用于等离子体约束的系统和方法技术方案

公开了一种用于等离子体约束的装置（１２）和方法。通过改变该系统能量服从麦克斯韦尔方程、动量矩方程和状态绝热方程来确定等离子体（１００）的稳定平衡，而不需实行准中性条件。在一个实施例中，电子受到磁场力的约束，离子受到因两种流体的电荷分离产生的内部静电力约束。在一个实施例中，选择用于能量变分处理的输入参数，使之满足等离子体β参数条件，由此减少一个控制变量的数目。在一维平衡中的圆柱对称等离子体的径向尺度的长度用电子趋肤深度表征。能够将这种等离子体约束为一个具有紧凑尺寸的高比率圆环。该紧凑等离子体聚变设备的应用包括中子产生器、ｘ射线产生器和发电机。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般性地涉及等离子体约束(containment)的领域，更具体地，涉及一种用于在相对紧凑的约束腔内建立稳定的等离子体的系统和方法。
技术介绍
核聚变是当两个较小质量的原子核熔合产生一个较大质量的原子核和反应产物的时候出现的。因为能量的基本量(substantial amount)与反应产物有关，所以受控的核聚变研究随着作为重要目标之一的高效的能量产生而处于一个正在进行的过程中。为了产生聚变，两个原子核需要在克服相互排斥的库仑势垒之后在核的能级上互相作用。能够采用不同的方法来促进这种互相作用。一个广泛采用的促进聚变过程的方法是提供一块具有足够密度和温度的可熔离子的大量的等离子体。这种等离子体需要约束得足够长时间，以使聚变反应能够发生。优选这样的约束基本上将等离子体从周围环境中隔离，以减少热量损失。约束该可熔等离子体的一个方法是使用磁场将此等离子体“收缩”和限制在一定的体积。一个通常称为“托卡马克”的磁约束设计将此等离子体限制在一个环形(螺旋管)块内。因为许多常规的磁约束聚变设备与电源产品传动，因此约束体积被设计得较大。因而，这种大设备以及各种支撑元件对于普遍的应用中的操作来说可能是复杂的和/或昂贵的。
技术实现思路
前述与大的聚变设备相关的缺点能够通过一种允许形成小块的可熔等离子体的约束方法和装置和通过增强稳定性加以克服。这种等离子体能够通过在无需实行准中性(quasi-neutrality)条件下确定该系统的稳定能量态而设计。具有较小尺寸的约束的可熔等离子体包括一个对该等离子体的稳定性作用很大的基本感应静电场。基于这种约束的等离子体的紧凑设备能够用在不同的应用中，例如中子产生器、x射线产生器和发电机。本专利技术的一方面涉及一种两模式等离子体约束装置，其包括布置在具有约束尺寸的约束块内的等离子体。所述等离子体包括多个电子和多个离子，并且所述电子构成了在所述等离子体中建立的电流中的电荷载体。该装置还包括一个磁场，其对所述电子比对所述离子的影响基本上更多，使得所述电子作为约束的第一模式被约束在电子约束体积内，该电子约束体积小于所述约束块。这种约束使得所述电子的数量和所述离子的数量分布产生至少部分的分离。所述分离感应出静电场，该静电场促使所述离子约束在所述约束块内构成第二模式。本专利技术的另一方面涉及一种等离子体腔，其包括具有电子和离子的等离子体。该等离子体腔还包括一个磁场，其具有将所述电子基本上约束在一个受限块内的形状和尺寸，该受限块用块尺度长度表征。所述块尺度长度具有一个由位于所述受限块内的电子趋肤深度(skin depth)决定的尺寸。所述电子和所述离子在所述受限块内保持着重叠的空间分布。所述重叠空间分布在所述受限块内产生一个基本整体的静电场，该受限块稳定所述重叠空间分布并且将所述离子基本上约束在所述受限块内。本专利技术的又一方面涉及一种用于设计等离子体约束设备的方法。该方法包括产生具有电子分布和离子分布的等离子体系统的能量的特征。