一种用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构

1.本发明涉及聚变装置技术领域，特别是涉及一种用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构。


背景技术：

2.目前大多数托卡马克装置采用了有源反馈系统加被动板的方式对等离子体的垂直不稳定性进行抑制，因为有源反馈系统难以在等离子体发生垂直位移后立即做出响应，得依靠被动板先将等离子的垂直位移增长率抑制到有源反馈系统能响应的时间尺度内。被动板是布置在等离子周围没有施加电源的导体，通常是指真空室和为了抑制等离子体垂直不稳定性而设置的稳定导体。等离子体垂直位移增长率是反映被动板性能的重要指标之一，等离子体垂直位移增长率越低，则代表被动板对等离子体垂直不稳定性的抑制能力越强。由于被动板的性能参数将对等离子体的垂直不稳定性起到直接影响，且目前托卡马克实验装置中由等离子体垂直位移事件造成的等离子体破裂次数大约占到等离子破裂总次数的60％，所以新型被动板结构对未来聚变装置稳定运行及商用堆的建设具有重要意义。
3.现有的被动板主要分为两大类，一类是连续型被动板，另一类是不连续型被动板。连续型被动板虽然对等离子垂直不稳定性的抑制能力更强，但是会使得等离子体难以被击穿，所以大多数的托卡马克装置使用不连续型被动板。目前已经应用的不连续型被动板均采用钢结构与支撑座连接，以连接多个被动板本体，其将等离子体的垂直位移增长率抑制在几百每秒这个量级，然而等离子体的垂直位移增长率处于几百每秒量级时，需要快速电源的响应时间在几毫秒之内，对快速电源的要求仍处于一个较高的水平，导致快速电源的制造难度大，成本较高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：提供一种用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，以解决现有技术中托卡马克装置对快速电源的要求仍处于一个较高的水平，导致快速电源的制造难度大，成本较高的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其包括：
6.被动板组件，其包括多个依次设置的被动板本体；
7.多个电连接组件，其包括两个第一连接板和第二连接板；所述第一连接板设置于所述第二连接板的上方；所述第一连接板包括从上到下依次设置的第一钢层和第一铜层；所述第二连接板包括从上到下依次设置的第二铜层、第二钢层、绝缘层；两个所述第一连接板的所述第一铜层均与所述第二连接板的第二铜层接触；其中，相邻的两个所述被动板本体通过一个所述电连接组件连接，所述电连接组件的其中一个所述第一连接板的所述第一钢层与其中一个所述被动板本体的连接，所述电连接组件的另一个所述第一连接板的所述第一钢层与另一个所述被动板本体连接；
8.支撑组件，其设置于所述第二连接板的下方；所述支撑组件具有与所述绝缘层接触的支撑面。
9.优选地，所述第一钢层的上侧面与所述被动板本体的底部连接。
10.优选地，所述支撑组件包括多个支撑底座，所述支撑面位于所述支撑底座上，所述支撑底座位于所述第一连接板的下方。
11.优选地，所述被动板本体的外侧面设置有第一壁；所述第一壁包括从外到内依次设置的钨铠甲、热沉层、冷却层；所述冷却层内设置有冷却通道；所述热沉层与所述冷却通道接触。
12.优选地，所述冷却层包括多个冷却块、多根转换管；多个所述冷却块沿所述冷却通道的冷却介质的流向依次设置，每个所述冷却块均设置有冷却流道；多个所述冷却块的所述冷却流道沿所述冷却通道的冷却介质的流向依次通过所述转换管连通，以形成单向的所述冷却通道。
13.优选地，所述冷却块朝向所述热沉层的一侧设置有呈s型的凹槽，呈s型的所述凹槽形成呈s型的所述冷却流道；所述热沉层封盖所述凹槽；所述冷却块在所述冷却流道的入水端设置有入水口，所述冷却块在所述冷却流道的出水端设置有出水口。
14.优选地，所述被动板本体内设置有本体流道，所述本体流道的入口与所述冷却通道的出口连通。
15.优选地，所述本体流道包括有依次连通的第一阶梯管、第二阶梯管、第三阶梯管、第四阶梯管；所述第一阶梯管、所述第二阶梯管、所述第三阶梯管、所述第四阶梯管沿背离所述第一壁的方向依次排列，所述第一阶梯管位于所述第二阶梯管与所述冷却层之间，所述第一阶梯管与与所述冷却通道的出口连通。
16.优选地，还包括：冷却入口管和冷却出口管；
17.所述冷却入口管与所述冷却通道的入口连通，所述冷却出口管与所述本体流道的出口连通。
