用于合并和压缩紧凑环的系统和方法技术方案

系统和方法利用连续的轴向对称加速和绝热压缩阶段来加热两个紧凑环和朝向彼此加速两个紧凑环并最后在中心腔室内碰撞并压缩紧凑环。可替代地，系统和方法利用连续的轴向非对称的加速和绝热压缩阶段来加热和加速第一紧凑环朝向并定位于中心腔室内并且加热和加速第二紧凑环朝向中心腔室，并最后在中心腔室内碰撞和合并第一和第二紧凑环并压缩紧凑合并环。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于合并和压缩紧凑环的系统和方法
本文所描述的实施例一般涉及脉冲等离子体系统，并且更具体而言，涉及以优异的稳定性、以及显著降低的损耗和增加的效率促进合并和压缩紧凑环的系统和方法。
技术介绍
场反转配置（FRC）属于称为紧凑环的磁性等离子体约束拓扑的类别。它主要表现为极向磁场，并且具有零或小的自生环场（参见M.Tuszewski，Nucl.Fusion28,2033（1988））。这种配置的吸引力在于：易于构造和维护的其简单几何形状、用于促进能量提取和灰分去除的天然无限制偏滤器、以及非常高的平均（或外部）β（β是FRC内的平均等离子体压力与平均磁场压力之比），即高功率密度。β度量也是非常好的磁效率测量。例如接近1的高平均β值代表了所布置的磁能的有效使用，并且从而对于最经济的操作而言必要的。高平均β也很大程度上使得能够使用诸如D-He3和p-B11之类的无中子核燃料。形成FRC的传统方法使用场反转θ夹点技术，产生热的高密度等离子体（参见A.L.Hoffman和J.T.Slough，Nucl.Fusion33,27（1993））。在这之上的变型是平移捕获方法，在其中，在θ夹点“源”中产生的等离子体或多或少立即从形成区域中喷出并进入约束腔室。然后在约束腔室的末端处的两个强反射镜之间捕获平移的等离子体团（例如参见H.Himura，S.Okada，S.Sugimoto和S.Goto，Phys.Plasmas2,191（1995））。一旦处于约束腔室中，就可以应用各种加热和电流驱动方法，比如光束注入（中性或中和的）、旋转磁场、RF或欧姆加热等。源和约束功能的这种分离对于潜在的未来聚变反应器提供了关键的工程优点。FRC已被证明是非常强健的，对于动态形成、平移和暴力捕获事件具有弹性。此外，它们显示出呈现优选的等离子体状态的趋势（例如参见H.Y.Guo，A.L.Hoffman，K.E.Miller，和L.C.Steinhauer，Phys.Rev.Lett.92,245001（2004））。在过去十年中，发展其他FRC形成方法已经取得了重大进展：将球形马克与反向螺旋合并（参见Y.Ono，M.Inomoto，Y.Ueda，T.Matsuyama和T.Okazaki，Nucl.Fusion39，2001（1999）），以及通过用旋转磁场（RMF）驱动电流（例如参见I.R.Jones，Phys.Plasmas6,1950（1999）），这也提供了额外的稳定性。FRC由分界线内的闭合场线的环和仅分界线外的开放场线上的环状边缘层组成。边缘层聚合成超过FRC长度的射流，提供自然偏滤器。FRC拓扑与场反转镜等离子体的拓扑一致。然而，显著的差异在于FRC等离子体可以具有约10的内部β。固有的低内部磁场提供某些本地动力学粒子群，即具有大拉莫尔半径的粒子——与FRC小半径相当。这些强动力学效应似乎至少部分地有助于过去和现在的FRC的总体稳定性，比如在最近的碰撞合并实验中所产生的那些。很久以前提出的碰撞合并技术（例如参见D.R.Wells，Phys.Fluids9，1010(1966)）已经显著地进一步发展：在约束腔室的相对端处的两个单独的θ夹点同时生成两个等离子体团（例如，两个紧凑环）并且以高速度将等离子体团朝向彼此加速；然后它们在约束腔室的中心处碰撞并合并以形成复合FRC。在迄今为止最大的FRC实验之一的构建和成功运行中，显示出常规的碰撞合并方法以产生稳定、长寿命、高通量、高温的FRC（例如参见M.Binderbauer，H.Y.Guo，M.Tuszewski等人，Phys.Rev.Lett.105，045003（2010），其通过引用并入本文）。在相关实验中，同一研究小组将碰撞合并技术与同时轴向加速和径向压缩相结合，以在中心压缩腔室中产生高密度瞬态等离子体（参见V.Bystritskii，M.Anderson，M.Binderbauer等人，PaperP1-1，IEEEPPPS2013，SanFrancisco，CA.（以下称为“Bystritskii”），其通过引用并入本文）。