磁化等離子體聚變點(diǎn)火裝置及其慣性磁約束聚變方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高溫磁化等離子體聚變能源反應(yīng)堆的核心技術(shù)部件，高溫磁化等離子 體聚變能源反應(yīng)堆應(yīng)用慣性磁約束聚變原理，將容器中一定比分的氘（D)和氚（T)作為原 料，通過慣性約束和磁約束混合應(yīng)用的方式，實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)點(diǎn)火、燃燒并釋放核聚變能量， 從而向外界用戶輸送出電能的設(shè)施。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，通過熱核聚變輸送電能是人類解決能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的最終 解決方案。磁約束聚變（MFE)和慣性約束聚變（ICF)屬于傳統(tǒng)的兩大聚變研究途徑，這兩 大途徑目前均已取得很大的進(jìn)展，但同時(shí)二者在如何實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的問題上面臨設(shè)施巨大、 花費(fèi)不菲以及研發(fā)周期過長的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。
[0003] 近年來，其他經(jīng)濟(jì)小型的聚變途徑探索方興未艾，其中最具代表性的為美國Tri Alpha Energy能源公司的C-2系列裝置，該裝置采用等離子體團(tuán)碰撞融合技術(shù)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的 反場構(gòu)形（FRC)，并利用外加旋轉(zhuǎn)磁場和中性束加熱的方法提高FRC穩(wěn)定性和壽命。該技術(shù) 方案產(chǎn)生的FRC雖然有較好的等離子體穩(wěn)定性和較長的壽命，但是其密度較低，無法滿足 內(nèi)爆壓縮磁化等離子體聚變反應(yīng)對等離子體革巴參數(shù)要求。（Η. Y. Guo, M. W. Binderbauer, D. Barnes, et al. Phys. Plasmas 18, 056110 (2011)，M. Tuszewski，A. Smirnov, Μ· C. Thompson, Phys. Rev. Lett. 108, 255008 (2012), Μ. M. Waldrop, Nature 511, 398 (2014))
[0004] 另外一種代表性的裝置為美國Los Alamos National Laboratory的FRX-L系列 裝置，該裝置利用theta放電技術(shù)和磁通壓縮的方法形成動態(tài)的反場構(gòu)形，其具有較高的 等離子體密度，但是其穩(wěn)定性較差，而且反場構(gòu)形的壽命較低，無法滿足內(nèi)爆壓縮對磁化等 離子體革巴壽命的要求。（J.H. Degnan, D.J. Amdahl, M. Domonkos, et al, 24th IAEA Fusion Energy Conference(2012))〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種磁化等離子體聚變裝置慣性磁約束聚變方 法，該技術(shù)方法產(chǎn)生的等離子體靶具有較好的等離子體穩(wěn)定性和較長壽命，同時(shí)具有較高 的密度。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種磁化等離子體聚變點(diǎn)火裝置，其包括 反場構(gòu)形等離子體團(tuán)的形成及加速傳輸系統(tǒng)，還包括等離子體靶的碰撞融合系統(tǒng)及內(nèi)爆壓 縮系統(tǒng)，所述形成及加速傳輸系統(tǒng)對稱分布在所述碰撞融合系統(tǒng)及內(nèi)爆壓縮系統(tǒng)的兩側(cè)； 所述碰撞融合系統(tǒng)位于整個(gè)裝置的中央，包括：金屬套筒、該金屬套筒外側(cè)套設(shè)有電性連接 的theta線圈以及在該金屬套筒兩端設(shè)有電性連接的磁鏡線圈；所述內(nèi)爆壓縮系統(tǒng)包括： 所述金屬套筒及電極，該電極連接金屬套筒的兩端且構(gòu)成一個(gè)腔室，在該電極還連接有脈 沖驅(qū)動功率源電容器組。
[0007] 進(jìn)一步，所述碰撞融合系統(tǒng)的theta線圈與中心軸線平行排列，該theta線圈的材 料為Nb3Sn、NbTi超導(dǎo)導(dǎo)體或無氧銅導(dǎo)體。
[0008] 進(jìn)一步，所述金屬套筒的材質(zhì)為金、鋁、鎢或銅。