所述特征包括与整体静电场相关的能量项，该静电场是由于电子的所述分布与离子的所述分布的不同而在该等离子体内感应的。该方法还包括确定与该等离子体系统的该能量的所述特征相关的平衡态。该方法还包括确定与所述平衡态相关的一个或者多个等离子体参数。本专利技术的又一方面涉及一种等离子体聚变设备，其包括其中具有约束的等离子体的等离子体反应腔。该等离子体包括多个电子和多个离子。该等离子体聚变设备还包括约束场产生器，其将磁场提供给该反应腔，由此使得该等离子体的约束基本上在等离子体约束块内。该等离子体聚变设备还包括反应燃料供应源，其提供能够在等离子体条件下熔合以产生反应产物的一种或者多种离子核素(species)。所述电子作为建立于该等离子体中的电流的电荷载体，由此使得该磁场影响电子比离子要多。这种磁约束引起电子的数量和离子的数量的分布至少有部分的分离。所述分离感应出静电场，该静电场便于该等离子体反应腔内的离子的约束。该等离子体约束块用块尺度尺寸来表征。在一个实施例中，反应产物包括中子，使得该聚变设备用作中子产生器。在一个实施例中，该反应产物包括能量，使得该聚变设备用作发电机。本专利技术的又一方面涉及一种x射线产生器，其包括其中具有约束的等离子体的等离子体反应腔。该等离子体包括许多电子和许多离子。该x射线产生器还包括一个约束场产生器，它将磁场提供给该反应腔，由此使得该等离子体的约束基本上在等离子体约束块内。所述电子用作为该等离子体中的电流的电荷载体，由此使得该磁场对电子比对离子的影响要多。该磁约束引起电子的数量和离子的数量在分布上至少有部分的分离。所述分离感应出静电场，该静电场促使位于该等离子体反应腔内的离子的约束。该等离子体约束块用块尺度尺寸来表征。在一个实施例中，这种约束的等离子体在包括非熔合等离子体条件的条件下产生软x射线。本专利技术的又一方面涉及一种等离子体约束装置，其包括布置在具有约束尺寸的约束块内的等离子体。所述等离子体包括多个电子和多个离子，并且所述离子用作为在所述等离子体中所建立的电流的电荷载体。该装置还包括一个磁场，其对所述离子比对所述电子的影响基本上更多，以将所述离子磁约束在离子约束块内，该离子约束块小于所述约束块，使得所述数量的离子和所述数量的电子的分布产生至少部分的分离。所述分离感应出静电场，该静电场促使所述电子约束在所述约束块内。本专利技术的又一方面涉及约束等离子体的尺寸，该尺寸与电子约束块、块尺度长度、块尺度、离子约束块等等相关。在一个实施例中，该尺寸在大约1到大约1000的电子趋肤深度的范围内。在一个实施例中，该尺寸在大约1到大约100的电子趋肤深度的范围内。在一个实施例中，该尺寸在大约1到大约60的电子趋肤深度的范围内。在一个实施例中，该尺寸在大约1到大约40的电子趋肤深度的范围内。在一个实施例中，该尺寸在大约1到大约10的电子趋肤深度的范围内。在一个实施例中，该尺寸在大约1到大约2的电子趋肤深度的范围内。在一个实施例中，该尺寸为大约2个电子趋肤深度。本专利技术的又一方面涉及一种具有电子和离子的稳定等离子体，其中磁约束对一种核素的影响多于另一种核素。磁约束影响的量能够表征为位于该等离子体内的核素的整体运动或者流动。这种约束引起电子和离子分布至少部分的分离。这种分离感应静电场，该静电场便于受到磁场影响更小的那种核素的约束。在一个实施例中，电子提供几乎所有的整体运动。在一个实施例中，离子提供该整体运动中的几乎全部。在一个实施例中，电子和离子两者都提供整体运动。