磁化等離子體聚變點火裝置及其慣性磁約束聚變方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及高溫磁化等離子體聚變能源反應堆的核心技術部件，高溫磁化等離子 體聚變能源反應堆應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用的方式，實現熱核反應點火、燃燒并釋放核聚變能量， 從而向外界用戶輸送出電能的設施。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，通過熱核聚變輸送電能是人類解決能源問題，實現可持續發展的最終 解決方案。磁約束聚變（MFE)和慣性約束聚變（ICF)屬于傳統的兩大聚變研究途徑，這兩 大途徑目前均已取得很大的進展，但同時二者在如何實現商業化的問題上面臨設施巨大、 花費不菲以及研發周期過長的嚴重挑戰。
[0003] 近年來，其他經濟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碰撞融合技術產生穩態的 反場構形（FRC)，并利用外加旋轉磁場和中性束加熱的方法提高FRC穩定性和壽命。該技術 方案產生的FRC雖然有較好的等離子體穩定性和較長的壽命，但是其密度較低，無法滿足 內爆壓縮磁化等離子體聚變反應對等離子體革巴參數要求。（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放電技術和磁通壓縮的方法形成動態的反場構形，其具有較高的 等離子體密度，但是其穩定性較差，而且反場構形的壽命較低，無法滿足內爆壓縮對磁化等 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
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術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，該技術方法產生的等離子體靶具有較好的等離子體穩定性和較長壽命，同時具有較高 的密度。
[0006] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種磁化等離子體聚變點火裝置，其包括 反場構形等離子體團的形成及加速傳輸系統，還包括等離子體靶的碰撞融合系統及內爆壓 縮系統，所述形成及加速傳輸系統對稱分布在所述碰撞融合系統及內爆壓縮系統的兩側； 所述碰撞融合系統位于整個裝置的中央，包括：金屬套筒、該金屬套筒外側套設有電性連接 的theta線圈以及在該金屬套筒兩端設有電性連接的磁鏡線圈；所述內爆壓縮系統包括： 所述金屬套筒及電極，該電極連接金屬套筒的兩端且構成一個腔室，在該電極還連接有脈 沖驅動功率源電容器組。
[0007] 進一步，所述碰撞融合系統的theta線圈與中心軸線平行排列，該theta線圈的材 料為Nb3Sn、NbTi超導導體或無氧銅導體。
[0008] 進一步，所述金屬套筒的材質為金、鋁、鎢或銅。
[0009] 進一步，所述形成及加速傳輸系統包括：石英套筒、石英套筒的外側套設
[0010] 的theta線圈、遠離所述碰撞融合系統及內爆壓縮系統的一端設置有磁鏡線
[0011] 圈、電容電源以及DT充氣系統，該電容電源電性連接在該theta線圈和磁
[0012] 鏡線圈上，所述DT充氣系統連通該石英套筒內。
[0013] 進一步，所述石英套筒為柱形或錐形。
[0014] 另一種技術方案在于：一種磁化等離子體聚變點火裝置實現慣性磁約束聚變方 法，包括以下步驟：
[0015] A.向FRC等離子體團的形成及加速傳輸系統內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 成兩個對稱相向的高速初始的反場構形等離子體團；
[0016] B.利用磁壓或洛侖茲力將步驟A形成的兩個FRC等離子體團加速傳送，并匯聚到 一個碰撞融合區域內，外加磁場對兩個FRC等離子體團進行磁通壓縮，兩個高速FRC等離子 體團對碰時開始軸向收縮擠壓，通過磁重聯過程兩初始FRC等離子體團融合形成溫度、密 度更高的具有閉合磁力線的等離子體靶團；
[0017] C.對步驟B得到的高溫和高密等離子體靶進行內爆壓縮，脈沖驅動功率源放電， 在金屬套筒外表面驅動電流的驅動下，產生向內徑向壓縮的洛侖茲力，內爆壓縮固體金屬 套筒；
[0018] D.當高溫高密磁化等離子體靶完全碰撞融合形成前，脈沖驅動電源放電，在金屬 套筒表面驅動軸向電流產生力內爆壓縮固體金屬套筒，固體套筒被壓縮，固體套筒經過加 速、慣性階段后，壓縮過程到達滯止狀態，隨后向外反彈，等離子體團內部的DT靶到達點火 狀態，系統發生熱核聚變反應。
[0019] 進一步，所述脈沖驅動功率源10~20MJ，放電時驅動電流10~20MA。
[0020] 進一步，步驟A中，反場構形等離子體團線圈內磁場爬升到2T，離子體內感應產生 IMA渦旋電流。
[0021] 進一步，所述金屬套筒內磁場可達到最大強度不小于4特斯拉。
