CN117396984A - 一种改进的核聚变反应堆 - Google Patents
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Abstract
一种球形托卡马克装置，配置为利用负三角形的等离子体运行，包括用于容纳等离子体的腔室(100)。所述托卡马克装置配置为，在运行期间，所述等离子体在上部等离子体区域(UR)和下部等离子体区域(LR)中限定具有径向内部等离子体分离腿(L1)和径向外部等离子体分离腿(L2)的轮廓；并且其中：腔室(100)包括用于接收上部等离子体区域(UR)的上部区域(100a)和接收下部等离子体区域(LR)的下部区域(100b)。腔室(100)的上部区域(100a)和/或下部区域(100b)配备有至少一个偏滤器(300)，其配置为利用负三角形的等离子体运行。该至少一个偏滤器(300)包括偏滤器板(210、220)和偏滤器磁场线圈(D1a‑D6a、D1b‑D6b)，其中，所述偏滤器磁场线圈(300)配置为驱动所述径向内部等离子体分离腿(L1)和径向外部等离子体分离腿(L2)朝向各自的偏滤器板(210、220)；配置为利用负三角形的等离子体运行的所述至少一个偏滤器(300)包括入口，该入口位于外部支撑容器(V)中，相对于相应区域(100a、100b)的点X(PXP)的径向最外位置。在运行期间，径向内部等离子体分离腿(L1)和径向外部等离子体分离腿(L2)在所述点X(PXP)处相交。
Description
技术领域
本发明涉及一种托卡马克型的核聚变反应堆，特别是配置为利用负三角形的等离子体运行的球形托卡马克型的核聚变反应堆。
背景技术
聚变反应被认为是一个绝佳的机会，能够为地面用途和太空任务产生丰富、生态友好且经济可行的能量。已知的核聚变系统之一是所谓的球形托卡马克装置。
低纵横比托卡马克装置或球形托卡马克装置是一种长半径(从环形体的中心到中心轴的距离)与短半径(环形体的半径)之比大约为1的托卡马克装置。如此低的纵横比会导致非常自然的等离子体构型，具有高伸长率和三角形，这对等离子体有许多有益的影响。
这种设计的优点早在第一个模型[Peng(1986)]建立之前就已经为人所知，但当时认为，与中心柱宽度相关的限制将使其难以用环形磁场线圈和螺线管中心获得环形磁场和其运行所需的欧姆感应[Lazarus(1985)]。
第一个建成并投入运行的球形托卡马克装置是START设备[Sykes(1992)]，该设备迅速达到β值，即约束等离子体所需的等离子体压力与磁压力之比，比以前在传统托卡马克装置上发现的最大值[Strait(1994)]的两倍多[Gryaznevich(1998)]。这意味着需要较小的环形磁场来实现高等离子体压力。
在过去，除了增加的稳定性极限β之外，还注意到这种设计的其他优点，包括：高水平的等离子体内自感应电流[Akers(2000)]；高水平的能量约束(也高于传统托卡马克装置 良好的磁流体动力学稳定性；以及，随着β的增加，由粒子引起的不稳定能量模式的振幅和数量都减少[Gryaznevich(2004)]。
在START之后，已经建造了具有这些设计特点的各种其他设备，包括PEGASUS[Fonck(1996)]、Globus-M[Gusev(1999)]、NSTX[Ono(2000)]、MAST[Sykes(2001)]、ETE[Berni(2003)]，等等。
在托卡马克装置放电过程中，观察到等离子体的垂直膨胀和形成“D”形的形状可能会产生双重效果：减少通过等离子体的能量传输，从而减少达到给定温度所需的热量；同时提高临界磁流体动力学不稳定性出现前的压力极限，已知磁流体动力学不稳定性会导致中断而停机[Troyon(1984)]。
[Moret(1997)]对托卡马克装置à配置变量(TCV)进行了一些关于等离子体构型对约束影响的研究，这是一种纵横比R/a约3.5(尽管它可以随构型而有很大的变化)的“传统”托卡马克装置，并且具有大量独立的磁场线圈，有助于对等离子体构型进行此类研究。
在这些研究过程中分析的所有情况中，等离子体都局限于涂有石墨瓦的中心柱，并且等离子体的加热通过欧姆方式获得，即通过感应等离子体电流产生的电阻加热。
这些研究包括“倒D”或“负三角形”形状，并发现，与正三角形相比，稍微负的三角形或没有三角形保证更好的约束。然后，[Pochelon(1999)]将这些实验扩展到通过电子回旋加速器进行加热，这种加热方式能够改变等离子体不同区域的加热沉积，从而能够通过等离子体来估计构型对能量约束的影响。
已经观察到，负三角形对能量约束具有有利的影响，计算为(1+δ)-0.35，但随着热功率的增加，这种影响趋向于减弱。还发现，当在负三角形的情况下施加高热输出时，与加热相关的等离子体不稳定性(会降低约束)不那么明显。
然后，[Camenen(2007)]在TCV进行了其他测试。测试表明，为了获得相同的温度曲线，在负三角形(δ＝-0.4)情况下所需的热功率只有正三角形(δ＝0.4)情况下的一半。[Fontana(2007)]和[Huang(2018)]在TCV进行的进一步测试发现，具有负三角形的等离子体的构型减少了密度和温度的波动以及能量传输。对三角形影响的进一步研究随后在DIII-D上进行，详见[Marinoni(2019)，Austin(2019)]。DIII-D是纵横比在常规范围内(R/a约4.25)的另一种托卡马克装置。与TCV一样，放电仅限于涂有石墨瓦的中心柱，但在这些测试中，可以施加更多的热量给电子和离子，使得压力能够达到与反应堆使用目的相关的条件。
以前观察到，通过施加足够的热量，正三角形形式的等离子体自发地进入“高约束模式(模式H)”，其中能量约束显著增加并在等离子体的边缘形成压力阶跃；然而，这种阶跃涉及到被称为“边缘局部模式(ELM)”的不稳定性，这种不稳定性会降低约束，并可能导致反应堆损坏和因中断而终止射流。
在对DIII-D进行的负三角形研究中，发现有可能在与H模式相关的ELM不稳定性的情况下，获得类似于该H模式的约束。由于DIII-D上可用的加热系统可以对离子温度等于电子温度的情况以及电子温度高得多的情况进行调查，在所有情况下，与具有正三角形的等效放电相比，存在负三角形的等离子体外部的一半处的湍流波动降低了10-50％。
