用于形成并维持高性能FRC的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了便于形成和维持新颖高性能场反向配置（FRC）的系统和方法。用于高性能FRC（HPF）的FTC系统包括由两个直径对置的反向场θ箍缩形成部段和超过这些形成部段的两个偏滤器包围的中央约束容器以控制中性粒子密度和杂质污染。一种磁系统包括沿着FRC系统部件在轴向定位的一系列准直流线圈，在约束腔室与相邻形成部段之间的准直流镜线圈以及在形成部段与偏滤器之间的镜插塞。形成部段包括模块式脉冲功率形成系统，其允许FRC在现场形成并且然后加速并喷射（=静态形成）或者同时形成并加速（=动态形成）。FRC系统还包括中性原子束喷射器、球团喷射器、吸杂系统、轴向等离子体枪和通量表面偏压电极。

【技术实现步骤摘要】
用于形成并维持高性能FRC的系统和方法本申请是申请号为201280055842.6、申请日为2012年11月14日、名称为“用于形成并维持高性能FRC的系统和方法”的专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求保护在2011年11月4日提交的美国临时申请No.61/559,154的权益，并且要求保护在2011年11月15日提交的美国临时申请No.61/559,721的权益，这些申请都以引用的方式并入到本文中。
本文所描述的实施例大体而言涉及磁等离子体约束系统，并且更特定而言涉及便于形成并维持具有优良的稳定性以及粒子、能量和通量约束的场反向配置的系统和方法。
技术介绍
场反向配置(FRC)属于被称作紧凑等离子体环/紧凑环形线圈（CT）的磁等离子体约束拓扑结构的类别。其表现出主导的极向磁场以及具有零或小自生等离子体环场（参看M.Tuszewski,Nucl.Fusion28,2033(1988)）。这种配置的吸引力在于其简单的几何形状，易于构造和维护，便于能量提取和除灰的自然不受限制的偏滤器和很高的β（β是平均等离子体压力与FRC内的平均磁场压力的比），即高功率密度。高β性质有利于经济操作和使用先进的无中子燃料诸如D-He3和p-B11。形成FRC的传统方法使用场反向θ-箍缩技术，产生热的高密度等离子体（参看A.L.Hoffman和J.T.Slough,Nucl.Fusion33,27(1993)）。其一种变型为平移-捕集方法，其中，在θ-箍缩“源”中形成的等离子体差不多立即从一端出射到约束腔室内。然后平移的等离子体粒团被捕集于在腔室端部处的两个强镜之间（参看，例如，H.Himura、S.Okada、S.Sugimoto和S.Goto,Phys.Plasmas2,191(1995)）。一旦处于约束腔室中，可以采用各种加热和电流驱动方法，诸如束喷射（中性或中和的）、旋转磁场、RF或欧姆加热等。这种源分离和约束功能对于可能的未来聚变反应堆提供关键的工程优点。FRC被证明极为稳健/强固，对于动态形成、平移和暴力捕获事件具有适应性。此外，它们表现出呈现优选等离子体状态的倾向性（参看例如H.Y.Guo、A.L.Hoffman、K.E.Miller和L.C.Steinhauer,Phys.Rev.Lett.92,245001(2004)）。在过去的数十年中发展其它FRC形成方法已取得了重大进展：合并具有相反方向螺旋性的球马克（参看，例如，Y.Ono、M.Inomoto、Y.Ueda、T.Matsuyama和T.Okazaki,Nucl.Fusion39,2001(1999)）和通过以旋转磁场（RMF）来驱动电流(参看，例如，I.R.Jones,Phys.Plasmas6,1950(1999)），其也提供额外稳定性。近来，已显著地更进一步发展了长久以前提出的碰撞-合并技术（参看，例如D.R.Wells,Phys.Fluids9,1010(1966)）：在约束腔室相反端处的两个单独θ箍缩同时生成两个等离子体粒团并且使等离子体粒团朝向彼此以高速加速；它们然后在约束腔室中心处碰撞并且合并以形成复合FRC。在目前为止的最大FRC实验之一的构造和成功操作中，示出了常规的碰撞-合并方法以产生稳定、长寿命、高通量、高温FRC（参看例如M.Binderbauer、H.Y.Guo、M.Tuszewski等人，Phys.Rev.Lett.105,045003(2010)）。FRC包括了在分界面内侧的闭场线的圆环面和在分界面外侧附近的开场线上的环形边缘层。边缘层联合/合并为超过FRC长度的射流，提供自然偏滤器。FRC拓扑结构与场反向镜等离子体的拓扑结构相符。但是，显著差别在于FRC等离子体具有约10的β。固有低内磁场提供某些本源运动粒子总体，即，与FRC小半径相比，具有大拉莫半径（larmorradii）的粒子。