[0009] 進(jìn)一步，所述形成及加速傳輸系統(tǒng)包括：石英套筒、石英套筒的外側(cè)套設(shè)
[0010] 的theta線圈、遠(yuǎn)離所述碰撞融合系統(tǒng)及內(nèi)爆壓縮系統(tǒng)的一端設(shè)置有磁鏡線
[0011] 圈、電容電源以及DT充氣系統(tǒng)，該電容電源電性連接在該theta線圈和磁
[0012] 鏡線圈上，所述DT充氣系統(tǒng)連通該石英套筒內(nèi)。
[0013] 進(jìn)一步，所述石英套筒為柱形或錐形。
[0014] 另一種技術(shù)方案在于：一種磁化等離子體聚變點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)慣性磁約束聚變方 法，包括以下步驟：
[0015] A.向FRC等離子體團(tuán)的形成及加速傳輸系統(tǒng)內(nèi)通入中性氘氚氣體中，嵌入外加磁 場，利用theta線圈縮放電的方法產(chǎn)生將中性氣體離化，再通過反向電流形成磁場位形，形 成兩個(gè)對稱相向的高速初始的反場構(gòu)形等離子體團(tuán)；
[0016] B.利用磁壓或洛侖茲力將步驟A形成的兩個(gè)FRC等離子體團(tuán)加速傳送，并匯聚到 一個(gè)碰撞融合區(qū)域內(nèi)，外加磁場對兩個(gè)FRC等離子體團(tuán)進(jìn)行磁通壓縮，兩個(gè)高速FRC等離子 體團(tuán)對碰時(shí)開始軸向收縮擠壓，通過磁重聯(lián)過程兩初始FRC等離子體團(tuán)融合形成溫度、密 度更高的具有閉合磁力線的等離子體靶團(tuán)；
[0017] C.對步驟B得到的高溫和高密等離子體靶進(jìn)行內(nèi)爆壓縮，脈沖驅(qū)動功率源放電， 在金屬套筒外表面驅(qū)動電流的驅(qū)動下，產(chǎn)生向內(nèi)徑向壓縮的洛侖茲力，內(nèi)爆壓縮固體金屬 套筒；
[0018] D.當(dāng)高溫高密磁化等離子體靶完全碰撞融合形成前，脈沖驅(qū)動電源放電，在金屬 套筒表面驅(qū)動軸向電流產(chǎn)生力內(nèi)爆壓縮固體金屬套筒，固體套筒被壓縮，固體套筒經(jīng)過加 速、慣性階段后，壓縮過程到達(dá)滯止?fàn)顟B(tài)，隨后向外反彈，等離子體團(tuán)內(nèi)部的DT靶到達(dá)點(diǎn)火 狀態(tài)，系統(tǒng)發(fā)生熱核聚變反應(yīng)。
[0019] 進(jìn)一步，所述脈沖驅(qū)動功率源10~20MJ，放電時(shí)驅(qū)動電流10~20MA。
[0020] 進(jìn)一步，步驟A中，反場構(gòu)形等離子體團(tuán)線圈內(nèi)磁場爬升到2T，離子體內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生 IMA渦旋電流。
[0021] 進(jìn)一步，所述金屬套筒內(nèi)磁場可達(dá)到最大強(qiáng)度不小于4特斯拉。
[0022] 本發(fā)明的技術(shù)效果在于：本發(fā)明聚變點(diǎn)火裝置，在碰撞融合階段，兩個(gè)完全相同的 FRC等離子體團(tuán)以高速進(jìn)入碰撞融合區(qū)時(shí)利用theta線圈產(chǎn)生的磁場進(jìn)行磁體壓縮；然后， 兩高速FRC等離子體團(tuán)碰撞，軸向收縮擠壓，通過磁重聯(lián)過程形成一個(gè)高溫高密的等離子 體靶團(tuán)。融合后的靶團(tuán)同樣被封閉在具有閉合磁力線邊界的磁場位形之中，比原來初始FRC 靶具有更高的溫度和密度。并且具有很穩(wěn)定的等離子體壽命，能夠滿足內(nèi)爆壓縮點(diǎn)火靶的 要求。當(dāng)碰撞融合形成高溫高密磁化等離子體靶的同時(shí)，脈沖功率源放電，在金屬套筒外表 面驅(qū)動電流在幾十兆安以上的強(qiáng)烈驅(qū)動，產(chǎn)生向內(nèi)徑向壓縮的洛侖茲力，內(nèi)爆壓縮固體金 屬套筒，當(dāng)固體套筒被均勻穩(wěn)定地壓縮到原來半徑的十分之一左右時(shí)，內(nèi)部磁壓及等離子 體熱壓與套筒的壓力相當(dāng)，壓縮過程到達(dá)滯止?fàn)顟B(tài)，隨后向外反彈。這時(shí)等離子體內(nèi)部的DT 靶到達(dá)點(diǎn)火狀態(tài)，系統(tǒng)發(fā)生熱核聚變反應(yīng)，由聚變反應(yīng)釋放出的熱核中子通過與包層相互 作用使氚增殖并將熱能傳遞至能量轉(zhuǎn)換回路，最終釋放出商用的能量輸出。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明磁化等離子體聚變點(diǎn)火裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 其中，1-形成及加速傳輸系統(tǒng)；2-theta線圈；3-磁鏡線圈；4-石英套筒；5-DT充 氣系統(tǒng)；6-電容器電源；7-等離子體靶的碰撞融合系統(tǒng)以及等離子體靶的內(nèi)爆壓縮系統(tǒng)； 8-磁鏡線圈；9-theta線圈；10-直流電源系統(tǒng)；11-腔室；12-金屬套筒；13-電極；14-脈 沖驅(qū)動功率源。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以 更好的理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對本發(fā)明的限定。