然后，[Merlo(2019)]分析了TCV上电子和离子具有相同温度的进一步放电，也发现在这种情况下，负三角形具有更好的约束。
这些负三角形的示例也已经用理论模型进行了广泛的分析。
[Hsu(1996)]使用高β平衡(等离子体压力/磁压力)的分析模型来研究由几何形状决定的对稳定性的影响，发现负三角形对托卡马克装置的稳定性有有益的影响。
[Rewoldt(1982)]对与数值磁流体力学模型接口的等离子体模式进行了分析，并显示了具有低β值的类似模式，尽管这被认为不是特别重要。
[Marinoni(2009)]使用局部陀螺动力学代码模拟TCV点火期间的不同等离子体区域，首次尝试再现负三角形的实验结果，并对约束方面进行了改进。在这种情况下，存在负三角形时发现了电子热通量的减少，但仅在三角形对局部几何形状有显著影响的区域，这种情况不会发生在靠近等离子体核心的区域，在那里实验观察到了湍流的抑制。
[Merlo(2015)]对TCV中的点火进行了进一步的局部陀螺动力学模拟，尽管他们未能再现实验观察到的约束径向均匀改善。
为了点燃托卡马克装置内部的等离子体电流，还已知有可能使用称为“双零点合并(DNM)”的方法，该方法涉及在托卡马克装置的上部和下部区域产生一对环形等离子体，随后将它们合并，以获得单一等离子体[Yamada(2013)]。
参考文献：
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申请人观察到，到目前为止还没有尝试过实施具有负三角形的球形托卡马克装置，部分原因是球形托卡马克装置内部管理具有负三角形的聚变等离子体所需的结构复杂性和软件集成。即使在偏转配置中也没有进行尝试，部分原因是等离子体的垂直稳定性问题。
US2010/063344涉及一种托卡马克装置反应堆，其配置为与正三角形的等离子体一起工作。曼努埃尔-阿格雷达诺-托雷斯(Manuel Agredano Torres)在“塞维利亚大学的小纵横比托卡马克装置(SMART)的线圈和电源设计”中描述的解决方案，重点是设计低纵横比(low-aspect ratio)的托卡马克装置线圈和电源。
发明内容
本发明的目的是提出一种球形托卡马克型反应堆，该反应堆配置为利用负三角形的等离子体运行，能够至少部分地克服传统解决方案的缺点。
本发明的另一个目的是提出一种可以在高温下运行的托卡马克装置反应堆。
本发明的另一个目的是提出一种托卡马克装置反应堆，该反应堆可以在减少湍流的情况下运行。
本发明的另一个目的是提出一种托卡马克装置反应堆，该反应堆允许用减小的磁场约束等离子体。
本发明的另一个目的是提出一种特别紧凑的托卡马克装置反应堆。
本发明的另一个目的是提出一种安装空间小的托卡马克装置反应堆。
本发明的另一个目的是提出一种可以低成本生产的托卡马克装置反应堆。
本发明的另一个目的是提出一种在启动和稳态条件下都有效的托卡马克装置反应堆。
本发明的另一个目的是提出一种托卡马克装置反应堆，可通过不使用螺线管(非电感)的等离子体启动方案点燃，如通过双零点合并(DNM)方法，或通过其他非电感启动方案点燃，如局部螺旋性注入(Local Helicity Injection)。
本发明的另一个目的是提出一种托卡马克装置反应堆，相对于传统的托卡马克装置反应堆，在结构和功能方面具有替代和/或改进的特性。
本发明的另一个目的是提出一种商用的托卡马克装置反应堆。
根据本发明，所有这些目的，无论是单独的还是它们的任意组合，以及将从下面的描述中得出的其他目的，都可用根据所附权利要求配置为以负三角形运行的球形托卡马克装置反应堆(下文中也仅称为“托卡马克装置”)来实现。
优选地，球形托卡马克装置包括腔室。
优选地，等离子体被约束在所述腔室内。
优选地，所述等离子体在所述等离子体的上部区域具有径向内部等离子体分离腿的轮廓。
优选地，所述等离子体在所述等离子体的上部区域具有径向外部等离子体分离腿的轮廓。
优选地，所述等离子体在所述等离子体的下部区域具有径向内部等离子体分离腿的轮廓。
优选地，所述等离子体在所述等离子体的下部区域具有径向外部等离子体分离腿的轮廓。
优选地，所述腔室具有上部区域。
优选地，所述腔室具有下部区域。
优选地，等离子体的上部区域延伸至腔室的上部区域内。
优选地，等离子体的下部区域延伸至腔室的下部区域内。
优选地，腔室的上部区域在顶部由相应的偏滤器板封闭。
优选地，腔室的下部区域在底部由相应的偏滤器板封闭。
优选地，腔室的上部区域设置有用于负三角形偏滤器的相应偏滤器。
优选地，腔室的下部区域设置有用于负三角形偏滤器的相应偏滤器。
优选地，用于负三角形的每个偏滤器包括相应的所述偏滤器板。
优选地，用于负三角形的每个偏滤器包括多个偏滤器磁场线圈。
优选地，偏滤器磁场线圈引导径向内部等离子体分离腿朝向相应的偏滤器板。
优选地，偏滤器磁场线圈引导径向外部等离子体分离腿朝向相应的偏滤器板。
优选地，用于负三角形的偏滤器相对于等离子体的X点进一步具有进入容器的外部入口。
优选地，负三角形偏滤器引导径向外部等离子体分离腿，使得径向外部等离子体分离腿不与容器相交。
优选地，负三角形偏滤器引导径向外部等离子体分离腿，使得径向外部等离子体分离腿不与偏滤器板相交。
优选地，负三角形偏滤器引导径向外部等离子体分离腿，使得径向外部等离子体分离腿不与任何偏滤器磁场线圈相交。
优选地，球形托卡马克装置包括极向磁场线圈磁体。
优选地，所述极向磁场线圈磁体配置为支持具有正三角形和负三角形的聚变等离子体。
优选地，所述偏滤器磁场线圈与所述极向磁场线圈磁体协作以支持负三角形的聚变等离子体。
优选地，每个所述偏滤器板包括基板。
优选地，所述基板具有圆形轮廓。
优选地，每个所述偏滤器板包括第一吸热环形凸出物。
优选地，所述第一环形吸热凸出物从所述基板延伸至所述腔室内。
优选地，所述第一吸热环形凸出物沿着具有第一直径的第一圆周布置。
优选地，每个所述偏滤器板包括第二吸热环形凸出物。
