最外闭合磁面的极向曲率的上限值；

式中：K _p 表示最外闭合磁面的极向曲率；

步骤S600：确定偏滤器的安装位置，最外闭合磁面的极向曲率K _p 超过设定的上限值的部位，为最外闭合磁面上的极向局部区域脊，在极向局部区域脊的位置安装偏滤器。

2.根据权利要求1所述的一种用于准环对称仿星器的偏滤器，其特征在于，所述支架结构设置在靠近真空室的一侧，挡板、第一靶板和第二靶板均分别包括底板层、石墨层和热沉层，所述热沉层位于底板层和石墨层之间，石墨层靠近准环对称仿星器的最外闭合磁面设置。

3.根据权利要求2所述的一种用于准环对称仿星器的偏滤器，其特征在于，“V”字形结构的内侧面为第一靶板和第二靶板上铺设的石墨层，所述石墨层由多个呈阵列设置的石墨块构成，第一靶板和第二靶板构成的“V”字形结构的内侧表面为作用面。

4.根据权利要求1所述的一种用于准环对称仿星器的偏滤器，其特征在于，最外闭合磁面的极向曲率的上限值为0.8m^-1。

5.根据权利要求1所述的一种用于准环对称仿星器的偏滤器，其特征在于，第一靶板和第二靶板的作用面与准环对称仿星器的极向局部区域脊所在的切面相对应。

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