CN107006111A - 用于合并和压缩紧凑环的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

系统和方法利用连续的轴向对称加速和绝热压缩阶段来加热两个紧凑环和朝向彼此加速两个紧凑环并最后在中心腔室内碰撞并压缩紧凑环。可替代地，系统和方法利用连续的轴向非对称的加速和绝热压缩阶段来加热和加速第一紧凑环朝向并定位于中心腔室内并且加热和加速第二紧凑环朝向中心腔室，并最后在中心腔室内碰撞和合并第一和第二紧凑环并压缩紧凑合并环。

Description

用于合并和压缩紧凑环的系统和方法
技术领域
本文所描述的实施例一般涉及脉冲等离子体系统，并且更具体而言，涉及以优异的稳定性、以及显著降低的损耗和增加的效率促进合并和压缩紧凑环的系统和方法。
背景技术
场反转配置（FRC）属于称为紧凑环的磁性等离子体约束拓扑的类别。它主要表现为极向磁场，并且具有零或小的自生环场（参见M.Tuszewski，Nucl.Fusion 28,2033（1988））。这种配置的吸引力在于：易于构造和维护的其简单几何形状、用于促进能量提取和灰分去除的天然无限制偏滤器、以及非常高的平均（或外部）β（β是FRC内的平均等离子体压力与平均磁场压力之比），即高功率密度。β度量也是非常好的磁效率测量。例如接近1的高平均β值代表了所布置的磁能的有效使用，并且从而对于最经济的操作而言必要的。高平均β也很大程度上使得能够使用诸如D-He3和p-B11之类的无中子核燃料。
形成FRC的传统方法使用场反转θ夹点技术，产生热的高密度等离子体（参见A.L.Hoffman和J.T.Slough，Nucl. Fusion 33,27（1993））。在这之上的变型是平移捕获方法，在其中，在θ夹点“源”中产生的等离子体或多或少立即从形成区域中喷出并进入约束腔室。然后在约束腔室的末端处的两个强反射镜之间捕获平移的等离子体团（例如参见H.Himura，S.Okada，S.Sugimoto和S.Goto，Phys. Plasmas2,191（1995））。一旦处于约束腔室中，就可以应用各种加热和电流驱动方法，比如光束注入（中性或中和的）、旋转磁场、RF或欧姆加热等。源和约束功能的这种分离对于潜在的未来聚变反应器提供了关键的工程优点。FRC已被证明是非常强健的，对于动态形成、平移和暴力捕获事件具有弹性。此外，它们显示出呈现优选的等离子体状态的趋势（例如参见H.Y.Guo，A.L.Hoffman，K.E.Miller，和L.C.Steinhauer，Phys.Rev.Lett.92,245001（2004））。在过去十年中，发展其他FRC形成方法已经取得了重大进展：将球形马克与反向螺旋合并（参见Y.Ono，M.Inomoto，Y.Ueda，T.Matsuyama和T.Okazaki，Nucl.Fusion 39 ，2001（1999）），以及通过用旋转磁场（RMF）驱动电流（例如参见I.R.Jones，Phys.Plasmas 6,1950（1999）），这也提供了额外的稳定性。
FRC由分界线内的闭合场线的环和仅分界线外的开放场线上的环状边缘层组成。边缘层聚合成超过FRC长度的射流，提供自然偏滤器。FRC拓扑与场反转镜等离子体的拓扑一致。然而，显著的差异在于FRC等离子体可以具有约10的内部β。固有的低内部磁场提供某些本地动力学粒子群，即具有大拉莫尔半径的粒子——与FRC小半径相当。这些强动力学效应似乎至少部分地有助于过去和现在的FRC的总体稳定性，比如在最近的碰撞合并实验中所产生的那些。
很久以前提出的碰撞合并技术（例如参见D.R.Wells，Phys. Fluids 9，1010(1966)）已经显著地进一步发展：在约束腔室的相对端处的两个单独的θ夹点同时生成两个等离子体团（例如，两个紧凑环）并且以高速度将等离子体团朝向彼此加速；然后它们在约束腔室的中心处碰撞并合并以形成复合FRC。在迄今为止最大的FRC实验之一的构建和成功运行中，显示出常规的碰撞合并方法以产生稳定、长寿命、高通量、高温的FRC（例如参见M.Binderbauer，H.Y.Guo，M.Tuszewski等人，Phys.Rev.Lett.105，045003（2010），其通过引用并入本文）。在相关实验中，同一研究小组将碰撞合并技术与同时轴向加速和径向压缩相结合，以在中心压缩腔室中产生高密度瞬态等离子体（参见V.Bystritskii，M.Anderson，M.Binderbauer等人，Paper P1-1，IEEE PPPS 2013，San Francisco，CA.（以下称为“Bystritskii”），其通过引用并入本文）。Bystritskii中报道的这后一个实验在最终碰撞合并之前利用了大量加速和压缩阶段，并且代表了服从此专利申请的系统的前体概念。