优选地，所述第二吸热环形凸出物从所述基板延伸至所述腔室内。
优选地，所述第一吸热环形凸出物沿着第二圆周布置。
优选地，所述第二圆周与第一圆周同心。
优选地，所述第二圆周具有大于所述第一直径的第二直径。
优选地，所述球形托卡马克装置包括控制设备。
优选地，所述控制设备配备有人工智能代理IA。
优选地，所述控制设备配置为管理核聚变过程。
优选地，所述球形托卡马克装置包括机器人机械结构。
优选地，所述机器人机械结构配置为垂直移动一个或多个所述极向磁场线圈磁体。
优选地，所述控制设备配置为控制所述机器人机械结构。
优选地，所述机器人机械结构在一个或多个内部极向磁场线圈上活动，该一个或多个内部极向磁场线圈形成所述极向磁场线圈磁体的一部分。
优选地，所述机器人机械结构在上方的至少一个内部磁场极向线圈和下方的至少一个内部磁场极向线圈上活动，上方和下方的内部磁场极向线圈具有比其他内部磁场极向线圈更大的直径。
附图说明
从下文对本发明的一些实施例的描述中，进一步的特征和优点将变得更加清楚。本描述参考了附图，附图仅以非限制性示例的方式提供，其中：
图1示出了根据本发明的球形托卡马克装置的框图；
图2示意性地示出了图1的球形托卡马克装置的一些细节；
图3示意性地示出了图1的球形托卡马克装置在正常运行状态下的一些细节；
图4示意性地示出了图1-2的球形托卡马克装置的结构部件的一部分；
图5示出了图4的部件的横截面图(截自图4的平面YY)；以及
图6A-图6E示出了使托卡马克装置及其中包含的等离子体达到图3所示的正常聚变燃烧运行状态的启动阶段。
具体实施方式
参考附图，附图标记1表示根据本发明的球形托卡马克型反应堆。
球形托卡马克装置反应堆1(图1)，下文中也仅称为“托卡马克装置”，包括用于容纳等离子体的腔室100，即等离子体被约束在其中。例如，可以使用氢等离子体或从氢同位素(例如氘、氚等)中获得的等离子体。也可以使用从其他元素(例如氦)或其同位素中获得的等离子体。
有利的是，腔室100是真空腔室。提供真空泵(未示出)以在腔室100中产生并保持合适的压力。
球形托卡马克装置1具有低纵横比A，特别是小于2，优选1.4<A<1.9。
本文描述了一种球形托卡马克装置1或低纵横比托卡马克装置(优选其中1.4<A<1.9)，其能够支持配置为负三角形(-0.9<δ<0)的聚变等离子体，并且具有高伸长率(2<κ<2.9)、高等离子体电流(Ip>1MA)、高环形场(BT>2.0T)、运行期间的高归一化β(1.5<βN<3)以及更大的半径R>0.8m和半径小于>0.4m。
方便地，根据本发明的托卡马克装置可以配置为在高于3T的磁场下运行，优选低于20T。
因此，根据本发明的托卡马克装置被适当地配置，即，用于等离子体的腔室10(在形状和尺寸方面)以及产生磁场的磁体的定位和/或尺寸被配置为产生磁场，以使得腔室10内的等离子体得以点燃、维持、加热和/或压缩，使等离子体在负三角形条件下发挥作用/运行。具体地，所谓的“负三角形”是指等离子体的横截面具有D形的向内弯曲(面向中心的)的弯曲部分。
更详细地说，等离子体三角形被定义为这样的值，其中，“Rgeo”表示等离子体中心的径向坐标值(计算公式为“Rmax+Rmin/2”)，“R”是分离器沿着z轴的点极值(point extreme)的径向坐标，“a”是等离子体的最小半径的长度。因此，基本上，在负三角形的条件下，等离子体具有朝向空腔1内部的最大表面。有利的是，由于这种方式需要较小功率的磁体，因此可以降低托卡马克装置本身的运行和建造成本。
腔室100可以具有基本上球形的形状；例如，腔室100可以是扁球体，优选具有比水平直径长的垂直直径。不过，腔室100也可以具有其他形状，例如环形形状。
方便地，腔室100可以具有对称平面，优选水平面，称为赤道平面EQ。
方便地，腔室100的形状被配置为容纳负三角形配置的等离子体。特别地，位于腔室本身内部的机械和/或电子部件(不包括磁体和相应的部件)可以优选地相对于PXP位于内部。腔室100具有上部区域100a和下部区域100b。
有利地，腔室100可以包括至少一个臂，并且优选地包括一对臂101、102，其配置为容纳等离子体的外部分离腿L2。有利地，第一臂101可以位于上部区域100a，更优选地位于腔室100上方的外角处。有利地，第二臂102可以位于下部区域100b，更优选地位于腔室100下方的外角处。
上部区域100a和下部区域100b分别可以通过相应的偏滤器板210、220在上方和下方封闭。
偏滤器板210、220(图4-图5)各自包括具有基本环形轮廓的基板210.1、220.1。
每个基板210.1、220.1具有中心圆形通孔，用于与中心柱110(下文将对此进行描述)连接。
偏滤器板201、220分别包括第一吸热环形凸出物210.2、220.2。
第一环形吸热凸出物210.2、220.2各自从在腔室100内的相应的基板210.1、220.1延伸。
第一环形吸热凸出物210.2、220.2分别沿着具有第一直径D1.1、D1.2的第一圆周布置。
偏滤器板201、220分别包括第二吸热环形凸出物210.3、220.3。
第二吸热环形凸出物210.3、220.3各自从在腔室100内的相应的基板210.1、220.1延伸。
第二吸热环形凸出物210.3、220.3分别沿着相对于第一圆周同心的第二圆周布置。
第二圆周具有的第二直径D2.1、D2.2大于所述第一直径D1.1、D1.2。
优选地，第一吸热环形凸出物210.2、220.2具有弯曲的轮廓，凸面朝向腔室100的内部，凹面朝向基板210.1、220.2。
优选地，第二吸热环形凸出物210.3、220.3具有弯曲的轮廓，凸面朝向腔室100的内部，凹面朝向基板210.1、220.2。
优选地，第一吸热环形凸出物210.2、220.2包括或由多个吸热瓦组成，例如由石墨制成的吸热瓦。
优选地，第二吸热环形凸出物210.3、220.3包括或由多个吸热瓦组成，例如由石墨制成的吸热瓦。
每个偏滤器板210、220能够在球形托卡马克装置1内部支持具有负三角形和正三角形的试验(shot)；特别是支持从正三角形到中性三角形和负三角形的过渡。
