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文档简介
团体标准
T/CIxxx—2021
悬浮偶极场磁约束等离子体装置指南
Guideformagneticallyconfinedplasmadeviceswithsuspendeddipolefields
(征求意见稿)
2021-x-x发布2021-x-x实施
中国国际科技促进会发布
悬浮偶极场磁约束等离子体装置指南
1适用范围
本指南规定了悬浮偶极场磁约束装置主机和主要辅助设备构成以及作为聚变研究应用
场景下的重要物理参数计算方法。
本指南适用于偶极磁约束装置的研究、设计、技术路线,可作为聚变研究等悬浮偶极场
装置设计与研究的技术依据。
2规范性引用文件
附件1
3术语和定义
3.1偶极场位形(Dipolefieldconfiguration)
由闭合环电流在周围空间中产生的一次磁场
3.2偶极场磁约束(Dipolefieldmagneticconfinement)
利用偶极场约束等离子体中带电粒子的运动
3.3偶极场磁约束装置(Dipolefieldmagneticconfinementdevice)
利用偶极场约束等离子体中带电粒子的运动的各系统总成
3.4悬浮偶极场线圈(Floatingdipolefieldcoil)
由环形杜瓦、液氦容器、超导磁体及支撑隔热结构组成的环形结构。主要作用为装置运
行时产生偶极磁场位形。
3.5悬浮托举线圈(Levitatedcoil)
在装置运行时,当偶极场线圈完成充电后由悬浮线圈提供电磁力,使偶极场线圈可以悬
浮在真空室中心。
3.6姿态控制线圈(RTScoils)
安装在真空室外侧,位于空间中8个象限。用于抑制中心悬浮线圈的倾斜、翻转和摆动
以及控制中心悬浮线圈姿态的线圈组。
3.7亥姆霍兹线圈(Helmholtzcoils)
位于真空室顶部和底部的一组线圈,用于改变偶极场最外侧闭合磁面形状的线圈。
3.8辅助加热窗口(Auxiliaryheatingwindow)
为等离子体电子、离子回旋加热提供入口的窗口。
2
3.9中性束加热、诊断和抽真空窗口(Neutralbeamheating,diagnosisandvacuum
window)
为等离子体提供中性束加热设备,诊断等离子体参数设备和抽真空的窗口。
3.10抓捕器(Catcher)
抓捕器分为上下两个,上抓捕器位置固定,下抓捕器与导杆连接可上下移动。其主要作
用为限制在偶极场线圈悬浮时限制其位移,以及在非悬浮时驱动偶极场线圈上下移动。
3.11反馈控制系统(Feedbackcontrolsystem)
3.12等离子体比压(Plasmabeta)
表示等离子体压强与磁压的比值,以衡量等离子体约束效率。
3.13能量约束时间(energyconfinementtime)
等离子体由于热能传导下降到原来数值e-1的时间。
3.14软着陆(Soft-landing)
当等离子分布违反MHD交换模稳定性限制时将导致“软着陆”,使压强分布弛豫到边缘
稳定分布。
3.15边缘稳定分布(Marginallystableprofile)
等离子体压强在外部边界附近减少为有限值,即等离子体压强与磁通管体积的比热比磁
场的乘积为常数
3.16内扩散(Inwarddiffusion)
由低频的电磁扰动驱动等离子体由赤道外侧向内测输运的过程
3.17等离子体峰值分布(Plasmapeakedprofile)
由内扩散过程,使得接近悬浮偶极场线圈侧的等离子体温度和密度形成峰值分布
