[发明专利]一种准环对称仿星器磁场位形的设计方法

说明书

本发明涉及物理实验设备技术领域，具体涉及一种准环对称仿星器磁场位形的设计方法，利用STELLOPT代码扫描非轴对称磁场分量（B_m,n为磁场强度谱）的径向位置，采用改进的Levenberg‑Marquardt算法改变等离子体边界形状，得到多组迭代后的准环对称仿星器磁场位形参数，从中再筛选出最佳的准环对称仿星器磁场位形。本发明设计得到的准环对称仿星器磁场位形，能够兼顾托卡马克和传统仿星器的长处，具有低新经典输运，长时间稳态运行，高β（等离子体热压与磁压之比）极限等优点，达到既有良好的等离子体约束性能，又可实现长时间稳态运行的技术效果，同时填补了国内仿星器实验物理研究的空白，对促进未来稳态、高约束运行的商用聚变堆的建设发展具有重要意义。

技术领域

本发明涉及物理实验设备技术领域，具体涉及一种准环对称仿星器磁场位形的设计方法。

背景技术

目前世界上设计建成的磁约束聚变装置类型有托卡马克，反场箍缩及仿星器。其中托卡马克和仿星器是当前国际上最主流的两种磁约束聚变装置。在仿星器中，有传统磁场位形的螺旋器，准力线对称仿星器，准螺旋对称仿星器。

磁约束聚变装置最核心的部分是其中用于约束高温等离子体的磁场，托卡马克的约束磁场是由外部线圈电流和等离子体电流共同产生的，托卡马克的磁场位形是环向对称的具有较好的等离子体约束性能，然而托卡马克等离子体电流在接近极端条件时可能由于磁流体不稳定性引起等离子体的大破裂，因此装置无法长时间稳态运行。仿星器的磁场完全由外部线圈产生，因此仿星器几乎没有等离子体电流，故不会引起大破裂，可以实现长时间稳态运行，然而仿星器的线圈结构和制造工艺比托卡马克复杂很多，且与托卡马克相比，传统仿星器具有很高的磁场波纹度，这将引起大的新经典输运损失，导致其约束性能低于托卡马克。准力线对称仿星器和准螺旋对称仿星器是随着传统仿星器发展后提出的先进仿星器，这些先进仿星器在一定程度上改进了传统仿星器的缺点，然而还没有达到最理想状况，如：由于环向周期数比较大，在同等参数下，新经典输运较大；环径比较大，大大限制了磁约束等离子体的有效体积等。

为此，本发明提供一种准环对称仿星器磁场位形的设计方法，依据该设计方法设计全新的磁约束聚变装置的磁场位形，即准环对称仿星器位形，能够达到兼顾托卡马克和仿星器的优点的技术效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种准环对称仿星器磁场位形的设计方法，通过设计得到的准环对称仿星器磁场位形，确定准环对称仿星器的线圈形状以及线圈的排布位置，不仅使得准环对称仿星器的线圈的复杂度和制造难度降低，还让准环对称仿星器能够兼顾托卡马克和传统仿星器的优点，达到既有良好的等离子体约束性能，又可实现长时间稳态运行的技术效果，同时填补了国内仿星器实验物理研究的空白，对促进未来稳态、高约束运行的商用聚变堆的建设发展具有重要意义。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种准环对称仿星器磁场位形的设计方法，仿星器包括多个线圈，由仿星器的多个线圈共同作用产生磁场位形，然后对磁场位形的参数进行更迭，所述更迭包括以下步骤：

S1.利用STELLOPT代码扫描非轴对称磁场分量的径向位置，

其中，为磁场强度谱，m为极向模数，n为环向模数；

STELLOPT代码输出得到准环对称仿星器磁场位形的初始参数；

S2.采用改进的Levenberg-Marquardt算法改变准环对称仿星器磁场位形的等离子体边界形状，具体为，将初始参数x输入到改进的Levenberg-Marquardt算法公式中进行迭代，改进的Levenberg-Marquardt算法公式为，