附图说明图1示出具有整体静电场的约束等离子体，该体静电场是由于电子和离子的空间分布之差而在等离子体内感应的；图2示出确定具有所述感应的E场的等离子体的稳定态平衡的过程；图3示出约束等离子体的一个实施例，其具有圆柱形对称，使得电子核离子密度取决于距离Z轴的半径距离r；图4A示出图3中的圆柱形对称等离子体的Z收缩约束；图4B示出图3中的圆柱形对称等离子体的θ收缩约束；图5示出可以怎样由圆柱结构来估计高比率的圆环约束；图6示出一个提供Z收缩的方位角磁场曲线的一个实施例；图7示出因磁场力形成的电子的稳定约束的一个实施例，该磁场力基本上抵消了由于E场和压力引起的力；图8示出因磁场力形成的离子的稳定约束的一个实施例，该磁场力基本上抵消了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两模式等离子体约束装置，包括：　　　　等离子体，其设置在具有约束尺寸的约束块内，所述等离子体包括多个电子和多个离子，并且其中所述电子用作在所述等离子体中建立的电流的电荷载体；以及　　　　磁场，其对所述电子比对所述离子的影响基本上更多，使得所述电子作为约束的第一模式被约束在电子约束块内，该电子约束块小于所述约束块，使得所述电子的数量和所述离子的数量的分布产生至少部分的分离，其中所述分离感应出静电场，该静电场促使所述离子约束在所述约束块内作为第二模式。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-3-21 60/456,8321.一种两模式等离子体约束装置，包括等离子体，其设置在具有约束尺寸的约束块内，所述等离子体包括多个电子和多个离子，并且其中所述电子用作在所述等离子体中建立的电流的电荷载体；以及磁场，其对所述电子比对所述离子的影响基本上更多，使得所述电子作为约束的第一模式被约束在电子约束块内，该电子约束块小于所述约束块，使得所述电子的数量和所述离子的数量的分布产生至少部分的分离，其中所述分离感应出静电场，该静电场促使所述离子约束在所述约束块内作为第二模式。2.如权利要求1的装置，其中该电子约束块具有的尺寸在大约1到大约1000电子趋肤深度的范围内。3.如权利要求1的装置，其中该电子约束块具有的尺寸在大约1到大约100电子趋肤深度的范围内。4.如权利要求1的装置，其中该电子约束块具有的尺寸在大约1到大约60电子趋肤深度的范围内。5.如权利要求1的装置，其中该电子约束块具有的尺寸在大约1到大约40电子趋肤深度的范围内。6.如权利要求1的装置，其中该电子约束块具有的尺寸在大约1到大约10电子趋肤深度的范围内。7.如权利要求1的装置，其中该电子约束块具有的尺寸在大约1到大约2电子趋肤深度的范围内。8.如权利要求1的装置，其中该电子约束块具有大约1.2电子趋肤深度的尺寸。9.如权利要求1的装置，其中该约束块大致为圆柱形。10.如权利要求1的装置，其中该约束块大致为圆环形。11.如权利要求1的装置，其中该电子是使用Z收缩约束由磁场约束的。12.如权利要求1的装置，其中该电子是使用θ收缩约束由磁场约束的。13.如权利要求1的装置，其中该电子是组合使用Z收缩约束和θ收缩约束由磁场约束的。14.如权利要求1的装置，其中该等离子体的操作参数遭受到在与该等离子体相关的β值方面的限制，其中该β值取决于包括该等离子体的平均数密度、温度和该磁场的强度的因素。15.如权利要求1的装置，其中该电子对于该电流的贡献比该离子对于该电流的贡献更多。16.如权利要求1的装置，其中该电子在该等离子体内的整体运动比该离子在该等离子体内的整体运动要多。17.如权利要求1的装置，其中该电子在该等离子体内的流动比该离子在该等离子体内的流动要多。18.一种等离子体腔，包括包含电子和离子的等离子体；和磁场，具有将所述电子基本上约束在一个受限块内的形状和尺寸，该受限块用块尺度长度表征，所述块尺度长度具有一个由位于所述受限块内的电子趋肤深度决定的尺寸，其中所述电子和所述离子在所述受限块内保持着重叠的空间分布，所述重叠空间分布在所述受限块内产生一个基本整体的静电场，该受限块稳定所述重叠空间分布并且将所述离子基本上约束在所述受限块内。