CN117438172A - 一种环向场线圈及聚变装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及聚变反应堆技术领域，具体为一种环向场线圈及聚变装置，环向场线圈包括：环向场线圈具有主体轴线，所述环向场线圈包括：相同数量的多个中心柱导体和多个外臂导体；外臂导体的一端与一个所述中心柱导体的第一端连接，外臂导体的另一端与相邻的另一中心柱导体的第二端连接，其中，第一端与第二端为中心柱导体相对的两端；中心柱导体中的全部或一部分为扭转结构，所述扭转结构沿中心柱导体的中心呈中心对称设置，且所述扭转结构的轴线与所述主体轴线具有预设夹角。本申请中的环向场线圈产生的极向磁场在环向场线圈中分布变的更为均匀，进而环向场线圈整体磁场环境分布会更为均匀，使环向场线圈受到的扭转力会减小。

Description

一种环向场线圈及聚变装置

技术领域

本申请涉及聚变反应堆技术领域，具体为一种环向场线圈及聚变装置。

背景技术

可控核聚变是解决人类能源及环境问题的重要途经之一。磁约束聚变装置运行的必要条件是需要产生极向磁场、环向磁场等其他方向磁场，其中，环向磁场是通过环向场线圈产生，环向场线圈往往是由分立的线圈组成的。线圈一般为多匝，彼此串联以保证各线圈电流的均匀性。

以托卡马克装置为例，其环向场线圈通过中心柱导体和外臂导体组成，各个线圈之间形成串联方式至少存在两种形式，第一，各个线圈的电流通过中心柱导体汇集，并通过底部或顶部增加环向串联结构实现串联；第二，如公开号为CN113936815A和CN113936816A的专利申请中，线圈外臂导体与中心柱导体之间形成错位连接，即一个外臂导体的一端与一个中心柱的一端连接，该外臂导体的另一端与相邻的另一个中心柱的另一端连接，从而实现所有外臂导体和中心柱导体的串联，以等效所有线圈的串联。

针对上述第一种方案其环向串联结构往往会产生额外的极向磁场，造成磁场误差；针对第二种方案中的描述，其描述为“消除第一种方案中由环向串联结构造成的额外的极向磁场的磁场误差”，其通过线圈外臂导体与中心柱导体之间形成错位连接，在实现串联的同时无需环向串联结构，描述为可消除由环向串联结构造成的额外的极向磁场的磁场误差。

然而，在研究过程中发现无论采用第一种方案还是第二方案，均会在磁场中产生不可忽略的杂散场磁场，对装置运行的磁场控制产生消极影响，并且均会使环向场线圈结构受到比较大的扭转方向的力。

因此，如何减小环向磁场产生的消极杂散磁场，同时减小环向场线圈的扭转力成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请提供一种环向场线圈及聚变装置，以解决上述背景技术中所提及的技术问题。

根据第一方面，本申请提供了一种环向场线圈，包括：环向场线圈具有主体轴线，所述环向场线圈包括：相同数量的多个中心柱导体和多个外臂导体；所述外臂导体的一端与一个所述中心柱导体的第一端连接，所述外臂导体的另一端与相邻的另一中心柱导体的第二端连接，其中，所述第一端与所述第二端为中心柱导体相对的两端；所述中心柱导体中的全部或一部分为扭转结构，所述扭转结构沿中心柱导体的中心呈中心对称设置，且所述扭转结构的轴线与所述主体轴线具有预设夹角。

在一种实施例中，所述扭转结构为连贯扭转结构。

在一种实施例中，所述扭转结构的长度占整个所述中心柱导体长度的比例为50%-100%。

在一种实施例中，所述第一端具有第一安装位段，所述第二端具有第二安装位段；所述第一安装位段和所述第二安装位段分别用于与外臂导体的两端固定连接，且具有与所述外臂导体的两端相匹配的安装面；所述中心柱导体还包括位于所述第一安装位段和所述第二安装位段之间的中间段。

在一种实施例中，所述第一安装位段和所述第二安装位段沿平行于所述主体轴线方向设置，所述中间段整体为所述扭转结构。

在一种实施例中，所述预设夹角为360°/n，n为所述中心柱导体的个数。

在一种实施例中，所述外臂导体包括与所述第一端连接的第一端连接导体，与所述第二端连接的第二端连接导体以及位于所述第一端连接导体和所述第二端连接导体之间的C形段导体。

