懸浮偶極場磁約束等離子體裝置指南

2懸浮偶極場磁約束等離子體裝置指南1適用范圍本指南規(guī)定了懸浮偶極場磁約束裝置主機和主要輔助設(shè)備構(gòu)成以及作為聚變研究應(yīng)用場景下的重要物理參數(shù)計算方法。本指南適用于偶極磁約束裝置的研究、設(shè)計、技術(shù)路線，可作為聚變研究等懸浮偶極場裝置設(shè)計與研究的技術(shù)依據(jù)。2規(guī)范性引用文件3術(shù)語和定義3.1偶極場位形（Dipolefieldconfiguration）由閉合環(huán)電流在周圍空間中產(chǎn)生的一次磁場3.2偶極場磁約束（Dipolefieldmagneticconfinement）利用偶極場約束等離子體中帶電粒子的運動3.3偶極場磁約束裝置（Dipolefieldmagneticconfinementdevice）利用偶極場約束等離子體中帶電粒子的運動的各系統(tǒng)總成3.4懸浮偶極場線圈（Floatingdipolefieldcoil）由環(huán)形杜瓦、液氦容器、超導(dǎo)磁體及支撐隔熱結(jié)構(gòu)組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。主要作用為裝置運行時產(chǎn)生偶極磁場位形。3.5懸浮托舉線圈（Levitatedcoil）在裝置運行時，當(dāng)偶極場線圈完成充電后由懸浮線圈提供電磁力，使偶極場線圈可以懸浮在真空室中心。3.6姿態(tài)控制線圈（RTScoils）安裝在真空室外側(cè)，位于空間中8個象限。用于抑制中心懸浮線圈的傾斜、翻轉(zhuǎn)和擺動以及控制中心懸浮線圈姿態(tài)的線圈組。3.7亥姆霍茲線圈（Helmholtzcoils）位于真空室頂部和底部的一組線圈，用于改變偶極場最外側(cè)閉合磁面形狀的線圈。3.8輔助加熱窗口（Auxiliaryheatingwindow）為等離子體電子、離子回旋加熱提供入口的窗口。3.9中性束加熱、診斷和抽真空窗口（Neutralbeamheating,diagnosisandvacuumwindow）為等離子體提供中性束加熱設(shè)備，診斷等離子體參數(shù)設(shè)備和抽真空的窗口。3.10抓捕器（Catcher）抓捕器分為上下兩個，上抓捕器位置固定，下抓捕器與導(dǎo)桿連接可上下移動。其主要作用為限制在偶極場線圈懸浮時限制其位移，以及在非懸浮時驅(qū)動偶極場線圈上下移動。3.11反饋控制系統(tǒng)（Feedbackcontrolsystem）3.12等離子體比壓（Plasmabeta）表示等離子體壓強與磁壓的比值，以衡量等離子體約束效率。3.13能量約束時間（energyconfinementtime）等離子體由于熱能傳導(dǎo)下降到原來數(shù)值e-1的時間。3.14軟著陸（Soft-landing）當(dāng)?shù)入x子分布違反MHD交換模穩(wěn)定性限制時將導(dǎo)致“軟著陸”，使壓強分布弛豫到邊緣穩(wěn)定分布。3.15邊緣穩(wěn)定分布（Marginallystableprofile）等離子體壓強在外部邊界附近減少為有限值，即等離子體壓強與磁通管體積的比熱比磁場的乘積為常數(shù)3.16內(nèi)擴散（Inwarddiffusion）由低頻的電磁擾動驅(qū)動等離子體由赤道外側(cè)向內(nèi)測輸運的過程3.17等離子體峰值分布（Plasmapeakedprofile）由內(nèi)擴散過程，使得接近懸浮偶極場線圈側(cè)的等離子體溫度和密度形成峰值分布3.18絕熱條件（Adiabaticcondition）pvy=constant其中y=5/33.19等離子體可壓縮性（Plasmacompressibility）在穩(wěn)定的偶極場位形中，等離子體密度在磁通管中守恒。