一般来说，申请人观察到偏滤器是托卡马克装置中用于处理热量和粒子的有用结构，其中，刮除层(即等离子体的最外面的流动表面)通过离子泵被导向耐热板，以去除耗尽的粒子。偏滤器板210、220以这样的方式成形，即允许分离器在负三角形和正三角形的配置中接触并沉积来自主等离子体体积的大部分余热。对于具有负三角形的配置，使用第二吸热环形凸出物210.3、220.3，以便应对点X和相关分离腿的特定位置。对于具有正三角形的配置，使用第一吸热环形凸出物210.2、220.2，以便应对点X和相关分离腿的特定位置。偏滤器板210、220中的每一个都是各自偏滤器的一部分，偏滤器配置为与负三角形300的等离子体一起工作(下文中也称为“负三角形偏滤器”)，这将在下文中描述。
方便地，被配置为与负三角形300的等离子体一起工作的偏滤器可以仅被设置在腔室100的两个区域之一中，即区域100a或区域100b；或者对应的/相应的偏滤器300可以被设置在两个区域的每一个中，即区域100a和区域100b。
在腔室100内部，可以有导电中心柱110。
方便地，在一个可能的实施例中，在启动/起动阶段，反应堆1配置为不使用任何螺线管，并且特别地，根据不使用螺线管(非电感类型)的等离子体启动方案运行。
优选地，还存在多个极向磁体(或极向磁场线圈)311-316。例如，磁体311-316可以布置在腔室100的外部(如图2中示意性地示出)。不过，也可以设想将极向磁体311-316布置在腔室100的内部。
磁体311-316围绕柱110延伸。
例如，六个极向磁体311-316围绕中心柱110布置(图2)。不过，也可以设想使用不同数量的环形/极向磁体。
优选地，如图2中示意性地示出，极向磁体311和316具有比极向磁体312-315小的半径。
极向磁体312-315优选具有相同的半径。
从实用的观点来看，腔室100是球形托卡马克装置1的内部空间。
按照已知的方式，气体被供给并电离以形成所述等离子体。
优选地，球形托卡马克装置1还包括与腔室100相关联的一个或多个检测设备S1-S5。
例如，检测设备包括以下设备中的一个或多个：温度传感器S1；辐射计S2；聚变事件探测器S3；电流计S4；磁力计或磁场计S5。
优选地，温度传感器S1不直接测量腔室100内部的温度。温度传感器S1优选地是配置为基于其他直接检测到的参数(例如，磁场检测和闪烁计数)间接导出腔室100中存在的温度的设备，该温度可能在腔室100内部的特定点处测得。
优选地，辐射计S2能够检测一个或多个辐射带，例如可见辐射、红外辐射、伽马辐射等。辐射计S2可以体现为单个设备，或者可以包括几个探测器，例如每个探测器专用于特定的辐射带。
聚变事件探测器S3可以是例如中子探测器，例如闪烁计数器。
检测设备S1-S5被配置为分别生成各自的检测信号DS1-DS5。
基于由检测设备S1-S5提供的传感信号DS1-DS5，控制器400可以被配置为控制核聚变过程。
球形托卡马克装置1是聚变设备FD的一部分，或者形成聚变设备FD。该聚变设备FD可以按照已知的方式包括加热和电流曲线控制系统，该系统由振动陀螺仪、四极管、中性束注入器，和/或用于加热离子和电子以及向主等离子体MPV体积提供电流的其他方案组成。
如已经提到的，为了管理聚变过程，系统1包括控制设备400。
控制设备400耦合到检测设备S1-S5，以便接收检测信号DS1-DS5，并耦合到聚变设备FD，以便检查其运行情况。
在一个实施例中，控制设备400耦合到存储器500，存储器500包含用于管理核聚变过程的控制/参考参数。
控制设备400可以包括计算机(或者根据给定的逻辑/硬件结构运行的一组计算机)，其被适当编程以执行本文公开和要求保护的操作。
特别地，可以执行由控制设备400控制的重新连接和压缩过程，以使聚变等离子体达到净能量增益的条件，从而释放能量。
除了上述之外，球形托卡马克装置1还可以包括环形磁体(未示出)。极向磁体311-316的中心轴是垂直的，与导电中心柱110重合，而环形磁体的中心轴由围绕腔室100水平延伸的圆周限定。
基本上，环形磁体和极向磁体311-316以及中央螺线管110(如果存在的话)的组合可以被配置为产生磁场更强的区域(强场侧，HFS)，该区域朝向腔室100的内部定位，以及产生磁场较弱的区域(弱场侧，LFS)，该区域朝向腔室的外部定位。有利地，根据本发明的托卡马克装置被配置为形成等离子体，在正常运行条件下，该等离子体具有与磁场最强的区域(HFS)相对应的较大表面。
有利地，控制设备400被配置为控制由环形磁体产生的磁场，优选地通过调节流过环形磁体的电流。
有利地，球形托卡马克装置1包括输出级600，优选地包括中子和伽马辐射捕获器，其被配置为从加热的等离子体接收能量并在输出端产生热能和/或电能。通过输出级600，由聚变过程产生的能量可以在实际场景中被利用，例如工厂、发电厂、空间推进应用等。
例如，输出级600的运行可以基于熔融锂。熔融锂受到腔室100内部的聚变事件产生的中子撞击，从而与外部结构交换热量。
具有负三角形的球形托卡马克装置1包括容器V，特别是外部支撑容器，其构成系统的结构主体并支撑诸如中子包层、极向磁场线圈(将在下文进一步描述)、环形磁场线圈、偏滤器线圈、控制线圈、构型线圈、诊断端口、加热和电流控制端口、电源端口、冷却系统，和正常聚变燃烧运行所需的任何其他子系统/部件的结构。
如图3示意性所示，受限等离子体具有上部区域UR和下部区域LR。
更具体地，上部等离子体区域UR延伸到腔室100的上部区域100a中，下部等离子体区域LR延伸到腔室100的下部区域100b中。
在上部区域UR和下部区域LR中，等离子体的轮廓具有径向内部等离子体分离腿L1和径向外部等离子体分离腿L2。在本文中，表述“径向内部”和“径向外部”分别表示中心柱110的“近端”和“远端”。径向内部等离子体分离腿L1和径向外部等离子体分离器L2可以统称为“分离腿”。
从图3可以清楚地看出，MPV的凸出部分是内部凸出部分。因此，基本上，等离子体被布置在负三角形的条件下。
优选地，上部区域100a和下部区域100b设有各自的负三角形偏滤器300(如图3所示)。