与这里描述的实施例对照而言，Bystritskii中描述的前体系统特色在于通过使用有源快速磁线圈来在同一阶段内同时压缩和加速紧凑环。在磁压缩合并的紧凑环之前，将五个这样的阶段布置在中心压缩腔室的两侧上。虽然前体实验取得了可观的性能，但它展现出以下缺陷：（1）由于定时不匹配，同时压缩和加速导致为磁压缩所布置的驱动能量的低效使用；（2）由于等离子体在各部分之间进行过渡期间膨胀，所以温度和密度减小；（3）相邻部分之间的突变过渡导致由于冲击波的产生和等离子体壁接触而造成的巨大损耗。
除了稳定性的基本挑战之外，中等密度状况中的脉冲聚变概念将必须解决足够的传输时间尺度、有效的驱动、重频能力和适当的最终目标条件。虽然前体系统已经在鼓励的目标条件下成功地实现了稳定的单次放电，但在形成和最终目标参数（目前约为能量、通量和粒子的90％）之间的集体损耗以及在驱动器和等离子体之间的耦合效率（目前约为10-15％）需要显著改善。
鉴于前述情况，因此期望提供用于脉冲聚变概念的改良系统和方法，其促进显著降低平移和压缩损耗并且提高驱动器效率。
发明内容
本文提供的本实施例涉及以优异的稳定性以及显著降低的平移和压缩损耗、以及在驱动器和等离子体之间增加的耦合效率促进合并和压缩紧凑环的系统和方法。这种系统和方法为包括紧凑中子源（用于医学同位素生产、核废料修复、材料研究、中子射线照相和断层成像）、紧凑光子源（用于化学生产和加工）、质量分离和浓缩系统、和用于未来发电的聚变和用于聚变推进系统的反应器核的各种应用提供了通路。
本文所描述的系统和方法基于连续的轴向对称的加速和绝热压缩阶段的应用，以朝向彼此加速和加热两个紧凑环并最终在中心压缩腔室内碰撞并快速磁压缩紧凑环。
在某些实施例中，用于合并和压缩紧凑环的系统包括分阶段的对称序列：紧凑环形成，通过快速有源磁线圈的轴向加速，借助于锥形收缩通量保持器的无源绝热压缩，以及在中心压缩腔室中的紧凑环的最后合并和最终快速磁压缩。足够的轴向加速、随后绝热压缩的中间步骤可以重复多次以在合并和最终压缩之前达到足够的目标条件。以这种方式，可以通过向系统添加另外的部分来实现反应器。
优选地，形成和加速阶段或部分以及中心压缩腔室优选地是圆柱形形状的，其中壁由诸如例如陶瓷的非导电或绝缘材料形成。压缩阶段或部分优选地是截头圆锥形形状的，其中壁由诸如例如金属的导电材料形成。
除了由慢速线圈供应的磁偏置场（DC引导场）之外，形成部分、加速部分和压缩腔室包括驱动快速有源磁线圈的模块化脉冲功率系统。脉冲功率系统使得能够在形成部分内原位形成紧凑环，并将其加速并注入（=静态形成）到第一压缩部分中，在加速部分中对其加速并注入到下一个压缩部分中，以此类推，并且然后在压缩腔室内对其进行磁压缩。遍及系统的轴线并且沿着系统的轴线定位的慢速或DC磁线圈系统提供轴向磁引导场，以便当紧凑环朝向中心压缩腔室的中间平面平移通过该部分时适当地使紧凑环居中。
可替代地，形成部分的模块化脉冲功率系统也可以以这样的方式驱动快速有源磁线圈，使得同时形成并加速紧凑环（=动态形成）。
本文所描述的系统和方法在磁约束中已知的最高β等离子体中部署FRC，以提供起始配置。进一步的无源和有源压缩建立在这种高效磁拓扑上。经由有源快速磁体部分使用轴向加速、然后在简单的磁通保持圆锥部分中进行绝热压缩的过程，提供了具有最小复杂度的脉冲功率电路的最有效能量传送。此外，可以对这些基本构建块进行排序以获得固有的有利压缩比例的额外优点，即Δp∝R4。
在另一个实施例中，该系统被配置成部署球形马克而不是FRC起始器等离子体。
在另一个实施例中，该系统包括来自中心压缩腔室的单侧的分阶段的不对称序列，包括：紧凑环形成、通过快速有源磁线圈的轴向加速、借助于锥形收缩通量保持器的无源绝热压缩、以及在中心压缩腔室中紧凑环的最后合并和最终快速磁压缩。这种非对称系统将包括反射镜或反弹锥体，其定位邻近中心压缩的另一侧。
在又另一个实施例中，该系统包括由诸如例如金属的导电材料构成的薄的圆柱形壳体或衬里，以用于在中心压缩腔室内的快速衬里压缩。
在审查了以下附图和详细描述后，示例实施例的其它系统、方法、特征和优点将是显而易见并且对本领域技术人员而言将会变得显而易见。
附图说明
作为本说明书的一部分而包括的附图图示出了当前优选的实施例，并且连同上面给出的一般性描述和下面给出的优选实施例的详细描述一起用于解释和教导本发明的原理。
图1图示出了用于形成、加速、绝热压缩、合并和最终磁压缩紧凑环的系统的基本布局。
图2图示出了用于形成和加速部分的脉冲功率系统的部件的示意图。
图3图示出了个体脉冲功率形成和加速滑轨的等距视图。
图4图示出了形成和加速管组件的等距视图。
图5图示出了用于形成、加速、绝热压缩、合并和最终磁压缩紧凑环的非对称系统的替代实施例的基本布局。
图6图示出了图1中所示的系统的详细视图，其被修改为包括定位于中心压缩腔室内的壳体或衬里以用于在中心压缩腔室内的快速衬里压缩。
应当注意，附图不一定按比例绘制，并且为了说明性的目的，相似结构或功能的元件通常由类似的参考标记来表示。还应当注意，附图仅旨在促进描述本文所述的各种实施例。附图并不一定描述本文公开的教导的每个方面，并且不限制权利要求的范围。
具体实施方式