因為磁通管體積隨偶極場赤道半徑以指數(shù)形式增加。因此在低頻擾動驅(qū)動下等離子體向赤道內(nèi)側(cè)運動時壓強顯著增加。反之向外側(cè)運動時，壓強顯著減少。3.20磁通管體積（Fluxtubevolume）沿平行磁場方向?qū)Υ艌鰪姸鹊箶?shù)的圍道積分。4總體設(shè)計4.1懸浮偶極場磁約束裝置主機及部件介紹（規(guī)范）懸浮偶極場磁約束等離子體裝置是基于懸浮載流偶極子線圈產(chǎn)生的閉合極向磁力線形態(tài)（即偶極場）來進行等離子體約束的實驗裝置，其約束原理借鑒了宇宙中行星地磁場磁層等離子體環(huán)的約束原理。懸浮偶極場磁約束裝置與具有支撐結(jié)構(gòu)偶極場裝置最大的優(yōu)點是在極向的磁力線具有完整的環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，可以避免能量較高帶電粒子沿磁力線運動撞擊支撐4結(jié)構(gòu)造成損失。裝置主機主要部件有懸浮線圈、充電線圈、托舉線圈、導(dǎo)桿、夾捕器、真空室、平衡控制線圈以及亥姆霍茲線圈等部件組成。圖1懸浮偶極場磁約束裝置主機示意圖4.1.1懸浮偶極場線圈懸浮偶極場線圈為環(huán)形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部包括超導(dǎo)磁體、磁體支撐、制冷管道、液氦容器、屏蔽層以及杜瓦。圖2偶極場線圈橫截面示意圖其中超導(dǎo)磁體在裝置運行時產(chǎn)生閉合磁力線磁場。超導(dǎo)磁體通過磁體支架與液氦容器固定，超導(dǎo)磁體由低溫液氦保持磁體的超導(dǎo)性。液氦容器表面覆蓋一層隔熱層，通過緩沖片與支撐結(jié)構(gòu)與外側(cè)的杜瓦固定，其中液氦容器的壁厚應(yīng)不超過5μm。杜瓦外層覆蓋一層反射層反射率不小于0.7。同時需要滿足輻射防護的需要包括中子和射線（具體的參數(shù)。線圈內(nèi)部的超導(dǎo)磁體制冷通過內(nèi)部的制冷管道完成。在磁體失超時，懸浮偶極場線圈從一定高度墜落，要求液氦容器外側(cè)及支撐結(jié)構(gòu)可以承受10g的沖擊力。在裝置運行前完成超導(dǎo)磁體制冷，當(dāng)裝置運行時切斷制冷回路，使偶極場線圈懸浮在真空室中心并保持閉合的拓撲結(jié)構(gòu)。由于切斷制冷回路，在實驗進行中超導(dǎo)磁體溫度會進一步升高，因此為了使超導(dǎo)磁體在裝置運行時具有一定的安全裕度，使超導(dǎo)磁體運行溫度小于等由于低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)應(yīng)用逐漸成熟，針對低溫與高溫超導(dǎo)兩種超導(dǎo)磁體方案進行討論。其具體懸浮偶極場線圈參數(shù)（規(guī)范如下表1。表1低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)設(shè)計參數(shù)/332由于在裝置運行時偶極場線圈內(nèi)測產(chǎn)生很大的磁場，因此為了保證磁體超導(dǎo)性使磁體最大應(yīng)力和最大位移滿足表1中的要求。4.1.2懸浮托舉線圈、充電線圈及姿態(tài)控制線圈懸浮托舉線圈作用為在裝置運行時為懸浮偶極場線圈提供電磁力，使得偶極場線圈可以懸浮在真空室中心。同時與激光測距系統(tǒng)組成反饋系統(tǒng)，控制偶極場線圈在垂直方向上穩(wěn)定性。充電線圈的作用為在實驗開始前對懸浮偶極場線圈通過電磁感應(yīng)進行充電，直到電流達到規(guī)定值。而在實驗結(jié)束時，偶極場線圈內(nèi)的放電由充電線圈完成。