CN216719507U - 一种托卡马克聚变装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种托卡马克聚变装置，该装置包括：拆卸式杜瓦结构；真空室，设置在所述拆卸式杜瓦结构的内部；极向场线圈，所述极向场线圈套设在所述真空室的外周；环向场线圈，所述环向场线圈设置在所述真空室上；所述环向场线圈、所述极向场线中至少一个与所述真空室之间可拆卸地相连接。本实用新型中拆卸式杜瓦结构为可拆卸式结构，以便在拆卸式杜瓦结构拆卸后对其内部的零部件进行更换；环向场线圈、极向场线圈中的至少一个与真空室之间可拆卸地相连接，在环向场线圈和/或极向场线圈出现问题时，进行出现问题的环向场线圈和/或极向场线圈的更换工作，解决了现有聚变装置磁体某一部分一旦损坏导致整个装置主机基本全部报废的问题。

Description

一种托卡马克聚变装置

技术领域

本实用新型涉及托卡马克装置技术领域，具体而言，涉及一种托卡马克聚变装置。

背景技术

可控核聚变的反应燃料主要是氘和氚，氘在自然界的储量丰富，而氚可以通过反应合成。整个聚变氘氚反应产物无污染无放射性，具有极高的反应安全性，因此可控核聚变被认为是未来人类能源发展的终极解决方案。在目前的研究中，磁约束核聚变是最有希望实现聚变能利用的途径。其中Tokamak(托克马克)装置是目前世界上研究最广泛的一种聚变反应装置，Tokamak装置是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。

托卡马克装置主机由真空室、磁体和支撑系统构成，目前聚变装置磁体某一部分一旦损坏，则整个装置主机基本全部报废。

发明内容

鉴于此，本实用新型提出了一种托卡马克聚变装置，旨在解决现有磁体某一部分一旦损坏整个装置主机全部报废的问题。

本实用新型提出了一种托卡马克聚变装置，该装置包括：拆卸式杜瓦结构；真空室，设置在所述拆卸式杜瓦结构的内部；极向场线圈，所述极向场线圈套设在所述真空室的外周；环向场线圈，所述环向场线圈设置在所述真空室上；所述环向场线圈、所述极向场线中至少一个与所述真空室之间可拆卸地相连接，用于实现所述环向场线圈和/或所述极向场线的更换。

进一步地，上述托卡马克聚变装置，所述环向场线圈包括：环向场线圈活体，作为中心柱磁体沿所述真空室的轴向插设在所述真空室的内部；环向场线圈受体，两端与所述环向场线圈活体的两端可拆卸地相连接，用于实现所述环向场线圈受体和所述环向场线圈活体之间的连接和信号传输；所述环向场线圈受体作为返回臂设置在所述真空室的外周。

进一步地，上述托卡马克聚变装置，所述环向场线圈受体的端部以插接的方式与所述环向场线圈活体的端部可拆卸地相连接。

进一步地，上述托卡马克聚变装置，所述环向场线圈活体的端部设有插接杆结构，所述环向场线圈受体的端部设有与所述插接杆结构相对应的插接孔结构，所述插接杆结构以能够分离的方式插接在所述插接孔结构内；或，所述环向场线圈活体的端部设有插接孔结构，所述环向场线圈受体的端部设有与所述插接孔结构相对应的插接杆结构，所述插接杆结构以能够分离的方式插接在所述插接孔结构内。

进一步地，上述托卡马克聚变装置，所述环向场线圈受体的端部和/或所述环向场线圈活体的端部设有端部连接板。

进一步地，上述托卡马克聚变装置，所述拆卸式杜瓦结构沿横向分割为若干段，并且，任意相邻两段之间均可拆卸地相连接；和/或，所述拆卸式杜瓦结构沿纵向分割为若干瓣，并且，任意相邻两瓣之间均可拆卸地相连接。