[0026] 如圖1所示，為本發(fā)明磁化等離子體聚變點(diǎn)火裝置，該裝置的所有部件放置于真 空狀態(tài)下，其包括反場構(gòu)形等離子體團(tuán)的形成及加速傳輸系統(tǒng)1，其還包括等離子體靶的碰 撞融合系統(tǒng)及等尚子體革G的內(nèi)爆壓縮系統(tǒng)7,形成及加速傳輸系統(tǒng)1對稱分布在碰撞融合 系統(tǒng)及所述內(nèi)爆壓縮系統(tǒng)7的兩側(cè)；碰撞融合系統(tǒng)包括：金屬套筒12、該金屬套筒12外側(cè) 套設(shè)有電性連接的theta線圈9以及在該金屬套筒12兩端設(shè)有電性連接的磁鏡線圈8 ;內(nèi) 爆壓縮系統(tǒng)包括：金屬套筒12及電極13,該電極13連接金屬套筒的兩端且構(gòu)成一個(gè)真空 腔室11，在該電極13還電性連接有脈沖驅(qū)動功率源14。其中；FRC等離子體團(tuán)的形成及加 速傳輸系統(tǒng)1，主要功能為采用反場theta箍縮技術(shù)（FRTP)形成具有閉合磁力線的初級反 場構(gòu)形（FRC)等離子體團(tuán)，其等離子體溫度（電子溫度加離子溫度）為200-350eV，密度不 低于I X IO15Cm 3;由磁場梯度或外置線圈將FRC等離子體團(tuán)加速并傳送到裝置的中間的碰 撞融合區(qū)，此速度大約在阿爾文速度量級~IOcm/ μ s，因此其帶有很高的動量。
[0027] 本實(shí)施例中，本發(fā)明聚變點(diǎn)火裝置的兩端為FRC等離子體團(tuán)的形成及加速傳輸系 統(tǒng)1，對稱相向設(shè)置，包括石英套筒Utheta線圈2、磁鏡線圈3和電容電源、氘氚DT充氣系 統(tǒng)5。其中，每個(gè)單獨(dú)的FRC形成及加速傳輸系統(tǒng)的石英套筒1長200cm，內(nèi)直徑為18cm， 厚度為1~I. 5cm，一端與碰撞融合系統(tǒng)連接。theta線圈2在石英套筒1外一端共10阻， 排列長度150cm，以石英套筒1開放端起第一IM線圈內(nèi)直徑22. 5cm，theta線圈2以一個(gè) 4~15度范圍內(nèi)的傾斜角排列，該傾斜角指線圈排列與裝置中心軸線間的夾角。具有一定 傾斜角排列的線圈意味著theta箍縮放電時(shí)會產(chǎn)生磁場梯度，該磁場梯度會產(chǎn)生軸向的洛 侖茲力作用在FRC等尚子體團(tuán)。石英套筒1在遠(yuǎn)尚碰撞融合系統(tǒng)及內(nèi)爆壓縮系統(tǒng)的一端連 接有一套磁鏡線圈3,該磁鏡線圈3放置位置與theta線圈2的間隔為5~10cm，其內(nèi)直徑 25cm。電容電源系統(tǒng)包括偏置場電容器組、預(yù)電離電容器組和主放電電容器組；其中，偏置 場電容器組充電電壓不低于IOkV ;預(yù)電離電源為充電電壓為60kV電容器組；主場電源組為 不少于2組充電電壓正負(fù)60kV、220 μ F電容器組組成；磁鏡場電源為充電電壓不低于IOkV 電容器組。DT充氣系統(tǒng)5放置于石英套筒1開放端。該系統(tǒng)作用的基本功能及作用為：首 先在實(shí)驗(yàn)石英套筒1內(nèi)沖入氘氚（DT)氣體。結(jié)合磁鏡線圈3, theta線圈2放電在石英套 筒內(nèi)生成具有閉合磁力線的反場構(gòu)形等離子體團(tuán)。傾斜排列的theta線圈會在石英套筒內(nèi) 產(chǎn)生非均勻磁場，磁壓強(qiáng)梯度加速反場構(gòu)形等離子體團(tuán)達(dá)到阿爾分速度量級，約IOcm/ μ s 量級。通過石英套筒FRC等離子體團(tuán)被傳輸?shù)脚鲎踩诤蠀^(qū)。
[0028] 本發(fā)明聚變點(diǎn)火裝置的中間部分是等離子體靶的碰撞融合系統(tǒng)以及等離子體靶 的內(nèi)爆壓縮系統(tǒng)。碰撞融合系統(tǒng)的作用為對初始高速的FRC等離子體團(tuán)進(jìn)行磁通壓縮、初 始高速FRC碰撞融合并在軸向上擠壓收縮和捕獲碰撞融合后的形成新更高的溫度及密度 的具有閉合磁力線的磁化等離子體靶團(tuán)，其溫度在400~550eV范圍、密度不低于IO17Cm 3， 壽命在20 μ s以上。
[0029] FRC靶