阅读说明：本技术 一种基于场反位形等离子体的轴向压缩聚变装置及方法 (Axial compression fusion device and method based on field inversion shape plasma ) 是由 廖晖 孙玄 于 2020-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于场反位形等离子体的轴向压缩聚变装置及方法,包括场反位形的形成和传输系统、高速等离子团发生器阵列、内部快速反应的磁场线圈组、中心燃烧腔室、和外部直流线圈组；场反位形的形成和传输系统对称分布在该压缩聚变装置左右最末两侧,两组对称分布的高速等离子体团发生器阵列位于中心燃烧室两侧的类锥形室外侧；内部快速反应的磁场线圈组对称分布在高速等离子体团发生器的喷射口附近到中心燃烧室的边缘部分,多个不同规格的直流线圈均匀分布在中心燃烧腔室外,每个线圈相隔一定距离,且左右对称分布；利用对称分布的高速等离子体团发生器阵列产生的等离子体推进层对位于中心燃烧室的碰撞融合场反位形进行轴向压缩,达到聚变点火条件。(The invention relates to an axial compression fusion device and method based on field inversion plasma, which comprises a field inversion forming and transmitting system, a high-speed plasma cluster generator array, a magnetic field coil group with internal rapid reaction, a central combustion chamber and an external direct current coil group, wherein the field inversion forming and transmitting system comprises a field inversion forming and transmitting system; the field inversion forming and transmitting systems are symmetrically distributed on the left and right last sides of the compression fusion device, and two groups of symmetrically distributed high-speed plasma cluster generator arrays are positioned on the outer sides of the quasi-conical chambers on the two sides of the central combustion chamber; the magnetic field coil groups with the internal rapid reaction are symmetrically distributed from the vicinity of the jet orifice of the high-speed plasma cluster generator to the edge part of the central combustion chamber, a plurality of direct current coils with different specifications are uniformly distributed outside the central combustion chamber, and each coil is separated by a certain distance and is symmetrically distributed from left to right; the plasma propulsion layer generated by the symmetrically distributed high-speed plasma group generator array is used for axially compressing the inverted shape of the collision fusion field in the central combustion chamber, so that the fusion ignition condition is achieved.)

一种基于场反位形等离子体的轴向压缩聚变装置及方法

技术领域

本发明属于磁惯性聚变领域，是由氘(D)和氚(T)组成的高温等离子体经过近似的绝热压缩达到聚变条件，产生α粒子和中子，并释放聚变能量，将其安全转化为电能的一类装置，具体涉及一种基于场反位形等离子体的轴向压缩聚变装置及方法。

背景技术

目前，聚变能源被普遍认为是人类的终极能源，它有着高效，清洁，燃料丰富，相对安全的一系列优点。相对于传统且研究广泛的磁约束聚变(MCF)和惯性约束聚变(ICF)，磁惯性聚变(MIF)凭借其建造设施相对较小且经济，且占据良好的聚变热核反应参数空间而受到越来越多的重视(Wurden,G.A.,Hsu,S.C.,Intrator,T.P.et al.Magneto-InertialFusion.J Fusion Energ 35,69–77)。

场反位形由于其高密度，封闭磁场结构，且能传输和有较好的鲁棒性等特性，经常在磁惯性聚变中被用来当作聚变压缩目标(Physics of Plasmas 11,2580(2004))，其中碰撞融合形成的场反位形拥有更高的初始温度和更长的寿命(M.W.Binderbauer et al.(theTAE Team)Phys.Rev.Lett.105,045003)。

以往基于场反位形的压缩大多是径向压缩，比如美国Los Alamos NationalLaboratory提出使用固体套筒内爆压缩的方案(Review of Scientific Instruments 74,4314(2003))，以及利用增强的磁场来进行径向压缩的实验(Physics of Fluids B:PlasmaPhysics 4,1909(1992))，根据FRC约束经验公式，在径向压缩过程中减小的径向尺寸会导致场反位形的约束急剧下降，部分实验结果也证实这一现象，严重的损失使得大量的粒子和能量逃逸，而导致最终压缩达不到聚变反应温度。

基于场反位形的轴向压缩已经被提出(S.Okada et al 1999Nucl.Fusion 392009)，实验结果表明一定程度的轴向压缩有利于提高或保持场反位形的约束，而理论上，轴向压缩同样能使得靶达到聚变点火条件。

等离子体以及等离子体团能被加速到很高速度，且能量转化为等离子体动能的效率能高达50％，多个高速高密度等离子体团能形成等离子推进层，而形成等离子体推进层具有更高的密度和温度，可以用来压缩靶等离子体(S.C.Hsu et al.,"SphericallyImploding Plasma Liners as a Standoff Driver for Magnetoinertial Fusion,"inIEEE Transactions on Plasma Science,vol.40,no.5,pp.1287-1298,May 2012)。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于场反位形等离子体的轴向压缩聚变装置及方法，使得其压缩的靶等离子体能达到聚变温度。