18.优选地，所述被动板组件的多个所述被动板本体通过多个所述电连接组件连接形成被动板环；所述被动板环的外圈设置有多个外环支撑座，所述外环支撑座与所述被动板本体连接。
19.本发明提供的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其有益效果为：支撑组件的支撑面与第二连接板通过绝缘层隔绝电流，以防止被动板环的感应电流通过支撑组件流入托卡马克装置的真空室。第一连接板的第一铜层与第二连接板的第二铜层直接接触，以取代现有技术中采用钢结构与支撑座连接方式，则可以降低被动板本体与第二连接件之间的接触电阻，减小两个被动板本体之间的电阻，以便增加被动板本体的感应电流，提高对等离子体垂直不稳定性的抑制能力，从而降低等离子体的垂直位移增长率，所需要的快速电源的响应时间范围增大，降低托卡马克装置对快速电源的参数等性能要求，降低快速电源的制造难度，降低成本，进一步提高托卡马克装置研制的经济性。
20.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
21.图1是本发明实施例的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构的结构示意图；
22.图2是本发明实施例的被动板本体与电连接组件装配后的三维结构示意图；
23.图3是本发明实施例的被动板本体与电连接组件装配后的另一视角的结构示意图；
24.图4是图3中a处的放大结构示意图；
25.图5是本发明实施例的被动板本体的第一壁的结构示意图；
26.图6是本发明实施例的被动板本体的第一壁去除热沉层后的结构示意图；
27.图7是本发明实施例的被动板本体的本体流道的分布结构示意图；
28.图8是本发明实施例的被动板本体背离第一壁的一侧的结构示意图；
29.图9是本发明实施例的冷却通道、本体流道的冷却水的流向的结构示意图。
30.图中，100、被动板组件；110、被动板本体；120、第一壁；121、钨铠甲；122、热沉层；123、冷却层；1231、冷却通道；1232、冷却块；1233、转换管；1234、冷却流道；1235、引流条；130、本体流道；131、第一阶梯管；132、第二阶梯管；133、第三阶梯管；134、第四阶梯管；200、电连接组件；210、第一连接板；211、第一钢层；212、第一铜层；220、第二连接板；221、第二铜层；222、第二钢层；223、绝缘层；300、支撑组件；310、支撑面；320、支撑底座；330、外环支撑座；400、冷却入口管；500、冷却出口管。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
34.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
35.请一并参阅图1至图9，现对本发明实施例提供的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构进行说明。
36.参照图1至图5，本发明实施例的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构包括：被动板组件100、多个电连接组件200、支撑组件300。
37.其中，被动板组件100包括多个依次设置的被动板本体110；
38.电连接组件200包括两个第一连接板210和第二连接板220；第一连接板210设置于第二连接板220的上方；第一连接板210包括从上到下依次设置的第一钢层211和第一铜层212；第二连接板220包括从上到下依次设置的第二铜层221、第二钢层222、绝缘层223；两个第一连接板210的第一铜层212均与第二连接板220的第二铜层221接触；其中，相邻的两个被动板本体110通过一个电连接组件200连接，电连接组件200的其中一个第一连接板210的第一钢层211与其中一个被动板本体110的连接，电连接组件200的另一个第一连接板210的第一钢层211与另一个被动板本体110连接；绝缘层223可采用氧化铝材料制成。
39.支撑组件300设置于第二连接板220的下方；支撑组件300具有与绝缘层223接触的支撑面310。
40.被动板组件100具有多个被动板本体110，用于环绕成被动板环，在本实施例中，被动板本体110具有十六个，且十六个被动板本体110依次设置，并通过多个电连接组件200首尾相连，以围绕成环状的被动板环，以成环排列在托卡马克装置的真空室(未画出)内，相邻的两个被动板本体110均通过电连接组件200形成电性连接，以便两个被动板本体110之间可导通；当托卡马克装置的等离子体发生垂直不稳定性时，被动板环便会产生强大的感应电流，电流密度的量级可达ma/