在一种实施例中，多个所述中心柱导体沿所述主体轴线方向呈圆形阵列分布。

在一种实施例中，在其中之一的外臂导体上设置有电流输入端和电流输出端，所述电流输入端和所述电流输出端之间设置有绝缘材质。

根据第二方面，本申请提供了一种聚变装置，包括上述第一方面任意一项所述的环向场线圈。

与现有技术相比较，本申请提出的一种环向场线圈通过中心柱导体中的全部或一部分为扭转结构实现外臂导体与中心柱导体错位连接的同时，中心柱导体沿其中心是发生了中心对称扭转；中心柱导体的扭转部分虽然能够产生等效环向电流，进而产生极向磁场，而由于中心柱导体是呈中心对称扭转的，产生的等效环向电流也是沿中心柱导体中心呈中心对称，因此产生的极向磁场在环向场线圈中分布变的更为均匀，进而环向场线圈整体磁场环境分布会更为均匀，使环向场线圈受到的扭转力会减小。

进一步，中心柱导体中的扭转结构的长度占整个所述中心柱导体长度的比例尽量的大，从而使得扭转结构产生的等效环向电流沿中心柱导体高度方向被均匀拉长，在中心柱导体中通入的电流一致的情况，使得在相同高度尺寸下的等效的环向电流比较小，即相同空间体积下的环向电流密度变小，进而使得环向电流产生的极向磁场强度变小，也就是磁场在极向和周向方向都要更加均匀、对称；同时，由于磁场分布均匀，且极向磁场强度变小的情况下，使得环向场线圈在通入相同电流大小条件下所受到的扭转力更小。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种环向场线圈的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种示例性的连贯扭转结构的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的示例性的多段扭转结构的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的中心柱导体的第一端和第二端端面投影示意图；

图5为本申请实施例提供的环向场线圈剖面Z向磁场强度分布情况示意图；

图6为现有技术中的环向场线圈剖面Z向磁场强度分布情况示意图；

图7为本申请实施例提供的环向场线圈剖面X向磁场强度分布情况示意图；

图8为现有技术中的环向场线圈剖面X向磁场强度分布情况示意图；

图9为本申请实施例提供的中心柱导体的整体作为扭转结构的示意图；

图10示出了本申请实施例提供的中心柱导体的中间段作为扭转结构的示意图；

图11为本申请实施例提供的一种中心柱俯视图。

图中示意如下：

10、中心柱导体；11、第一端；11’第一投影；111、第一安装位段；12、第二端、12’第二投影；121、第二安装位段；13、扭转结构；14、扭转轴线；20、外臂导体；21、第一端连接导体；22、C形段导体；23、第二端连接导体；30、主体轴线；α为预设夹角。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如背景技术所述，无论是第一种方案，还是第二种方案，其实是无法消除环向磁线圈产生的额外的极向磁场的，原因在于无论是第一种方案，还是第二种方案中的中心柱导体与对应的外臂导体所构成的线圈所在的平面并非完全垂直于水平面（以环向场线圈结构竖直放置为例），存在一定夹角，因此，中心柱导体与对应的外臂导体构成的线圈势必会产生额外的竖直方向的磁场分量（额外的极向磁场），而为了尽量减小该额外的极向磁场，往往会尽量使外臂导体与对应的中心柱导体尽量在一个竖直平面上。使外臂导体与对应的中心柱导体构成的线圈所在的平面与水平方向的夹角等效减小（能够尽量多的产生的平行于水平面的磁感线，以等效减少与水平面具有夹角的磁感线），进而减小额外的极向磁场。

在研究过程中发现无论采用第一种方案还是第二方案均会使环向场线圈结构受到扭转方向的力，究其原因在于，在实际使用中环向场线圈的单匝电流可达几百千安培甚至几兆安培，按照第一种方案和第二种方案错位连接的线圈通过大电流后，会在端部产生等效的环向电流，进而在端部产生出极向磁场（这也是第一种方案和第二种方案不能够消除极向磁场的原因），导致环向场线圈所处的综合环境磁场不够均匀，因此会导致产生较大的扭转力。