本发明的技术解决方案：一种基于场反位形等离子体的轴向压缩聚变装置，包括场反位形的形成和传输系统，高速等离子团发生器阵列，内部快速反应的磁场线圈组，中心燃烧腔室，外部直流线圈组等组成。整个装置内部处于真空环境，其中所述场反位形的形成和传输系统对称分布在该压缩聚变装置左右最末两侧，所述高速等离子体团发生器阵列，每个阵列由多个等离子团发生器组成，对称分布在中心燃烧室的两侧的类锥形室外侧；内部快速反应的磁场线圈组对称分布在高速等离子体团发生器的喷射口附近到中心燃烧室的边缘部分，中心燃烧腔室位于整个压缩聚变装置的中心，多个不同规格的直流线圈均匀分布在中心燃烧腔室外，每个线圈相隔一定距离，且左右对称分布。利用对称分布的高速等离子体团发生器阵列产生的等离子体推进层对位于中心燃烧室的碰撞融合场反位形进行轴向压缩，达到聚变点火条件。

所述场反位形的形成系统，包括，theta线圈，石英管，以及石英管两端的磁喉线圈，形成场反位形的方法为theta箍缩形成方法。所述theta线圈由无氧铜制作，每个theta线圈内径相同，多个theta线圈排列成柱位形。

所述的高速等离子体团发生器阵列，由沿着类锥形室环向对称分布的若干高速等离子体团发生器组成，高速等离子体团发生器阵列产生的高速等离子体团沿磁力线由两侧往中心燃烧室注入。

所述的内部快速反应的磁场线圈组，核心材料为无氧铜，外部包裹着陶瓷等绝缘材料，安装在真空室内靠近装置壁的位置，每组线圈单独提供电源，可选用电压高(0-50kV)，电容值小(10-500μF)的脉冲电容器作为供能。

所述的直流线圈组，由高温超导材料或无氧铜绕制密封而成，每组线圈单独供电，磁场位形和磁场大小可调节。

所述的对碰撞融合场反位形的压缩主要是利用高速等离子体团发生器阵列产生的等离子体推进层对场反位形进行轴向压缩，而不是剧烈的径向压缩。

本发明方法的实现为：

(1)位于聚变装置左右最末两侧的场反位形的形成和传输系统在源区形成等离子体密度大致2e21m^-3，离子温度500eV左右，拉长比大于约为10,喷射传输速度大于150km/s的两团场反位形,场反位形等离子体前进的动能来源于等离子体环向电流和径向磁场相互作用而产生的轴向的安培力，将场反位形加速至阿尔芬速度或超阿尔芬速度；场反位形沿着直流磁场线圈组产生的平直磁场传输到中心燃烧腔室，随后两团场反位形在中心燃烧腔室对撞融合成新的，拥有更高温度的场反位形；

(2)在对撞融合场反位形形成后，位于类锥形室附近的内部快速反应的磁场线圈将类锥形室区域内原本平直的磁力线散开，以便等离子体团的进入，同时对称分布的高速等离子体团发生器阵列同时发射若干高动量密度(密度高于2e23m^-3，喷射速度高于50km/s)的等离子体团，这些等离子体团沿着散开的磁力线前行，随后在前行过程中逐渐融合成整体，形成用于压缩的高速(速度大于50km/s)前行的高密度(高于2e23m^-3)等离子体推进层；

(3)步骤(2)产生的等离子体推进层作用在步骤(1)产生的对撞融合场反位形上，推动场反位形的轴向压缩，同时靠近中心燃烧室边缘的内部快速反应的磁场线圈启动，改变中心燃烧腔室磁场，注入多余的磁通，增强源区磁场，防止场反位形被轴向压缩后剧烈的径向膨胀。

本发明与现有技术相比优点在于：

(1)本发明舍弃了传统的固体套筒压缩概念，固体套筒压缩带来的高Z的杂质污染，碎片对壁的损害，需频繁更换，外部馈入电流困难等一系列不利影响均可避免，对于一个聚变堆来讲，使用等离子体作为驱动器压缩会大大提高聚变堆运行效率，降低经济成本。

(2)本发明中的轴向压缩方案更利于场反位形(FRC)等离子体自身寿命的维持，包括径向尺度的维持或增大，径向粒子约束和磁通约束得以保留。

(3)由于轴向等离子体推进层的引入，相当于在轴向形成了一个“等离子体导体壁”，配合中心燃烧室的导体金属壁，在压缩过程中更利于碰撞融合FRC的约束，特别是FRC轴向粒子约束得到显著提升。

(4)本发明的利用等离子体推进层轴向压缩在某种程度上也更有利于FRC稳定，原因在于，压缩过程中等离子体推进层与内部FRC耦合在一起，对于FRC中最危险的倾斜不稳定性，这样的一个耦合系统或许是有利的。

(5)本发明利用等离子体推进层对碰撞融合场反位形的轴向压缩，使得较大体积FRC(这里较大体积可指场反位形等离子体分离线半径大于0.2m)的压缩便于实施，且压缩后扁平的FRC更有利于诸如中性束的注入加热维持。