本文提供的本实施例涉及以优异的稳定性以及显著降低的平移和压缩损耗、以及在驱动器和等离子体之间增加的耦合效率促进合并和压缩紧凑环的系统和方法。这种系统和方法为包括紧凑中子源（用于医学同位素生产、核废料修复、材料研究、中子射线照相和断层成像）、紧凑光子源（用于化学生产和加工）、质量分离和浓缩系统、和用于未来发电的聚变和用于聚变推进系统的反应器核的各种应用提供了通路。
本文所描述的系统和方法基于连续的轴向对称的加速和绝热压缩阶段的应用，以加热两个紧凑环和朝向彼此加速并最终在中心压缩腔室内碰撞并快速磁压缩紧凑环。图1图示出了用于形成、加速、绝热压缩、合并和最终磁压缩紧凑环的系统10的基本布局。
如所描绘的，该系统包括分阶段的对称序列：在形成部分12N和12S中紧凑环形成、通过快速有源磁线圈32N，32S，36N和36S穿过部分12N，12S，16N和16S的轴向加速、借助于部分14N，14S，18N和18S中的锥形收缩通量保持器的无源绝热压缩、并且通过快速有源磁线圈40在中心压缩腔室20中最后合并紧凑环并最终快速磁压缩。如所图示，足够的轴向加速、然后绝热压缩的中间步骤可以重复多次以在合并和最终压缩之前达到足够的目标条件。以这种方式，可以通过向所描绘的系统添加另外的部分来实现反应器。
如所描绘的，形成和加速阶段或部分12N，12S，16N和16S以及中心压缩腔室20优选地是圆柱形形状的，其中壁由诸如例如陶瓷的非导电或绝缘材料形成。压缩阶段或部分14N，14S，18N和18S优选地是截头圆锥形形状的，其中壁具有由诸如例如金属的导电材料形成。
除了由慢速无源线圈30供应的磁偏置场（DC引导场）之外，形成部分12N和12S、加速部分16N和16S以及压缩腔室20包括驱动快速有源磁线圈32N，32S，36N，36S和40的模块化脉冲功率系统。脉冲功率系统使得能够在形成部分12N和12S内原位形成紧凑环，并且将其加速并注入（=静态形成）到第一压缩部分14N和14S中，在加速部分16N和16S中对其加速并注入到下一个压缩部分18N和18S中，以此类推，以及然后在压缩腔室20中对其进行磁压缩。遍及系统的轴线并且沿着系统的轴线定位的慢速无源磁线圈系统30提供轴向磁引导场，以适当地使紧凑环居中。
可替代地，形成部分的模块化脉冲功率系统也可以以这样的方式驱动快速磁线圈，使得同时形成并加速紧凑环（=动态形成）。
本文所描述的系统和方法在磁约束中已知的最高β等离子体中部署FRC，以提供起始配置。进一步的无源和有源压缩建立在这种高效磁拓扑上。经由有源快速磁体部分使用轴向加速、然后在简单的磁通保持圆锥部分中进行绝热压缩的过程，提供了具有最小复杂度的脉冲功率电路的最有效能量传送。此外，可以对这些基本构建块进行排序以获得固有的有利压缩比例的额外优点，即Δp∝R4。
基于迄今为止的实验和理论研究，使用FRC起始器等离子体的由Bystritskii所描述的前体实验在1keV下达到约1017 cm-3的密度。估计本文提出的实施例在1keV下达到约1018 cm-3的密度，同时向中心腔室和快速磁线圈添加另外的阶段以及适当的升级可在完全劳森条件下产出约1018 cm-3的最终密度。
在另一个实施例中，该系统被配置成部署球形马克而不是FRC起始器等离子体。
在另一个实施例中，该系统包括来自中心压缩腔室的单侧的分阶段的不对称序列，包括：紧凑环形成、通过快速有源磁线圈的轴向加速、借助于锥形收缩通量保持器的无源绝热压缩、以及在中心压缩腔室中紧凑环的最后合并和最终快速磁压缩。这种非对称系统将包括反射镜或反弹锥体。
在又另一个实施例中，该系统包括由诸如例如金属的导电材料构成的薄圆柱形壳体或衬里，以用于在中心压缩腔室内的快速衬里压缩。
当今的聚变概念专注于稳态或超短脉冲状况。这两种方法都需要大量的资金投入：在稳态磁聚变中，大型超导磁体和辅助加热/电流驱动技术产生高昂的费用；由于在纳秒时间尺度上大量的能量递送，惯性状况由高驱动器成本所主导。本文提出的实施例的特征在于紧凑的尺寸和亚毫秒时间尺度。这导致了具有宽松的峰值功率要求和有吸引力的中间时间尺度的状况。
详细参考附图，如图1中所描绘的，用于合并和压缩紧凑环等离子体的系统10包括中心压缩腔室20和一对北部和南部径向相对的紧凑环形成部分12N和12S。第一和第二形成部分12N和12S包括用于生成第一和第二紧凑等离子体环并且朝向压缩腔室20的中间平面轴向加速和平移紧凑环的模块化形成和加速系统120（在下面关于参见图2-图4进行详细讨论）。
如所描绘的，系统10还包括第一对北部和南部径向相对的压缩部分14N和14S，其在第一端上耦合到北部和南部形成部分12N和12S的出口端。北部和南部压缩部分14N和14S被配置成当紧凑环朝向压缩腔室20的中间平面穿越北部和南部压缩部分14N和14S时绝热压缩该紧凑环。
如所描绘的，系统10还包括一对北部和南部径向相对的加速部分16N和16S，其在第一端上耦合到第一对北部和南部压缩部分14N和14S的第二端。北部和南部加速部分16N和16S包括模块化的加速系统（下面关于图2-图4进行讨论），用于将紧凑环朝向压缩腔室20的中间平面进行轴向加速和平移。
