CN103269555B - 用具零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用具零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的系统及方法，该系统包括：等离子体枪，内部充有中性气体，用以产生及发射等离子体束；高压脉冲电源，用以向所述等离子体枪供电；全等离子体通道，与所述等离子体枪的出口相对，用以运输从所述等离子体枪中发射出的等离子体束，并将所述等离子体束注入磁阱线圈；磁阱线圈，与所述全等离子体通道的出口相对设置，用以产生环形磁场位形。其中，所述环形磁场位形的四周环形区域为障壁磁场，中心区域则为具有零磁场区的弱磁场区。所述全等离子体通道中还设有溜槽线圈，所述溜槽线圈产生的磁场方向与障壁磁场的方向相反，从而使得等离子体可轻易进入弱磁场区，然后被稳定约束在弱磁场区域。

Description

用具零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的系统和方法

技术领域

本发明涉及等离子体物理领域，特别涉及一种用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的系统和方法。

背景技术

等离子体物理是研究等离子体的形成、性质及运动规律的学科。它的应用前景之一是在受控热核聚变方面，即通过利用具有特殊结构的磁场对高温等离子体进行约束，从而实现持续的核聚变反应。

在磁约束聚变的设想中，用于约束高温等离子体的磁场位形是关键因素之一。迄今为止，国际聚变界已提出多种磁约束方法，它们的磁场位形按磁力线的形状分为开端的磁镜场和闭合的环形位形磁场两类。目前广泛采用的高温核聚变等离子体准稳态磁约束的方法是环形系统托卡马克和仿星器，并且在托卡马克实验研究上取得的实质性进展证明了受控热核聚变反应堆的可行性。

β是等离子体压强与约束等离子体的磁场压强之比，是确定受控热核聚变反应堆重要特性的一个参数。β可以看作磁约束的效率。由于受控热核聚变反应堆的功率仅由等离子体压强直接决定，因此当充分利用外加磁场的约束能力时，应努力提高β值，使其接近1。所以具有高β值的等离子体系统是受控热核聚变反应堆的必然要求。但传统的磁场位形（托卡马克，仿星器和其它装置）存在一个显著缺点，即等离子体和磁场相互“掺合”，等离子体抗磁性引起各种形式的不稳定性，尤其是互换不稳定性。以托卡马克和仿星器为例，它们只在参数β≈0.05的条件下能稳定运行，显然，聚变反应堆约束效率不高，不利于聚变反应堆的经济性运行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种高温等离子体的产生、输运、注入以及用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的系统和方法，能有效地抑制等离子体的互换不稳定性，显著增大β值，从而大大减小受控核聚变反应堆的体积，提高聚变反应堆的经济可行性。

为达上述目的，本发明首先提供一种约束高温等离子体的系统，包括：

等离子体枪，内部充有中性气体，用以产生及发射等离子体束；

高压脉冲电源，与所述等离子体枪相连，用以向所述等离子体枪供电；

全等离子体通道，与所述等离子体枪的端口相对，用以运输从所述等离子体枪中发射出的等离子体束，并将所述等离子体束其注入磁阱线圈；

磁阱线圈，正对所述全等离子体通道的出口，用于产生环形磁场位形，以稳定约束所述等离子体束，其中，所述环形磁场位形的四周环形区域为障壁磁场，中心区域则为具有零磁场区的弱磁场区。