正是这些强动力学效应表现为至少部分地造成/有助于过去和当前FRC的总体稳定性，诸如在碰撞-合并实验中所产生的那些。典型的过去的FRC实验已受制于对流损失，其中能量约束很大程度上由粒子运输决定。粒子主要在径向从分界面体积扩散出来，并且然后在轴向丢失于边缘层中。因此，FRC约束取决于闭场线和开场线区域二者的特性。从分界面出来的粒子扩散时间定标为（a~rs/4，其中rs为中央分界面半径），并且为特征性FRC扩散率，诸如，其中ρie表示离子回转半径，以外部施加的磁场来评估。边缘层粒子约束时间是在过去的FRC实验中基本上轴向通过时间。在稳态，在径向粒子损失与轴向粒子损失之间的平衡得到分界面密度梯度长度。对于在分界面处具有显著密度的过去FRC而言，FRC粒子约束时间定标为（参看例如，M.TUSZEWSKI,“FieldReversedConfigurations,”Nucl.Fusion28,2033(1988)）。现有FRC系统设计的另一缺陷在于需要使用外部多极来控制旋转不稳定性，诸如快速增长n=2交换不稳定性。以此方式，典型外部施加四极场提供所需的磁恢复压力来阻尼/抑制这些不稳定模式的发展。虽然这种技术足以用于对热体等离子体（thermalbulkplasma）进行稳定性控制，对于更多动能FRC或先进的混合FRC，这带来了严重问题，其中，高动能大轨道粒子总体与通常的热等离子体组合。在这些系统中，由于这种多极场造成的轴对称磁场的畸变经由无碰撞随机扩散而导致显著的快速粒子损失，结果是失去了正则角动量守恒。因此用以提供稳定性控制而不促进任何粒子扩散的新颖解决方案重要的是利用这些之前从未探究过的先进的FRC构思的更高性能的潜力。鉴于前文描述，因此，希望改进FRC的约束和稳定性以便使用稳态FRC作为很多种应用的途径，从紧凑中子源（用于医用同位素生产和核废物整治）到大量分离和富集系统，和用于聚集轻核以用于未来生成能量的反应堆芯等。
技术实现思路
本文所提供的本专利技术的实施例针对于便于形成并维持新颖高性能场反向配置（FRC）的系统和方法。根据这种新颖高性能FRC范例，本专利技术的系统组合了大量新颖构思和手段来显著地改进FRC的粒子、能量和通量约束，以及提供稳定性控制而不会产生不良的副作用。本文提供的一种FRC系统包括中央约束容器，中央约束容器由两个直径对置的反向场-θ-箍缩形成部段和超过这两个形成部段的两个偏滤器腔室包围以控制中性粒子密度和杂质污染。磁系统包括：沿着FRC系统的部件位于轴向位置处的一系列准直流线圈；在约束腔室的任一端与相邻形成部段之间的准直流镜线圈；以及，镜插塞，其包括在形成部段中每一个与偏滤器之间的紧凑准直流镜线圈，紧凑准直流镜线圈产生额外引导场以使得磁通量表面朝向偏滤器聚焦。形成部段包括模块式脉冲功率形成系统，其使得FRC能在现场形成并且然后加速和喷射（=静态形成）或者同时形成和加速（=动态形成）。FRC系统包括中性原子束喷射器和球团（pellet）喷射器。也可以包括吸杂系统以及轴向等离子体枪。也提供偏压电极用于对开放通量表面进行电偏压。对于本领域技术人员而言，通过查阅下文的附图和详细描述，本专利技术的系统、方法、特点和优点将会变得显然。所有这样的额外方法、特点和优点意图包括在本描述中，在本专利技术的范围内，并且受到所附权利要求保护。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用场反向配置（FRC）来生成和维持磁场的方法，包括：使用联接到约束腔室的磁系统产生磁场，第一和第二直径对置的FRC形成部段联接到所述约束腔室，以及第一和第二偏滤器联接到所述第一形成部段和第二形成部段，所述磁系统包括第一和第二镜插塞以及联接到所述约束腔室的两个或更多个鞍形线圈，所述第一和第二镜插塞定位在所述第一和第二形成部段和所述第一和第二偏滤器之间，使用来自吸杂系统的吸杂材料层来对所述约束腔室和所述第一和第二偏滤器进行吸杂，所述吸杂系统联接到所述约束腔室和所述第一和第二偏滤器，在所述第一和第二形成部段的每个中产生FRC，并且将每个FRC平移向所述约束腔室的中平面，在该处所述FRCs合并成合并FRC，所述第一和第二形成部段包括模块式形成系统，从多个中性原子束喷射器喷射中性原子束进入所述合并FRC中，所述中性原子束喷射器联接到所述约束腔室并且定向成正交于所述约束腔室的轴线，从第一和第二轴向等离子体枪喷射等离子体进入所述合并FRC中，所述第一和第二轴向等离子体枪可操作地联接到所述第一和第二偏滤器、所述第一和第二形成部段以及所述约束腔室，通过一个或多个偏压电极电偏压所述合并FRC的开放通量表面，所述一个或多个偏压电极定位在所述约束腔室、所述第一和第二形成部段和所述第一和第二偏滤器的其中一个或多个中，以及从联接到所述约束腔室的离子球团喷射器将离子球团喷射进入所述合并FRC。...

