用于生成等离子体和维持等离子体磁场的系统和方法技术方案

一种用于生成磁化等离子体并维持等离子体磁场的系统，包括：等离子体生成器，用于生成磁化等离子体；和通量保器，所生成的磁化等离子体注射到其中并约束在其中。中心导体包括上中心导体和下中心导体，它们电连接而形成单个集成导体。上中心导体和外电极形成环形等离子体传播通道。下中心导体延伸到等离子体生成器之外并进入通量保器，使得内电极的一端电连接到通量保器壁。功率系统将形成电流脉冲和维持电流脉冲提供到中心导体以形成磁化等离子体，将这种等离子体注射到通量保器中，并维持等离子体磁场。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生成等离子体和维持等离子体磁场的系统和方法
本公开内容整体上涉及用于生成磁化等离子体的系统和方法，特别是涉及一种具有中心导体的等离子体生成系统，用于等离子体形成和等离子体磁场的维持。
技术介绍
除非本文中另行指出，否则本节中所述材料并非对于本申请中权利要求的现有技术，也不会由于包含此节而被认为是现有技术。等离子体是一种物质状态，类似于气体，其中，至少部分粒子被离子化。具有强磁场足以影响带电粒子运动的等离子体称为磁化等离子体。如果磁场线被构造为以闭合轨道自身环回(可能长度无限)，则等离子体内的磁场可限制等离子体粒子更长时段。磁化等离子体中的大部分磁场通过在等离子体自身中和/或在包含等离子体的室的壁中流动的电流形成。存在各种方法和系统生成高能量等离子体。通常，等离子体可通过将气体经由一个或多个阀引入等离子体生成器中至一对电极之间而生成。高电压脉冲在电极之间放电以离子化气体和形成等离子体。为了发生气体击穿，需要注射足够气体以填充电极之间的间隙。击穿过程涉及自由电子加速、与中性原子撞击、和触发雪崩电离过程。为了在电极之间生成高电压脉冲，需要放电电路采用快速开关或多开关系统将高能量电流脉冲从电容器组(高电压脉冲功率源)快速传输到电极。图1显示出用于生成磁化等离子体和维持等离子体磁场的现有技术系统。该系统包括等离子体生成器12和通量保持室14(有时也被称为通量保器)。生成器12被构造以生成磁化等离子体并可具有中心形成电极11和外电极13，外电极13共轴于且围绕形成电极11，从而在它们之间形成环形等离子体传播通道。一系列磁线圈15可用于在等离子体传播通道中形成初始(填充)磁场。气态等离子体燃料通过多个阀16被注射到传播通道中。通过功率源17将形成电流脉冲提供到形成电极11，使得任一极性的电流可流过被注射到传播通道中处于形成电极11与外电极13之间的气态等离子体燃料，以离子化气态等离子体燃料和形成等离子体。这种电流可形成等离子体环向磁场，其可使等离子体朝向通量保器14运动。随着等离子体向前运动，其与填充磁场相互作用，使得当前行等离子体挣脱时，磁场卷绕等离子体而形成磁化等离子体环面(torus)。该系统进一步包括：细长中心轴线轴18，其延伸到生成器12之外进入通量保器14中并通过间隙19电隔离于形成电极11。沿中心轴线轴18和通量保器14的壁驱动额外电流脉冲，以在等离子体生成器12和通量保器14中提供环向磁场以维持等离子体磁场。通量保器14中生成的环向磁场可扩散到等离子体中以维持等离子体磁场，因而改善等离子体局限且增加等离子体寿命。如图1中所示，轴18通过间隙19电隔离于形成电极11，使得功率源可将形成脉冲提供到形成电极11和将维持脉冲提供到中心轴18。在一些实施方案中，隔离体可设置在形成电极11与中心轴18之间，替代间隙19，从而使中心轴18电隔离于形成电极11。使形成电极11与中心轴18隔离(无论其为间隙19或为任何其他类型的电隔离结构)，由于电流越过间隙19或者在隔离体的表面上，因而可能使杂质喷射到等离子体中和/或损害(熔化)电极/轴。
技术实现思路