优选地，负三角形偏滤器300可以是super-X负三角形偏滤器。
有利地，偏滤器300的一部分(被径向外部等离子体分离腿L2的延伸部分插入其中)包括入口端口，该入口端口相对于两个腿L1和L2交叉的点PXP进一步径向向外定位。
负三角形偏滤器300包括各种构型线圈，也称为偏滤器磁场线圈。构型线圈引导每个径向外部等离子体分离腿L2朝向相应的偏滤器板210、220。
负三角形偏滤器300的入口位于容器V中，相对于PXP等离子体的X点处于最外侧位置(即，离中心柱110更远的位置)。相比之下，已知的球形托卡马克装置的偏滤器入口位于比等离子体的X点更靠内的位置，并且位于主等离子体的中心。
方便地，入口包括偏滤器300的一部分或由偏滤器300的一部分组成，不再构成等离子体的废气和/或中性气体从该入口被抽吸。
方便地，PXP可以位于离等离子体中心更远的地方。
特别地，负三角形偏滤器300引导径向内部等离子体分离腿L1、L2，使得它们不与容器V、偏滤器板210、220或任何偏滤器磁场线圈相交。偏滤器磁场线圈在图3中用附图标记D1a-D6a、D1b-D6b表示。
有利地，负三角形偏滤器300能够吸收负三角形的氘氚等离子体的点火级热负荷。负三角形偏滤器300增加了等离子体偏转路径的长度，使得当等离子体到达偏滤器板210、220时，由于随之发生的流动膨胀，它可以停留在更大的表面上。现有技术的偏滤器被设计为正三角形，在本发明中，偏滤器的入口将在容器V中更靠外的位置开始，并且可能需要沿着弯曲路径引导等离子体，以防止其与容器V、偏滤器板或一些偏滤器磁场卷筒(reel)相交。负三角形偏滤器300包括一系列的构型线圈、延伸耐热空腔以及与偏滤器相关的惯常装置(耐热沉积板、离子泵、燃料排放系统和偏滤器冷却系统)，该延伸耐热空腔以允许偏滤器对应于最大半径放置的方式成形。它还可以与地幔模块的热提取系统相连，以便增强偏滤器的热处理能力，并提高球形托卡马克装置1的整体能效。
图3示意性地示出了极向磁场线圈(311-316)围绕反应堆延伸。极向磁场线圈用于塑造等离子体的体积和表面。极向磁场线圈312、313、314、315基本上适于形成主等离子体体积MPV，以便使其更靠近反应堆容器的中心。朝向反应堆的两端(上端和下端)，极向磁场线圈(例如311、316)执行在整个等离子体体积的末端附近形成等离子体的体积和表面的功能。在偏滤器点X附近，等离子体表面交叉并以分离腿(等离子体表面朝向偏滤器延伸)的形式延伸，其撞击偏滤器板210、220。此时，极向磁场线圈的作用是形成该部分体积和等离子体表面，使等离子体表面(此时，等离子体表面只是一个分离腿)遵循期望的路径并落在偏滤器上，在这种情况下，偏滤器是专门为具有负三角形的球形托卡马克装置系统准备的。因此，线圈的特定布置是为了引导等离子体的体积和表面，从而在适当的点通过负三角形撞击偏滤器。因此，在大多数情况下，靠近赤道的线圈的位置可以改变，而不会改变平衡，但是在正三角形和负三角形的情况下，该点X的位置将部分地由最靠近该点的线圈的位置确定，因此这些线圈的位置将部分地由期望的三角形确定。此外，为了执行双零点合并的启动方案，有必要在容器内部的两个线圈之间识别两个零点。然后，有必要定位两对具有高电流容量的线圈，使得各自的零点落在容器内。
图3还示出了一系列偏滤器极向磁场线圈(D1a-D6a，D1b-D6b)，其有助于将等离子体分离腿L1、L2从点X引导至偏滤器板210、220。
特别地，线圈D5a-D6a、D5b-D6b驱动内部等离子体分离腿L1，而线圈D1a-D4a、D1b-D4b驱动外部等离子体分离腿L2。
附图标记S1a-S3a、S1b-S3b表示与螺线管相邻的线圈。线圈S1a-S3a、S1b-S3b可以垂直移动，以便优化用于启动等离子体的线圈的配置，并在正常聚变燃烧期间最小化所述线圈上的中子负荷。
优选地，包括在球形托卡马克装置1中的极向磁场线圈的磁体被配置成支持正三角形和负三角形。
在一个实施例中，极向磁场线圈的磁体包括在所述腔室100的赤道Eq上方的第一对线圈312、313以及在所述赤道Eq下方的第二对线圈314、315。第一对线圈和第二对线圈都被配置为在形成该对的两个线圈之间形成相应的磁通管，其中，磁通管被组合和重新连接。
优选地，根据本发明的托卡马克装置没有中央螺线管。
有利地，极向磁场线圈的磁体允许实现与双零点合并的启动方案。申请人观察到球形托卡马克装置1需要比大多数托卡马克装置所提供的更大的构型自由，这意味着线圈将不得不具有比通常配置更多的自由度。极向线圈的磁体以这样的方式配置，通过在赤道上方和下方的两对线圈之间形成磁通管，磁体可以有效地支持双零点合并启动模式，从而允许这些管流动以组合和重新连接。例如，两对线圈具有足够的载流能力以形成这样的流动管，从而最大化等离子体电流，并且定位成以允许在容器内部识别它们之间的点磁零点。
在一个实施例中，人工智能控制系统AI(或代理AI)用于执行聚变活动的演变，并操作托卡马克装置反应堆1。
特别地，托卡马克装置反应堆1的一个或多个部件，例如内部极向磁场线圈，可以被移动，以便在聚变活动的所有阶段提供最佳配置。
例如，一个或多个内部极向磁场线圈S1a-S3a、S1b-S3b，特别是内部极向磁场线圈S3a、S3b，可以垂直移动，为线圈在合并活动的各个阶段提供最佳定位，例如：阶段1-启动；阶段2-加热和电流上升；阶段3-正常聚变燃烧运行；阶段4-下降和反应堆关闭。这为托卡马克装置反应堆1带来了优势，特别是内部极向磁场线圈将在聚变活动的不同阶段受到不同的要求和特定的结构应力。例如，在启动阶段，将内部极向磁场线圈定位，以便于使用尽可能少的能量推动双零点合并的启动，这将是最佳的。同样，在正常聚变燃烧阶段，最好将内部极向磁场线圈与聚变等离子体的主要体积直接视线隔离，因为这将由于聚变反应而释放出大量中子。聚变正在进行，并且对敏感的内部极向磁场线圈极具破坏性。这表明，例如通过垂直移动内部极向磁场线圈，将反应堆设置重新安排成两个或多个不同的反应堆配置，可以显著提高反应堆的运行效率，降低输入能量成本并增加部件的使用寿命。
上述技术可以根据意大利专利申请号102020000006604的教导来实现，其内容通过引用并入本文。