19.如权利要求18的等离子体腔，其中所述块尺度长度在大约1到大约1000电子趋肤深度的范围内。20.如权利要求18的等离子体腔，其中所述块尺度长度在大约1到大约100电子趋肤深度的范围内。21.如权利要求18的等离子体腔，其中所述块尺度长度在大约1到大约60电子趋肤深度的范围内。22.如权利要求18的等离子体腔，其中所述块尺度长度在大约1到大约40电子趋肤深度的范围内。23.如权利要求18的等离子体腔，其中所述块尺度长度在大约1到大约10电子趋肤深度的范围内。24.如权利要求18的等离子体腔，其中所述块尺度长度在大约1到大约2电子趋肤深度的范围内。25.如权利要求18的等离子体腔，其中所述块尺度长度为大约1.2电子趋肤深度。26.如权利要求18的等离子体腔，其中所述受限块大致为圆柱形。27.如权利要求18的等离子体腔，其中所述受限块大致为圆环形。28.如权利要求18的等离子体腔，其中所述电子是使用Z收缩约束由所述磁场约束的。29.如权利要求18的等离子体腔，其中所述电子是使用θ收缩约束由所述磁场约束的。30.如权利要求18的等离子体腔，其中所述电子是组合使用Z收缩约束和θ收缩约束由磁场约束的。31.如权利要求18的等离子体腔，其中该等离子体的操作参数遭受到在与该等离子体相关的β值方面的限制，其中该β值取决于包括该等离子体的平均数密度、温度和该磁场的强度的一些因素。32.如权利要求18的等离子体腔，其中该等离子体是以一种允许该离子中至少一部分进行聚变反应的方式被封闭的。33.如权利要求32的等离子体腔，其中该聚变反应产生中子。34.如权利要求32的等离子体腔，其中该聚变反应产生电能。35.如权利要求18的等离子体腔，其中该等离子体是以一种允许产生软x射线的方式被封闭的。36.如权利要求18的等离子体腔，其中该电子对该等离子体中电流的贡献比该离子对于该电流的贡献要多。37.如权利要求18的等离子体腔，其中该电子在该等离子体内的整体运动比该离子在该等离子体内的整体运动要多。38.如权利要求18的等离子体腔，其中该电子在该等离子体内的流动比该离子在该等离子体内的流动要多。39.一种用于设计等离子体约束设备的方法，包括产生等离子体系统的能量的特征，该等离子体系统包括电子分布和离子分布，其中所述特征包括与整体静电场相关的能量项，该静电场是由于电子的所述分布与离子的所述分布的不同而在该等离子体内感应的；确定与该等离子体系统的该能量的所述特征相关的平衡态；以及确定与所述平衡态相关的一个或者多个等离子体参数。40.如权利要求39的方法，其中所述一个或者多个等离子体参数包括电子数密度和块尺度长度。41.一种等离子体聚变设备，包括具有在其中约束的等离子体的等离子体反应腔，其中该等离子体包括多个电子和多个离子；约束场产生器，其提供磁场到反应腔，由此使得该等离子体的约束基本上在等离子体约束块内；以及反应燃料供应源，其提供能够在等离子体条件下熔合以产生反应产物的离子的一种或者多种核素，其中电子用作为建立于该等离子体中的电流的电荷载体，由此使得该磁场影响电子比离子要多，从而使得磁约束引起电子的数量和离子的数量的分布至少有部分的分离，其中所述分离感应出静电场，该静电场促使位于该等离子体反应腔内的离子的约束，并且其中该等离子体约束块用块尺度尺寸来表征。42.如权利要求41的等离子体聚变设备，其中该块尺度尺寸在大约1到...

【专利技术属性】
技术研发人员：W法瑞尔爱德华斯，艾瑞克赫尔德，
申请(专利权)人：犹他州立大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]