[發明專利]一種內離子源慣性靜電約束聚變裝置

在審

• 申請號: 201910160040.5
• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN109920559A
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 李金海
• 申請（專利權）人: 中國原子能科學研究院;北京信成科技集團
• 主分類號: G21B1/05
• 分類號: G21B1/05;G21B1/11
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種內離子源慣性靜電約束聚變裝置，包括陽極、陰極、與陰極連接的高壓引入支撐桿、內離子源、真空系統、高壓系統，其中，所述內離子源的陽極電位低于慣性靜電約束聚變裝置的陽極電位；在慣性靜電約束聚變裝置內設有離子運動軌跡微擾器，用于微擾改變離子運動的角動量。本發明采用內離子源技術可以長期約束離子在裝置內的往返運動，采用離子運動軌跡微擾器可以避免離子返回離子源導致的離子損失，采用高真空環境可以避免由電離導致的離子損失和高壓電源損耗。該裝置由于可以長時間注入累積離子，因而可以提高中子產額和盈虧比。

技術領域

本發明涉及核聚變及中子源技術，具體涉及一種內離子源慣性靜電約束聚變裝置。

背景技術

目前國內外的核聚變技術主要包括四類；托卡馬克、激光慣性約束、Z箍縮和慣性靜電約束，這些技術各有優缺點。其中慣性靜電約束裝置最小，耗電量最小，沒有聚變點火的難題，也沒有復雜的等離子體動力學問題，其缺點主要是中子產額相對較低，目前與能量的盈虧平衡的距離較大。目前國內外的中子源主要分為放射性同位素中子源和加速器中子源，加速器中子源種類較多，包括自密封的中子管、基于高壓加速器、回旋加速器、同步加速器、直線加速器等大型加速器的中子源，慣性靜電約束裝置也可以看作一種加速器中子源。雖然慣性靜電約束裝置的中子產額相對于大型加速器中子源的低，但一般高于自密封中子管的。

目前國外的慣性靜電約束裝置輸入電功率從幾百瓦到幾千瓦，中子產額最高為10⁸n/s的量級，工作氣壓從幾Pa到10^-2Pa。對于1千瓦的功率輸入，如果要達到能量的盈虧平衡所需要的氘氘中子產額約為10¹⁵n/s的量級。因此如何降低裝置的電功率輸入和提高中子產額是實現盈虧平衡所需要重點解決的問題。

慣性靜電約束裝置輸入的電功率主要消耗在電離的工作氣體產生的電子流上。雖然電離的氘離子可以在裝置內來回振蕩，但電子一產生就向陽極運動而損失掉，從而形成損耗電流。為此日本的Kajiwara等人提出采用雙球網電極方案，即最外層的真空隔離金屬球接地，中間的金屬球網接正高壓，最內層的金屬球網接地或負高壓。這樣大部分在中間球網內電離的電子圍繞中間球網來回振蕩，從而可以大大減小損耗電流。然而，由于中間球網的存在，總會有部分電子損失在中間球網上。此外，被電離獲得加速后的氘離子會俘獲電子復合為氘原子，而這種氘原子大部分不受約束地碰撞到外層真空腔壁上而損失能量。不過這個方案可以將慣性靜電約束裝置輸入的電功率從幾千瓦降低到幾百瓦，但同時其中子產額也降低了1/3。

為了提高核聚變效率，美國威斯康星大學核聚變所提出采用外部離子源將氦3離子注入到慣性靜電約束裝置，但是受結構和原理的限制，氦3離子只能一次通過慣性靜電約束裝置，其利用效率很低。其原因是由于，采用的外部離子源陽極電位高于地電位，而離子源陰極電位等于地電位。這樣當氦3離子穿過慣性靜電約束裝置球網陰極運動到最外層的真空腔壁時，離子的運動速度等于或接近從離子源引出的速度而不能降為零，因而不能約束住氦3離子的運動而損失掉。此外，離子束流在慣性靜電約束裝置內運動的損失很大，直線運動一個來回，束流僅剩注入束流的4％左右，因此初始注入離子束的多次來回運動是很難的。離子束在運動過程中的損失主要是由于其與背景氣體的電離損失，離子能量主要以電磁輻射和熱能的形式散發出去，參與核反應的能量僅占總能量的一億分之一以下。

總之，由于上述原因而難以提高慣性靜電約束裝置的中子產額和達到盈虧平衡。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術中存在的缺陷，提供一種內離子源慣性靜電約束聚變裝置，提高聚變裝置的中子產額和盈虧比。

本發明的技術方案如下：一種內離子源慣性靜電約束聚變裝置，包括陽極、陰極、與陰極連接的高壓引入支撐桿、內離子源、真空系統、高壓系統等，其中，所述內離子源的陽極電位低于慣性靜電約束聚變裝置的陽極電位；在慣性靜電約束聚變裝置內設有離子運動軌跡微擾器，用于微擾改變離子運動的角動量。