特别地，内部极向磁场线圈S3a、S3b(可能还有S1a-S2a、S1b-S2b)可以以与意大利专利申请号102020000006604的图3的线圈311-312、315-316相同的方式垂直移动。更详细地说，在所述意大利专利申请中描述的系统IA和机械结构可以有利地用于此目的。
代理IA优选地包括在前述控制设备400中。
该机械结构可以是机器人机械结构，在图1中用700标识。机器人机械结构700对应于意大利专利申请号102020000006604的机器人结构300。
有利地，反应堆1包括用于在至少两个不同位置之间移动极向磁体的装置，特别是，在用于反应堆1启动的第一位置和用于反应堆自身稳态运行的第二位置之间。
因此，特别地，可以提供适当的操纵装置，该操纵装置基本上包括在机器人机械结构700中，被配置为移动至少一个磁体，并且优选地在第一位置和第二位置之间移动至少一个极向磁体。
优选地，所述第一位置可以比所述第二位置更靠近等离子体的赤道EQ。优选地，所述第一位置可以比所述第二位置更靠近等离子体的赤道EQ。
有利地，当等离子体处于正常运行状态时，相对于所述第二位置，第一位置可以定位得更靠近等离子体。
方便地，当等离子体处于正常运行状态时，相对于所述第一位置，第二位置可以远离等离子体。
方便地，相对于所述第一位置，第二位置在正常运行状态下更能抵御等离子体发射的中子。
特别方便的是，操纵装置可以配置为移动至少一个位于腔室100内部的极向磁体。特别是，操纵装置可以配置为在以下情况：当托卡马克装置被激活时，即腔室100与外部分离和隔离，和/或腔室100的压力低于环境压力，和/或等离子体处于启动状态，和/或等离子体处于加热状态，和/或等离子体在正常状态下聚变运行，和/或等离子体处于停止和/或关闭状态，移动至少一个极向磁体。
特别是，操纵装置可以配置为在第一位置和第二位置之间移动至少第一极向磁体S1a，在第一位置，第一极向磁体S1a处于与PXP相同的Z坐标(Z是基本上与腔室100的对称轴对应的垂直轴)或者比PXP更靠近EQ赤道，在第二位置，第一极向磁体S1a处于比PXP更高的Z坐标，或者比PXP更远离EQ赤道。
方便地，本发明还可以涉及一种使用托卡马克装置的方法，特别是优选具有负三角形的球形托卡马克装置。
特别地，该方法包括以下步骤：
阶段1-启动阶段，在该阶段期间，存在于腔室100内部的气体(优选为氢或其同位素)通过合适的电磁场被电离以形成等离子体，有利地，所述点火阶段可以根据非电感过程实现，例如双零点合并(DNM)，其中产生两个等离子体环，一个在腔室100的上部区域100a中，一个在腔室100的下部区域100b中，这两个等离子体环随后会聚；
阶段2-加热和电流上升阶段，在此期间，通过使用微波沉积、中性束注入(NBI)和其他机制，例如使用可变电磁场，等离子体被逐渐加热；
阶段3-正常聚变燃烧运行阶段，在此期间，等离子体足够热以允许以稳定和可持续的方式进行聚变反应；
阶段4-电流下降和关闭反应堆阶段。
方便地，在所述启动/起动阶段期间，所述移动装置可以配置为将所述磁体，优选至少一个极向磁体，更优选至少一个存在于腔室100内部的极向磁体定位在所述第一位置。
方便地，在所述加热和电流上升阶段期间和/或在所述正常聚变燃烧运行阶段期间，所述移动装置可以配置为将所述磁体，优选至少一个极向磁体，更优选至少一个存在于腔室100内部的极向磁体定位在所述第二位置。
特别地，在启动阶段期间，移动装置配置为将所述第一极向磁体S1a定位在所述第一位置，特别是在比PXP更低的Z坐标处。特别地，在正常运行阶段期间，操纵装置配置为将所述第一极向磁体S1a定位在所述第二位置，特别是高于PXP的坐标Z处。
方便地，移动装置可以由所述控制设备自动控制，优选地基于由所述检测设备检测到的信息。
方便地，在一个实施例中，反应堆配置为在启动阶段与正三角形的等离子体一起工作，并且在稳态运行阶段(特别是在称为“正常聚变燃烧运行”的阶段)与负三角形的等离子体一起工作。
申请人观察到，这种技术的应用在上述托卡马克装置反应堆1中特别有利，因为偏滤器的入口相对于主等离子体体积(等离子体核心)的中心点更靠外，并且相对于等离子体的点X更靠外，在这种意义上，可以垂直移动内部极向磁场线圈，而不必移动偏滤器组本身。
特别地，与US2010/063344不同，本解决方案涉及一种托卡马克装置反应堆，该托卡马克装置反应堆配置为利用负三角形的等离子体运行。此外，与曼努埃尔-阿格雷达诺(Manuel Agredano)在“塞维利亚大学的小纵横比托卡马克装置(SMART)的线圈和电源设计”中描述的解决方案不同，根据该解决方案的托卡马克装置反应堆提供了偏滤器的存在，该偏滤器配置为利用负三角形的等离子体运行，并且包括入口，该入口位于外部支撑容器(V)中相对于点X(PXP)的径向最外位置，在该点X处，径向内部等离子体分离腿(L1)和径向外部等离子体分离腿(L2)相交。
Claims (32)
1.一种球形托卡马克装置，所述球形托卡马克装置配置为利用负三角形的等离子体运行，所述球形托卡马克装置包括腔室(100)，所述腔室(100)用于容纳等离子体，所述托卡马克装置配置为，在运行期间，所述等离子体在上部等离子体区域(UR)和下部等离子体区域(LR)中限定具有径向内部等离子体分离腿(L1)和径向外部等离子体分离腿(L2)的轮廓；
并且其中：
-所述腔室(100)包括上部区域(100a)和下部区域(100b)，所述上部区域(100a)用于接收所述上部等离子体区域(UR)，所述下部区域(100b)用于接收所述下部等离子体区域(LR)，
-所述腔室(100)的上部区域(100a)和/或下部区域(100b)配备有至少一个偏滤器(300)，所述至少一个偏滤器(300)配置为利用负三角形的等离子体运行，所述至少一个偏滤器(300)包括偏滤器板(210、220)和偏滤器磁场线圈(D1a-D6a、D1b-D6b)，其中，所述偏滤器磁场线圈(300)配置为驱动所述径向内部等离子体分离腿(L1)和径向外部等离子体分离腿(L2)朝向各自的偏滤器板(210、220)；