3.18绝热条件(Adiabaticcondition)
其中
等 离子体可压缩性()
3.19 = P la=sm5a/3compressibility
在稳定的偶极场位形中,等离子体密度在磁通管中守恒。因为磁通管体积随偶极场赤道
半径以指数形式增加。因此在低频扰动驱动下等离子体向赤道内侧运动时压强显著增加。反
之向外侧运动时,压强显著减少。
3.20磁通管体积(Fluxtubevolume)
沿平行磁场方向对磁场强度倒数的围道积分。
4总体设计
4.1悬浮偶极场磁约束装置主机及部件介绍(规范)
悬浮偶极场磁约束等离子体装置是基于悬浮载流偶极子线圈产生的闭合极向磁力线形
态(即偶极场)来进行等离子体约束的实验装置,其约束原理借鉴了宇宙中行星地磁场磁层
等离子体环的约束原理。悬浮偶极场磁约束装置与具有支撑结构偶极场装置最大的优点是在
极向的磁力线具有完整的环形拓扑结构,可以避免能量较高带电粒子沿磁力线运动撞击支撑
3
结构造成损失。
装置主机主要部件有悬浮线圈、充电线圈、托举线圈、导杆、夹捕器、真空室、平衡控
制线圈以及亥姆霍兹线圈等部件组成。
图1悬浮偶极场磁约束装置主机示意图
4.1.1悬浮偶极场线圈
悬浮偶极场线圈为环形结构,其内部包括超导磁体、磁体支撑、制冷管道、液氦容器、
屏蔽层以及杜瓦。
图2偶极场线圈横截面示意图
其中超导磁体在装置运行时产生闭合磁力线磁场。超导磁体通过磁体支架与液氦容器固
定,超导磁体由低温液氦保持磁体的超导性。液氦容器表面覆盖一层隔热层,通过缓冲片与
支撑结构与外侧的杜瓦固定,其中液氦容器的壁厚应不超过。杜瓦外层覆盖一层反射
层反射率不小于。同时需要满足辐射防护的需要包括中子和射线(具体的参数?)。线圈
0.75
内部的超导磁体制冷通过内部的制冷管道完成。在磁体失超时,悬浮偶极场线圈从一定高度
坠落,要求液氦容器外侧及支撑结构可以承受10g的冲击力。
在装置运行前完成超导磁体制冷,当装置运行时切断制冷回路,使偶极场线圈悬浮在真
空室中心并保持闭合的拓扑结构。由于切断制冷回路,在实验进行中超导磁体温度会进一步
升高,因此为了使超导磁体在装置运行时具有一定的安全裕度,使超导磁体运行温度小于等
于10K。
4
由于低温超导和高温超导应用逐渐成熟,针对低温与高温超导两种超导磁体方案进行讨
论。其具体悬浮偶极场线圈参数(规范?)如下表1。
表1低温超导和高温超导设计参数
名称低温超导高温超导
材料种类
线圈大半径 3 / 233
线圈大半径0.5( )0.5( )
线圈电流0.2~0.5( )0.2~0.5( )
内测最大磁场强度5( )6.5( )
外侧最大磁场强度5.5( )6.5( )
磁体截面积12( )14( )
22
磁体按匝数500( )570
电流裕度1200×20500×10
工作温度区间50%(4.2 )50%(4.2 )
悬浮环赤道处场强4.2~10( )4.2~10( )
磁体最大应力0.35( )0.50( )
磁体最大位移<80( )<100( )
偶极场线圈重量<200~.18%00(kg)<2000.1~580%0(kg)
由于在装置运行时偶极场线圈内测产生很大的磁场,因此为了保证磁体超导性使磁体最
大应力和最大位移满足表1中的要求。
4.1.2悬浮托举线圈、充电线圈及姿态控制线圈
悬浮托举线圈作用为在装置运行时为悬浮偶极场线圈提供电磁力,使得偶极场线圈可以
悬浮在真空室中心。同时与激光测距系统组成反馈系统,控制偶极场线圈在垂直方向上稳定
性。