【技术特征摘要】
2011.11.14 US 61/559154;2011.11.15 US 61/5597211.一种利用场反向配置（FRC）来生成和维持磁场的方法，包括：使用联接到约束腔室的磁系统产生磁场，第一和第二直径对置的FRC形成部段联接到所述约束腔室，以及第一和第二偏滤器联接到所述第一形成部段和第二形成部段，所述磁系统包括第一和第二镜插塞以及联接到所述约束腔室的两个或更多个鞍形线圈，所述第一和第二镜插塞定位在所述第一和第二形成部段和所述第一和第二偏滤器之间，使用来自吸杂系统的吸杂材料层来对所述约束腔室和所述第一和第二偏滤器进行吸杂，所述吸杂系统联接到所述约束腔室和所述第一和第二偏滤器，在所述第一和第二形成部段的每个中产生FRC，并且将每个FRC平移向所述约束腔室的中平面，在该处所述FRCs合并成合并FRC，所述第一和第二形成部段包括模块式形成系统，从多个中性原子束喷射器喷射中性原子束进入所述合并FRC中，所述中性原子束喷射器联接到所述约束腔室并且定向成正交于所述约束腔室的轴线，从第一和第二轴向等离子体枪喷射等离子体进入所述合并FRC中，所述第一和第二轴向等离子体枪可操作地联接到所述第一和第二偏滤器、所述第一和第二形成部段以及所述约束腔室，通过一个或多个偏压电极电偏压所述合并FRC的开放通量表面，所述一个或多个偏压电极定位在所述约束腔室、所述第一和第二形成部段和所述第一和第二偏滤器的其中一个或多个中，以及从联接到所述约束腔室的离子球团喷射器将离子球团喷射进入所述合并FRC。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合并FRC的粒子约束比具有基本上相同磁场半径（R）和基本上取决于R2/ρi的粒子约束定标的FRC的粒子约束大至少2的系数的偏差，其中ρi是在外部施加的场中评估的离子拉莫半径。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁系统包括沿着所述约束腔室、所述第一和第二形成部段以及所述第一和第二偏滤器在适当位置在轴向间隔开的多个准直流线圈。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述磁系统还包括定位于所述第一形成部段和第二形成部段与所述约束腔室的端部之间的第一镜线圈集合。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述镜插塞包括介于所述第一形成部段和第二形成部段与所述第一偏滤器和第二偏滤器中每一个之间的第二镜线圈集合。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述镜插塞还包括围绕着一种介于所述第一形成部段和第二形成部段与所述第一偏滤器和第二偏滤器中每一个之间的所述通路中的缩窄部而缠绕的镜插塞线圈集合。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述镜插塞线圈为紧凑的脉冲式镜线圈。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一形成部段和第二形成部段包括细长管。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成系统为脉冲功率形成系统。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，形成和平移所述FRCs的步骤包括：激励围绕所述第一形成部段和第二形成部段的所述细长管而缠绕的多个条带组件中的单独条带组件的线圈集合，其中所述形成系统包括联接到所述多个条带组件中的单独条带组件的多个功率和控制单元。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述多个功率和控制单元中的单独功率和控制单元包括触发和控制系统。12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述多个功率和控制单元中的所述单独功率和控制单元的所述触发和控制系统能够同步以允许静态FRC形成或动态FRC形成，在所述静态FRC形成中，形成所述FRC并且然后喷射，在所述动态FRC形成中，同时形成并且平移所述FRC。13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个中性原子束喷射器包括一个或多个RF等离子体源中性原子束喷射器和一个或多个弧源中性原子束喷射器。