根据本发明提出的约束高温等离子体的系统，其中，所述全等离子体通道包括：

公共等离子体通道，用以通过包括快速等离子体束和慢速等离子体束的全部等离子体束；

截断器，用于截断慢速等离子体束；

快等离子体通道，与所述截断器连接，用以供截断慢速等离子体束之后的等离子体束通过；

溜槽线圈，与所述快等离子体通道相连，进一步截断等离子体束中的慢速等离子体束，所述溜槽线圈产生的磁场方向与所述障壁磁场的方向相反。

根据本发明提出的约束高温等离子体的系统，其中，所述磁阱线圈包括第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈、第三盲鳗线圈、补偿线圈和螺线管线圈；其中，所述第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈和第三盲鳗线圈在同一轴线上等间隔顺序平行设置，所述第一盲鳗线圈和所述第三盲鳗线圈的直径相同且大于所述第二盲鳗线圈的直径；所述补偿线圈与所述第二盲鳗线圈同轴同心，且所述补偿线圈的直径大于所述第一盲鳗线圈和所述第三盲鳗线圈的直径；所述螺线管线圈与所述第二盲鳗线圈同轴同心，且所述螺线管线圈的直径小于所述第二盲鳗线圈的直径，所述螺线管线圈的长度小于第一盲鳗线圈与第三盲鳗线圈之间的距离；所述螺线管线圈为圆柱形线圈，所述第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈、第三盲鳗线圈及补偿线圈为圆环线圈。

根据本发明提出的约束高温等离子体的系统，其中，所述各个线圈均由不锈钢支架支撑设置，且所述各个线圈的组成材料为铜或超导体。

另外，本发明还提供了一种约束高温等离子体的方法，包括以下步骤：

S1：等离子体枪产生并发射等离子体束；

S2：从所述等离子体束中分离慢等离子体束和快等离子体束；

S3：将所述快等离子体束约束在磁阱线圈产生的具有零磁场区的弱磁场区。

根据本发明提出的约束高温等离子体的方法，其中，所述步骤S1包括：等离子体枪中通入中性气体，利用高压脉冲电源对充入的中性气体进行激发、电离，产生等离子体束，并从等离子体枪端口喷出。

根据本发明提出的约束高温等离子体的方法，其中，所述步骤S2包括：

S21：将从等离子体枪中发射出的等离子体束导入公共等离子体通道，以进行运输；

S22：将等离子体束导入截断器，截断慢速等离子体束，并允许快速等离子体束通过；

S23：将快速等离子体束导入快等离子体通道进行运输。

根据本发明提出的约束高温等离子体的方法，其中，步骤S3包括：

S31：利用磁阱线圈产生一个环型磁场位形，所述环型磁场位形的四周环型区域为障壁磁场，中心区域则为具有零磁场区的弱磁场区；

S32：在所述快等离子体的出口处设置溜槽线圈，并使所述溜槽线圈正对所述磁阱线圈的中心位置；其中，所述溜槽线圈在通电时产生的磁场方向与所述障壁磁场的磁场方向相反；

S33：接通溜槽线圈电源，所述溜槽线圈产生与磁阱线圈磁场方向相反的磁场，从而抵消磁阱线圈的磁场强度，促使快等离子体进入磁阱线圈；

S34：断开溜槽线圈电源，将快速等离子体约束在具有零磁场区的弱磁场区。

根据本发明提出的约束高温等离子体的方法，其中，所述磁阱线圈包括第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈、第三盲鳗线圈、补偿线圈和螺线管线圈；其中，所述第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈和第三盲鳗线圈在同一轴线上等间隔顺序平行设置，所述第一盲鳗线圈和所述第三盲鳗线圈的直径相同且大于所述第二盲鳗线圈的直径；所述补偿线圈与所述第二盲鳗线圈同轴同心，且所述补偿线圈的直径大于所述第一盲鳗线圈和所述第三盲鳗线圈的直径；所述螺线管线圈与所述第二盲鳗线圈同轴同心，且所述螺线管线圈的直径小于所述第二盲鳗线圈的直径，所述螺线管线圈的长度小于第一盲鳗线圈与第三盲鳗线圈之间的距离；所述螺线管线圈为圆柱形线圈，所述第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈、第三盲鳗线圈及补偿线圈为圆环线圈。

根据本发明提出的约束高温等离子体的方法，其中，所述各个线圈均由不锈钢支架支撑设置，且所述各个线圈的组成材料为铜或超导体。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明中，全等离子体通道划分为公共等离子体通道、截断器、快等离子体通道及溜槽线圈四部分，截断器对“慢束”等离子体进行截断，溜槽线圈产生与障壁磁场方向相反的磁场，将障壁磁场打开一个“缺口”，此时，等离子体的压强远大于障壁磁场的压强，“快束”等离子体顺利进入磁阱。“快束”等离子体进入磁阱后，切断溜槽线圈的电源，“快束”等离子体被稳定约束在磁阱线圈产生的弱磁场区。相对于现有技术中存在的磁场和等离子体相互“掺合”引起的互换不稳定性，本发明将等离子体稳定约束在弱磁场区，等离子体与磁场相互独立，这表明，磁阱线圈的磁场位形能自动抑制等离子体的互换不稳定性，从而提高β值。

（2）由于本发明磁阱的设计简单，能自动地抑制等离子体的互换不稳定性，因此可以将本发明广泛应用于需要β≈1的等离子阱，应用范围广。

（3）将本发明应用于受控热核聚变反应堆时，约束核参数等离子体的磁感应强度的典型值比托卡马克装置的磁感应强度值小一个数量级，因此可以大大减小受控热核聚变反应堆的体积。

附图说明

图1为本发明的约束高温等离子体的系统结构图；

图2为本发明的磁阱线圈的结构示意图；

图3为本发明的具有中心零磁场的磁场位形的磁场分布图。

附图标记说明：01-高压脉冲电源；02-等离子体枪；03-全等离子体通道；31-公共等离子通道；32-截断器；33-快等离子体通道；34-溜槽线圈；04-磁阱线圈；41-第一盲鳗线圈；42-第二盲鳗线圈；43-第三盲鳗线圈；44-补偿线圈；45-螺线管线圈。

具体实施方式

以下结合附图，就本发明上述的和另外的技术特征和优点做进一步地说明。显然，所描述的实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

请参阅图1，为本发明的约束高温等离子体的系统结构图。从图1中可看出，本发明的约束高温等离子体的系统包括高压脉冲电源01、等离子体枪02、全等离子体通道03和磁阱线圈04。

其中，高压脉冲电源01与等离子体枪02相连，为等离子体枪02供电。实施时，等离子体枪02中通入中性气体，在高压脉冲电源01的作用下，中性气体受到激发、电离，从而产生较高密度和较高温度的等离子体束，经由等离子枪出口喷出。这里，等离子体枪可以产生氘或氢之外的其它气体的高温等离子体。

全等离子体通道03作为等离子体束的运输通道，共分为公共等离子体通道31、截断器32、快等离子体通道33及溜槽线圈34共四部分。其中，公共等离子体通道31中同时存在快速等离子体束和慢速等离子体束，这里的快速等离子体束和慢速等离子体束是根据等离子体的运动速度进行划分的，实施时，只有快速等离子体束为有效等离子体，需要被约束，而慢速等离子体束只需在运输过程中将其截断即可。截断器32正是用于实现上述截断功能的。等离子体束经过截断器32后便进入快等离子通道33，此时的快等离子体通道33中多数是快速等离子体束，同时掺杂有少量的未被截断器32阻止的慢速等离子体束。溜槽线圈34与快等离子体通道33相连，用于产生有助于快速等离子体束注入磁阱的磁场，同时进一步截断慢速等离子体束。有关溜槽线圈34的内容，还将在下文中详细介绍。

下面请继续参阅图1、图2。磁阱线圈04与全等离子体通道03在同一轴线上相对设置。如图所示，磁阱线圈04包括第一盲鳗线圈41、第二盲鳗线圈42、第三盲鳗线圈43、补偿线圈44和螺线管线圈45。其中第一盲鳗线圈41、第二盲鳗线圈42和第三盲鳗线圈43在同一轴线上顺序平行设置，第一盲鳗线圈41和第三盲鳗线圈43的直径相同且大于第二盲鳗线圈42的直径；补偿线圈44与第二盲鳗线圈42同轴同心，且补偿线圈44的直径大于第一盲鳗线圈41和第三盲鳗线圈43的直径；螺线管线圈45（图2中未示）与第二盲鳗线圈42同轴同心，且螺线管线圈45的轴向宽度大于第二盲鳗线圈42的轴向宽度，且螺线管线圈45的直径小于第二盲鳗线圈42的直径。