可见，按照第一种方式和第二种方式虽然能够减小额外磁场（减小磁场误差），但是会使环向场线圈所处的综合环境磁场不够均匀，导致产生较大的扭转力。

因此，针对如何使环向场线圈所处的综合环境磁场更为均匀，减小环向场线圈的扭转方向的力，本申请提出了一种环向场线圈，以使环向场线圈所处的综合环境磁场更为均匀，减小环向场线圈的扭转方向的力。

图1示出了本申请实施例提供的环向场线圈的整体结构示意图；环向场线圈具有主体轴线30（参见图2、图3、图9和图10所示），该主体轴线30为环向场线圈的中心圆柱的轴线，垂直于环向场线圈的一端所在的平面，通常，环向场线圈放置方向为主体轴线30垂直于地面放置，在本实施例中，可以以主体轴线30方向为竖直方向，环向场线圈的一端所在的平面为水平面为例进行说明。参见图1所示，环向场线圈包括：相同数量的多个中心柱导体10和多个外臂导体20；所述外臂导体20的一端与一个所述中心柱导体10的第一端11连接，所述外臂导体20的另一端与相邻的另一中心柱导体10的第二端12连接，其中，所述第一端11与所述第二端12为中心柱导体10相对的两端。其中，图2示出了中心柱导体的结构示意图，中心柱导体10中具有全部或一部分扭转结构13，通过中心柱导体10中的全部或一部分为扭转结构13使得中心柱导体10的第一端11和第二端12的端面在环向场线圈的一端所正在的平面上的投影错位分布，实现外臂导体20与中心柱导体10错位连接，进而可以实现多个外臂导体20通过中心柱导体10串联。

在本实施例中，扭转结构13是沿主体轴线30扭转一定角度，以使外臂导体20与中心柱导体10错位连接。

在本实施例中，在其中一个外臂导体20上设置有电流输入端和电流输出端，电流自电流输入端流入，经过依次经过通过多个中心柱导体10串联的多个外臂导体20后由电流输出端流出。

参见图2所示，扭转结构13沿中心柱导体的中心呈中心对称设置，且所述扭转结构13的扭转轴线14与所述主体轴线30具有预设夹角α。在本实施例中，预设夹角为不为0的夹角。其中图 2中示出了扭转结构中的一种可选的实施方式。在图2中的实施方式中，扭转结构13为连贯扭转结构。

在另一种可选的方式中，如图3所示，扭转结构13还可以采用多段扭转结构，在本实施例中，图3示例性的示出了两段式的扭转结构13，该多段扭转结构中的每一段扭转结构13之间可以具有预设间隔，该预设间隔可以大于或等于0。在本实施例中，多段扭转结构的每一段扭转结构13的扭转角度相同，且扭转角度之和为扭转结构13的扭转轴线14与所述主体轴线30具有预设夹角α。

参见图4所示，中心柱导体10的所述第一端11在环向场线圈的一端所在的平面上的第一投影11’与中心柱导体10的所述第二端12的端面在环向场线圈的一端所在的平面上的第二投影12’相邻。在本实施例中，连接相邻两个中心柱导体10的一个外臂导体20所在的平面与环向场线圈一端所在的平面垂直。

在本申请中，中心柱导体10沿其中心进行了中心对称扭转，使中心柱导体10中的全部或一部分为扭转结构13，实现外臂导体20与中心柱导体10错位连接；中心柱导体10的扭转结构13虽然能够产生等效环向电流，进而产生极向磁场，而由于中心柱导体10是呈中心对称扭转的，产生的等效环向电流也是沿中心柱导体中心呈中心对称，因此产生的极向磁场在环向场线圈中分布变的更为均匀，进而环向场线圈整体磁场环境分布会更为均匀，使环向场线圈受到的扭转力会减小。

参见图5至图8所示，其中图5示出了本实施例中的环向场线圈的剖面Z向磁场强度分布情况，图6示出了公开号为CN113936816A的专利申请中的剖面Z向磁场强度分布情况，通过图5和图6的对比可见，本实施例中的剖面Z向磁场强度分布更加均匀；图7示出了本实施例中的环向场线圈的剖面X向磁场强度分布情况，图8示出了公开号为CN113936816A的专利申请中的剖面X向磁场强度分布情况，通过图7和图8的对比可见，本实施例中的剖面X向磁场强度分布更加均匀。

