在磁尖端配置中约束高能量带电粒子的方法和装置制造方法及图纸

本公开涉及用于利用等离子体引发器、电子注入器和磁线圈尖端约束布置产生核聚变反应的装置和方法。等离子体引发器在反应室内产生高贝塔等离子体，用于在磁尖端布置中进行电子约束。电子注入器在反应室内产生等离子体势阱，以便在反应室内约束离子并将离子加速至聚变相关能量。

Method and apparatus for constraining high-energy charged particles in a magnetic tip configuration

The present invention relates to a device and method for using plasma initiator, electron injector and magnetic coil tip constraint layout nuclear fusion reaction. For the production of high beta plasma induced plasma in the reaction chamber for electron confinement in the magnetic tip arrangement. Electronic injector produced plasma potential well in the reaction chamber, so that in the reaction chamber and related constraints ion ion acceleration to fusion energy.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请数据本申请涉及于2014年3月11日提交的美国临时申请No.61/951,387和于2015年3月11日提交的美国非临时申请No.14/645,306，处于所有目的通过引用将这两个申请的内容结合于此，。本专利技术是依据由国防部授予的合同N68936-09-0125在美国政府支助下做出的。政府对本专利技术具有一定的权利。
本专利技术的实施例涉及产生和约束高能量等离子体的方法和装置。高能量等离子体可被用来产生核聚变反应。
技术介绍
利用磁场来约束高温等离子体自20世纪50年代以来就已经是在受控热核聚变研究中追求的主要途径之一。几种磁场配置，诸如磁箍缩(pinch)、托卡马克(tokamak)、仿星器(stellerator)和磁镜，都已被探索用于高温等离子体的约束，以便从聚变反应实现净发电。实质性的进展已在约束高温等离子体当中做出了，与23MW的输入功率相比，这导致在1997年欧洲联合环面托卡马克(Joint European Torus tokamak)的16MW的聚变发电。但是，与受磁约束的聚变设备相关的关键技术挑战之一是约束磁场内的等离子体不稳定性。例如，由等离子体电流或等离子体压力驱动的磁流体(MHD)不稳定性，诸如扭结和交换不稳定性，会通过撕裂磁场和驱逐等离子体而突然破毁等离子体约束。照此，等离子体不稳定性约束设备中的最大操作等离子体电流或压力并增加所需的反应器尺寸来实现净聚变功率。而且，需要大的工程安全余量来防止在主要破毁情况下的反应器失败，从而增加了工程的复杂性和反应器成本。磁尖端构造由于在中心朝向受约束等离子体系统的凸磁场曲率，磁尖端构造提供优异的等离子体稳定性，如图1A中所示[1]。在图1A和1B中，点画区指示等离子体室内等离子体的范围。在实验中，尖端场构造以可达β＝1的非常高的等离子体压力操作。等离子体贝塔，β，被定义为等离子体压力与约束磁场压力之比，β＝Pplasma/(B2/2μo)，其中Pplasma是等离子体压力，μo是磁导率，并且B是磁场强度。在本公开内容中，尖端系统的贝塔值是利用等离子体压力的值等于尖端内受约束等离子体体积中的平均等离子体压力和使用Bcusp的磁压值(Bcusp2/2μo)确定的，其中Bcusp是真空中处于尖端点的磁场强度。它进一步指出，等离子体压力由nκBT给出，其中n是等离子体密度，κB是玻尔兹曼常数，并且T是等离子体温度。在射束类型等离子体的情况下，平均射束能量将被用来确定等离子体压力，例如，射束等离子体压力＝nbeamxEbeam，其中nbeam是射束等离子体密度并且Ebeam是平均射束能量。这将类似于流体动力学中静态压力和动态压力之间的区别。相比较而言，对于国际热核聚变国际反应器(ITER)，为实现净聚变功率输出而提出的大规模托卡马克设备，的设计参数是由于聚变功率输出规模为β2，因此高贝塔操作对于紧凑尺寸的经济型聚变反应器是有利的。在20世纪50年代，在洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)和纽约大学(NYU)的研究小组已经调查了利用尖端磁场作为用于受控热核反应器的可能构造[1-3]。但是，与尖端构造的开放磁场结构相关的差等离子体约束带来了严峻的挑战。其结果是，除在NYU由Grad和其他人的理论工作之外，大多数旨在利用磁尖场构造的R&D努力都停止了。在NYU的Grad和其他人在理论上预言，如果磁场表现出分离一侧(例如，约束区域的中央部分)上的无场高贝塔等离子体与另一侧上具有磁场的真空区域的明显边界，则开放尖端场构造的等离子体约束特性可以被大大改善，如图1B中所示[2]，其中，再次，点画区表示等离子体室内的等离子体。在本公开内容中，高贝塔指示0.2或以上的β值。相比于其它磁约束设备，诸如托卡马克和磁镜，当中在0.03和0.06之间的相对低的贝塔值，贝塔的这个值是高的。在边界层内部，由于高贝塔等离子体的抗磁效应，磁场小得可以忽略。在边界层以外，由于开放场构造中的快速电荷粒子损失，等离子体压力实际上为零。由于大多数向外的带电粒子轨迹涉及镜面反射回内部区域，因此跨这个薄边界层的等离子体损失大大减小，如图1C中所示。仅其运动方向非常靠近尖端轴的粒子将离开内部区域并丢失，如图1D中所示，该图示出在六面体线圈尖端磁场中的各单个电子轨迹。为了计算等离子体损失率，损失被认为在尖端轴附近的“洞”发生并且推测“洞”的尺寸与带电粒子的回旋半径具有可比性。