Bystritskii中报道的这后一个实验在最终碰撞合并之前利用了大量加速和压缩阶段，并且代表了服从此专利申请的系统的前体概念。与这里描述的实施例对照而言，Bystritskii中描述的前体系统特色在于通过使用有源快速磁线圈来在同一阶段内同时压缩和加速紧凑环。在磁压缩合并的紧凑环之前，将五个这样的阶段布置在中心压缩腔室的两侧上。虽然前体实验取得了可观的性能，但它展现出以下缺陷：（1）由于定时不匹配，同时压缩和加速导致为磁压缩所布置的驱动能量的低效使用；（2）由于等离子体在各部分之间进行过渡期间膨胀，所以温度和密度减小；（3）相邻部分之间的突变过渡导致由于冲击波的产生和等离子体壁接触而造成的巨大损耗。除了稳定性的基本挑战之外，中等密度状况中的脉冲聚变概念将必须解决足够的传输时间尺度、有效的驱动、重频能力和适当的最终目标条件。虽然前体系统已经在鼓励的目标条件下成功地实现了稳定的单次放电，但在形成和最终目标参数（目前约为能量、通量和粒子的90％）之间的集体损耗以及在驱动器和等离子体之间的耦合效率（目前约为10-15％）需要显著改善。鉴于前述情况，因此期望提供用于脉冲聚变概念的改良系统和方法，其促进显著降低平移和压缩损耗并且提高驱动器效率。
技术实现思路
本文提供的本实施例涉及以优异的稳定性以及显著降低的平移和压缩损耗、以及在驱动器和等离子体之间增加的耦合效率促进合并和压缩紧凑环的系统和方法。这种系统和方法为包括紧凑中子源（用于医学同位素生产、核废料修复、材料研究、中子射线照相和断层成像）、紧凑光子源（用于化学生产和加工）、质量分离和浓缩系统、和用于未来发电的聚变和用于聚变推进系统的反应器核的各种应用提供了通路。本文所描述的系统和方法基于连续的轴向对称的加速和绝热压缩阶段的应用，以朝向彼此加速和加热两个紧凑环并最终在中心压缩腔室内碰撞并快速磁压缩紧凑环。在某些实施例中，用于合并和压缩紧凑环的系统包括分阶段的对称序列：紧凑环形成，通过快速有源磁线圈的轴向加速，借助于锥形收缩通量保持器的无源绝热压缩，以及在中心压缩腔室中的紧凑环的最后合并和最终快速磁压缩。足够的轴向加速、随后绝热压缩的中间步骤可以重复多次以在合并和最终压缩之前达到足够的目标条件。以这种方式，可以通过向系统添加另外的部分来实现反应器。优选地，形成和加速阶段或部分以及中心压缩腔室优选地是圆柱形形状的，其中壁由诸如例如陶瓷的非导电或绝缘材料形成。压缩阶段或部分优选地是截头圆锥形形状的，其中壁由诸如例如金属的导电材料形成。除了由慢速线圈供应的磁偏置场（DC引导场）之外，形成部分、加速部分和压缩腔室包括驱动快速有源磁线圈的模块化脉冲功率系统。脉冲功率系统使得能够在形成部分内原位形成紧凑环，并将其加速并注入（=静态形成）到第一压缩部分中，在加速部分中对其加速并注入到下一个压缩部分中，以此类推，并且然后在压缩腔室内对其进行磁压缩。遍及系统的轴线并且沿着系统的轴线定位的慢速或DC磁线圈系统提供轴向磁引导场，以便当紧凑环朝向中心压缩腔室的中间平面平移通过该部分时适当地使紧凑环居中。可替代地，形成部分的模块化脉冲功率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于合并和压缩紧凑环等离子体的系统，包括：压缩腔室，第一和第二径向相对的紧凑环形成部分，所述第一和第二形成部分包括用于生成第一和第二等离子体紧凑环并且轴向加速所述紧凑环并将所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面平移的模块化形成和加速系统，第一和第二径向相对的压缩部分，所述第一和第二径向相对的压缩部分在第一端上耦合到所述第一和第二形成部分的出口端，所述第一和第二压缩部分被配置成当所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面穿越所述第一和第二压缩部分时对所述紧凑环进行绝热压缩，第一和第二径向相对的加速部分，所述第一和第二径向相对的加速部分在第一端上耦合到所述第一和第二压缩部分的第二端，所述第一和第二加速部分包括用于轴向加速所述紧凑环并将所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面平移的模块化加速系统；和第三和第四径向相对的压缩部分，所述第三和第四径向相对的压缩部分在第一端上耦合到所述第一和第二加速部分的第二端并且在第二端上耦合到所述压缩腔室的第一和第二径向相对的端，所述第三和第四压缩部分被配置成当所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面穿越所述第三和第四压缩部分时对所述紧凑环进行绝热压缩。