使用射频和中性束功率的高能量等离子体发生器制造技术

一种用于产生高能量等离子体的设备，该设备采用注入到磁性包含的镜像等离子体中的低能量中性束来产生通过协调的射频场将能量提升至聚变水平的等离子体离子。升至聚变水平的等离子体离子。升至聚变水平的等离子体离子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用射频和中性束功率的高能量等离子体发生器
[0001]关于联邦资助的研究或开发的声明
[0002]本专利技术是在美国能源部授予的DE
‑
SC0002322的政府支持下完成的。政府对本专利技术有一定的权利。
[0003]相关申请的交叉引用
[0004]本申请要求于2020年4月3日提交的美国专利申请16/839,780的权益，该美国专利申请在此通过参引并入。

技术介绍

[0005]本专利技术涉及用于产生可以促进核聚变的高能量等离子体的设备，并且特别地涉及使用磁镜约束和中性束注入以及具有附加的射频功率注入的系统。
[0006]通过磁镜约束系统，高温等离子体可以被约束为远离物理容器并且避免损坏容器和可能的等离子体淬火。这种约束系统可以提供在磁通量线会聚处的两个端部之间延伸的轴向磁场。在该轴向磁场内移动的等离子体离子以局部回旋频率沿着通量线进行螺旋运动，并且被作用在螺旋离子上的磁力的轴向分量“反射”。通过通量线会聚和伴随磁场强度增加引起的这种反射磁力是在远离会聚的方向上。此外，反射力与垂直于磁场的粒子动能分量成比例。类似的反射力作用在等离子体电子上。
[0007]通过产生具有足够高的能量和密度的等离子体，可以在磁镜约束系统中促进核聚变。达到这种高能量/密度状态的一种方法是将电中性粒子(中性束)穿过磁包容场注入到等离子体中，在该等离子体中，中性束的中性粒子被电离，即分裂成等离子体离子和等离子体电子。中性束具有高于聚变所需能量的初始能量，使得即使在引入到等离子体中后等离子体离子的能量具有预期的碰撞损耗，所得到的等离子体离子也能保持适合聚变的能量。等离子体密度和能量由通过中性束注入的快离子的损耗率确定，该损耗率随着束能量的增加而降低；因此高能量离子比低能量离子更好约束。
[0008]从能量的角度来看，在磁镜约束系统中，以足以保持高聚变输出的能量产生足够的高能量粒子通量是困难且昂贵的。目前，这种方法对净聚变能的产生似乎并不适用。

