一种高安全性的磁拓扑位形的构建方法、装置及应用与流程

本发明属于磁约束聚变设计领域，尤其涉及一种高安全性的磁拓扑位形的构建方法、装置及应用。

背景技术：

1、目前，能源是人类社会发展与进步的阶梯,目前世界经济发展依赖的主要是化石能源，约占80％。化石能源不但会造成环境污染和温室气体排放，其储量十分有限，制约着人类社会的发展。而现有的其它能源存在供能不稳定、存在时空限制、需要远距离输电、有核泄露的风险等缺陷，难以满足社会进步的需求。聚变能因其原料储量巨大、能量密度高、安全清洁无污染的特点，是人类最有前景的未来能源。要达到轻核聚变，要求等离子体的温度、密度足够高，对等离子体的约束足够好。目前已知可以实现大规模核聚变的约束方法有引力约束、惯性约束和磁约束，其中磁约束是最有希望实现商用核聚变的方案。

2、磁场位形是磁约束核聚变装置的关键核心。现有的磁约束核聚变装置有多种类型，诸如托卡马克、仿星器、球形托卡马克、球马克、反场箍缩、场反位形装置等，它们的磁拓扑位形是不同的。托卡马克是一种环向对称的磁约束核聚变装置，其磁场主要是由纵向磁场和极向磁场共同组成的螺旋状磁场，纵向磁场是由导入强电流的多个极向线圈产生的，极向磁场主要由等离子体内感应出的大电流提供，装置的磁拓扑位形具有很好的环向对称性，因而托卡马克装置获得了目前最高的等离子体参数，也是目前最有希望率先实现聚变的装置。然而托卡马克装置在运行过程中，会出现等离子体电流短时间内急速下降到零的现象，称之为破裂。破裂过程中，等离子体的内能和电磁能会短时间内沉积到装置壁上，造成装置的严重损害，等离子体参数越高，破裂的危害性越大。仿星器的磁场拓扑位形也是存在螺旋的，但与托卡马克不同，仿星器的磁拓单纯通过外加的三维线圈产生，不需要等离子体内的大电流，因而仿星器运行过程中不存在破裂的风险，放电更加安全。但仿星器的三维线圈结构复杂、工程精度要求高，仿星器存在制造困难的缺陷。此外仿星器的磁拓扑位形对称性差，其对等离子体的约束能力略逊色于托卡马克装置。球形托卡马克和球马克虽然装置结构存在很大不同，但是这两类装置的特点是具备非常优秀的等离子体约束能力，但是由于装置过于紧凑，难以提高装置磁场强度，因而现有的该类装置等离子体参数很低。而其他类型的装置，不但其装置运行原理更为复杂，而且其等离子体参数水平距离核聚变尚存在较大差距。综上所述，现有的磁约束核聚变装置的各种磁拓扑位形存在各自的缺陷，需要构建一种高约束、高安全性的磁拓扑位形用于未来的商用聚变。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

4、(1)现有的托卡马克装置运行过程中存在破裂的风险，安全性不足。

5、(2)现有的仿星器装置，工程技术要求高，且对等离子体约束能力较差。

6、(3)现有球形托卡马克和球马克装置过于紧凑，难以提高装置磁场强度，因而等离子体参数很低。

7、(4)现有的其他类型的装置，不但其装置运行原理更为复杂，而且其等离子体参数水平距离核聚变尚存在较大差距。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高安全性的磁拓扑位形，的构建方法、装置运行过程描述及应用。

2、本发明是这样实现的，一种高安全性的磁拓扑位形的构建方法，所述磁拓扑位形是在托卡马克磁拓扑位形的基础上，利用螺旋线圈产生的螺旋分布的极向和径向磁场所形成的。所述混合磁拓扑位形由环向磁场、平衡的极向磁场、等离子体极向磁场和带有螺旋结构的极向磁场构成。

3、进一步，所述环向磁场由纵场线圈产生，磁场方向为环向，该磁场具有环对称和竖直方向对称性，沿大半径方向衰减，与呈大半径反比；

4、所述等离子体极向磁场由等离子体电流产生，磁场方向为极向，该磁场具有环向对称性，与等离子体电流共同作用下产生小半径向内的电磁力，用于抗衡等离子体的热压力，约束等离子体；

5、所述平衡的极向磁场由极向场线圈产生，磁场方向为极向，该磁场具有环向对称性，与等离子体电流共同作用下，产生大半径-竖直平面内的电磁力，用于控制等离子体截面形状及位置；

6、所述带有螺旋结构的极向磁场螺旋线圈产生，磁场方向主要是极向方向和径向方向，不具备环向对称性，用于改善等离子体边界的拓扑结构，增强等离子体边界的极向磁场。

7、此外还包括欧姆场线圈感应产生的环向电场，所述感应环向电场用于产生、加热并维持等离子体。

8、进一步，所述高安全性的磁拓扑位形的构建方法的具体过程为：

9、满足真空条件后，缓慢提升所述纵场线圈电流至平台区，而后利用极向磁场在大半径较小的区域形成零场区，所述零场区极向、径向磁场为零，此时启动所述欧姆场线圈缓慢施加反向电流并维持一段时间，而后快速降低所述欧姆场线圈内电流以产生高强度的环向电场；