进一步地，上述托卡马克聚变装置，任意相邻两段之间和/或任意相邻两瓣之间通过螺栓可拆卸地相连接。

进一步地，上述托卡马克聚变装置，所述真空室的外壁上设有支撑件，用于对所述环向场线圈进行支撑。

进一步地，上述托卡马克聚变装置，所述拆卸式杜瓦结构内还设有支撑组件，用于对所述真空室和/或所述极向场线圈进行支撑。

进一步地，上述托卡马克聚变装置，所述真空室上设有真空室窗口。

本实用新型提供的托卡马克聚变装置，拆卸式杜瓦结构为可拆卸式结构，以便在拆卸式杜瓦结构拆卸后对其内部的零部件进行更换；通过真空室为等离子体放电提供高真空环境，通过真空室上的环向场线圈和极向场线圈，以产生托卡马克强磁场；并且，环向场线圈、极向场线圈中的至少一个与真空室之间可拆卸地相连接，以便在环向场线圈和/或极向场线圈出现问题时，保证主机完整性的前提下，进行出现问题的环向场线圈和/或极向场线圈的更换工作，缩短主机的维护时间，保证主机的正常运行，解决了现有聚变装置磁体某一部分一旦损坏导致整个装置主机基本全部报废的问题，有利于装置的安装和后期的运行及维修，主机系统的快速拆装可以使后期维护成本大大的降低。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供的托卡马克聚变装置的外形结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的托卡马克聚变装置的内部结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的托卡马克聚变装置的剖面图；

图4为本实用新型实施例提供的环向场线圈的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的环向场线圈活体的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的环向场线圈活体端部位置的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的环向场线圈受体的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的环向场线圈受体端部位置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

参见图1至图3，其示出了本实用新型实施例提供的托卡马克聚变装置的优选结构。如图所示，该装置包括：拆卸式杜瓦结构1、真空室2、极向场线圈3、环向场线圈4和支撑组件5；其中，

拆卸式杜瓦结构1作为外真空杜瓦结构，其整体包裹在真空室2、极向场线圈3、环向场线圈4和支撑组件5的外部。具体地，拆卸式杜瓦结构1是维持其内部的所有部件都处在基本无对流传热的真空环境中，也就是，可以提供一个真空超低温的环境，同时也是其内部所有部件支撑的基础；为便于拆卸式杜瓦结构1内部零部件的支撑，如图2和图3所示，优选地，拆卸式杜瓦结构1内部在底部位置设有支撑组件5，用于对真空室2和/或环向场线圈4进行支撑，进而对真空室2和环向场线圈4提供连接和支撑。在本实施例中，为便于更换内部的损坏的零部件例如极向场线圈3或环向场线圈4，拆卸式杜瓦结构1为可拆卸式结构，以便在拆卸式杜瓦结构1拆卸后对其内部的零部件进行更换。拆卸式杜瓦结构1包括杜瓦结构本体以及设置在杜瓦结构本体内壁上的冷屏结构；其中，冷屏结构是由绝热材料或绝热结构组成的屏蔽热辐射的外壳结构，用于提供一个超低温的环境；杜瓦结构本体用于提供一个真空环境；杜瓦结构本体和冷屏结构为一体式结构。

真空室2设置在拆卸式杜瓦结构1的内部。具体地，如图2和图3所示，真空室2是环形结构，为等离子体放电提供高真空环境；真空室2上设有真空室窗口21，用于诊断、加热、抽气、充气、冷却等；优选地，真空室2可以为可拆卸式真空室结构，亦可为整体式结构，本实施例中对其不做任何限定。

极向场线圈3套设在真空室2的外周，用于产生极向磁场。具体地，极向场线圈3即PF线圈可以为圆形结构，其在真空室2的横截面（如图2所示的水平面）沿真空室2的外周可拆卸地绕设在真空室2的外壁上，以产生极向磁场；其中，极向场线圈3与真空室2之间可拆卸地相连接；在本实施例中，真空室2的外壁上设有若干圈沿其周向设置的支撑件22，用于对极向场线圈3进行支撑，以使极向场线圈3可拆卸地放置在支撑件22，以通过真空室2的外壁以及支撑件22提供支撑连接；在其中一个或多个极向场线圈3损坏时，对其中损坏的部分进行更换。其中，极向场线圈3被构造为单个导体环，其为多个且均沿真空室2的轴向间隔设置；各极向场线圈3可以为一体结构，亦为可拆卸式结构，各段之间可围设形成圆形结构，并且，各段之间可通过螺栓可拆卸地相连接；各个极向场线圈3之间可相互独立，进行独立供电。

环向场线圈4设置在真空室2上，并且，环向场线圈4与真空室2之间可拆卸地相连接，用于实现环向场线圈4的更换；其中，环向场线圈4用于产生环向磁场，环向磁场和极向磁场组合形成螺旋形磁场。具体地，环向场线圈4即TF线圈的底部可支撑在支撑组件5上，并且，环向场线圈4在真空室2的纵截面可拆卸地缠绕在真空室2上，以产生托卡马克强磁场。其中，环向场线圈4被构造为单个导体环，其为多个且沿真空室2的环向间隔设置，各个环向场线圈4单体之间均通过支撑组件5提供连接，并且，各个环向场线圈4与支撑组件5、真空室2之间均可拆卸地相连接。在本实施例中，该环向场线圈4可采用高温超导材料绕制而成，在保证TF线圈单体正常运行的前提下，降低各部件重量，进而使得线圈单体安装更为安全、可靠，并且能够在环向场线圈4出现问题时，在保证主机完整性的前提下，进行问题线圈单体的更换工作，缩短主机的维护时间，保证主机的正常运行。在本实施例中，环向场线圈4之间可相互独立进行独立供电，亦可串联连接，本实施例中对其供电方式不做限定。