14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个中性原子束喷射器定向成喷射路径在所述FRC切向，目标捕集区在所述FRC的分界面内。15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述球团喷射器为联接到所述约束腔室的12管筒球团喷射器并且定向成导向离子球团到所述FRC内。16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸杂系统包括钛淀积系统和锂淀积系统中的一个或多个，所述钛淀积系统和锂淀积系统涂布所述约束腔室和所述第一偏滤器和第二偏滤器的朝向等离子体的表面。17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，偏压电极包括以下的一个或多个：一个或多个点电极，其定位在所述约束腔室内用以接触开场线；环形电极集合，其在所述约束腔室与所述第一形成部段和第二形成部段之间以方位角对称的方式向远边缘通量层充电；多个同心堆叠的电极，其定位于所述第一偏滤器和第二偏滤器中以向多个同心通量层充电；以及，等离子枪的阳极，其用来拦截开放通量。18.一种利用场反向配置（EFC）来生成和维持磁场的方法，包括：使用联接到约束腔室的磁系统产生磁场，第一和第二直径对置的FRC形成部段联接到所述约束腔室，以及第一和第二偏滤器联接到所述第一形成部段和第二形成部段，在所述第一和第二形成部段的每个中产生FRC，并且将每个FRC平移向所述约束腔室的中平面，在该处所述FRCs合并成合并FRC，从多个中性原子束喷射器喷射中性原子束进入所述合并FRC中，所述中性原子束喷射器联接到所述约束腔室并且定向成正交于所述约束腔室的轴线，以及从第一和第二轴向等离子体枪喷射等离子体进入所述合并FRC，所述第一和第二轴向等离子体枪可操作地联接到所述第一和第二偏滤器、所述第一和第二形成部段以及所述约束腔室。19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述合并FRC的粒子约束比具有基本上相同磁场半径（R）和基本上取决于R2/ρi的粒子约束定标的FRC的粒子约束大至少2的系数的偏差，其中ρi是在外部施加的场中评估的离子拉莫半径。20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述磁系统包括沿着所述约束腔室、所述第一形成部段和第二形成部段以及所述第一偏滤器和第二偏滤器在适当位置在轴向间隔开的多个准直流线圈。21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述磁系统还包括定位于所述第一形成部段和第二形成部段与所述约束腔室的端部之间的第一镜线圈集合。22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述镜插塞包括介于所述第一形成部段和第二形成部段与所述第一偏滤器和第二偏滤器中每一个之间的第二镜线圈集合。23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述镜插塞还包括围绕介于所述第一形成部段和第二形成部段与所述第一偏滤器和第二偏滤器中每一个之间的所述通路中的缩窄部而缠绕的镜插塞线圈集合。24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述镜插塞线圈为紧凑的脉冲式镜线圈。25.根据权利要求18所述的方法，其特征在于还包括：从第一和第二轴向等离子体枪喷射等离子体进入所述合并FRC中，所述第一和第二轴向等离子体枪可操作地联接到所述第一偏滤器和第二偏滤器、所述第一形成部段和第二形成部段和所述约束腔室。26.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：使用来自吸杂系统的吸杂材料层来对所述约束腔室和所述第一和第二偏滤器进行吸杂，所述吸杂系统联接到所述约束腔室和所述第一和第二偏滤器。27.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，其还包括：使用一个或多个偏压电极来电偏压所述合并FRC的开放通量表面，所述一个或多个偏压电极定位于所述约束腔室、所述第一形成部段和第二形成部段和所述第一偏滤器和第二偏滤器中的一个或多个内。28.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，其还包括两个或更多个线圈，其联接到所述约束腔室。29.