同时，由于环向磁线圈获得的磁场在极向和周向方向更加均匀、对称，可提供更为理想的磁约束环境，使得高温等离子体位于稳定的托劳斯形状中，不接触反应室壁面。这是实现长时间受控聚变反应的基础；同时均匀对称的磁场可以防止涡流的产生，降低波动导致的热负载和应力，也为计算和优化等离子体的参数提供均匀和对称的磁场模型基础的磁场模型，同时能够有效降低甚至消除端部错位连接或者端部扭转带来的局部磁场对等离子体控制的干扰。

在一种实施例中，中心柱导体10中的扭转结构13的长度占整个所述中心柱导体10长度的比例尽量的大。在本实施例中，该比例可以为50%-100%，从而使得扭转结构13产生的等效环向电流沿中心柱导体10高度方向被均匀拉长，在中心柱导体10中通入的电流一致的情况，使得在相同高度尺寸下的等效的环向电流比较小，即相同空间体积下的环向电流密度变小，进而使得环向电流产生的极向磁场强度变小，也就是磁场在极向和周向方向都要更加均匀、对称；同时，由于磁场分布均匀，且极向磁场强度变小的情况下，使得环向场线圈在通入相同电流大小条件下所受到的扭转力更小。

为了使扭转结构13产生的等效环向电流的电流密度尽量的小，进而使环向场线圈的磁场分布更为均匀，受到的扭转力更小，在一种可选的实施例中，中心柱导体10整体为扭转结构，即中心柱导体中的扭转结构的长度占整个所述中心柱导体长度的比例为100%。如图9所示，中心柱导体10的整体相对于主体轴线30发生扭转。中心柱导体10整体作为扭转结构13使得扭转结构13产生的等效环向电流沿中心柱导体10高度方向被均匀拉到最长，在中心柱导体10中通入的电流一致的情况，使得在相同高度尺寸下的等效的环向电流最小，即相同空间体积下的环向电流密度最小，进而使得环向电流产生的极向磁场强度最小，也就是磁场在极向和周向方向都要更加均匀、对称；同时，由于磁场分布均匀，且极向磁场强度最小的情况下，使得环向场线圈在通入相同电流大小条件下所受到的扭转力最小。

作为示例性的实施例，如图2、图3、图9和图10所示，所述扭转结构13的扭转轴线14与所述主体轴线30的预设夹角α为360°/n，n为所述中心柱导体10的个数。以n为24为例，其他数量在本实施例中同样适用。扭转结构13的扭转轴线14与主体轴线30的夹角为15°。可以保证一个中心柱导体10的第一端11和相邻的另一中心柱导体10的第二端12的端面在环向场线圈的一端所在的平面上的投影重叠，24个中心柱导体10之间可以沿主体轴线30周向紧密排列，使各个线圈产生的环向磁场方向更加一致均匀。

通常中心柱导体10为柱形结构，其横截面可以为梯形，扇形等，第一端11和第二端12的部分要与外臂导体20固定连接，所述第一端11具有第一安装位段111，所述第二端12具有第二安装位段121；所述第一安装位段111和所述第二安装位段121分别用于与外臂导体20的两端固定连接，且具有与所述外臂导体的两端相匹配的安装面；所述中心柱导体还包括位于所述第一安装位段111和所述第二安装位段121之间的中间段。

参见图1所示，外臂导体20包括第一端连接导体21、C形段导体22和第二端连接导体23，如图10所示，外臂导体20的第一端连接导体21与其中一个中心柱导体10的第一端11的第一安装位段111固定连接，同一外臂导体20的第二端连接导体23与相邻的另一中心柱导体10的第二端12的第二安装位段121固定连接。

中心柱导体10整体作为扭转结构13的情况下，中心柱导体10上的安装面也可能会发生扭转，甚至可能会发生方向扭转，因此，在中心柱导体10整体作为扭转结构13的情况下，保持外臂导体20所在平面垂直于“水平面”的情况下，将中心柱导体10安装面按照外臂导体20安装面设置。