如进一步描绘的，系统10还包括第二对北部和南部径向相对的压缩部分18N和18S，其在第一端上耦合到北部和南部加速部分16N和16S的第二端，并且在第二端上耦合到压缩腔室的径向相对的第一和第二端，第二对北部和南部压缩部分18N和18S被配置成当紧凑环朝向压缩腔室20的中间平面穿越第二对北部和南部压缩部分18N和18S时绝热压缩该紧凑环。
压缩腔室包括模块化压缩系统，其被配置成在紧凑环的碰撞和合并时对其进行磁压缩。
如所描绘的，北部和南部形成部分12N和12S，北部和南部加速部分16N和16S以及压缩腔室20是圆柱形形状的。北部和南部加速部分16N和16S的直径小于北部和南部形成部分12N和12S的直径，而压缩腔室20的直径与北部和南部加速部分16N，16S的直径相比。
第一对和第二对北部和南部压缩部分14N，14S，18N和18S是截头圆锥形形状的，其直径在第一端上比在第二端上更大，使得能够在系统10的总直径上从形成部分12N和12S到加速部分16N和16S再到压缩腔室20的过渡。如所描绘的，北部和南部形成部分12N和12S、第一对北部和南部压缩部分14N和14S、北部和南部加速部分16N和16S、第二对北部和南部压缩部分18N和18S是轴向对称的。
如所描绘的，围绕并轴向地沿着北部和南部形成部分12N和12S布置第一组和第二组多个有源磁线圈32N和32，围绕并轴向地沿着北部和南部加速部分16N和16S布置第三组和第四组多个有源磁线圈36N和36S，并且围绕并轴向地沿着压缩腔室20布置第五组多个有源磁线圈40。
压缩部分14N，14S，18N和18S优选地由诸如例如金属的导电材料来形成，而中心压缩腔室20和形成加速部分12N，12S，16N和16S优选地由诸如例如陶瓷的非导电或绝缘材料来形成。
如所描绘的，围绕并轴向地沿着中心压缩腔室20以及形成、压缩和加速部分12N，12S，14N，14S，16N，16S，18N和18S布置多个DC磁线圈30，以形成在中心压缩腔室以及形成、压缩和加速部分内的并且轴向地延伸通过中心压缩腔室以及形成、压缩和加速部分的偏置或DC引导场。
如图2-图4中所示的触发控制和开关系统120被配置成实现分阶段的对称序列：在北部和南部形成部分12N和12S中通过有源磁线圈32N和32S的紧凑环形成、在北部和南部加速部分16N和16S中通过有源磁线圈36N和36S的轴向加速、以及在压缩腔室20中通过有源磁线圈40的压缩。触发控制和开关系统120被配置成同步在北部和南部形成部分12N和12S中的紧凑环形成和加速、在北部和南部加速部分16N和16S中的紧凑环加速、以及在压缩腔室20中的紧凑环合并和压缩。
转向图2-图4，存在与形成部分12N和12S、加速部分16N和16S以及压缩腔室20中的第一组、第二组、第三组、第四组和第五组多个有源磁体32N，32S，36N，36S和40中的个体磁体相对应并对其进行供电的个体脉冲功率系统120。在形成部分中，脉冲功率系统120以修改的θ夹点原理进行操作以形成紧凑环。图2至图4图示出了脉冲功率系统120的主要构建块和布置。脉冲功率系统120由模块化脉冲功率布置组成，该模块化脉冲功率布置由个体单元（=滑轨）122组成，每个单元激励围绕部分管140缠绕的带组件130（=带）的线圈132的子组。每个滑轨122由电容器121、电感器123、快速高电流开关125和相关联的触发器124和转储电路126组成。经由最先进的触发和控制系统124和126来实现这些部件的协调操作，其允许在形成部分12N和12S、加速部分16N和16S、以及压缩腔室20的每一个上的脉冲功率系统120之间的同步定时，并且将开关抖动最小化到几十纳秒。这种模块化设计的优点是其灵活的操作。在形成部分12N和12S中，可以原位形成FRC，并且然后将其加速并注入（=静态形成）或者同时形成和加速（=动态形成）。
在操作中，由无源线圈30在压缩腔室20、形成部分12N和12S、加速部分16N和16S以及压缩部分14N，14S，18N和18S内并且轴向地延伸通过压缩腔室20、形成部分12N和12S、加速部分16N和16S以及压缩部分14N，14S，18N和18S生成DC引导场。然后在分阶段的对称序列中在形成部分12N和12S以及加速部分16N和16S内形成紧凑环并朝向中心腔室20的中间平面对其进行加速，在压缩部分14N，14S，18N和18S内进行无源绝热压缩，并且在中心腔室20内进行合并和磁压缩。形成、加速和压缩紧凑环的这些步骤导致紧凑环在中心腔室20内碰撞和合并。
通过为围绕并且轴向地沿着形成部分12N和12S延伸的有源磁线圈32N和32S供电来形成紧凑环并对其进行加速、通过为围绕并且轴向地沿着加速部分16N延伸的有源磁线圈35N和36S供电而进行进一步加速、通过为围绕并轴向地沿着压缩腔室20延伸的有源磁线圈40供电而进行压缩。形成、加速和压缩紧凑环的步骤还包括同步地点火围绕并沿着形成部分12N和12S和加速部分16N和16S而定位的径向相对的有源磁线圈对32N和32S以及36N和36S、以及围绕并沿着压缩腔室20而定位的一组有源磁线圈40。