继续参见图1和图2，为实现拆卸式杜瓦结构1的拆卸，拆卸式杜瓦结构1沿轴向（如图1所示的竖直方向）分割为若干段，并且，任意相邻两段之间均可拆卸地相连接；和/或，拆卸式杜瓦结构1沿环向（如图1所示的拆卸式杜瓦结构1的周向）分割为若干瓣，并且，任意相邻两瓣之间均可拆卸地相连接；优选地，任意相邻两段和/或任意相邻两瓣之间的连接处向四周延设有连接板11，两个连接板11之间可通过螺栓可拆卸地相连接；其中，在本实施例中，如图1所示，拆卸式杜瓦结构1沿其轴向分为3段，最下方一段作为底座，上方两部分沿环向分为6瓣，各部分之间通过螺栓实现可拆卸连接。

继续参见图3至图8，该环向场线圈4包括：环向场线圈活体41和环向场线圈受体42；其中，环向场线圈活体41作为中心柱磁体，沿真空室2的轴向插设在真空室2的内部；环向场线圈受体42的两端与环向场线圈活体41的两端（如图4所示的上下两端）可拆卸地相连接，用于实现环向场线圈受体42和环向场线圈活体41之间的连接和信号传输；环向场线圈受体42作为返回臂设置在真空室2的外周。具体地，环向场线圈受体42的两端分别与环向场线圈活体41的两端（如图4所示的上下两端）可拆卸地相连接，以便组合形成D字型结构。在本实施例中，环向场线圈受体42的端部可以插接的方式与环向场线圈活体41的端部可拆卸地相连接。其中，各个环向场线圈4的环向场线圈活体41可以整体构成中心柱。

由此可知，环向场线圈活体41和环向场线圈受体42之间的拆卸式结构组合形成可拆卸TF线圈单体，其代替传统的一体式线圈单体进行主机的绕制工作；此种可拆卸TF线圈单体结构在保证主机正常运行的前提下，具有以下优点：1）便于线圈安装，调试，一体式立式线圈单体体积和重量均较大，在一体式线圈单体安装时，辅助移动设备载重均较大，安装时容易出现线圈单体倾斜、侧翻等一系列问题，具有较大的安全隐患；2）一体式线圈单体难以进行后期维护和更换，一体式线圈单体一旦出现故障，需要将主机支撑架等一系列结构进行大范围拆除才能够将问题线圈单体取出，进而进行线圈单体更换，此项工作不仅更换工作量大、耗费大量人力物力，而且不便于现场更换操作和后期设备检修。

在本实施例中的一种实施方式中，如图4至图8所示，环向场线圈活体41的端部设有插接杆结构411，环向场线圈受体42的端部设有与插接杆结构411相对应的插接孔结构421，插接杆结构411以能够分离的方式插接在插接孔结构421内。具体地，插接杆结构411可以为针状接头结构，亦可为其他结构。本实施例中，通过环向场线圈活体41和环向场线圈受体42之间的插接完成两部分线圈的连接和信号传输工作；进行线圈单体即单个环向场线圈4安装时，将环向场线圈活体41上的插接杆结构411以特定角度插入到环向场线圈受体42的插接孔结构421中，然后进行环向场线圈活体41和环向场线圈受体42整体的固定工作例如可固定至支撑组件5上，即完成单个环向场线圈4的安装工作；当线圈出现故障需要进行更换时，只需要将环向场线圈活体41和环向场线圈受体42的接头处脱开，即可实现问题线圈的拆除工作，进而完成新线圈的更换工作。

在本实施例中的另一种实施方式中，环向场线圈活体41的端部设有插接孔结构，环向场线圈受体42的端部设有与插接孔结构相对应的插接杆结构，插接杆结构以能够分离的方式插接在插接孔结构内。当然亦可为，环向场线圈活体41一端设有插接孔结构，另一端设有插接杆结构；环向场线圈受体42对应端部一端设有插接杆结构，另一端设有插接孔结构；对于环向场线圈活体41和环向场线圈受体42之间的插接方式，本实施例中对其不做任何限定。

