[发明专利]一种托卡马克混合偏滤器磁场位形构建方法

说明书

本发明属于磁约束聚变设计技术领域，具体涉及一种托卡马克混合偏滤器磁场位形构建方法。本发明的托卡马克混合偏滤器磁场位形构建方法，在强场侧设置第一极向场线圈、第二极向场线圈和第三极向场线圈，所述第一极向场线圈、第二极向场线圈和第三极向场线圈的几何中心位置与第一X点的距离分别为1～1.5a、1.5～3a和1.5～3a，其中a为等离子体小半径。本发明解决了现有的偏滤器磁场位形构建方法所构建出的偏滤器磁场位形会使靶板受热面积较小，在高加热运行条件下，靶板热流面临重大挑战的技术问题。混合偏滤器磁场位形结构，具备同时降低内外偏滤器靶板热负载和增强靶板粒子控制的能力，改善了偏滤器运行与芯部高加热等离子体运行的兼容性。

技术领域

本发明属于磁约束聚变设计技术领域，具体涉及一种托卡马克混合偏滤器磁场位形构建方法。

背景技术

偏滤器作为磁约束托卡马克装置的最为重要的关键部件之一，用于排除从芯部等离子体进入边缘区域并流向偏滤器的热量，同时排出在芯部区域由于聚变反应产生的阿尔法粒子冷却下来的“氦灰”粒子，确保芯部等离子体的洁净,维持聚变反应的持续。此外，偏滤器还控制在边缘区域产生或者主动注入的杂质粒子进入主等离子体区域。

随着托卡马克实验装置等离子体运行参数的提高和辅助加热的增多，在偏滤器位形下，流出分离面进入刮离层和偏滤器区域的能量将沿着磁力线流向偏滤器，并在很小的偏滤器靶板处沉积，实验和理论计算结果显示，热流在外中平面处的径向能量衰减长度，仅与外中平面的极限磁场的强度相关，国际热核实验堆(ITER)的衰减长度仅约为1毫米，而未来的卡马克聚变装置在外中面的热流宽度也在毫米这个量级，以ITER例，其总加热功率(辅助加热和阿尔法粒子加热)达150MW，除去芯部等离子体辐射掉的功率，流进边缘的能量达87MW，如果按照能量衰减长度为1mm进行估算的话，即使靶板处的磁面展宽达20倍(较小的靶板倾斜角)，ITER靶板的最高热负载将达到60MW/m²，大大超出了现在偏滤器靶板表面材料的承受能力和偏滤器靶板冷却技术的要求，对于内偏滤器和外偏滤器的靶板设计都是一个巨大的挑战，为了使靶板的热负载降到当前工程可接受的阈值10MW/m²，允许流进边缘到达靶版的能量仅为15MW，需约90％的加热功率在到达靶板前被辐射掉，或者需要更大的靶板处的磁面展宽，有效的分散靶板的热流，达到缓解靶板热负载的目的。

为了缓解靶板的热负载，注入的杂质无法避免的将流进主等离子体区域，对芯部燃烧等离子体的高参数运行造成严重的威胁，尤其是在更高的聚变功率和加热功率条件下。如果未来的聚变堆实现3GW的聚变功率，那流进偏滤器的功率远超过ITER装置，过高的热负载也将产生更多的杂质，对物理运行和工程设计等都是挑战，这一直是聚变堆偏滤器设计研究的重点。

偏滤器位形是偏滤器设计和研究最为关键的因素之一，针对缓解偏滤器靶板热流的问题，国际上开展了通过改善磁场位形来缓解偏滤器靶板热流的研究，即先进偏滤器的设计和研究，最先提出的是CUSP偏滤器和X偏滤器，它们在偏滤器的靶板附近增加一对或是两对极向场线圈，在靶板附近产生一个额外的X点(即第二X点)，偏滤器靶板位将覆盖磁场的第二X点，CUSP偏滤器和X偏滤器是通过流扩张的方法实现增大热流分布宽度从而降低热流幅度，两个线圈的距离相对接近，不能无限增加靶板的沾湿面积以及控制沾湿面积的位置，此外，线圈靠近偏滤器靶板处，对于偏滤器的设计的空间不足，线圈的设计也带来很多的困难，尤其是超导托卡马克的偏滤器位形设计，也不能充分的利用位形的第二个X点对靶板的热流起缓解等作用。