在一个方面，提供一种系统，用于生成磁化等离子体并维持等离子体磁场。该系统包括：等离子体生成器，用于生成磁化等离子体。其包括外电极和上中心导体，上中心导体共轴地位于外电极内且与外电极分开以形成具有出口的环形等离子体传播通道。燃料注射器将等离子体燃料注射到环形等离子体传播通道的上游端中。一个或多个线圈被构造为：在环形等离子体传播通道中生成填充(stuffing)磁场并为磁化等离子体提供极向(poloidal)场。通量保器(fluxconserver)与等离子体生成器流体连通。通量保器具有外壁和下中心导体，下中心导体共轴地位于外壁内且与外壁分开以限定清空的内腔，内腔具有入口与环形等离子体传播通道的出口流体连通，等离子体生成器中生成的磁化等离子体通过入口注射到内腔中。下中心导体的一端电联接到上中心导体的一端，下中心导体的另一端电联接到通量保器的外壁。功率供应源电联接到上、下中心导体，使电流沿上、下中心导体和通量保器外壁流动。功率供应源包括：形成(formation)功率电路，其被构造以生成形成功率脉冲而足以在等离子体生成器中从等离子体燃料生成磁化等离子体和将磁化等离子体注射到通量保器中；和维持功率电路，其被构造以生成沿上、下中心导体和通量保器的外壁的维持电流脉冲而足以在等离子体发生器和通量保器中生成环向(toroidal)磁场。在一个方面，维持功率电路进一步包括：缓冲电感器，其使维持功率电路至少部分地电隔离于形成功率电路。该系统进一步包括：控制器，其被编程而触发维持功率电路先于形成功率电路以在等离子体生成器和通量保器中形成预先存在的环向场。在一个方面，提供至少一个触发电极。至少一个触发电极被电联接到形成功率电路，使得形成功率电路能够操作将击穿电流脉冲提供到触发电极，足以击穿等离子体燃料以形成磁化等离子体。形成功率电路包括：主形成功率电路，其电联接到上中心导体且能够操作以提供形成电流脉冲；和预形成功率电路，其电联接到触发电极且能够操作以提供击穿电流脉冲。在另一方面，等离子体燃料是预离子化气体，其注射到环形等离子体传播通道的上游端中。除了上述各方面和实施例，进一步的方案和实施例通过参照附图而且学习以下详细描述而将变得显见。附图说明在附图中，附图标记可重复使用以指示被标记元件的对应关系。提供附图例示本文中所述的示例性实施例，并非意在限制本公开内容的范围。图中元件的尺寸和相对位置不必按比例绘制。例如，各种元件的形状和角度并未按比例绘制，其中一些元件特意放大和定位以改善图的易读性。图1是用于生成等离子体和维持等离子体磁场的已知(现有技术)系统的示意性截面图。图2是根据本专利技术的用于生成等离子体和维持等离子体磁场的系统的一个示例的示意性截面图。图2A是用于生成等离子体和维持等离子体磁场的系统的另一示例的示意性截面图，显示出通量保器中形成的液体衬里。图3是功率供应器的布局的示例，显示出形成功率供应器和维持功率供应器。图4是通过形成和维持功率电路生成的电流脉冲(以安培(A)为单位)随时间(以秒(s)为单位)的示例的图示。图5是用于生成等离子体和维持等离子体磁场的系统的另一示例的局部截面图，其中显示出触发电极。图6是用于将中性气体部分离子化和将这种预离子化气体注射到等离子体生成器中的预离子化器的示意性截面图。图7是用于生成等离子体和维持等离子体磁场的系统的控制方法的流程图，其中显示出由控制器执行的各步骤。具体实施方式本专利技术的各实施例公开一种系统和方法，其用于从等离子体燃料生成磁化等离子体(例如等离子体环)和维持等离子体磁场，其中使用单个中心导体，而非现有技术系统10的通过绝缘间隙19分开的形成电极11和中心轴18。当电流提供到中心导体时，由于中心导体并未电隔离于系统通量保器，因而系统表现如同电感器，电流沿中心导体、通量保器的壁、和系统外电极流动。