如图4至图8所示，插接杆结构411和插接孔结构421可以为多个，并且，两者之间一一对应设置，以便实现环向场线圈活体41和环向场线圈受体42之间插接的结构。

继续参见图4至图8，环向场线圈受体42的端部和/或环向场线圈活体41的端部可设有端部连接板43，其可以为平板结构，以实现环向场线圈受体42的端部和环向场线圈活体41的端部之间的抵压接触，进而便于端部之间的插接。

在本实施例中，极向场线圈3可设置在环向场线圈4的外周，以便于极向场线圈3的拆卸更换，并且，环向场线圈4可通过环向场线圈活体41和环向场线圈受体42之间的拆离实现拆卸更换。

综上，本实施例提供的托卡马克聚变装置，拆卸式杜瓦结构1为可拆卸式结构，以便在拆卸式杜瓦结构1拆卸后对其内部的零部件进行更换；通过真空室2提供盛装等离子体的容器，通过真空室2上的极向场线圈3和环向场线圈4，以产生托卡马克强磁场；并且，环向场线圈4、极向场线圈3中的至少一个与真空室2之间可拆卸地相连接，以便在环向场线圈4和/或极向场线圈3出现问题时，保证主机完整性的前提下，进行出现问题的环向场线圈4和/或极向场线圈3的更换工作，缩短主机的维护时间，保证主机的正常运行，解决了现有聚变装置磁体某一部分一旦损坏导致整个装置主机基本全部报废的问题，有利于装置的安装和后期的运行及维修，主机系统的快速拆装可以使后期维护成本大大的降低。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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实用新型的限制。

此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，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；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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种托卡马克聚变装置，其特征在于，包括：

拆卸式杜瓦结构；

真空室，设置在所述拆卸式杜瓦结构的内部；

用于产生极向磁场的极向场线圈，所述极向场线圈套设在所述真空室的外周；

用于产生环向磁场的环向场线圈，所述环向场线圈设置在所述真空室上；所述环向场线圈、所述极向场线圈中至少一个与所述真空室之间可拆卸地相连接，用于实现所述环向场线圈和/或所述极向场线圈的更换。

2.根据权利要求1所述的托卡马克聚变装置，其特征在于，所述环向场线圈为可拆卸式结构，其包括：

环向场线圈活体，作为中心柱磁体沿所述真空室的轴向插设在所述真空室的内部；

环向场线圈受体，两端与所述环向场线圈活体的两端可拆卸地相连接，用于实现所述环向场线圈受体和所述环向场线圈活体之间的连接和信号传输；所述环向场线圈受体作为返回臂设置在所述真空室的外周。

3.根据权利要求2所述的托卡马克聚变装置，其特征在于，所述环向场线圈受体的端部以插接的方式与所述环向场线圈活体的端部可拆卸地相连接。

4.根据权利要求3所述的托卡马克聚变装置，其特征在于，

所述环向场线圈活体的端部设有插接杆结构，所述环向场线圈受体的端部设有与所述插接杆结构相对应的插接孔结构，所述插接杆结构以能够分离的方式插接在所述插接孔结构内；或，

所述环向场线圈活体的端部设有插接孔结构，所述环向场线圈受体的端部设有与所述插接孔结构相对应的插接杆结构，所述插接杆结构以能够分离的方式插接在所述插接孔结构内。

5.根据权利要求2所述的托卡马克聚变装置，其特征在于，所述环向场线圈受体的端部和/或所述环向场线圈活体的端部设有端部连接板。

6.根据权利要求1至4任一项所述的托卡马克聚变装置，其特征在于，

所述拆卸式杜瓦结构沿轴向分割为若干段，并且，任意相邻两段之间均可拆卸地相连接；和/或，

所述拆卸式杜瓦结构沿环向分割为若干瓣，并且，任意相邻两瓣之间均可拆卸地相连接。

7.根据权利要求6所述的托卡马克聚变装置，其特征在于，任意相邻两段之间和/或任意相邻两瓣之间通过螺栓可拆卸地相连接。

8.根据权利要求1至4任一项所述的托卡马克聚变装置，其特征在于，

所述真空室的外壁上设有支撑件，用于对所述环向场线圈进行支撑。

9.根据权利要求1至4任一项所述的托卡马克聚变装置，其特征在于，

所述拆卸式杜瓦结构内还设有支撑组件，用于对所述真空室和/或所述极向场线圈进行支撑。

10.根据权利要求1至4任一项所述的托卡马克聚变装置，其特征在于，所述真空室上设有真空室窗口。

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