-配置为利用负三角形的等离子体运行的所述至少一个偏滤器(300)包括入口，所述入口位于外部支撑容器(V)中，相对于相应区域(100a、100b)的点X(PXP)的径向最外位置，在运行期间，所述径向内部等离子体分离腿(L1)和所述径向外部等离子体分离腿(L2)在所述点X(PXP)处相交。
2.根据权利要求1所述的托卡马克装置，其特征在于，所述腔室(100)的上部区域(100a)和下部区域(100b)分别在上方和下方由各自的偏滤器板(210、220)封闭，并且每个偏滤器包括各自的偏滤器板(210、220)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，其中，配置为利用负三角形(300)的等离子体运行的所述偏滤器，被配置为引导所述径向外部等离子体分离腿(L2)，使得所述径向外部等离子体分离腿(L2)不与用于支撑所述腔室(100)的容器(V)、偏滤器板(210、220)或任何偏滤器磁场线圈(D1a-D4a、D1b-D4b)相交。
4.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，包括极向磁场线圈磁体(311-316、S1a-S3a、S1b-S3b)，所述极向磁场线圈磁体(311-316、S1a-S3a、S1b-S3b)配置为支持具有正三角形和负三角形的聚变等离子体。
5.根据前述权利要求所述的托卡马克装置，其中，所述偏滤器(300)的所述磁场线圈(D1a-D4a、D1b-D4b)与所述极向磁场线圈磁体(311-316、S1a-S3a、S1b-S3b)协作以支持具有负三角形的聚变等离子体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，其中，所述偏滤器板(210、220)各自包括：
-基板(210.1、220.1)，所述基板(210.1、220.1)具有圆形轮廓；
-第一吸热环形凸出物(210.2、220.2)，所述第一吸热环形凸出物(210.2、220.2)从所述基板(210.1、220.1)延伸至所述腔室(100)内，所述第一吸热环形凸出物(210.2、220.2)沿着具有第一直径(D1.1、D1.2)的第一圆周布置；
-第二吸热环形凸出物(210.3、220.3)，所述第二吸热环形凸出物(210.3、220.3)从所述基板(210.1、220.1)延伸至所述腔室(100)内，所述第二吸热环形凸出物(210.3、220.3)在所述第一圆周处沿着同心的第二圆周布置，并且第二圆周具有大于所述第一直径(D1.1、D1.2)的第二直径(D2.1、D2.2)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，包括用于在至少两个不同位置之间移动所述极向磁场线圈磁体(311-316、S1a-S3a、S1b-S3b)的装置，特别是在所述托卡马克装置启动期间采取的第一位置和所述托卡马克装置完全运行期间采取的第二位置之间移动。
8.根据前述权利要求中任一项所述的托卡马克装置，包括控制设备(400)和机器人机械结构(700)，所述控制设备(400)配备有人工智能代理(IA)并配置为管理核聚变过程，所述机器人机械结构(700)配置为垂直移动所述极向磁场线圈磁体(311-316、S1a-S3a、S1b-S3b)中的一个或多个，所述控制设备(400)也配置为控制所述机器人机械结构(700)。
9.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其中，所述机器人机械结构(700)在一个或多个内部极向磁场线圈(S1a-S3a、S1b-S3b)上活动，所述一个或多个内部极向磁场线圈(S1a-S3a、S1b-S3b)形成所述极向磁场线圈磁体(311-316、S1a-S3a、S1b-S3b)的一部分，并且特别是至少在直径大于其他内部极向磁场线圈的上方内部极向磁场线圈(S3a)和下方内部极向磁场线圈(S3b)上活动。
10.一种以负三角形配置运行的托卡马克装置，包括腔室(100)，在所述腔室(100)中限定由赤道(EQ)分开的上部区域(100a)和下部区域(100b)，所述两个区域(100a、100b)中的至少一个在其顶点具有偏滤器(300)，所述偏滤器(300)配置为与维持在负三角形状态的等离子体一起使用，每个偏滤器(300)包括偏滤器板(210、220)和至少一个磁体，优选为多个磁体(D1a-D6a、D1b-D6b)，并且被配置为产生偏滤器场，并且在所述腔室(100)内部，待电离的气体和/或从所述气体中获得的等离子体，称为等离子体，在运行期间限定：
-上部区域(UR)，
-下部区域(LR)，
-径向内部等离子体分离腿(L1)，
-径向外部等离子体分离腿(L2)，
-点X(PXP)，所述点X(PXP)在两个区域(UR、LR)中的每一个的径向内部等离子体分离腿(L1)和径向外部等离子体分离腿(L2)的相交处，
-负三角形轮廓，
其特征在于，所述至少一个磁体(D1a-D6a、D1b-D6b)配置为引导径向内部等离子体分离腿(L1)和径向外部等离子体分离腿(L2)朝向各自的偏滤器板(210、220)，并且所述偏滤器(300)具有入口，所述入口位于外部支撑容器(V)中相对于等离子体的点X(PXP)的更向外的位置。
11.根据前述权利要求中的一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置配置为形成等离子体，在正常运行状态下，所述等离子体具有与磁场最强区域(HFS)相对应的较大表面。
12.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述偏滤器(300)中的至少一个偏滤器是负三角形的super-X偏滤器。
13.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置没有任何螺线管。
14.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置没有任何用于启动阶段的螺线管。