由于懸浮托舉線圈和充電線圈在工況下電流接近偶極場線圈的5%~10%，因此兩者通常使用超導(dǎo)或采用高溫超導(dǎo)來減少電能損耗。圖3懸浮托舉線圈（左）和充電線圈（右）姿態(tài)控制線圈的作用是在裝置運行時偶極場線圈懸浮在真空室中心，通過在空間中8個象限的線圈產(chǎn)生的力來抑制偶極場線圈的反轉(zhuǎn)、擺動和傾斜，使其相對靜止的保持在真空室的中心位置。由于偶極場線圈在懸浮過程中幾乎不會受阻力的作用，因此姿態(tài)控制線圈需6要很小的電流便可控制偶極場線圈的姿態(tài)，所以通常姿態(tài)控制線圈選擇常規(guī)銅導(dǎo)體。其線圈滿載電流不超過2。圖4姿態(tài)控制線圈4.1.3亥姆霍茲線圈亥姆霍茲線圈的作用在裝置運行時改變等離子體外側(cè)磁面形狀，以便滿足不同磁面形狀的實驗。其電流大小小于20,采用常規(guī)銅導(dǎo)體，內(nèi)部采用水冷冷卻導(dǎo)體，其線圈滿載時溫度不應(yīng)高于50°。圖5亥姆霍茲線圈4.1.3抓捕器和支撐桿結(jié)構(gòu)抓捕器結(jié)構(gòu)分為上下兩部分，其作用主要與驅(qū)動機構(gòu)聯(lián)動將懸浮偶極場線圈推送到真空室中的預(yù)定位置。其次限制偶極場線圈位移，避免偶極場線圈失超時以巨大動量撞擊真空室頂部或底部。機械驅(qū)動裝置的主要作用與抓捕器相連接，在實驗開始時驅(qū)動抓捕器將偶極場線圈推送到預(yù)定位置（遠離上抓捕器）。當(dāng)偶極場線圈懸浮起來后驅(qū)動抓捕器一端遠離懸浮的偶極場線圈，如此使產(chǎn)生閉合的磁力線。當(dāng)實驗結(jié)束后，驅(qū)動裝置驅(qū)動抓捕器到懸浮偶極場線圈位置，同時懸浮托舉線圈逐漸停止工作，使偶極場線圈落回到抓捕器上，再由驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動返回真空室底部。導(dǎo)桿的上下移動通過電機推動蝸桿渦輪和導(dǎo)桿的聯(lián)動完成。導(dǎo)桿在滿載狀態(tài)下推動抓捕器和偶極場線圈時其正常形變量應(yīng)小于5,最大形變量不應(yīng)超過10~20,與垂直方向的偏移夾角應(yīng)小于5°。7圖5抓捕器示（左）與機械驅(qū)動機構(gòu)（右）示意圖4.1.4偶極場線圈的穩(wěn)定控制系統(tǒng)線圈控制系統(tǒng)包括有反饋控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、激光測距系統(tǒng)、渦流感應(yīng)系統(tǒng)和偶極場線圈組成。其中激光測距系統(tǒng)作用為通過激光和接收器組成的探測陣列來實時測量偶極場線圈的位置信息。反饋系統(tǒng)接收到測距系統(tǒng)的信號對供電系統(tǒng)發(fā)出指令，來調(diào)整懸浮托舉線圈的電流大小，以此來控制兩者之間的電磁力，使懸浮偶極場線圈可以穩(wěn)定懸浮在真空室中心。同時由于電流的瞬時變化在金屬器件上容易產(chǎn)生渦流，因此在調(diào)整懸浮托舉線圈時需要考慮渦流效應(yīng)。圖6偶極場線圈控制系統(tǒng)示意圖表2穩(wěn)定控制系統(tǒng)參數(shù)選擇名稱范圍傾斜角度水平振動幅度垂直振動幅度垂直振動頻率電源響應(yīng)時間<0.2()4.1.5真空室真空室材料選擇為316L(N)-IG不銹鋼。其真空室內(nèi)表面表面粗糙度應(yīng)小于7?,未暴露在超高真空條件下表面粗糙度不超過9?。同時真空室材料通過合理的機械加工工藝和焊接工藝使其滿足真空室要求的低出氣率要求。同時更具設(shè)計要求選擇高電阻率和低磁導(dǎo)率的無磁材料作為真空室結(jié)構(gòu)材料。真空室分為上下兩部分，兩部分通過中間的法蘭相連接。