10、在高强度环向电场和纵场的作用下，被电离的电子沿着环向的磁力线不断加速，与其它原子碰撞，产生雪崩击穿，形成等离子体；

11、而后所述欧姆场线圈内电流逐渐向正向爬升，利用电磁互感效应提升等离子体电流；

12、在等离子体电流爬升过程中，反馈调节各个极向场线圈的电流，将等离子体磁轴控制在几何中心的位置，并调节等离子体截面结构；

13、当等离子体电流达到平台区时，投入所述螺旋线圈，提供带螺旋结构的极向磁场，最终构成所述磁拓扑位形。

14、本发明的另一目的在于提供一种实施所述高安全性的磁拓扑位形的构建方法的高安全性的磁拓扑位形装置，所述磁拓扑位形装置包括线圈系统；

15、所述线圈系统由纵场线圈、欧姆场线圈、极向场线圈以及螺旋线圈组成，用于产生磁场；

16、所述纵场线圈用于产生所述环向磁场；

17、所述欧姆场线圈用于产生感应环向电场，所述感应环向电场用于产生、加热并维持等离子体；

18、所述极向场线圈用于产生所述平衡的极向磁场；

19、所述螺旋线圈用于产生所述带有螺旋结构的极向磁场。

20、进一步，所述纵场线圈共十六饼，环向为均匀分布，通过回线结构进行串联；其中，单饼纵场线圈由绕制的多匝线圈构成，线圈间保持绝缘；

21、所述欧姆场线圈为多匝沿着环向绕制的线圈；

22、单个所述极向场线圈由沿环向绕制的多匝线圈构成；

23、所述螺旋线圈为同时环绕极向和环向的螺旋状的线圈，安装于真空室内，由特定的电源单独供电。

24、进一步，所述极向场线圈在极向-径向界面上以中平面为对称面，各个极向场线圈是根据等离子体电流强度、等离子体位置、等离子体截面独立反馈控制的。

25、进一步，所述磁拓扑位形装置在放电前，所述纵场线圈内电流需达到平台区并维持一定时间以稳定线圈内电流分布，放电结束后纵场线圈内电流开始下降，用于防止纵场线圈受力的突变导对线圈的损伤。

26、进一步，所述磁拓扑位形装置的放电过程中，首先由所述欧姆场线圈电流的突变在真空室内产生较大的感应环向电场来击穿工作气体，产生等离子体；所述欧姆场线圈通过变压器和等离子体电流耦合，多匝的欧姆场线圈作为原方，等离子体电流等效为一匝作为副方，维持等离子体电流，同时等离子体也因自身电阻的欧姆发热而被加热。

27、本发明的另一目的在于提供一种实施所述高安全性的磁拓扑位形的构建方法构建的磁拓扑位形在磁约束核聚变装置的应用。

28、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

29、第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

30、未来商用聚变的需求，要求聚变装置具备高约束、高安全性等能力。等离子体有很强的聚芯效应，绝大部分等离子体的内能和电磁能处于等离子体芯部，而且大规模聚变反应也是在等离子体中心发生。目前，等离子体加热技术已然成熟，等离子体参数主要受装置对等离子体的约束能力和安全稳定运行的限制。所述的混合磁拓扑位形以托卡马克位形为基础，利用欧姆场线圈在等离子体内感应出大电流，利用等离子体自发的聚芯效应，在等离子体芯部形成高电流密度和嵌套磁面结构，此区域的极向磁场较强，且磁拓扑具有很好的环向对称性，实现了芯部的托卡马克磁拓扑位形，使装置具有很好的等离子体约束能力。利用外加螺旋线圈将等离子体边界的磁面扭曲，将其改进成类仿星器位形的磁拓扑结构，降低了等离子体电流变化在该区域的影响，致稳了宏观等离子体不稳定性，避免了破裂的发生，具备高安全性放电的能力，而且外加螺旋磁场提高了该区域的磁拓扑旋转变换，进一步提高了装置对等离子体的约束能力。至此，本发明实现了同时具备高约束能力高安全性的聚变磁拓扑位形，运用本发明更有希望实现商用聚变，将使得人类获得近乎无限的安全、稳定、清洁的能源，将引发下一次技术革命，这对人类历史进程和社会发展带来极为深远的影响。

31、第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

32、在本发明公开的磁拓扑位形装置内，混合磁拓扑位形的芯部区域与托卡马克类似，仍具有非常好的环向对称性，能够很好的约束等离子体，实现了高参数等离子体放电；本发明提出了一种混合磁拓扑位形，具备甚至超过同等尺寸的托卡马克的约束能力。在等离子体的边界区域，外加螺旋线圈将该区域的磁拓扑位形改进成类仿星器位形，避免了破裂的发生，大幅提高了等离子体运行的安全性。且具备相当的安全性。所述的混合磁拓扑位形缓解了高等离子体参数和高安全性的矛盾，集合了托卡马克位形和仿星器位形的优点，实现了高参数等离子体安全稳定运行。

33、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下方面：

34、本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

35、当等离子体参数过高时，托卡马克等离子体内会出现宏观不稳定性，进而诱发大破裂造成托卡马克装置的严重损害。而其他类型的装置，目前尚未达到同等尺寸托卡马克的等离子体约束水平，因此高等离子体参数和安全稳定运行是难以调和的矛盾。不稳定性控制和破裂问题被列为iter上亟待解决的重大难题。本发明在一定程度上调和了高等离子体参数和安全稳定运行之间的矛盾，在已有的托卡马克装置上，获得了更高的等离子体参数，而且避免了破裂的发生。