用于聚变反应堆的环向场线圈的制作方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及在强环向场中操作的紧凑型聚变反应堆。特别地，但并非排他性地，本发明涉及适于用作能源或者作为高效中子源的球形托卡马克反应堆，并且其具有等离子体约束系统，等离子体约束系统包括高温超导体(HTS)线圈。
【背景技术】
[0002]产生聚变能所面临的挑战是非常复杂的。目前已经提出除托卡马克之外的许多替代装置，尽管还没有一个已产生任何与当前运行的最好的托卡马克(如JET)可比的结果。
[0003]在开始建造有史以来最大及最昂贵(cl5bn欧元)的托卡马克ITER之后，世界核聚变的研究已经进入了新的阶段。到达商业核聚变反应堆的成功路线要求长脉冲、稳定运行结合高效率以使得发电具有经济效益。这三个条件特别难以同时达到，并且计划中的方案将需要对ITER和其它核聚变设施进行多年的实验研究，以及理论和技术研究。普遍预期的是通过这一路线发展的商业核聚变反应堆将不会在2050年之前建成。
[0004]为了获得使发电具有经济效益(即功率输出比功率输入更多得多)所需的核聚变反应堆，常规的托卡马克必须是巨大的(如由ITER所例证)，从而可以有足够多的能量约束时间(该时间大约与等离子体体积成比例)，以致等离子体足够热以用于发生热聚变。
[0005]WO 2013/030554描述了一种替代方案，其涉及将紧凑球形托卡马克用作中子源或能源。球形托卡马克设计中的重要考虑是环向磁场的强度，BT，环向磁场由穿过中心柱的线圈产生。在本文献中，通过在环向场线圈中使用高温超导体材料(HTS)解决了下面这种挑战:能保持中心柱足够小以用于较小型的托卡马克，同时使Bt最大。
[0006]这种HTS线圈的材料和构造的优化对于可获得的场和反应堆效率具有重大影响。
【发明内容】
[0007]根据本发明的一方面，提供一种环向场线圈，其用于在核聚变反应堆中产生环向磁场，核聚变反应堆包括环向等离子体腔室，环向等离子体腔室具有中心柱，环向场线圈包括穿过中心柱并且绕等离子体腔室的外侧传递的多个绕组。每个绕组包括电缆，电缆包括多个堆叠的HTS带材，每个HTS带材包括一层或多层高温超导体材料。HTS带材被布置成使得当电缆穿过中心柱时，每个HTS带材的面平行于环向磁场。当电缆绕等离子体腔室的外侧传递时它们可以扭转地绞合。
[0008]根据本发明的另一方面，提供一种环向场线圈，其用于在核聚变反应堆中产生环向磁场，核聚变反应堆包括环向等离子体腔室，环向等离子体腔室具有中心柱，环向场线圈包括穿过中心柱并且绕等离子体腔室的外侧传递的多个绕组。每个绕组包括电缆，电缆包括多个堆叠的HTS带材，每个HTS带材包括一层或多层高温超导体材料。HTS带材被布置成使得在电缆通过中心柱时，在反应堆操作期间每个HTS带材的面垂直于最大中子通量的方向。
[0009]根据本发明的另一方面，提供一种环向场线圈，其用于在核聚变反应堆中产生环向磁场，核聚变反应堆包括环向等离子体腔室，环向等离子体腔室具有中心柱，环向场线圈包括穿过中心柱并且绕等离子体腔室外侧传递的多个绕组。每个绕组包括电缆，电缆包括多个HTS带材，每个HTS带材包括一层或多层高温超导体材料。与所述中心柱的中心靠近地经过的电缆中至少一个电缆所具有的截面小于离中心更远地穿过中心柱的电缆。
[0010]靠近中心柱中心经过的电缆中至少一个电缆具有的截面可以小于离中心更远地穿过中心柱的电缆。
[0011 ] 靠近中心柱中心经过的至少一个电缆可载送比离中心更远地经过的电缆更高电流密度的电流。
[0012]堆叠的HTS带材可选地被布置成使得当电缆穿过中心柱时，每个HTS带材的面基本上平行于环向(和极向)磁场。堆叠的HTS带材可以被布置成使得当电缆绕等离子体腔室外侧经过时，它们扭转地绞合。
[0013]每个电缆可以包括多个堆叠HTS带材，可选地被布置成使得当电缆穿过中心柱时，每个HTS带材的面基本上平行于环向(和极向)磁场。堆叠的HTS带材被布置成使得当电缆绕等离子体腔室的外侧经过时，它们扭转地绞合。
[0014]或者，每个电缆可包括绕铜芯布置的多个HTS带材。
[0015]环向场线圈还可包括:冷却系统，其能将电缆冷却到77K或更低，更优选地30K或更低，更优选地4K或更低。在使用中环向磁场为可选地为3T或更高，优选地5T或更高，优选地1T或更高，更优选地15T或更高。