充电线圈的作用为在实验开始前对悬浮偶极场线圈通过电磁感应进行充电,直到电流达
到规定值。而在实验结束时,偶极场线圈内的放电由充电线圈完成。由于悬浮托举线圈和充
电线圈在工况下电流接近偶极场线圈的5%~10%,因此两者通常使用超导或采用高温
超导来减少电能损耗。
图3悬浮托举线圈(左)和充电线圈(右)
姿态控制线圈的作用是在装置运行时偶极场线圈悬浮在真空室中心,通过在空间中8
个象限的线圈产生的力来抑制偶极场线圈的反转、摆动和倾斜,使其相对静止的保持在真空
室的中心位置。由于偶极场线圈在悬浮过程中几乎不会受阻力的作用,因此姿态控制线圈需
5
要很小的电流便可控制偶极场线圈的姿态,所以通常姿态控制线圈选择常规铜导体。其线圈
满载电流不超过。
2
图4姿态控制线圈
4.1.3亥姆霍兹线圈
亥姆霍兹线圈的作用在装置运行时改变等离子体外侧磁面形状,以便满足不同磁面形状
的实验。其电流大小小于,采用常规铜导体,内部采用水冷冷却导体,其线圈满载时
温度不应高于。
20
50°
图5亥姆霍兹线圈
4.1.3抓捕器和支撑杆结构
抓捕器结构分为上下两部分,其作用主要与驱动机构联动将悬浮偶极场线圈推送到真空
室中的预定位置。其次限制偶极场线圈位移,避免偶极场线圈失超时以巨大动量撞击真空室
顶部或底部。
机械驱动装置的主要作用与抓捕器相连接,在实验开始时驱动抓捕器将偶极场线圈推送
到预定位置(远离上抓捕器)。当偶极场线圈悬浮起来后驱动抓捕器一端远离悬浮的偶极场
线圈,如此使产生闭合的磁力线。当实验结束后,驱动装置驱动抓捕器到悬浮偶极场线圈位
置,同时悬浮托举线圈逐渐停止工作,使偶极场线圈落回到抓捕器上,再由驱动机构驱动返
回真空室底部。
导杆的上下移动通过电机推动蜗杆涡轮和导杆的联动完成。导杆在满载状态下推动抓捕
器和偶极场线圈时其正常形变量应小于,最大形变量不应超过,与垂直方
向的偏移夹角应小于。
5 10~20
5°
6
图5抓捕器示(左)与机械驱动机构(右)示意图
4.1.4偶极场线圈的稳定控制系统
线圈控制系统包括有反馈控制系统、电源系统、激光测距系统、涡流感应系统和偶极场
线圈组成。其中激光测距系统作用为通过激光和接收器组成的探测阵列来实时测量偶极场线
圈的位置信息。反馈系统接收到测距系统的信号对供电系统发出指令,来调整悬浮托举线圈
的电流大小,以此来控制两者之间的电磁力,使悬浮偶极场线圈可以稳定悬浮在真空室中心。
同时由于电流的瞬时变化在金属器件上容易产生涡流,因此在调整悬浮托举线圈时需要考虑
涡流效应。
图6偶极场线圈控制系统示意图
表2稳定控制系统参数选择
名称范围
倾斜角度
水平振动幅度
<5°
垂直振动幅度
<5( )
垂直振动频率
<2( )
电源响应时间
<5( )
<0.2( )
4.1.5真空室
真空室材料选择为316L(N)-IG不锈钢。其真空室内表面表面粗糙度应小于,未暴
露在超高真空条件下表面粗糙度不超过。同时真空室材料通过合理的机械加工工艺和
7
焊接工艺使其满足真空室要求的低出气率要求。同时更具设计要求选择高电阻率和低磁导率
9
的无磁材料作为真空室结构材料。
7
真空室分为上下两部分,两部分通过中间的法兰相连接。其作用为在实验时保持内测的
真空环境。真空室的四周开有诊断窗口,离子注入窗口和抽真空窗口等,满足不同的需要。
为了在实验时保证等离子体运行环境和设备安全。真空室的设计需要满足表3中参考标准。
图6真空室示意图
表3真空室参数
参考范围
真空室上部最大形变
真空室底部最大形变<5( )
真空室上部最大应力<5( )
真空室底部最大应力<30( )