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，其还包括：从联接到所述约束腔室的离子球团喷射器喷射离子球团到所述合并FRC中。30.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述形成部段包括模块化形成系统，其用于生成FRC并且使其朝向所述约束腔室的中平面平移。31.一种利用场反向配置（EFC）来生成和维持磁场的方法，包括：使用联接到约束腔室的磁系统产生磁场，第一和第二直径对置的FRC形成部段联接到所述约束腔室，以及第一和第二偏滤器联接到所述第一形成部段和第二形成部段，在所述第一和第二形成部段的每个中产生FRC，并且将每个FRC平移向所述约束腔室的中平面，在该处所述FRCs合并成合并FRC，从多个中性原子束喷射器喷射中性原子束进入所述合并FRC中，所述中性原子束喷射器联接到所述约束腔室并且定向成正交于所述约束腔室的轴线，以及通过一个或多个偏压电极电偏压所述合并FRC的开放通量表面，所述一个或多个偏压电极定位在所述约束腔室、所述第一和第二形成部段和所述第一和第二偏滤器的其中一个或多个中。32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述合并FRC的粒子约束比具有基本上相同磁场半径（R）和基本上取决于R2/ρi的粒子约束定标的FRC的粒子约束大至少2的系数的偏差，其中ρi是在外部施加的场中评估的离子拉莫半径。33.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，偏压电极包括以下的一个或多个：一个或多个点电极，其定位于所述约束腔室内以接触开场线；环形电极集合，其在所述约束腔室与所述第一形成部段和第二形成部段之间以方位角对称的方式向远边缘通量层充电；多个同心堆叠的电极，其定位于所述第一偏滤器和第二偏滤器中以向多个同心通量层充电；以及，等离子枪的阳极，其用来拦截开放通量。34.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述磁系统包括沿着所述约束腔室、所述第一形成部段和第二形成部段以及所述第一偏滤器和第二偏滤器在适当位置在轴向间隔开的多个准直流线圈。35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述磁系统还包括定位于所述第一形成部段和第二形成部段与所述约束腔室的端部之间的第一镜线圈集合。36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述磁系统还包括第一镜插塞和第二镜插塞，其中所述第一组镜插塞和第二组镜插塞包括介于所述第一形成部段和第二形成部段与所述第一偏滤器和第二偏滤器中每一个之间的第二镜线圈集合。37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，所述第一镜插塞和第二镜插塞还包括围绕介于所述第一形成部段和第二形成部段与所述第一偏滤器和第二偏滤器中每一个之间的所述通路中的缩窄部而缠绕的镜插塞线圈集合。38.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述镜插塞线圈为紧凑的脉冲式镜线圈。39.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，还包括激励围绕所述第一形成部段和第二形成部段的所述细长管而缠绕的所述条带组件中单独条带组件的线圈集合的步骤，其中形成系统的多个功率和控制单元联接到所述多个条带组件中的单独条带组件。40.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，所述多个功率和控制单元中的单独功率和控制单元包括触发和控制系统。41.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述多个功率和控制单元中的所述单独功率和控制单元的所述触发和控制系统能够同步以允许静态FRC形成或动态FRC形成，在所述静态FRC形成中，形成所述FRC并且然后喷射，在所述动态FRC形成中，同时形成并且平移所述FRC。42.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述多个中性原子束喷射器定向成喷射路径...

【专利技术属性】
技术研发人员：M图斯泽维斯基，M宾德鲍尔，D巴内斯，E加拉特，H郭，S普特温斯基，A斯米诺夫，
申请(专利权)人：加州大学评议会，
类型：发明
国别省市：美国,US