为了确保生成磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生成磁化等离子体并且维持所述磁化等离子体的磁场的系统，所述系统包括：/n等离子体生成器，用于生成所述磁化等离子体并包括外电极和上中心导体，所述上中心导体共轴地位于所述外电极内且与所述外电极分开以形成具有出口的环形等离子体传播通道；/n燃料注射器，用于将等离子体燃料注射到所述环形等离子体传播通道的上游端中；/n一个或多个线圈，其能够操作以在所述环形等离子体传播通道中生成填充磁场并为所述磁化等离子体提供极向场；/n通量保器，其具有外壁和下中心导体，所述下中心导体共轴地位于所述外壁内且与所述外壁分开以限定清空内腔，所述内腔具有与所述环形等离子体传播通道的所述出口流体连通的入口，所述磁化等离子体通过所述入口注射到所述内腔中，其中所述下中心导体的一端电联接到所述上中心导体的一端且所述下中心导体的另一端电联接到所述通量保器的所述外壁；和/n功率供应源，其电联接到所述上中心导体和所述下中心导体，使电流沿所述上中心导体和所述下中心导体和所述通量保器的所述外壁流动，所述功率供应源包括：形成功率电路，其被配置以生成形成功率脉冲而足以在所述等离子体生成器中从所述等离子体燃料生成所述磁化等离子体并且将所述磁化等离子体注射到所述通量保器中；和维持功率电路，其被配置以生成沿所述上中心导体和所述下中心导体和所述通量保器的所述外壁的维持电流脉冲而足以在所述等离子体发生器和所述通量保器中生成环向磁场。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生成磁化等离子体并且维持所述磁化等离子体的磁场的系统，所述系统包括：
等离子体生成器，用于生成所述磁化等离子体并包括外电极和上中心导体，所述上中心导体共轴地位于所述外电极内且与所述外电极分开以形成具有出口的环形等离子体传播通道；
燃料注射器，用于将等离子体燃料注射到所述环形等离子体传播通道的上游端中；
一个或多个线圈，其能够操作以在所述环形等离子体传播通道中生成填充磁场并为所述磁化等离子体提供极向场；
通量保器，其具有外壁和下中心导体，所述下中心导体共轴地位于所述外壁内且与所述外壁分开以限定清空内腔，所述内腔具有与所述环形等离子体传播通道的所述出口流体连通的入口，所述磁化等离子体通过所述入口注射到所述内腔中，其中所述下中心导体的一端电联接到所述上中心导体的一端且所述下中心导体的另一端电联接到所述通量保器的所述外壁；和
功率供应源，其电联接到所述上中心导体和所述下中心导体，使电流沿所述上中心导体和所述下中心导体和所述通量保器的所述外壁流动，所述功率供应源包括：形成功率电路，其被配置以生成形成功率脉冲而足以在所述等离子体生成器中从所述等离子体燃料生成所述磁化等离子体并且将所述磁化等离子体注射到所述通量保器中；和维持功率电路，其被配置以生成沿所述上中心导体和所述下中心导体和所述通量保器的所述外壁的维持电流脉冲而足以在所述等离子体发生器和所述通量保器中生成环向磁场。


2.根据权利要求1所述的系统，其中所述维持功率电路进一步包括缓冲电感器，其使所述维持功率电路至少部分地电隔离于所述形成功率电路；并且所述系统进一步包括控制器和存储器，所述控制器具有处理单元与所述形成功率电路和维持功率电路通讯，所述存储器上编码有程序代码，当执行所述程序代码时，所述处理单元触发所述维持功率电路先于所述形成功率电路，以在所述等离子体生成器和所述通量保器中形成预先存在的环向场。


3.根据权利要求1所述的系统，其中所述等离子体燃料是中性气体，并且所述形成功率电路包括至少一个快速高电压开关，其能够操作以将电压施加于所述上中心导体与所述外电极之间，所述电压的值和速率足以击穿所述中性气体以在电流沿所述通量保器环回之前形成所述磁化等离子体。

【专利技术属性】
技术研发人员：米歇尔·乔治斯·拉伯格，凯丽·伯纳德·艾普，布雷克·肯顿·拉布莱，梅瑞特·维恩·雷诺兹，亚历山大·道格拉斯·莫斯曼，斯蒂芬·詹姆斯·霍华德，
申请(专利权)人：通用融合公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA