[发明专利]用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈及导体绕制成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及超导托克马克装置领域，具体涉及一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈及导体绕制成型方法。

背景技术

    磁约束是利用强磁场可以很好的约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。目前随着ITER、EAST、KSTAR等托克马克装置(Tokamak)的建立，聚变能的研究取得了重大的进展。托克马克类型的磁约束研究领先于其他途径的可控热核聚变而被认为是最有希望用于商用能源。

 托克马克是一种环形强磁场装置，其特殊的构造而产生的磁场位形可以使等离子体得到稳定的约束，使得聚变反应自持进行。目前世界各国托克马克装置上纵场磁体线圈内部导体排列沿大环径向均采用矩形截面，该纵场磁体系统可在等离子体中心产生稳定的环向场，用来约束高温等离子体，但此种线圈对于抑制等离子体外缘区域波纹度效果不明显，随着未来装置的升级，等离子体直径也将随之增加，如何确保等离子体外缘区域波纹度将直接影响等离子体运行的稳定性，这是亟待解决的关键问题。降低纵场线圈大环圆周方向的波纹度可有效降低等离子体外缘的波纹度，对于提高等离子体运行的稳定性有着重要意义。

 在圆柱坐标系（r, φ,z）下，纵场磁体线圈系统在大圆面上绕Z轴方向的B_j波纹度ψ可以用下式表达：ψ（r,z）=(B_max-B_min)/ (B_max+B_min)，若B_j的最大值B_max在φ=0处，则B_j的最小值B_min在φ=π/N_coil处，N_coil为线圈数。图1为矩形截面和楔形截面磁体线圈磁感应强度最大和最小值示意图，由于楔形截面相对矩形截面线圈两个相邻纵场线圈的大环最外侧距离明显减小，因此相同B_max下B_min（楔形截面）> B_min（矩形截面）。

降低纵场线圈的波纹度目前主要通过调节线圈数量来实现的，考虑增加纵场线圈数目来降低波纹度，同时考虑在通过喷涂磁性材料达到降低纵场波纹度。目前的托克马克装置全部属于实验堆，主要通过增加矩形截面的纵场磁体线圈数量达到降低波纹度，效果良好。但考虑到未来聚变堆实现氘氚反应，对于用于拆卸和维护内部部件的窗口尺寸会要求很大，如果继续按照目前的经验将纵场磁体线圈增加到较高的密度，必然会与装置大窗口尺寸的设计要求相冲突。因此通过调整线圈的形状和尺寸可以在保证装置装配尺寸和不增加纵场线圈数量的基础上，在一定程度上有效降低波纹度，并且保证相邻纵场磁体线圈之间有较大空间保证大型拆卸和维护窗口的实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈及导体绕制成型方法，能够在满足托克马克装置正常运行和保证等离子体中心环向场磁场强度的情况下，同时在不增加磁体线圈数量的前提下，达到一定程度上有效降低大环最外侧波纹度的目的，实现提高等离子体运行的稳定性。同时，楔形截面超导磁体线圈的内部导线采用在特定设计的模具上连续绕制成型，楔形截面线圈导体的绕制模具可以保证线圈绕制加工后楔形截面角度的精确度。

本发明的技术方案如下：

一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈，其特征在于：包括有一个D型线圈，D型线圈由导线绕制成型，D型线圈包括有直线段、两个小圆弧段、大圆弧段，D型线圈的直线段的截面为矩形，D型线圈的小圆弧段、大圆弧段的截面呈楔形，D型线圈的直线段的两端与大圆弧段的两端之间的部分为小圆弧段。

一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈的导体绕制成型方法，其特征在于：包括有模具，所述的模具包括有中心支撑柱，和套在中心支撑柱外的构成D形的多层成型块，每层成型块间有间隔；所述的每层成型块包括有两个一端对接的弧形块，所述的中心支撑柱的两侧分别自上至下设有数个定位块，每个弧形块的内壁上开有装配孔，卡装在定位块上；

具体绕制成型方法如下：

（1）各成型块的一对弧形块分别自中心支撑柱的两侧卡接于中心支撑柱上，中心支撑柱两侧的定位块分别卡于弧形块的装配孔中，每对弧形块的一端对接，各相邻成型块之间有间隔；

（2）导线在模具上沿着各相邻成型块之间的间隔围绕着中心支撑柱进行连续绕制成型；