15.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置配置为通过“双零点合并DNM”的方式启动。
16.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置还包括一个或多个检测设备(S1-S5)，所述一个或多个检测设备(S1-S5)与所述腔室(100)相关联。
17.根据前述权利要求所述的托卡马克装置，其特征在于，所述检测设备包括：
温度传感器(S1)；和/或
辐射计(S2)；和/或
聚变事件探测器(S3)；和/或
电流计(S4)；和/或
磁力计或磁场计(S5)。
18.根据前述权利要求中的一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述温度传感器(S1)是配置为基于其他直接检测到的参数，例如磁场检测和闪烁计数，间接导出腔室(100)中的温度的设备，所述温度在所述腔室(100)内部的特定点处测得。
19.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述聚变事件探测器(S3)是中子探测器，并且优选是闪烁计数器。
20.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置包括控制设备(400)，所述控制设备(400)配置为基于由所述检测设备获得的读数来控制所述托卡马克装置本身的运行。
21.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置配置为产生等离子体，其中，所述PXP位于相对于所述等离子体的中心的最里面的位置。
22.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置配置为产生等离子体，所述等离子体具有朝向所述腔室(100)内部的较大表面。
23.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述托卡马克装置包括机械化操纵装置，所述机械化操纵装置配置为在第一位置和第二位置之间移动至少一个磁体。
24.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述移动装置配置为移动至少一个极向磁体。
25.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述移动装置配置为移动位于所述腔室内的至少一个磁体。
26.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述第一位置比所述第二位置更靠近所述腔室(100)的赤道(EQ)。
27.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，所述移动装置配置为在第一位置和第二位置之间移动至少第一极向磁体(S1a)，在所述第一位置，所述第一极向磁体(S1a)处于与PXP相同的Z坐标或者相对于PXP更接近EQ，在所述第二位置，所述第一极向磁体(S1a)处于比PXP更高的Z坐标或者比PXP更远离所述赤道。
28.根据前述权利要求中一项或多项所述的托卡马克装置，其特征在于，当所述托卡马克装置处于运行状态和/或所述腔室(100)的压力低于环境压力时，所述移动装置配置为移动所述磁体。
29.一种使用托卡马克装置的方法，其特征在于，所述方法优选依次包括以下步骤：
-启动阶段，在所述启动阶段期间，存在于腔室(100)内的气体，优选为氢或氢的同位素，通过合适的电磁场被电离以形成等离子体；
-加热和电流上升阶段，在所述加热和电流上升阶段期间，通过使用可变电磁场来逐渐加热所述等离子体；
-正常聚变燃烧运行阶段，在所述正常聚变燃烧运行阶段期间，所述等离子体足够热以允许聚变反应，所述等离子体具有负三角形轮廓；
-电流下降和关闭反应堆阶段。
30.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，在所述启动阶段期间，至少一个磁体处于所述第一位置，并且在所述正常聚变燃烧运行阶段期间，至少一个磁体处于所述第二位置。
31.根据权利要求29或30所述的方法，其特征在于，在所述启动阶段和所述正常聚变燃烧运行阶段之间，至少一个磁体，优选地在所述腔室(100)内的至少一个磁体，在所述第一位置和所述第二位置之间移动。
32.根据权利要求29-31中的一项或多项所述的方法，其特征在于，在所述启动阶段和所述正常聚变燃烧运行阶段之间，所述第一磁体(S1a)在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置，所述第一磁体(S1a)处于与PXP相同的Z坐标或者比PXP更接近EQ，在所述第二位置，所述第一磁体(S1a)处于比PXP更高的Z坐标或者比PXP更远离赤道，其中Z是基本上与所述腔室(100)的对称轴对应的垂直轴。
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|---|---|---|---|---|
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2022
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117637192A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-03-01 | 陕西星环聚能科技有限公司 | 核聚变反应系统及方法 |
| CN117637192B (zh) * | 2024-01-26 | 2024-05-28 | 陕西星环聚能科技有限公司 | 核聚变反应系统及方法 |
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