随着紧凑环朝向压缩腔室20的中间平面加速，当紧凑环平移通过压缩阶段14N，14S，18N和18S的锥形收缩通量保持器时，紧凑环被压缩。
转向图5，图示出了用于合并和压缩紧凑环等离子体的系统100的替代实施例。如所描绘的，系统100包括来自中心压缩腔室20的单侧的分阶段的不对称序列。系统100包括：单个紧凑环形成部分12S；第一压缩部分14S，其在第一端上耦合到形成部分12S的出口端；加速部分16N，其在第一端上耦合到压缩部分14S的第二端；第二压缩部分18S，其在第一端上耦合到加速部分16S的第二端，以及在第二端上耦合到压缩腔室20的第一端。将反射镜或反弹锥体50定位邻近中心压缩20的另一端。
在操作中，在分阶段的序列中在形成部分12S内形成并且加速第一紧凑环，并且然后在一个或多个加速阶段16S中朝向中心腔室20的中间平面加速，以与第二紧凑环碰撞并合并。第一紧凑环在一个或多个压缩阶段14S和18S内进行无源地绝热压缩，并且然后在中心腔室20内与第二紧凑环磁压缩为合并的紧凑环。
在分阶段的序列中在形成部分12S内形成第二紧凑环并且在一个或多个加速阶段16S内朝向中心腔室20的中间平面对其进行加速，在一个或多个压缩阶段内进行无源地绝热压缩，并且然后当其穿过具有邻近中心腔室20的一端所定位的反射镜或反弹锥体50的中心腔室20时，朝向中心腔室20的中间平面偏置返回。
转向图6，在局部详细视图中图示出了用于合并和压缩紧凑环等离子体的系统200的替代实施例，其示出了压缩腔室20，其中径向相对的压缩部分18N和18S耦合到腔室20的相对侧。系统200还包括定位于中心压缩腔室20内的用于快速衬里压缩的圆柱形壳体或衬里60。
尽管本发明易于进行各种修改和替代形式，但是其具体示例已经在附图中示出，并且在本文中进行了详细描述。然而，应当理解，本发明不限于所公开的特定形式或方法，而是相反，本发明将覆盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
在上面的描述中，仅仅为了说明的目的，阐述了具体命名以提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，实践本公开的教导不需要这些具体细节。
代表性示例和从属权利要求的各种特征可以以没有具体和明确列举的方式进行组合，以便提供本教导的另外的有用实施例。还要明确指出：为了原始公开的目的以及为了限制所要求保护的主题的目的，实体组的所有价值范围或指示都公开了每个可能的中间价值或中间实体。
已经公开了用于合并和压缩紧凑环的系统和方法。应当理解，本文所描述的实施例是为了阐明的目的，并且不应被认为是限制本公开的主题。在不脱离本发明的范围或精神的情况下，各种修改、使用、替换、组合、改进、生产方法对于本领域技术人员是显而易见的。例如，读者应理解，除非另有说明，否则本文所描述的过程动作的具体排序和组合仅仅是说明性的，并且可以使用不同的或附加的过程动作、或者过程动作的不同组合或排序来执行本发明。作为另一示例，一个实施例的每个特征可以与其他实施例中所示出的其他特征混合以及匹配。可根据需要类似地并入本领域普通技术人员已知的特征和过程。另外来说并且很显然，可以根据需要添加或减去特征。因此，除了鉴于所附权利要求及其等同物之外，本发明不受限制。

Claims (59)

1.一种用于合并和压缩紧凑环等离子体的系统，包括：
压缩腔室，
第一和第二径向相对的紧凑环形成部分，所述第一和第二形成部分包括用于生成第一和第二等离子体紧凑环并且轴向加速所述紧凑环并将所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面平移的模块化形成和加速系统，
第一和第二径向相对的压缩部分，所述第一和第二径向相对的压缩部分在第一端上耦合到所述第一和第二形成部分的出口端，所述第一和第二压缩部分被配置成当所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面穿越所述第一和第二压缩部分时对所述紧凑环进行绝热压缩，
第一和第二径向相对的加速部分，所述第一和第二径向相对的加速部分在第一端上耦合到所述第一和第二压缩部分的第二端，所述第一和第二加速部分包括用于轴向加速所述紧凑环并将所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面平移的模块化加速系统；和
第三和第四径向相对的压缩部分，所述第三和第四径向相对的压缩部分在第一端上耦合到所述第一和第二加速部分的第二端并且在第二端上耦合到所述压缩腔室的第一和第二径向相对的端，所述第三和第四压缩部分被配置成当所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面穿越所述第三和第四压缩部分时对所述紧凑环进行绝热压缩。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压缩腔室被配置成在所述紧凑环的碰撞和合并时对所述紧凑环进行磁压缩。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压缩腔室包括用于在所述紧凑环的碰撞和合并时对所述紧凑环进行磁压缩的模块化加速系统。