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，感应电流会产生一个约束磁场来抑制等离子的垂直不稳定性，将等离子体的垂直位移增长率降低，从而为有源反馈系统的响应争取时间。
41.电连接组件200的第二连接板220为平板状，第二连接板220的两端的上侧面均与第一连接板210接触，以形成相邻两个被动板本体110的电路桥梁。相邻的两个被动板本体110之间具有一个电连接组件200，该电连接组件200的其中一个第一连接板210与相邻的两个被动板本体110的其中之一连接，另一个第一连接板210与相邻的两个被动板本体110的另一个连接，因此实现相邻的两个被动板本体110的电路导通。以此类推，十六个被动板本体110均采用以上电连接组件200电性连接，以形成电流可通过的被动板环。
42.参照图3至图5，支撑组件300设置与第二连接板220的下方，支撑组件300通过第二连接板220、第一连接板210支撑被动板本体110，以固定被动板本体110，避免被动板本体110在使用过程中移位。被动板组件100的工作环境十分复杂，是个多物理场耦合的复杂环境。被动板组件100本身就处于一个强磁场环境下，所以当被动板环上产生感应电流时，被动板环会受到电磁力的作用，所以需要支撑组件300将被动板环约束，避免被动板环在电磁力的作用下发生偏移。其中支撑组件300具有多个支撑底座320和多个外环支撑座330，每个第一连接板210的下方均具有一个支撑底座320，用于支撑第一连接板210、第二连接板220和被动板本体110的底部。支撑面310位于支撑底座320上，支撑底座320位于第一连接板210的下方。由于每个被动板本体110需要与其自身左右两侧的两个被动板本体110电连接，因此每个被动板本体110均需要两个支撑底座320支撑底部。外环支撑座330设置在被动板环的外圈，外环支撑座330与被动板本体110朝外的一侧连接，以固定被动板本体110。则通过外环支撑座330和支撑底座320，便可以固定被动板本体110，防止被动板环在电磁力的作用下发生偏移。
43.支撑组件300的支撑面310与第二连接板220通过绝缘层223隔绝电流，以防止被动板环的感应电流通过支撑组件300流入托卡马克装置的真空室。第一连接板210的第一铜层212与第二连接板220的第二铜层221直接接触，以取代现有技术中采用钢结构与支撑座连接方式，则可以降低被动板本体110与第二连接件之间的接触电阻，减小两个被动板本体
110之间的电阻，以便增加被动板本体110的感应电流，提高对等离子体垂直不稳定性的抑制能力，从而降低等离子体的垂直位移增长率，所需要的快速电源的响应时间范围增大，降低托卡马克装置对快速电源的参数等性能要求，降低快速电源的制造难度，降低成本，进一步提高托卡马克装置研制的经济性。
44.参照图3至图5，为了更好地让支撑底座320支撑被动板本体110，第一钢层211的上侧面与被动板本体110的底部连接。即被动板本体110、第一连接板210、第二连接板220、支撑底座320从上往下依次设置，使得支撑底座320更好地支承被动板底座，受力方式更好。其中，被动板本体110还可通过螺栓组件固定在支撑底座320上，以便固定。
45.参照图3至图5，为了方便被动板组件100在高功率、长脉冲环境下的作业，被动板本体110的外侧面设置有第一壁120；第一壁120包括从外到内依次设置的钨铠甲121、热沉层122、冷却层123；冷却层123内设置有冷却通道1231；热沉层122与冷却通道1231接触。第一壁120位于被动板环的内圈，用于承受稳态热流。热沉层122采用铬锆铜板制成，铬锆铜板的外侧铺设了多块钨块，以形成钨铠甲121。冷却层123可采用不锈钢板制成，冷却层123内开设有冷却通道1231，冷却通道1231用于通入冷却水，以带走与冷却通道1231接触的热沉层122的热量，对整个第一壁120降温，降低第一壁120的温度，以使被动板组件100可在高功率、长脉冲的环境下作业。