技术实现思路

[0009]本专利技术还将中性束注入注入到磁镜约束中，但与先前的方法不同的是采用具有远小于直接产生显著聚变所需能量的低能量中性束。相反，在中性束被电离后，这些中性束来源的快离子的能量在磁包容容积内通过使用射频电场而被提升。通过控制中性束的注入角度和能量，克服了将射频能量优先传递至快中性束离子而不是热离子的困难，使得磁包容场中的快离子存在定义明确的“转折点”。在转折点处将射频波调谐至回旋频率的倍数(即谐波)，优先将这些中性束注入离子激发至对热离子仅有小的预期波阻尼效应的聚变水平。
[0010]然后，具体地，在一个实施方式中，本专利技术提供了一种用于在磁镜包容场中产生高能量离子体的设备，磁镜包容场提供在保持等离子体的包容容积的相反的第一端部和第二端部处会聚的轴向延伸的磁通量线。中性束发生器将粒子的中性束以相对于磁场的预定倾
角和能量范围引导至包容容积中，使得粒子在包容容积内以相同的倾角离解成等离子体离子并且具有定义明确的转折点。在转折点处，快离子具有纯粹的垂直能量。然后，可以使用射频发生器来产生将束来源的离子加速至足够用于等离子体离子聚变的能量的电场。
[0011]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是提供一种用于在将等离子体离子注入到包容场中之后提升等离子体离子的能量、从而大大提高中性束的效率的系统。
[0012]电场的频率可以在功能上取决于磁镜包容场中的中性束的等离子体离子在转折点处的回旋频率。
[0013]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是优先在具有匹配回旋频率的等离子体离子中沉积能量。
[0014]在一个实施方式中，电场的频率可以是转折点处的回旋频率的谐波，电场的频率大于回旋频率。
[0015]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是利用在较高回旋谐波处发生的射频电能向共振快离子的优先转移。
[0016]中性束的能量被设定为使得超过50％的中性束粒子被转化为等离子体离子。
[0017]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是允许使用较低能量的中性束，其适用于较高的粒子通量并且因此能够获得高的等离子体密度。
[0018]中性束可以具有小于50,000电子伏特的能量。
[0019]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是允许在中性束发生器的设计中为高通量率而不是高能量设定折衷，由此提高离子燃料供给率。
[0020]射频发生器可以将来自中性束中的等离子体离子的能量提升超过2倍。
[0021]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是在注入后提供等离子体离子的显著的能量提升。
[0022]射频发生器可以包括天线，该天线定位成接近等离子体离子的反射极限并且产生垂直于磁镜包容场的轴线的旋转电矢量。
[0023]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是优化用于等离子体离子的能量沉积的天线。
[0024]中性束的角度可以相对于轴线在15
°
与80
°
之间。
[0025]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是在中性束的能量与使中性束与热离子隔离的转折点之间提供良好的折衷。
[0026]该设备还包括处理容积，该处理容积至少部分地包围包容容积以接纳通过该包容容积的高能量中子，并且该处理容积包含用于嬗变成不同元素的元素。
[0027]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是提供一种用于用中子处理材料例如以制造放射性药物或使废核燃料再生的系统。
[0028]中性束可以选自包括氘和氚的组，并且在一些实施方式中，系统可以仅针对中性束和包容容积中的气体使用氘。
[0029]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是提供一种下述系统：该系统可以与众所周知的中性束材料一起工作，并且在一些情况下可以避免使用氚而是使用氘。
[0030]在一个实施方式中，可以采用本专利技术以制造具有反应容积的聚变设备，该反应容积将可聚变材料保持在第一轴向延伸磁包容场内。在该实施方式中，第一等离子体插塞和
第二等离子体插塞可以沿着轴线位于反应容积的两侧，每个等离子体插塞是用于产生如上所述的高能量等离子体的设备，其中，从第一等离子体插塞和第二等离子体插塞逸出的等离子体离子在反应容积中产生聚变反应。
[0031]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是为用于提供嬗变或发电的聚变设备提供改进设计。
[0032]这些特定的目的和优点可以仅适用于落入权利要求的一些实施方式，并且因此不限定本专利技术的范围。
附图说明
[0033]图1是本专利技术的第一实施方式的立体剖视图，该第一实施方式提供了磁镜包容场、用于将束引导至包容容积中的中性束发生器以及产生作用在来自中性束发生器的等离子体离子上的电场的射频发生器；
[0034]图2是图1的包容容积的通量线的侧向正视图，该侧向正视图与这些通量线的端部视图对准，这两个视图都示出了不同能量的等离子体离子的轨迹以及回旋频率、停留时间和电场强度与轴向距离的函数关系图；以及
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于产生高能量等离子体的设备，包括：磁镜包容场，所述磁镜包容场提供在保持等离子体的包容容积的相反的第一端部和第二端部处会聚的轴向延伸的磁通量线；中性束发生器，所述中性束发生器将粒子的中性束以预定的倾角和能量引导至所述包容容积中，使得所述粒子在所述包容容积内离解成等离子体离子；以及射频发生器，所述射频发生器产生将所述等离子体离子加速至足够用于所述等离子体离子聚变的能量的电场。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电场的频率在功能上取决于所述磁镜包容场中的所述中性束的所述等离子体离子在转折点处的回旋频率。3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述频率是所述回旋频率的谐波，所述频率大于所述回旋频率。4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述中性束的能量被设定成使得超过50％的所述中性束粒子转化为等离子体离子。5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述中性束具有小于50,000电子伏特的能量。6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述射频发生器将来自所述中性束的所述等离子体离子的能量提升超过2倍。7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述射频发生器包括天线，所述天线定位成接近所述等离子体离子的反射极限并且产生垂直于所述磁镜包容场的轴线的旋转电矢量。8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述倾角相对所述轴线在30
°
与60
°
之间。9.根据权利要求1所述的设备，还包括处理容积，所述处理容积至少部分地包围所述包容容积以接纳通过所述包容容积的高能量中子，并且所述处理容积包含用于嬗变成不同元素的元素。10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述用于嬗变的元素是选自包括前体
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Mo、

【专利技术属性】
技术研发人员：卡里，
申请(专利权)人：威斯康星校友研究基金会，
类型：发明
国别省市：