4.根据权利要求1至3所述的系统，其中，所述第一和第二形成部分、所述第一和第二加速部分以及所述压缩腔室是圆柱形形状的，所述第一和第二加速部分的直径小于所述第一和第二形成部分的直径，并且所述压缩腔室的直径与所述第一和第二加速部分的直径相比。
5.根据权利要求1至4所述的系统，其中，所述第一、第二、第三和第四压缩部分是截头圆锥形形状的，其中所述第一、第二、第三和第四压缩部分的直径在第一端上比在第二端上更大。
6.根据权利要求1至5所述的系统，其中，所述第一和第二形成部分、所述第一和第二压缩部分、所述第一和第二加速部分以及所述第三和第四压缩部分是轴向对称的。
7.根据权利要求1至6所述的系统，其中，围绕并轴向地沿着所述第一和第二形成部分、所述第一和第二加速部分以及所述压缩腔室布置多个有源磁线圈。
8.根据权利要求1至7所述的系统，还包括触发控制和开关系统，所述触发控制和开关系统被配置成实现分阶段的对称序列：在所述第一和第二形成部分中的紧凑环形成，以及通过所述第一和第二加速部分中的有源磁线圈的轴向加速。
9.根据权利要求1至8所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统被配置成：同步所述第一和第二形成部分中的所述紧凑环形成和加速，以及同步所述第一和第二加速部分中的所述紧凑环加速。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统还被配置成同步所述磁压缩与所述第一和第二形成部分中的所述紧凑环形成和加速以及所述第一和第二加速部分中的所述紧凑环加速。
11.根据权利要求1至10所述的系统，还包括：多个DC磁线圈，所述多个DC磁线圈围绕并轴向地沿着所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分布置，以形成在所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分内的并且轴向地延伸通过所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分的偏置或DC引导场。
12.根据权利要求1至11所述的系统，还包括定位在所述中心压缩腔室内的用于快速衬里压缩的圆柱形壳体或衬里。
13.一种用于合并和压缩紧凑环等离子体的系统，包括：
压缩腔室，
紧凑环形成部分，所述形成部分包括用于生成紧凑环并轴向加速所述紧凑环并且将所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面平移的模块化形成和加速部分，
第一压缩部分，所述第一压缩部分在第一端上耦合到所述形成部分的出口端，所述第一压缩部分被配置成当所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面穿越所述第一压缩部分时对所述紧凑环进行绝热压缩，
加速部分，所述加速部分在第一端上耦合到所述第一压缩部分的第二端，所述加速部分包括用于轴向加速所述紧凑环并将所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面平移的模块化加速系统；
第二压缩部分，所述第二压缩部分在第一端上耦合到所述加速部分的第二端并且在第二端上耦合到所述压缩腔室的第一端，所述第二压缩部分被配置成当所述紧凑环朝向所述压缩腔室的中间平面穿越所述第二压缩部分时对所述紧凑环进行绝热压缩。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述压缩腔室被配置成对所述紧凑环进行磁压缩。
15.根据权利要求13和14所述的系统，其中，所述形成部分、所述加速部分和所述压缩腔室是圆柱形形状的，所述加速部分的直径小于所述形成部分的直径，并且所述压缩腔室的直径小于所述加速部分的直径。
16.根据权利要求13至15所述的系统，其中所述第一和第二压缩部分是截头圆锥形形状的，其中所述第一和第二压缩部分的直径在第一端上比在第二端上更大。
17.根据权利要求13至16所述的系统，其中，所述形成部分、所述第一和第二压缩部分、所述加速部分和所述压缩腔室是轴向对准的。
18.根据权利要求13至17所述的系统，其中，围绕并轴向地沿着所述形成部分、所述加速部分和所述压缩腔室布置多个有源磁线圈。