46.在上述基础上，参照图6至图9，冷却层123包括多个冷却块1232、多根转换管1233；多个冷却块1232沿冷却通道1231的冷却介质的流向依次设置，每个冷却块1232均设置有冷却流道1234；多个冷却块1232的冷却流道1234沿冷却通道1231的冷却介质的流向依次通过转换管1233连通，以形成单向的冷却通道1231。冷却块1232为不锈钢块，不锈钢块设置有冷却流道1234，多个不锈钢块沿冷却水的流动方向依次设置，不锈钢块内的冷却流道1234也沿冷却水的流动方向依次设置。在本实施例中，每个被动板本体110的冷却层123具有四个冷却块1232，四个冷却块1232依次设置且分为第一块、第二块、第三块、第四块；第一块的冷却块1232的冷却流道1234的入口为冷却通道1231的入口，第一块冷却块1232的冷却流道1234的出口通过转换管1233与第二块的冷却块1232的冷却流道1234的入口连通，第二块的冷却块1232的冷却流道1234的出口通过转换管1233与第三块的冷却块1232的冷却流道1234的入口连通，第三块的冷却块1232的冷却流道1234的出口通过转换管1233与第四块的冷却块1232的冷却流道1234的入口连通，第四块的冷却块1232的冷却流道1234为冷却通道1231的出口，以形成单向的冷却通道1231，方便冷却水流经冷却通道1231对热沉层122进行降温，以对整个第一壁120降温。
47.在上述基础上，参照图6至图9，每个冷却块1232朝向热沉层122的一侧设置有呈s型的凹槽，呈s型的凹槽形成呈s型的冷却流道1234；具体地，冷却块1232内可先开设方形的槽，随后在方形槽内设置两条引流条1235，以形成s型的凹槽；热沉层122封盖凹槽，即热沉层122可由四块铬锆铜板构成，每块铬锆铜板分别铺设在每个冷却块1232的引流条1235上，这样可以确保冷却水更好地流经热沉层122，使得冷却水更好地与热沉层122交换热量，提高第一壁120的降温效果。其中，冷却块1232在冷却流道1234的入水端设置有入水口，冷却块1232在冷却流道1234的出水端设置有出水口。即冷却块1232的冷却流道1234的入口为入水口，冷却块1232的冷却流道1234的出口为出水口。
48.参照图6至图9，由于被动板本体110也位于高温环境中，被动本体也需要降温，被
动板本体110内设置有本体流道130，本体流道130的入口与冷却通道1231的出口连通，即流经冷却通道1231后的冷却水还会经过本体流道130，对整个被动板本体110进行降温，以带走被动板本体110的热量。被动板本体110的外侧部倾斜，为了更好地对被动板本体110降温，本体流道130包括有依次连通的第一阶梯管131、第二阶梯管132、第三阶梯管133、第四阶梯管134；第一阶梯管131、第二阶梯管132、第三阶梯管133、第四阶梯管134沿背离第一壁120的方向依次排列，第一阶梯管131位于第二阶梯管132与冷却层123之间。第一阶梯管131与与冷却通道1231的出口连通。即本体流道130呈阶梯型结构，以更好地铺设在被动板本体110中。第一阶梯管131、第二阶梯管132、第三阶梯管133、第四阶梯管134依次排布，可以使第一阶梯管131、第二阶梯管132、第三阶梯管133、第四阶梯管134分别与被动板本体110的不同位置交换热量，以更好地对被动板本体110降温。本体流道130为单向通道，冷却水需依次流经第一阶梯管131、第二阶梯管132、第三阶梯管133、第四阶梯管134，才可以从本体流道130的出口送出。
49.参照图8至图9，用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构还包括：冷却入口管400和冷却出口管500；冷却入口管400与冷却通道1231的入口连通，冷却出口管500与本体流道130的出口连通。冷却入口管400和冷却出口管500均采用铬锆铜水管制成，冷却入口管400用于连通冷却通道1231的入口，以便将冷却水输入冷却通道1231，冷却出口管500用于连通本体流道130的出口，以便将冷却水送回至冷却水的回收槽处，释放热量，以便进入下一次冷却循环。综上，通过冷却水先进入冷却通道1231内，以充分冷却第一壁120(冷却水的流动方向如图9所示，实线箭头为冷却通道1231内的冷却水的流动方向，虚线箭头为本体流道130内的冷却水的流动方向)，随后再通过本体流道130冷却被动板本体110的其余部分，则可以对整个被动板本体110进行降温，防止被动板本体110被高温损伤，也可以降低被动板本体110的电阻，从而增大其产生的感应电流，增加对等离子垂直不稳定性的抑制能力。