这样，根据磁场叠加原理，对各线圈相对匝数的多少，电流大小和方向进行合理的匹配，使第一盲鳗线圈、补偿线圈、螺线管线圈产生的磁场与第二、第三盲鳗线圈产生的磁场在三个盲鳗线圈围成的区域内的方向相反。由此，磁阱线圈04形成了一个环形磁场位形，其中该磁场位形的中心区域为具有零磁场的弱磁场区，四周环形区域形成障壁磁场。实施时，使溜槽线圈34中产生与障壁磁场方向相反的磁场，从而抵消掉部分障壁磁场，即将障壁磁场打开一个“缺口”，形成一合成磁场。该合成磁场的压强远小于快速等离子体束的压强，从而能够使快速等离子体束较容易地注入磁阱中。

这里，上述各个线圈均由不锈钢支架支撑设置，且所述各个线圈的组成材料为铜或超导体。

根据已知的压强计算公式，等离子体压强为磁场压强为其中，m_p是质子的质量。例如，当Bmax=0.022T， 显然等离子体的压强大于磁场压强，因此可以顺利地进入磁阱之中。

另外，在针对上述约束高温等离子体的系统的基础上，本发明还提出了一种约束高温等离子体的方法，包括以下步骤：

S1：等离子体枪产生并发射等离子体束；

S2：从所述等离子体束中分离慢等离子体束和快等离子体束；

S3：将所述快等离子体束约束在磁阱线圈产生的具有零磁场区的弱磁场区。

其中，所述步骤S1包括：等离子体枪中通入中性气体，利用高压脉冲电源对充入的中性气体进行激发、电离，产生等离子体束，并从等离子体枪出口喷出。

所述步骤S2包括：

S21：将从等离子体枪中发射出的等离子体束导入公共等离子体通道，以进行运输；

S22：将等离子体束导入截断器，截断慢速等离子体束，并允许快速等离子体束通过；

S23：将快速等离子体束导入快等离子体通道进行运输。

步骤S3包括：

S31：利用磁阱线圈产生一个环型磁场位形，所述环型磁场位形的四周环型区域为障壁磁场，中心区域则为具有零磁场的弱磁场区；

S32：在所述快等离子体的出口处设置溜槽线圈，并使所述溜槽线圈正对所述磁阱线圈的中心位置；其中，所述溜槽线圈在通电时产生的磁场方向与所述障壁磁场的磁场方向相反；

S33：接通溜槽线圈电源，所述溜槽线圈产生与磁阱线圈磁场方向相反的磁场，从而抵消磁阱线圈的磁场强度，促使快等离子体进入磁阱线圈；

S34：断开溜槽线圈电源，将快速等离子体约束在具零磁场区的弱磁场区。

这里提到的磁阱线圈的结构与本发明在上文的约束等离子体的系统中的磁阱线圈结构一致，因此不再赘述。

综上所述，相对于现有技术中存在的磁场和等离子体相互“掺合”引起的等离子体的互换不稳定性，本发明将等离子体稳定约束在弱磁场区，等离子体与磁场相互独立，使得磁阱线圈产生的磁场位形能自动抑制等离子体的互换不稳定性，从而提高β值，显著增大压磁比，从而达到大大减小受控核聚变反应堆的体积，提高聚变反应堆的经济可行性的目的。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用具零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的系统，其特征在于，包括：

等离子体枪，内部充有中性气体，用以产生及发射等离子体束；

高压脉冲电源，与所述等离子体枪相连，用以向所述等离子体枪供电；

全等离子体通道，与所述等离子体枪的出口相对，用以运输从所述等离子体枪中发射出的等离子体束，并将所述等离子体束注入磁阱线圈；

磁阱线圈，与所述全等离子体通道的出口相对设置，用于产生环形磁场位形，以稳定约束所述等离子体束，其中，所述环形磁场位形的四周环形区域为障壁磁场，中心区域则为具有零磁场区的弱磁场区；