真空室半径<60( )
真空室高度2~6( )
总体允许泄率3~8( )
−93−1
4.2悬浮偶极场装置等离子体参数<10( ∙ ∙ )
悬浮偶极场磁约束装置的相关物理参数通过理想MHD方程的定标关系给出以供参考。
4.2.1偶极场磁约束装置总体物理参数
理想MHD方程如下所示:
+∇∙ v=0
v1
+v∙∇v=−∇ +∇×B×B(1)
t 0
=−v∙∇ −γ ∇∙v
∂
B
=∇×v×B
式中:表示等离子体质量密度;v 表 示等离子体流速;B表示磁场强度;p表示等离子
体压强;表示比热比。
由变换关系我们得到式
2
122
2
= 1; = 1; = 1 = 1; =2 1; = 1; = 1(2)
式中:、、、 、、为待定系数,下标1表示 不同系统下对应 的参数。该方法通
过设定三个任意的已知量计算另外三个未知量。例如由的参数来计算天环一号()
RT-1CAT-1
的物理参数,首先设定CAT-1的三个已知参数为磁场大小、特征半径和等离子密度,并利
8
用同样是偶极场磁约束装置RT-1已知的所有参数计算的CAT-1剩下的三个未知量。结果如
表2所示:
表2偶极场定标关系的参数
参数RT-1CAT-1
特征半径(cm)50100
等离子体密度(cm-3)10111012~1013
热电子温度(keV)~1030
离子温度(eV)~40130
特征磁场强度(G)8755000
热电子回旋半径(cm)0.270.09
氘离子回旋半径(cm)~1.040.33
电子等离子体回旋频率(Hz)2.8×1099×109
氘离子等离子体回旋频率(Hz)4.70×1071.49×108
电子回旋频率(Hz)2.45×1091.4×1010
氘离子回旋频率(Hz)6.65×1053.80×106
4.2.2偶极场磁约束装置用途与物理参数关系
(1)聚变相关研究要求等离子体有较高的温度、密度和能量约束时间,以此达到聚变
条件。
(2)空间物理研究要求在实验室偶极场中和磁层中有相似的动理学特性,以此
研究空间中(地球)磁层当中的物理机制。因此在定标关系中规定热电子比压相同,通
过该关系计算得到相关的参数。
(3)反物质研究要求磁场对于正电子能够约束较长的时间不会湮灭外光子。4.3计算
偶极场磁约束装置的能量约束时间和平均等离子体比压
对于磁约束装置来讲能量约束时间和等离子体比压两个参数直接决定装置的性能。因此
使用打环经比下的准线性输运模型计算压强分布,进而计算能量约束时间和平均比压。
4.3.1稳定性说明
在偶极场位形中由于磁力线坏曲率驱动的MHD不稳定性。而在偶极场中由于没有环向
电流,因此没有磁剪切致稳效应。在偶极场中由等离子体压强产生的交换模稳定性为最严格
限制(如图7)。
由于在偶极场中存在压强峰值的缘故,在峰值的两侧的等离子体压强梯度符号相反,由
于偶极场磁位形的磁场曲率总是由线圈赤道平面外侧指向内测,因此在压强峰值的外侧磁场
曲率与梯度的乘积符号相反,由能量原理可知
−
交换模稳定要求,因此∆在 压=强 峰值 外 侧为 不稳定区域。尽管该区域为(交3)换模不
稳地区域,但在偶极场 中 >存在0称为“软着陆”现象,压强会弛豫到边缘稳定分布。在数值上满
足Kadomstev稳定性条件,即。
>0
9
图7偶极场稳定-不稳定区域示意图
4.2.2密度和温度分布
(1)能量约束时间等离子体由于热能传导下降到原来数值e-1的时间计算公式如下
3
≡(4)
(2)平均等离子体比压表示等离子体压强 与磁压的比值,以衡量等离子体约束效率计
算公式如下
2 0<