为了减小中心柱导体10的加工难度，同时使中心柱导体10与外臂导体20固定安装更为方便，在本本实施例中，如图10所示，将所述第一安装位段111和所述第二安装位段121沿平行于所述主体轴线30方向设置，使得所述中间段整体为所述扭转结构13。在能够更为方便的固定安装中心柱导体10和外臂导体20的同时，能够最大限度的将扭转结构13设置到沿中心柱导体10高度方向最长，进而磁场在极向和周向方向都要更加均匀、对称；同时，由于磁场分布均匀，且极向磁场强度更小的情况下，使得环向场线圈在通入相同电流大小条件下所受到的扭转力更小。

在一种实施例中，如图11所示的中心柱俯视图 ，多个所述中心柱导体沿所述主体轴线方向呈圆形阵列分布。

作为示例性的实施例，以24个中心柱导体为例，中心柱导体扭转15°实现方式可以包括：通过铸造、机加工的方式直接获得24根同向扭转15°的扇形导体，将铜导体周向摆放成环形，铜导体之间注塑绝缘材质，最终成型中间部分扭转15°的中心柱导体。另一种实现方式可以包括可以先获取未扭转的中心柱导体，将多个工装夹具沿中心柱导体高度方向自上而下设置，在本实施例中以下以6个夹具为例说明，由高到低依次编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#，每个夹具与24根导体外周型面贴合夹紧固定，先保持最高处的1#、2#号夹具不动，同时缓慢旋转3#、4#、5#、6#号夹具5°，保持一定时间，待中心柱导体完全塑性变形不再回弹后，然后保持1#、2#、3#号夹具不动，同时缓慢旋转4#、5#、6#号夹具5°，保持一定时间，待中心柱导体完全塑性变形不再回弹后，最后保持1#、2#、3#、4#号夹具不动，同时缓慢旋转5#、6#号夹具5°，保持一定时间，最终实现中心柱导体多段扭转部分，进而使得扭转部分整体扭转15°。

本申请实施例还提供了一种聚变装置，包括上述实施例中描述的环向场线圈。

在一种实施例中，聚变装置可以包括托卡马克装置，例如球形托卡马克装置，也可以包括仿星器等磁约束核聚变装置。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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申请中的具体含义。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (10)

1.一种环向场线圈，其特征在于，环向场线圈具有主体轴线，所述环向场线圈包括：相同数量的多个中心柱导体和多个外臂导体；

所述外臂导体的一端与一个所述中心柱导体的第一端连接，所述外臂导体的另一端与相邻的另一中心柱导体的第二端连接，其中，所述第一端与所述第二端为中心柱导体相对的两端；

所述中心柱导体中的全部或一部分为扭转结构，所述扭转结构沿中心柱导体的中心呈中心对称设置，且所述扭转结构的轴线与所述主体轴线具有预设夹角。

2.如权利要求1所述的环向场线圈，其特征在于，所述扭转结构为连贯扭转结构。

3.如权利要求1或2所述的环向场线圈，其特征在于，所述扭转结构的长度占整个所述中心柱导体长度的比例为50%-100%。

4.如权利要求1所述的环向场线圈，其特征在于，所述第一端具有第一安装位段，所述第二端具有第二安装位段；所述第一安装位段和所述第二安装位段分别用于与外臂导体的两端固定连接，且具有与所述外臂导体的两端相匹配的安装面；

所述中心柱导体还包括位于所述第一安装位段和所述第二安装位段之间的中间段。

5.如权利要求4所述的环向场线圈，其特征在于，所述第一安装位段和所述第二安装位段沿平行于所述主体轴线方向设置，所述中间段整体为所述扭转结构。

6.如权利要求1所述的环向场线圈，其特征在于，所述预设夹角为360°/n，n为所述中心柱导体的个数。

7.如权利要求1所述的环向场线圈，其特征在于，所述外臂导体包括与所述第一端连接的第一端连接导体，与所述第二端连接的第二端连接导体以及位于所述第一端连接导体和所述第二端连接导体之间的C形段导体。

8.如权利要求1所述的环向场线圈，其特征在于，多个所述中心柱导体沿所述主体轴线方向呈圆形阵列分布。

9.如权利要求1所述的环向场线圈，其特征在于，在其中之一的外臂导体上设置有电流输入端和电流输出端，所述电流输入端和所述电流输出端之间设置有绝缘材质。

10.一种聚变装置，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的环向场线圈。