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.13 US 62/063382;2014.10.15 US 62/0643461.一种用于合并和压缩紧凑环等离子体的系统，包括：压缩腔室，第一和第二径向相对的紧凑环形成部分，所述第一和第二形成部分包括用于生成第一和第二等离子体紧凑环并且轴向加速所述紧凑环并将所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面平移的模块化形成和加速系统，第一和第二径向相对的压缩部分，所述第一和第二径向相对的压缩部分在第一端上耦合到所述第一和第二形成部分的出口端，所述第一和第二压缩部分被配置成当所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面穿越所述第一和第二压缩部分时对所述紧凑环进行绝热压缩，第一和第二径向相对的加速部分，所述第一和第二径向相对的加速部分在第一端上耦合到所述第一和第二压缩部分的第二端，所述第一和第二加速部分包括用于轴向加速所述紧凑环并将所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面平移的模块化加速系统；和第三和第四径向相对的压缩部分，所述第三和第四径向相对的压缩部分在第一端上耦合到所述第一和第二加速部分的第二端并且在第二端上耦合到所述压缩腔室的第一和第二径向相对的端，所述第三和第四压缩部分被配置成当所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面穿越所述第三和第四压缩部分时对所述紧凑环进行绝热压缩。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压缩腔室被配置成在所述紧凑环的碰撞和合并时对所述紧凑环进行磁压缩。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压缩腔室包括用于在所述紧凑环的碰撞和合并时对所述紧凑环进行磁压缩的模块化加速系统。4.根据权利要求1至3所述的系统，其中，所述第一和第二形成部分、所述第一和第二加速部分以及所述压缩腔室是圆柱形形状的，所述第一和第二加速部分的直径小于所述第一和第二形成部分的直径，并且所述压缩腔室的直径与所述第一和第二加速部分的直径相比。5.根据权利要求1至4所述的系统，其中，所述第一、第二、第三和第四压缩部分是截头圆锥形形状的，其中所述第一、第二、第三和第四压缩部分的直径在第一端上比在第二端上更大。6.根据权利要求1至5所述的系统，其中，所述第一和第二形成部分、所述第一和第二压缩部分、所述第一和第二加速部分以及所述第三和第四压缩部分是轴向对称的。7.根据权利要求1至6所述的系统，其中，围绕并轴向地沿着所述第一和第二形成部分、所述第一和第二加速部分以及所述压缩腔室布置多个有源磁线圈。8.根据权利要求1至7所述的系统，还包括触发控制和开关系统，所述触发控制和开关系统被配置成实现分阶段的对称序列：在所述第一和第二形成部分中的紧凑环形成，以及通过所述第一和第二加速部分中的有源磁线圈的轴向加速。9.根据权利要求1至8所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统被配置成：同步所述第一和第二形成部分中的所述紧凑环形成和加速，以及同步所述第一和第二加速部分中的所述紧凑环加速。10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统还被配置成同步所述磁压缩与所述第一和第二形成部分中的所述紧凑环形成和加速以及所述第一和第二加速部分中的所述紧凑环加速。11.根据权利要求1至10所述的系统，还包括：多个DC磁线圈，所述多个DC磁线圈围绕并轴向地沿着所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分布置，以形成在所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分内的并且轴向地延伸通过所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分的偏置或DC引导场。12.根据权利要求1至11所述的系统，还包括定位在所述中心压缩腔室内的用于快速衬里压缩的圆柱形壳体或衬里。13.