Grad和他的同事们在理论上假设这个“洞”将具有与电子回旋半径可比的尺寸，并且，如果可以在尖端构造中创建明显的磁场边界，则有可能构造净功率产生反应器[2]。等式1给出了具有高β等离子体状态的明显磁场边界的电子损失率，诸如图1B中所示。等式1：在高β等离子体状态期间，电子损失率如下给出，和对应于电子约束时间其中Ie是电子损失电流，e是电子电荷，ne是电子密度(假设等于离子密度)，υe是电子速度，regyro是在尖端点的电子回旋半径，me是电子质量，Bcusp是在尖端点的磁场强度，Ncusp是系统中尖端点的个数并且Rsystem是尖端约束系统半径。应当指出的是，本公开内容中的单位和公式遵循广泛使用的海军研究实验室等离子体公式集当中的惯例[4]。上面的等式适用于离子损失率，其中电子质量、密度和回旋半径用离子的对应参数代替。基于等式1中的电子损失率，Grad和他的同事指出，可能有可能利用磁尖端场构造建立净功率产生聚变反应器。例如，图2示出了基于6线圈磁尖端构造的具有等离子体尺寸(即，80cm半径的尖端约束系统半径(例如，尖端约束半径Rsystem))的小型紧凑聚变反应器。它具有14个尖端点或开口(Ncusp＝14)，如由图2中具有代表性的点C所示，并且在磁尖端点以5特斯拉的磁场操作。基于等式1，电子约束时间对于等离子体中50keV的电子是0.13秒。如果β＝1条件被用来表征受约束的等离子体，则对应的等离子体密度对于5特斯拉的场将是1.2x1015cm-3，从而导致1.6x1014s/cm3的nτe值。应当指出的是，根据众所周知的劳森标准，对于净功率产生D-T聚变反应器，所需的nτ值是1.5x1014s/cm3或更高。相比之下，基于托卡马克概念的核聚变反应器将需要更大的设备尺寸来满足劳森标准。Grad和他的同事进一步公开了使用电击管式等离子体注入器或时变磁场作为创建尖锐边界的手段。Marshall和Tuck在LANL公开并进行将利用磁加速的弧源将等离子体射流注入尖端场的初步实验工作[5，6]。此外，全世界的几个研究小组试图证明由Grad假定的改进的等离子体约束并且他们的努力在Spalding和Haines的综述文章中进行了总结[7，8]。但是，实验证明由Grad假定的改进的等离子体约束的努力还未成功。后来，Pechacek和其他人在NRL利用固体颗粒的激光烧蚀在二维纺锤尖端构造中产生高贝塔(即，贝塔＝1)等离子体[9]。其结果显示，尖端场的几何损失“洞”的尺寸是离子回旋半径而不是电子回旋半径的数量级。由于聚变反应所需的离子能量非常高，10keV-500keV的数量级，因此对应的几何损失洞尺寸对基于磁尖端构造的聚变反应器将是巨大的。与在相同的磁场用于50keV电子的0.01cm相比，回旋半径对于50ke本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生核聚变反应的装置，包括：反应室；线圈系统，具有在反应室内产生尖端磁场的线圈；等离子体引发器，用于在反应室内产生高贝塔等离子体；电子注入器；聚变燃料注入器，补充由核聚变反应消耗的离子；其中等离子体引发器在反应室内产生高贝塔等离子体，用于在反应室中进行电子约束；及其中电子注入器在反应室内产生等离子体势阱以在反应室内约束离子并将离子加速至聚变相关能量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.11 US 61/951,3871.一种产生核聚变反应的装置，包括：反应室；线圈系统，具有在反应室内产生尖端磁场的线圈；等离子体引发器，用于在反应室内产生高贝塔等离子体；电子注入器；聚变燃料注入器，补充由核聚变反应消耗的离子；其中等离子体引发器在反应室内产生高贝塔等离子体，用于在反应室中进行电子约束；及其中电子注入器在反应室内产生等离子体势阱以在反应室内约束离子并将离子加速至聚变相关能量。2.如权利要求1所述的装置，其中等离子体引发器以由等式2确定的电子约束时间的0.1倍和10倍之间的脉冲持续时间操作。3.如权利要求1所述的装置，其中等离子体引发器以小于等式2的电子约束时间的0.1倍的脉冲持续时间操作。4.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中在由线圈系统产生的尖端点处的最大磁场在0.5-20特斯拉的范围内。5.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中等离子体引发器以足够的能量操作以便在尖端内部产生具有0.1和10之间的等离子体β的高贝塔等离子体。6.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中等离子体引发器具有由等式3的能量的0.5-50倍给出的能量。7.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中等离子体引发器具有由等式3的能量的0.5-30、0.5-10、1-30、1-20、1-10、5-30、5-20和5-10倍给出的能量。8.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中等离子体引发器利用选自范围5-1000eV、10-500eV、10-100eV、20-250eV、50-300eV、50-500eV和100-1000eV之一的电子能量操作。9.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中电子注入器产生具有在10-1000keV、10-200keV、25-150keV、50-300keV、75-500keV和100-1000keV范围之一内的射束能量的电子束并且产生等离子体势阱。10.如前面任何一项权利要求所述的装置，其中等离子体引发器包括利用气体、液滴或固体材料中的至少一种用于等离子体产生的同轴等离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·帕克，N·A·克拉尔，P·E·西埃克，
申请(专利权)人：能源物质转换公司，
类型：发明
国别省市：美国;US