50.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其特征在于，包括：被动板组件，其包括多个依次设置的被动板本体；多个电连接组件，其包括两个第一连接板和第二连接板；所述第一连接板设置于所述第二连接板的上方；所述第一连接板包括从上到下依次设置的第一钢层和第一铜层；所述第二连接板包括从上到下依次设置的第二铜层、第二钢层、绝缘层；两个所述第一连接板的所述第一铜层均与所述第二连接板的第二铜层接触；其中，相邻的两个所述被动板本体通过一个所述电连接组件连接，所述电连接组件的其中一个所述第一连接板的所述第一钢层与其中一个所述被动板本体的连接，所述电连接组件的另一个所述第一连接板的所述第一钢层与另一个所述被动板本体连接；支撑组件，其设置于所述第二连接板的下方；所述支撑组件具有与所述绝缘层接触的支撑面。2.根据权利要求1所述的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其特征在于，所述第一钢层的上侧面与所述被动板本体的底部连接。3.根据权利要求2所述的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其特征在于，所述支撑组件包括多个支撑底座，所述支撑面位于所述支撑底座上，所述支撑底座位于所述第一连接板的下方。4.根据权利要求1所述的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其特征在于，所述被动板本体的外侧面设置有第一壁；所述第一壁包括从外到内依次设置的钨铠甲、热沉层、冷却层；所述冷却层内设置有冷却通道；所述热沉层与所述冷却通道接触。5.根据权利要求4所述的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其特征在于，所述冷却层包括多个冷却块、多根转换管；多个所述冷却块沿所述冷却通道的冷却介质的流向依次设置，每个所述冷却块均设置有冷却流道；多个所述冷却块的所述冷却流道沿所述冷却通道的冷却介质的流向依次通过所述转换管连通，以形成单向的所述冷却通道。6.根据权利要求5所述的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其特征在于，所述冷却块朝向所述热沉层的一侧设置有呈s型的凹槽，呈s型的所述凹槽形成呈s型的所述冷却流道；所述热沉层封盖所述凹槽；所述冷却块在所述冷却流道的入水端设置有入水口，所述冷却块在所述冷却流道的出水端设置有出水口。7.根据权利要求5所述的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其特征在于，所述被动板本体内设置有本体流道，所述本体流道的入口与所述冷却通道的出口连通。8.根据权利要求7所述的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其特征在于，所述本体流道包括有依次连通的第一阶梯管、第二阶梯管、第三阶梯管、第四阶梯管；所述第一阶梯管、所述第二阶梯管、所述第三阶梯管、所述第四阶梯管沿背离所述第一壁的方向依次排列，所述第一阶梯管位于所述第二阶梯管与所述冷却层之间，所述第一阶梯管与与所述冷却通道的出口连通。9.根据权利要求7所述的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其特征在于，还包括：冷却入口管和冷却出口管；所述冷却入口管与所述冷却通道的入口连通，所述冷却出口管与所述本体流道的出口
连通。10.根据权利要求1所述的用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其特征在于，所述被动板组件的多个所述被动板本体通过多个所述电连接组件连接形成被动板环；所述被动板环的外圈设置有多个外环支撑座，所述外环支撑座与所述被动板本体连接。

技术总结
本发明属于聚变装置技术领域，具体公开了一种用于抑制等离子体垂直不稳定性的被动板结构，其包括：被动板组件、多个电连接组件、支撑组件；被动板组件包括多个被动板本体；电连接组件包括两个第一连接板和第二连接板；第一连接板包括第一钢层和第一铜层；第二连接板包括第二铜层、第二钢层、绝缘层；两个第一连接板的第一铜层均与第二连接板的第二铜层接触；其中，相邻的两个被动板本体通过一个电连接组件连接；第一连接板的第一铜层与第二连接板的第二铜层直接接触，则可以降低被动板本体与第二连接件之间的接触电阻，以便增加被动板本体的感应电流，提高对等离子体垂直不稳定性的抑制能力，降低快速电源的制造难度，降低成本。降低成本。降低成本。


技术研发人员：彭学兵 韩旭 刘鹏 卯鑫 张峰
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/8/31