[發(fā)明專利]一種基于場反位形等離子體的軸向壓縮聚變裝置及方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202011425316.7
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112509714A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 廖暉;孫玄
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G21B1/05
• 分類號: G21B1/05;G21B1/19
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 安麗

1.一種基于場反位形等離子體的軸向壓縮聚變裝置，其特征在于，包括：場反位形的形成和傳輸系統(tǒng)、高速等離子團(tuán)發(fā)生器陣列、內(nèi)部快速反應(yīng)的磁場線圈組、中心燃燒腔室、和外部直流線圈組；整個裝置內(nèi)部處于高真空環(huán)境；所述場反位形的形成和傳輸系統(tǒng)對稱分布在該壓縮聚變裝置左右最末兩側(cè)；所述高速等離子體團(tuán)發(fā)生器陣列，每個陣列由多個等離子團(tuán)發(fā)生器組成，對稱分布在中心燃燒室的兩側(cè)的類錐形室外側(cè)；內(nèi)部快速反應(yīng)的磁場線圈組對稱分布在高速等離子體團(tuán)發(fā)生器的噴射口附近到中心燃燒室的邊緣部分，中心燃燒腔室位于整個壓縮聚變裝置的中心，多個不同規(guī)格的直流線圈均勻分布在中心燃燒腔室外，每個線圈相隔一定距離，且左右對稱分布，利用高速等離子體團(tuán)發(fā)生器陣列產(chǎn)生的等離子體推進(jìn)層對位于中心燃燒室的碰撞融合場反位形進(jìn)行軸向壓縮，達(dá)到聚變點火條件。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于場反位形等離子體的軸向壓縮聚變裝置，其特征在于：所述場反位形的形成和傳輸系統(tǒng)采用theta箍縮形成方法形成；場反位形的形成系統(tǒng)包括：theta線圈、石英管及石英管兩端的磁喉線圈；石英管安裝在整個裝置左右兩側(cè)末端，theta線圈連續(xù)均勻套設(shè)在石英管外，磁喉線圈則固定安裝在石英管兩側(cè)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于場反位形等離子體的軸向壓縮聚變裝置，其特征在于：所述theta線圈由無氧銅制作，每個theta線圈內(nèi)徑相同，多個theta線圈排列成柱位形。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于場反位形等離子體的軸向壓縮聚變裝置，其特征在于：所述高速等離子體團(tuán)發(fā)生器陣列，由沿著類錐形室環(huán)向?qū)ΨQ分布的若干高速等離子體團(tuán)發(fā)生器組成，高速等離子體團(tuán)發(fā)生器陣列產(chǎn)生的若干高速等離子體團(tuán)會形成等離子體推進(jìn)層，沿磁力線由兩側(cè)往中心燃燒室前行。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于場反位形等離子體的軸向壓縮聚變裝置，其特征在于：所述內(nèi)部快速反應(yīng)的磁場線圈組的內(nèi)部材料為無氧銅，外部包裹著陶瓷絕緣材料，安裝在真空室內(nèi)靠近裝置內(nèi)壁的位置，磁場線圈組中的每組線圈單獨提供電源，所述電源采用高電壓，即最高到50kV電壓，小電容值即10-500μF的脈沖電容器作為供能。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于場反位形等離子體的軸向壓縮聚變裝置，其特征在于：所述直流線圈組，由高溫超導(dǎo)材料或無氧銅繞制密封而成，直流線圈組中每組線圈單獨供電，磁場位形和磁場大小可調(diào)節(jié)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于場反位形等離子體的軸向壓縮聚變裝置，其特征在于：所述對碰撞融合場反位形的壓縮利用高速等離子體團(tuán)發(fā)生器陣列產(chǎn)生的等離子體推進(jìn)層對場反位形等離子體進(jìn)行準(zhǔn)一維軸向壓縮，而不是劇烈的徑向壓縮。

8.一種基于場反位形等離子體的軸向壓縮聚變方法，其特征在于，實現(xiàn)步驟如下：

(1)位于聚變裝置左右最末兩側(cè)的場反位形的形成和傳輸系統(tǒng)在源區(qū)形成等離子體密度2e21-2e22m^-3，離子溫度200-300eV，拉長比大于10,噴射傳輸速度大于150km/s的兩團(tuán)場反位形，場反位形等離子體前進(jìn)的動能來源于等離子體環(huán)向電流和徑向磁場相互作用而產(chǎn)生的軸向的安培力，將場反位形加速至阿爾芬速度或超阿爾芬速度；場反位形沿著直流磁場線圈組產(chǎn)生的平直磁場傳輸?shù)街行娜紵皇遥S后兩團(tuán)場反位形在中心燃燒腔室對撞融合成新的，擁有更高溫度的場反位形；

(2)在對撞融合場反位形形成后，位于類錐形室附近的內(nèi)部快速反應(yīng)的磁場線圈將類錐形室區(qū)域內(nèi)原本平直的磁力線散開，以便等離子體團(tuán)的進(jìn)入，同時對稱分布的高速等離子體團(tuán)發(fā)生器陣列同時發(fā)射若干高動量密度即密度高于2e23m^-3，噴射速度高于50km/s的等離子體團(tuán)，這些等離子體團(tuán)沿著散開的磁力線前行，隨后在前行過程中逐漸融合成整體，形成用于壓縮的高速，即速度大于50km/s前行的高密度，即高于2e23m^-3等離子體推進(jìn)層；

(3)步驟(2)產(chǎn)生的等離子體推進(jìn)層作用在步驟(1)產(chǎn)生的對撞融合場反位形上，推動場反位形的軸向壓縮，同時靠近中心燃燒室邊緣的內(nèi)部快速反應(yīng)的磁場線圈啟動，改變中心燃燒腔室磁場，注入多余的磁通，增強(qiáng)源區(qū)磁場，防止場反位形被軸向壓縮后劇烈的徑向膨脹。