19.根据权利要求13至18所述的系统，还包括触发控制和开关系统，所述触发控制和开关系统被配置成实现紧凑环形成和通过有源磁线圈的轴向加速的分阶段的对称序列。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统还被配置成：在紧凑环形成和通过有源磁线圈的轴向加速的分阶段序列之后实现在分阶段的序列中通过有源磁线圈的所述紧凑环的磁压缩。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统被配置成同步所述形成部分中的所述紧凑环形成和加速，以及同步所述加速部分中的所述紧凑环加速与第二紧凑环在所述压缩腔室的中间平面处的定位。
22.根据权利要求20所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统还被配置成同步所述紧凑环和所述第二紧凑环的压缩与所述形成部分中的所述紧凑环形成和加速、所述加速部分中的所述紧凑环加速和所述第二紧凑环在所述压缩腔室的中间平面处的定位。
23.根据权利要求13至22所述的系统，还包括多个DC磁线圈，所述多个DC磁线圈围绕并轴向地沿着所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分布置，以形成在所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分内的并且轴向地延伸通过所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分的偏置或DC引导场。
24.根据权利要求13至23所述的系统，还包括定位在所述中心压缩腔室内的用于快速衬里压缩的圆柱形壳体或衬里。
25.根据权利要求13至24所述的系统，还包括耦合到所述中心压缩腔室的第二端的反射镜和反弹锥体中的一个。
26.一种用于合并和压缩紧凑环等离子体的系统，包括：
中心腔室，
一对径向相对的形成部分，
一对或多对径向相对的加速部分，以及
一对或多对径向相对的压缩部分，插入在所述形成部分和与所述形成部分相邻的所述加速部分之间，以及插入在所述中心腔室和与所述中心腔室相邻的所述加速部分之间，
其中，所述系统被配置成实现分阶段的对称序列：围绕所述形成和加速部分的紧凑环形成、通过有源磁线圈的轴向加速，所述紧凑环在所述压缩部分的锥形收缩通量保持器内的无源绝热压缩，以及在所述中心腔室内的磁压缩。
27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述压缩腔室被配置成在所述紧凑环的碰撞和合并时对所述紧凑环进行磁压缩。
28.根据权利要求26和27所述的系统，其中，所述形成部分、所述加速部分和所述中心腔室是圆柱形形状的，所述加速部分的直径小于所述形成部分的直径，并且小于在从形成部分到中心腔室的方向上的所述在前加速部分，并且所述中心腔室的直径小于所述加速部分的直径。
29.根据权利要求26至28所述的系统，其中，所述压缩部分是截头锥形形状的，其中所述压缩部分的直径在第一端上比在第二端上更大，其中每个压缩部分的所述第二端比所述第一端更靠近所述中心腔室。
30.根据权利要求26至29所述的系统，其中，所述形成部分、所述一对或多对压缩部分以及所述一对或多对加速部分是轴向对称的。
31.根据权利要求26至30所述的系统，其中，围绕并轴向地沿着所述形成部分、所述加速部分和所述中心腔室布置多个有源磁线圈。
32.根据权利要求26至31所述的系统，还包括触发控制和开关系统，所述触发控制和开关系统被配置成实现在所述形成部分中的紧凑环形成和在所述加速部分中的轴向加速的分阶段对称序列。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统还被配置成在紧凑环形成和通过有源磁线圈的轴向加速的分阶段序列之后实现在分阶段的序列中通过有源磁线圈的所述紧凑环的磁压缩。
34.根据权利要求32所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统被配置成同步所述一对形成部分中的所述紧凑环形成和加速，以及同步所述一对或多对加速部分中的所述紧凑环加速。
35.根据权利要求33所述的系统，其中，所述触发控制和开关系统还被配置成同步所述紧凑环的压缩与所述形成部分中的所述紧凑环形成和加速、以及所述加速部分中的所述紧凑环加速。
36.根据权利要求26至35所述的系统，其中，所述压缩部分插入在所述中心腔室和相邻的加速部分之间。
37.根据权利要求26至36所述的系统，还包括多个DC磁线圈，所述多个DC磁线圈围绕并轴向地沿着所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分布置，以形成在所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分内的并且轴向地延伸通过所述中心压缩腔室以及所述形成、压缩和加速部分的偏置或DC引导场。
38.根据权利要求26至437所述的系统，还包括定位在所述中心压缩腔室内的用于快速衬里压缩的圆柱形壳体或衬里。
