[發(fā)明專利]磁化等離子體聚變點(diǎn)火裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510633430.1
• 申請(qǐng)日: 2015-09-29
• 公開（公告）號(hào): CN105185417B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊顯俊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所
• 主分類號(hào): G21B1/19
• 分類號(hào): G21B1/19;G21B1/03;G21B1/05
• 代理公司: 北京東方靈盾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11506
• 代理人: 馮瓊,鄭利華

技術(shù)領(lǐng)域

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?cè)恚瑢⑷萜髦幸欢ū确值碾?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)

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(zhǎng)的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

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(guó)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(chǎng)構(gòu)形(FRC)，并利用外加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(zhǎng)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(duì)等離子體靶參數(shù)要求。(H.Y.Guo,M.W.Binderbauer,D.Barnes,et al.Phys.Plasmas 18,056110(2011)，M.Tuszewski,A.Smirnov,M.C.Thompson,Phys.Rev.Lett.108,255008(2012)，M.M.Waldrop,Nature 511,398(2014))

另外一種代表性的裝置為美國(guó)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(dòng)態(tài)的反場(chǎng)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(chǎng)構(gòu)形的壽命較低，無法滿足內(nèi)爆壓縮對(duì)磁化等離子體靶壽命的要求。(J.H.Degnan,D.J.Amdahl,M.Domonkos,et al,24th IAEA Fusion Energy Conference(2012))。

發(fā)明內(nèi)容

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(zhǎng)壽命，同時(shí)具有較高的密度。

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(chǎng)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(duì)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(dòng)功率源電容器組。

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。

進(jìn)一步，所述金屬套筒的材質(zhì)為金、鋁、鎢或銅。

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)

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

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

鏡線圈上，所述DT充氣系統(tǒng)連通該石英套筒內(nèi)。

進(jìn)一步，所述石英套筒為柱形或錐形。

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：

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(chǎng)，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(chǎng)位形，形成兩個(gè)對(duì)稱相向的高速初始的反場(chǎng)構(gòu)形等離子體團(tuán)；

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(chǎng)對(duì)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(duì)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)；

C.對(duì)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(dòng)功率源放電，在金屬套筒外表面驅(qū)動(dòng)電流的驅(qū)動(dòng)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；