一种用于合并和压缩紧凑环等离子体的系统，包括：压缩腔室，紧凑环形成部分，所述形成部分包括用于生成紧凑环并轴向加速所述紧凑环并且将所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面平移的模块化形成和加速部分，第一压缩部分，所述第一压缩部分在第一端上耦合到所述形成部分的出口端，所述第一压缩部分被配置成当所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面穿越所述第一压缩部分时对所述紧凑环进行绝热压缩，加速部分，所述加速部分在第一端上耦合到所述第一压缩部分的第二端，所述加速部分包括用于轴向加速所述紧凑环并将所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面平移的模块化加速系统；第二压缩部分，所述第二压缩部分在第一端上耦合到所述加速部分的第二端并且在第二端上耦合到所述压缩腔室的第一端，所述第二压缩部分被配置成当所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面穿越所述第二压缩部分时对所述紧凑环进行绝热压缩。14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述压缩腔室被配置成对所述紧凑环进行磁压缩。15.根据权利要求13和14所述的系统，其中，所述形成部分、所述加速部分和所述压缩腔室是圆柱形形状的，所述加速部分的直径小于所述形成部分的直径，并且所述压缩腔室的直径小于所述加速部分的直径。16.根据权利要求13至15所述的系统，其中所述第一和第二压缩部分是截头圆锥形形状的，其中所述第一和第二压缩部分的直径在第一端上比在第二端上更大。17.根据权利要求13至16所述的系统，其中，所述形成部分、所述第一和第二压缩部分、所述加速部分和所述压缩腔室是轴向对准的。18.根据权利要求13至17所述的系统，其中，围绕并轴向地沿着所述形成部分、所述加速部分和所述压缩腔室布置多个有源磁线圈。19.根据权利要求13至18所述的系统，还包括触发控制和开关系统，所述触发控制和开关系统被配置成实现紧凑环形成和通过有源磁线圈的轴向加速的分阶段的对称序列。20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统还被配置成：在紧凑环形成和通过有源磁线圈的轴向加速的分阶段序列之后实现在分阶段的序列中通过有源磁线圈的所述紧凑环的磁压缩。21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统被配置成同步所述形成部分中的所述紧凑环形成和加速，以及同步所述加速部分中的所述紧凑环加速与第二紧凑环在所述压缩腔室的中间平面处的定位。22.根据权利要求20所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统还被配置成同步所述紧凑环和所述第二紧凑环的压缩与所述形成部分中的所述紧凑环形成和加速、所述加速部分中的所述紧凑环加速和所述第二紧凑环在所述压缩腔室的中间平面处的定位。23.根据权利要求13至22所述的系统，还包括多个DC磁线圈，所述多个DC磁线圈围绕并轴向地沿着所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分布置，以形成在所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分内的并且轴向地延伸通过所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分的偏置或DC引导场。24.根据权利要求13至23所述的系统，还包括定位在所述中心压缩腔室内的用于快速衬里压缩的圆柱形壳体或衬里。25.根据权利要求13至24所述的系统，还包括耦合到所述中心压缩腔室的第二端的反射镜和反弹锥体中的一个。26.一种用于合并和压缩紧凑环等离子体的系统，包括：中心腔室，一对径向相对的形成部分，一对或多对径向相对的加速部分，以及一对或多对径向相对的压缩部分，插入在所述形成部分和与所述形成部分相邻的所述加速部分之间，以及插入在所述中心腔室和与所述中心腔室相邻的所述加速部分之间，其中，所述系统被配置成实现分阶段的对称序列：围绕所述形成和加速部分的紧凑环...

【专利技术属性】
技术研发人员：M宾德鲍尔，V拜斯特里特斯基，T塔吉马，
申请(专利权)人：TRI阿尔法能源公司，
类型：发明
国别省市：美国,US