其中，所述全等离子体通道包括：

公共等离子体通道，用以通过包括快速等离子体束和慢速等离子体束的全部等离子体束；

截断器，用于截断慢速等离子体束；

快等离子体通道，与所述截断器连接，用以供截断慢速等离子体束之后的等离子体束通过；

溜槽线圈，与所述快等离子体通道相连，进一步截断等离子体束中的慢速等离子体束，所述溜槽线圈产生的磁场方向与所述障壁磁场的方向相反。

2.根据权利要求1所述的用具零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的系统，其特征在于，所述磁阱线圈包括第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈、第三盲鳗线圈、补偿线圈和螺线管线圈；其中，所述第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈和第三盲鳗线圈在同一轴线上等间隔顺序平行设置，所述第一盲鳗线圈和所述第三盲鳗线圈的直径相同且大于所述第二盲鳗线圈的直径；所述补偿线圈与所述第二盲鳗线圈同轴同心，且所述补偿线圈的直径大于所述第一盲鳗线圈和所述第三盲鳗线圈的直径；所述螺线管线圈与所述第二盲鳗线圈同轴同心，且所述螺线管线圈的直径小于所述第二盲鳗线圈的直径,所述螺线管线圈的长度小于第一盲鳗线圈与第三盲鳗线圈之间的距离；所述螺线管线圈为圆柱形线圈，所述第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈、第三盲鳗线圈及补偿线圈为圆环线圈。

3.根据权利要求2所述的用具零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的系统，其特征在于，所述各个线圈均由不锈钢支架支撑设置，且所述各个线圈的组成材料为铜或超导体。

4.一种用具零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：等离子体枪产生并发射等离子体束；

S2：从所述等离子体束中分离慢等离子体束和快等离子体束；

S3：将所述快等离子体束约束在磁阱线圈产生的具有零磁场区的弱磁场区；

其中，所述步骤S2包括：

S21：将从等离子体枪中发射出的等离子体束导入公共等离子体通道，以进行运输；

S22：将等离子体束导入截断器，截断慢速等离子体束，并允许快速等离子体束通过；

S23：将快速等离子体束导入快等离子体通道进行运输。

5.根据权利要求4所述的用具零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：等离子体枪中通入中性气体，利用高压脉冲电源对充入的中性气体进行激发、电离，产生等离子体束，并从等离子体枪出口喷出。

6.根据权利要求4所述的用具零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的方法，其特征在于，步骤S3包括：

S31：利用磁阱线圈产生一个环形磁场位形，所述环形磁场位形的四周环型区域为障壁磁场，中心区域则为具有零磁场区的弱磁场区；

S32：在所述快等离子体的出口处设置溜槽线圈，所述溜槽线圈在通电时产生的磁场方向与所述障壁磁场的磁场方向相反；

S33：接通溜槽线圈电源，所述溜槽线圈产生与磁阱线圈磁场方向相反的磁场，从而抵消磁阱线圈的障壁磁场，促使快等离子体进入磁阱线圈；

S34：断开溜槽线圈电源，将快速等离子体约束在具有零磁场区的弱磁场区。

7.根据权利要求4所述的用具零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的方法，其特征在于，所述磁阱线圈包括第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈、第三盲鳗线圈、补偿线圈和螺线管线圈；其中，所述第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈和第三盲鳗线圈在同一轴线上等间隔顺序平行设置，所述第一盲鳗线圈和所述第三盲鳗线圈的直径相同且大于所述第二盲鳗线圈的直径；所述补偿线圈与所述第二盲鳗线圈同轴同心，且所述补偿线圈的直径大于所述第一盲鳗线圈和所述第三盲鳗线圈的直径；所述螺线管线圈与所述第二盲鳗线圈同轴同心，且所述螺线管线圈的直径小于所述第二盲鳗线圈的直径，所述螺线管线圈的长度小于第一盲鳗线圈与第三盲鳗线圈之间的距离；所述螺线管线圈为圆柱形线圈，所述第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈、第三盲鳗线圈及补偿线圈为圆环线圈。

8.根据权利要求7所述的用具零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的方法，其特征在于，所述各个线圈均由不锈钢支架支撑设置，且所述各个线圈的组成材料为铜或超导体。