[0016]本发明还提供一种核聚变反应堆，包括等离子体腔室，等离子体腔室具有中心柱和上文所描述的环向场线圈。中心柱可包括中央芯，螺线管定位于或可插入于中央芯中。反应堆可以包括四个或更多个环向场线圈。
[0017]聚变反应堆可以被构造成将等离子体约束在等离子体腔室内，等离子体腔室具有1.5m，优选地小于1.0m，更优选地小于0.5m的受约束等离子体的主半径。反应堆可以具有2.5或更小的纵横比并且优选地为纵横比为2.0或更小的球形托卡马克反应堆。
[0018]可绕中心柱设置屏蔽物以便减小或消除由于中子造成的破坏。中心柱的外部的至少一部分可由非HTS材料制成，非HTS材料提供屏蔽物以对抗中子对HTS带材的破坏。这种非HTS材料可以被构造成用以载送电流以增强环向磁场。中心柱的外部可以低温冷却，优选地到77K，更优选地到小于40K，以便减小电阻加热。所述非HTS材料可包括铍和/或铝。
[0019]根据本发明的另一方面，提供一种通过操作包括环向等离子体腔室的核聚变反应堆来产生中子或能量的方法。核聚变反应堆包括环向等离子体腔室。该方法包括:启动等离子体腔室中的等离子体;使用上文所描述的环向场线圈来产生环向磁场，以及发射中子和其它尚能粒子。
【附图说明】
[0020]现将参考附图仅以举例说明的方式描述本发明的某些优选实施例，在附图中:
[0021 ]图1A是穿过等离子体容器和环向场线圈结构的截面图；
[0022]图1B是穿过图1A的等离子体容器的中心柱的截面图；
[0023]图2示出了HTS带材的一示例的结构；
[0024]图3是由堆叠的带材所形成的电缆的一部段的示意图；
[0025]图4示出了在20K，对于垂直于或平行于带材的磁场，作为YB⑶带材磁场的函数的提升因子；
[0026]图5示出了在托卡马克中的(主)环向磁场的径向分布；
[0027]图6A和图6B示出了电缆绕组的楔状部的示例；
[0028]图7示出了穿过球形托卡马克的四分之一截面，该球形托卡马克包括具备受限的中子屏蔽的HTS环向场磁体和不同构造的中心柱以对于中子轰击提供更多适应力(resilience)。
【具体实施方式】
[0029]本申请基于一种非常紧凑形式的托卡马克，并采用了一系列的创新特征，包括高温超导磁体的使用。“高效紧凑型聚变反应堆”(ECFR)的目的是提供一种紧凑型聚变发电站。
[0030]当氘-氚(D-T)或氘-氘(D-D)等离子体变得很热时，原子核聚合在一起，产生聚变中子，并释放高能中子。到目前为止，实现这一目标最有前景的方式是使用托卡马克;在利用常规托卡马克方案进行聚合(就像ITER实施的)中，等离子体需要具有高的约束时间、高温以及高密度以优化这一过程。
[0031]托卡马克是以强环形磁场Βτ、高等离子体电流^的组合为特征的，并且通常具有大的等离子体体积和显著的辅助加热，以提供热稳定的等离子体，从而使得聚变能够发生。辅助加热(例如经由注入数十兆瓦高能氢H、氘D或氚T的中性束注入)是必需的以使温度增加到足够高的值以允许核聚变发生，并且/或者维持等离子体电流。
[0032]问题在于，由于通常需要大尺寸、大磁场和高的等离子体电流，因此建造成本和运行成本较高，并且工程必须是鲁棒的即强固的以应对存在的大量存储的能量，这些能量在磁体系统和等离子体二者中均有，其具有“扰乱”的习惯或特性，即在剧烈的不稳定情况下，百万安培的电流在千分之几秒钟内降到零。
[0033]这种情况可以通过收缩所述常规托卡马克的环形环面到其极限，使得其具有空芯苹果形的外观，即“球形”托卡马克(ST)，而得到改进。这个概念第一次在Culham的START托卡马克中实现证明了效率可以大幅增加，即用来容纳热等离子体所需的磁场可以降低10倍即降至原来1/10。另外，提高了等离子体的稳定性，并且降低了建造成本。
[0034]ST的一个缺点是中心柱内的有限的空间阻止了用以在中子环境中保护中心绕组所必需的实质屏蔽物的安装，因此常规的环向场绕组、以及常规的中心螺线管(用来感应和维持等离子体电流)并不实用。尽管基于ST的发电厂已经被设计出来了(使用具有有限屏蔽物的固体铜芯柱，每一年左右或者当柱子被中子破坏时都需要更换柱子)，但是由于暖铜的电阻系数相对较高，这些发电厂在中心柱中会有较高的能量消耗，因此需要一个大型装置以使得电力生产变得更具经济效益。
[0035]环形磁场Bt的强度