[0022] 本發明的技術效果在于：本發明聚變點火裝置，在碰撞融合階段，兩個完全相同的 FRC等離子體團以高速進入碰撞融合區時利用theta線圈產生的磁場進行磁體壓縮；然后， 兩高速FRC等離子體團碰撞，軸向收縮擠壓，通過磁重聯過程形成一個高溫高密的等離子 體靶團。融合后的靶團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。并且具有很穩定的等離子體壽命，能夠滿足內爆壓縮點火靶的 要求。當碰撞融合形成高溫高密磁化等離子體靶的同時，脈沖功率源放電，在金屬套筒外表 面驅動電流在幾十兆安以上的強烈驅動，產生向內徑向壓縮的洛侖茲力，內爆壓縮固體金 屬套筒，當固體套筒被均勻穩定地壓縮到原來半徑的十分之一左右時，內部磁壓及等離子 體熱壓與套筒的壓力相當，壓縮過程到達滯止狀態，隨后向外反彈。這時等離子體內部的DT 靶到達點火狀態，系統發生熱核聚變反應，由聚變反應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是本發明磁化等離子體聚變點火裝置的結構示意圖。
[0024] 其中，1-形成及加速傳輸系統；2-theta線圈；3-磁鏡線圈；4-石英套筒；5-DT充 氣系統；6-電容器電源；7-等離子體靶的碰撞融合系統以及等離子體靶的內爆壓縮系統； 8-磁鏡線圈；9-theta線圈；10-直流電源系統；11-腔室；12-金屬套筒；13-電極；14-脈 沖驅動功率源。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，以使本領域的技術人員可以 更好的理解本發明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。
[0026] 如圖1所示，為本發明磁化等離子體聚變點火裝置，該裝置的所有部件放置于真 空狀態下，其包括反場構形等離子體團的形成及加速傳輸系統1，其還包括等離子體靶的碰 撞融合系統及等尚子體革G的內爆壓縮系統7,形成及加速傳輸系統1對稱分布在碰撞融合 系統及所述內爆壓縮系統7的兩側；碰撞融合系統包括：金屬套筒12、該金屬套筒12外側 套設有電性連接的theta線圈9以及在該金屬套筒12兩端設有電性連接的磁鏡線圈8 ;內 爆壓縮系統包括：金屬套筒12及電極13,該電極13連接金屬套筒的兩端且構成一個真空 腔室11，在該電極13還電性連接有脈沖驅動功率源14。其中；FRC等離子體團的形成及加 速傳輸系統1，主要功能為采用反場theta箍縮技術（FRTP)形成具有閉合磁力線的初級反 場構形（FRC)等離子體團，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等離子體團加速并傳送到裝置的中間的碰 撞融合區，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] 本實施例中，本發明聚變點火裝置的兩端為FRC等離子體團的形成及加速傳輸系 統1，對稱相向設置，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5。其中，每個單獨的FRC形成及加速傳輸系統的石英套筒1長200cm，內直徑為18cm， 厚度為1~I. 5cm，一端與碰撞融合系統連接。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線圈內直徑22. 5cm，theta線圈2以一個 4~15度范圍內的傾斜角排列，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箍縮放電時會產生磁場梯度，該磁場梯度會產生軸向的洛 侖茲力作用在FRC等尚子體團。石英套筒1在遠尚碰撞融合系統及內爆壓縮系統的一端連 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，其內直徑 25cm。電容電源系統包括偏置場電容器組、預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5放置于石英套筒1開放端。該系統作用的基本功能及作用為：首 先在實驗石英套筒1內沖入氘氚（DT)氣體。結合磁鏡線圈3, theta線圈2放電在石英套 筒內生成具有閉合磁力線的反場構形等離子體團。傾斜排列的theta線圈會在石英套筒內 產生非均勻磁場，磁壓強梯度加速反場構形等離子體團達到阿爾分速度量級，約IOcm/ μ s 量級。通過石英套筒FRC等離子體團被傳輸到碰撞融合區。
[0028] 本發明聚變點火裝置的中間部分是等離子體靶的碰撞融合系統以及等離子體靶 的內爆壓縮系統。碰撞融合系統的作用為對初始高速的FRC等離子體團進行磁通壓縮、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，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