附图说明

图1是本发明基于场反位形等离子体的轴向压缩聚变装置结构示意图；

图2是本发明基于场反位形等离子体的轴向压缩聚变装置具体压缩过程的示意图；其中(a)是位于聚变装置左右最末两侧的场反位形的形成和传输系统在源区形成场反位形并在装置中传输的示意图；(b)是碰撞融合场反位形的形成和高速等离子体团发生器阵列产生的若干高速等离子体团的示意图；(c)是等离子体推进层的形成并即将对碰撞融合场反位形进行轴向压缩的示意图；(d)是等离子体推进层将碰撞融合场反位形轴向压缩至聚变点火条件的示意图；

图中：1.磁喉线圈；2.theta线圈；3.石英管；4.高速等离子体团发生器阵列；5.背景磁场线圈；6.内部快速反应线圈；7.初始形成的场反位形；8.传输至中心区域的场反位形；9.碰撞融合后的场反位形；10.高速等离子体团发生器喷射的高速等离子体团；11.等离子体推进层；12.达到聚变点火条件的场反位形；13.燃烧腔室。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种基于场反位形等离子体的轴向压缩聚变装置，包括主体部件：磁喉线圈1、theta线圈2、石英管3、高速等离子体团发生器阵列4、背景磁场线圈5、内部快速反应线圈6和燃烧腔室13。

本实施例中，初始形成的场反位形7在两端的形成区(石英管3内部)形成，具体步骤为先用脉冲注气阀朝着石英管壁附近注入一定比例的氘氚气体，然后采用反场theta箍缩技术(FRTP)形成FRC，石英管3的半径选用20cm，theta线圈紧贴石英管排布安装，石英管3长度，以及theta线圈长度在3-4米，能产生等离子体密度2e21-2e22m^-3，离子温度200-300eV，拉长比大于10,的FRC，采用动态加载的方式将其传输速度提高到200-600km/s。

本实施例中，背景传输磁场由背景磁场线圈5配合内部快速反应线圈6共同产生，背景传输磁场可调节在0.3-0.4T左右，保持FRC传输时磁力线处于平直状态。

本实施例中，传输至中心区域的场反位形8密度在1-5×10²⁰m^-3，温度200-300eV，碰撞融合后形成的新的FRC，碰撞融合后的场反位形9的半径为25-35cm，密度为1-5×10²⁰m^-3，温度在500-800eV，拉长比在8-10。

本实施例中，高速等离子体团发生器阵列4由120只高速等离子体团发生器组成，120只高速等离子体团发生器在装置左右两端各占一半，每支高速等离子体团发生器喷射的高速等离子体团10的动能为100千焦耳，总初始动能为12兆焦耳。

本实施例中，压缩过程可由绝热压缩模型近似计算得出，技术参数如下表：

如图2所示，本发明方法的具体实施步骤举例：

第一步：如图2中的(a)，启动背景直流磁场，在真空室中产生0.3-0.4T左右的磁场，同时打开脉冲注气阀，在石英管区域注入一定比例的氘氚气体，经过3-5ms，待气体均匀充满源区后，theta线圈两端的磁喉线圈启动，然后theta线圈2开始放电，放电顺序是，首先产生一个偏置磁场，然后在此基础上叠加一个高频振荡的电流，在石英管内感应出较强的环向电场，氘氚气体被较好电离，在这个步骤中，可以采用外部辅助电离的措施，使得电离更充分(比如引入等离子体枪产生等离子体或利用射频源辅助电离)，产生的等离子体冻结初始的bias磁场，最后主压缩场启动，迅速爬升的主场剧烈压缩保留的磁通和等离子体，两端磁喉的作用是防止磁力线撕裂重联，使得磁力线可在石英管末端位置进行可控重联，磁场重联完成后，FRC封闭磁力线结构形成，同时，主场采用动态加载方式，在源区形成较强的磁场梯度，在磁场梯度下，初始形成的场反位形7开始加速，脱离源区，沿着磁力线朝中心区域高速传输。

第二步：如图2中的(b),两个高速传输的场反位形在中心碰撞融合，经历几个阿尔芬时间后，碰撞融合后的场反位形9形成，同时类锥形室区域内部快速反应线圈6启动，产生反向磁场将类锥形室区域内原本平直的磁力线散开至合适的角度，同时高速等离子体团发生器阵列发射高速等离子体团10，多个等离子体团，拥有极高的动量密度，倾斜着朝着中心运动。

第三步：如图2中的(c)，多个等离子体团形成等离子体推进层11，等离子体推进层压缩靶FRC，推动FRC，轴向压缩开始，同时靠近中心燃烧室的内部快速反应的磁场线圈将注入多余的磁通，逐渐增强源区磁场至10T左右，防止场反位形被轴向压缩后剧烈的径向膨胀，在此过程中FRC分离线半径由于增强的磁场基本保持不变。

第四步：如图2中的(d)，等离子体推进层11不断消耗自身动能，为压缩靶等离子体提供能量，等离子体推进层不断减速，中心靶FRC不断被压缩，密度温度逐渐升高，在压缩进行到最后时，燃烧腔室13内形成一个扁平的达到聚变点火条件的场反位形12，随后在强磁场约束下开始聚变燃烧，不断释放出聚变能量。

提供以上实施例仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。