39.一种在系统中合并和压缩紧凑环等离子体的方法，所述系统包括中心腔室、径向相对的形成部分、一个或多个加速阶段、和插入在所述形成部分和相邻的加速阶段之间以及插入在所述中心腔室和相邻的加速阶段之间的多个压缩阶段，步骤包括：
在分阶段的对称序列中在所述形成部分以及所述加速阶段内形成紧凑环并朝向所述中心腔室的中间平面加速所述紧凑环，
在所述压缩部分内无源地绝热压缩所述紧凑环，以及
在所述中心腔室内对合并的紧凑环进行磁压缩。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，形成、加速和压缩紧凑环的步骤导致所述紧凑环在所述中心腔室内碰撞和合并。
41.根据权利要求39和40所述的方法，其中，形成和加速所述紧凑环的步骤包括为围绕并沿着所述形成部分和加速阶段轴向地的有源磁线圈供电。
42.根据权利要求39至41所述的方法，其中，压缩所述紧凑环的步骤包括将所述紧凑环平移通过所述压缩阶段的锥形收缩通量保持器。
43.根据权利要求39至42所述的方法，其中，形成和加速所述紧凑环的步骤还包括：同步地点火围绕并沿着所述形成和加速部分而定位的径向相对的有源磁线圈对。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，对合并的紧凑环进行磁压缩的步骤包括：同步地点火围绕并沿着所述压缩腔室而定位的有源磁线圈与点火围绕并沿着所述形成和加速部分而定位的有源磁线圈。
45.根据权利要求39至44所述的方法，其中，所述压缩部分插入在所述中心腔室和相邻的加速阶段之间。
46.根据权利要求39至45所述的方法，还包括生成在所述压缩腔室、所述形成部分、所述加速阶段和所述压缩阶段内的并轴向地延伸通过所述压缩腔室、所述形成部分、所述加速阶段和所述压缩阶段的DC引导场的步骤。
47.一种在系统内合并和压缩紧凑环等离子体的方法，所述系统包括中心腔室、形成部分、一个或多个加速阶段以及插入在所述形成部分和相邻的加速阶段之间以及插入在相邻的加速阶段之间的一个或多个压缩阶段，步骤包括：
在分阶段的序列中在所述形成部分和所述一个或多个加速阶段内形成第一紧凑环并朝向所述中心腔室的中间平面加速所述第一紧凑环，以与第二紧凑环碰撞和合并，
在所述一个或多个压缩阶段内无源地绝热压缩所述第一紧凑环，和
在所述中心腔室内对所述第一和第二紧凑环的合并紧凑环进行磁压缩。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，形成、加速和压缩所述第一紧凑环的步骤导致在所述中心腔室内所述第一紧凑环与所述第二紧凑环碰撞和合并。
49.根据权利要求47和48所述的方法，其中，形成和加速所述第一紧凑环的步骤包括为围绕并沿着所述形成部分和所述一个或多个加速阶段轴向地的有源磁线圈供电。
50.根据权利要求47至55所述的方法，其中，压缩所述第一紧凑环的步骤包括将所述紧凑环平移通过所述一个或多个压缩阶段的锥形收缩通量保持器。
51.根据权利要求47至56所述的方法，其中，形成和加速所述第一紧凑环的步骤还包括同步地点火围绕并沿着所述形成和加速部分而定位的所述有源磁线圈，其中所述第二紧凑环定位在所述中心腔室内。
52.根据权利要求47至51所述的方法，其中，所述一个或多个压缩阶段插入在所述中心腔室和相邻的加速阶段之间。
53.根据权利要求47至52所述的方法，还包括生成在所述压缩腔室、所述形成部分、所述加速阶段和所述压缩阶段内的并且轴向地延伸通过所述压缩腔室、所述形成部分、所述加速阶段和所述压缩阶段的DC引导场的步骤。
54.根据权利要求47至53所述的方法，还包括以下步骤：
在分阶段的序列中在所述形成部分和所述一个或多个加速阶段内形成第二紧凑环并朝向所述中心腔室的中间平面加速所述第二紧凑环，
在所述一个或多个压缩阶段内无源地绝热压缩所述第二紧凑环，和
当所述第二紧凑环穿过具有邻近所述中心腔室的一端所定位的反射镜的所述中心腔室时，将所述第二紧凑环朝向所述中心腔室的中间平面偏置返回。
55.根据权利要求47至54所述的方法，还包括以下步骤：
在分阶段的序列中在所述形成部分和所述一个或多个加速阶段内形成所述第二紧凑环并将所述第二紧凑环朝向所述中心腔室的中间平面加速，
在所述一个或多个压缩阶段内无源地绝热压缩所述第二紧凑环，和
当所述第二紧凑环穿过具有邻近所述中心腔室的一端所定位的反弹椎体的所述中心腔室时时，将所述第二紧凑环朝向所述中心腔室的中间平面偏置返回。
56.根据权利要求1至38所述的系统，其中，所述紧凑环是FRC和球形马克起始器等离子体之一。
57.根据权利要求1至38所述的系统，其中，所述压缩部分由导电材料形成，并且所述中心压缩腔室和所述形成和加速部分由非导电材料形成。
58.根据权利要求39至55所述的方法，其中，所述紧凑环是FRC和球形马克起始器等离子体之一。
59.根据权利要求39至55所述的方法，其中，所述压缩部分由导电材料形成，并且所述中心压缩腔室和所述形成和加速部分由非导电材料形成。
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