[發明專利]一種場反等離子體磁壓縮裝置及方法

有效

• 申請號: 202011376152.3
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112397206B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 潘垣;彭越;王之江;饒波;張明;李黎;呂以亮;陳志鵬;丁永華
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G21B1/05
• 分類號: G21B1/05;G21B1/21
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種場反等離子體磁壓縮裝置及方法，屬于磁約束核聚變領域，裝置包括真空腔室、環繞真空腔室的壓縮線圈、電源模塊；電源模塊中的第一供電模塊通過壓縮線圈在真空腔室中產生第一壓縮磁場；當第一壓縮磁場上升到最大值時，第二供電模塊接入并通過壓縮線圈在真空腔室中產生第二壓縮磁場，使得真空腔室中的磁場持續上升，以對真空腔室中的場反等離子體進行級聯磁壓縮。將等離子體快速加熱至高溫狀態后，接通另一供電模塊保證線圈電流繼續上升，從而保持一定的加熱功率以抵消等離子體中的輸運和輻射損失，并且大幅延長等離子體壽命和聚變反應時間；線圈電流升至最大值時可將線圈磁能回饋至電網或電源模塊，實現能量回收，提高壓縮效率。

技術領域

本發明屬于磁約束核聚變領域，更具體地，涉及一種場反等離子體磁壓縮裝置及方法。

背景技術

在磁約束核聚變研究中，一項核心任務就是將用于發生聚變反應的等離子體加熱到足夠高的溫度，例如10keV，即1億度左右，在脈沖聚變裝置中則主要依靠壓縮實現。絕熱磁壓縮加熱等離子體的思路很早就已被人提出，并被實驗驗證為一種有效的加熱等離子體的方式。

現有的基于場反等離子體的絕熱磁壓縮總是在等離子體外部纏繞線圈，并以一定時序將線圈通以快速上升的電流，在等離子體周圍形成快速上升的磁場，等離子體在磁壓的作用下體積被壓小，密度和溫度得到同時提升，壓縮線圈電流達到最大值后續流衰減。壓縮線圈電流達到最大值后無法進一步提高，而是續流衰減，約束等離子體的場反磁位形在電阻耗散、等離子體輸運等作用下快速被破壞，導致等離子體迅速失去約束磁場然后快速消失，等離子體壽命很短，聚變反應發生的時間也很短，通常在10us左右。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提供了一種場反等離子體磁壓縮裝置及方法，其目的在于設置兩個不同的供電模塊，先將等離子體快速加熱至高溫狀態后，保證線圈電流繼續以稍慢的速度上升，從而保持一定的加熱功率以抵消等離子體中的輸運和輻射損失，并且大幅延長等離子體壽命，延長聚變反應時間。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種場反等離子體磁壓縮裝置，包括：真空腔室、環繞所述真空腔室的壓縮線圈、以及連接所述壓縮線圈的電源模塊；所述電源模塊包括第一供電模塊和第二供電模塊；所述第一供電模塊通過所述壓縮線圈在所述真空腔室中產生第一壓縮磁場；當所述第一壓縮磁場上升到最大值時，所述第二供電模塊接入并通過所述壓縮線圈在所述真空腔室中產生第二壓縮磁場，使得所述真空腔室中的磁場持續上升，以對所述真空腔室中的場反等離子體進行級聯磁壓縮。

更進一步地，所述電源模塊連接至電網側；所述第一供電模塊包括變壓器T_r1、整流電路CON₁和電容C₁，所述變壓器T_r1的兩側分別連接所述電網側和整流電路CON₁輸入側，整流電路CON₁輸出側連接所述電容C₁，所述電容C₁放電以產生所述第一壓縮磁場；所述第二供電模塊包括變壓器T_r2、整流電路CON₂和電容C₂，所述變壓器T_r2的兩側分別連接所述電網側和整流電路CON₂輸入側，整流電路CON₂輸出側連接所述電容C₂；所述變壓器T_r1的變壓比大于所述變壓器T_r2的變壓比，所述整流電路CON₁與整流電路CON₂的正輸出端之間通過二極管D₂連接，且所述二極管D₂的陽極連接所述整流電路CON₂正輸出端；當所述第一壓縮磁場上升到最大值時，所述整流電路CON₁正輸出端電壓低于所述整流電路CON₂正輸出端電壓，所述二極管D₂導通以接入所述第二供電模塊，使得所述電容C₂放電以產生所述第二壓縮磁場。