其作用為在實驗時保持內(nèi)測的真空環(huán)境。真空室的四周開有診斷窗口，離子注入窗口和抽真空窗口等，滿足不同的需要。為了在實驗時保證等離子體運行環(huán)境和設(shè)備安全。真空室的設(shè)計需要滿足表3中參考標(biāo)準(zhǔn)。圖6真空室示意圖表3真空室參數(shù)4.2懸浮偶極場裝置等離子體參數(shù)懸浮偶極場磁約束裝置的相關(guān)物理參數(shù)通過理想MHD方程的定標(biāo)關(guān)系給出以供參考。4.2.1偶極場磁約束裝置總體物理參數(shù)理想MHD方程如下所示：?????式中：?表示等離子體質(zhì)量密度；v表示等離子體流速；B表示磁場強度；p表示等離子體壓強；?表示比熱比。由變換關(guān)系我們得到式2式中：、、、、、為待定系數(shù)，下標(biāo)1表示不同系統(tǒng)下對應(yīng)的參數(shù)。該方法通過設(shè)定三個任意的已知量計算另外三個未知量。例如由RT-1的參數(shù)來計算天環(huán)一號（CAT-1）的物理參數(shù)，首先設(shè)定CAT-1的三個已知參數(shù)為磁場大小、特征半徑和等離子密度，并利。9用同樣是偶極場磁約束裝置RT-1已知的所有參數(shù)計算的CAT-1剩下的三個未知量。結(jié)果如表2所示：表2偶極場定標(biāo)關(guān)系的參數(shù)11~4098104.2.2偶極場磁約束裝置用途與物理參數(shù)關(guān)系（1）聚變相關(guān)研究要求等離子體有較高的溫度、密度和能量約束時間，以此達到聚變條件。（2）空間物理研究要求在實驗室偶極場中和磁層中有相似的動理學(xué)特性，以此研究空間中（地球）磁層當(dāng)中的物理機制。因此在定標(biāo)關(guān)系中規(guī)定熱電子比壓相同，通過該關(guān)系計算得到相關(guān)的參數(shù)。（3）反物質(zhì)研究要求磁場對于正電子能夠約束較長的時間不會湮滅外光子。4.3計算偶極場磁約束裝置的能量約束時間和平均等離子體比壓對于磁約束裝置來講能量約束時間和等離子體比壓兩個參數(shù)直接決定裝置的性能。因此使用打環(huán)經(jīng)比下的準(zhǔn)線性輸運模型計算壓強分布，進而計算能量約束時間和平均比壓。4.3.1穩(wěn)定性說明在偶極場位形中由于磁力線壞曲率驅(qū)動的MHD不穩(wěn)定性。而在偶極場中由于沒有環(huán)向電流，因此沒有磁剪切致穩(wěn)效應(yīng)。在偶極場中由等離子體壓強產(chǎn)生的交換模穩(wěn)定性為最嚴格由于在偶極場中存在壓強峰值的緣故，在峰值的兩側(cè)的等離子體壓強梯度符號相反，由于偶極場磁位形的磁場曲率總是由線圈赤道平面外側(cè)指向內(nèi)測，因此在壓強峰值的外側(cè)磁場曲率與梯度的乘積符號相反，由能量原理可知交換模穩(wěn)定要求?>0，因此在壓強峰值外側(cè)為不穩(wěn)定區(qū)域。盡管該區(qū)域為交換模不穩(wěn)地區(qū)域，但在偶極場中存在稱為“軟著陸”現(xiàn)象，壓強會弛豫到邊緣穩(wěn)定分布。在數(shù)值上滿足Kadomstev穩(wěn)定性條件，即>0。圖7偶極場穩(wěn)定-不穩(wěn)定區(qū)域示意圖4.2.2密度和溫度分布（1）能量約束時間等離子體由于熱能傳導(dǎo)下降到原來數(shù)值e-1的時間計算公式如下?（2）平均等離子體比壓表示等離子體壓強與磁壓的比值，以衡量等離子體約束效率計算公式如下計算等離子體比壓和能量約束時間需要等離子體壓強、密度和溫度的分布，因此需要計算分布后得到關(guān)鍵的物理參數(shù)。4.2.3等離子體壓強、密度和溫度分布為了計算方便但由不失定性的描述，我們采用大環(huán)徑比近似下的磁場位形，同時考慮在偶極場中最不穩(wěn)定的=0的交換模，計算參數(shù)分布。在計算過程中包含兩個區(qū)域。（1）交換模穩(wěn)定區(qū)域：偶極場線圈的外側(cè)到壓強峰值內(nèi)側(cè)，該區(qū)域滿足經(jīng)典輸運。（2）交換模不穩(wěn)地區(qū)域：在壓強峰值外側(cè)到真空室，該區(qū)域滿足準(zhǔn)線性輸運方程。4.2.4等離子體物理參數(shù)利用以上方法本規(guī)范計算得到CAT-1參數(shù)下的物理參數(shù)如表3表3偶極場磁約束裝置主要物理參數(shù)偏濾器處等離子體密度（1017m-3）4.3其他技術(shù)路線及實驗平臺4.3.1技術(shù)路線（1）裝置在高溫等離子體下的湍流及其所驅(qū)動輸運模擬軟件；（2）為獲得裝置高溫等離子體，解決實驗方案創(chuàng)新設(shè)計的理論和定標(biāo)方法；（3）復(fù)雜電磁-熱環(huán)境下懸浮超導(dǎo)磁體穩(wěn)定性控制技術(shù)；（4）閉環(huán)超導(dǎo)磁體運行的高可靠性超導(dǎo)開關(guān)研發(fā)技術(shù)；（5）可拔除式的超導(dǎo)磁體供冷/供電系統(tǒng)技術(shù)；（6）高真空快速獲得和檢測技術(shù)；（7）大型、低漏率（<5×10-9Pa.m3/s）及高穩(wěn)定性真空室技術(shù)。4.3.2實驗平臺（1）數(shù)值模擬與設(shè)計平臺（2）非真空懸浮磁體系統(tǒng)模擬測試平臺（3）液氦、液氮低溫超導(dǎo)測試平臺（4）真空系統(tǒng)模擬測試平臺附錄1術(shù)語解釋由環(huán)形載流線圈在空間中產(chǎn)生的磁場位形，如附圖1所示。通常偶極場的在環(huán)外側(cè)赤道面上磁場強度衰減速度與半徑3成反比，因此隨半徑的增加磁場衰減速度非常的快。因此在等離子壓強峰值處磁場強度往往不到1T。附圖1環(huán)電流產(chǎn)生偶極場位形示意圖在計算基本等離子體參數(shù)時需要基本的參數(shù)公式如下：==2.3821?cm；==1.02×1021?2?121?mc1式中：和分別為電子和離子回旋頻率，和為電子和離子的回旋半徑，?為阿爾芬速度。在計算輸運模型時我們將計算區(qū)間分為兩部分，在穩(wěn)定區(qū)域使用Braginskii的輸運方程化簡形式（2在不穩(wěn)地區(qū)域使用準(zhǔn)線性輸運方程（3）。方程如下：式中：D為Braginskii擴散系數(shù)；?為熱導(dǎo)率。 式中：B為磁場強度；p為等離子體壓強；n為等離子體密度；?為真空中磁導(dǎo)率；?為比熱比。附件2：執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T39226-2020磁約束聚變大電流變流系統(tǒng)集成測試要求GB18871-2002電離輻射防護與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)GB/T21271-2007真空技術(shù)真空泵噪聲測量GB/T32293-2015真空技術(shù)真空設(shè)備的檢漏方法選擇GB/T32218-2015真空技術(shù)真空系統(tǒng)漏率測試方法GB/T30537-2014超導(dǎo)電性塊狀高溫超導(dǎo)體的測量大晶粒氧化物超導(dǎo)體的獲磁通密度GB/T33655-2017GB/T31522-2015GB/T22587-2017比的測量GB/T22586-2018GB/T31780-2015GB/T38842-2020超導(dǎo)供電裝置超導(dǎo)裝置供電電流引線特性測試的一般要求基體與超導(dǎo)體體積比測試Nb3Sn復(fù)合超導(dǎo)線銅與非銅