CN109920559A - 一种内离子源惯性静电约束聚变装置 - Google Patents

一种内离子源惯性静电约束聚变装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内离子源惯性静电约束聚变装置，包括阳极、阴极、与阴极连接的高压引入支撑杆、内离子源、真空系统、高压系统，其中，所述内离子源的阳极电位低于惯性静电约束聚变装置的阳极电位；在惯性静电约束聚变装置内设有离子运动轨迹微扰器，用于微扰改变离子运动的角动量。本发明采用内离子源技术可以长期约束离子在装置内的往返运动，采用离子运动轨迹微扰器可以避免离子返回离子源导致的离子损失，采用高真空环境可以避免由电离导致的离子损失和高压电源损耗。该装置由于可以长时间注入累积离子，因而可以提高中子产额和盈亏比。

Description

一种内离子源惯性静电约束聚变装置
技术领域
本发明涉及核聚变及中子源技术，具体涉及一种内离子源惯性静电约束聚变装置。
背景技术
目前国内外的核聚变技术主要包括四类；托卡马克、激光惯性约束、Z箍缩和惯性静电约束，这些技术各有优缺点。其中惯性静电约束装置最小，耗电量最小，没有聚变点火的难题，也没有复杂的等离子体动力学问题，其缺点主要是中子产额相对较低，目前与能量的盈亏平衡的距离较大。目前国内外的中子源主要分为放射性同位素中子源和加速器中子源，加速器中子源种类较多，包括自密封的中子管、基于高压加速器、回旋加速器、同步加速器、直线加速器等大型加速器的中子源，惯性静电约束装置也可以看作一种加速器中子源。虽然惯性静电约束装置的中子产额相对于大型加速器中子源的低，但一般高于自密封中子管的。
目前国外的惯性静电约束装置输入电功率从几百瓦到几千瓦，中子产额最高为108n/s的量级，工作气压从几Pa到10-2Pa。对于1千瓦的功率输入，如果要达到能量的盈亏平衡所需要的氘氘中子产额约为1015n/s的量级。因此如何降低装置的电功率输入和提高中子产额是实现盈亏平衡所需要重点解决的问题。
惯性静电约束装置输入的电功率主要消耗在电离的工作气体产生的电子流上。虽然电离的氘离子可以在装置内来回振荡，但电子一产生就向阳极运动而损失掉，从而形成损耗电流。为此日本的Kajiwara等人提出采用双球网电极方案，即最外层的真空隔离金属球接地，中间的金属球网接正高压，最内层的金属球网接地或负高压。这样大部分在中间球网内电离的电子围绕中间球网来回振荡，从而可以大大减小损耗电流。然而，由于中间球网的存在，总会有部分电子损失在中间球网上。此外，被电离获得加速后的氘离子会俘获电子复合为氘原子，而这种氘原子大部分不受约束地碰撞到外层真空腔壁上而损失能量。不过这个方案可以将惯性静电约束装置输入的电功率从几千瓦降低到几百瓦，但同时其中子产额也降低了1/3。
为了提高核聚变效率，美国威斯康星大学核聚变所提出采用外部离子源将氦3离子注入到惯性静电约束装置，但是受结构和原理的限制，氦3离子只能一次通过惯性静电约束装置，其利用效率很低。其原因是由于，采用的外部离子源阳极电位高于地电位，而离子源阴极电位等于地电位。这样当氦3离子穿过惯性静电约束装置球网阴极运动到最外层的真空腔壁时，离子的运动速度等于或接近从离子源引出的速度而不能降为零，因而不能约束住氦3离子的运动而损失掉。此外，离子束流在惯性静电约束装置内运动的损失很大，直线运动一个来回，束流仅剩注入束流的4％左右，因此初始注入离子束的多次来回运动是很难的。离子束在运动过程中的损失主要是由于其与背景气体的电离损失，离子能量主要以电磁辐射和热能的形式散发出去，参与核反应的能量仅占总能量的一亿分之一以下。
总之，由于上述原因而难以提高惯性静电约束装置的中子产额和达到盈亏平衡。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供一种内离子源惯性静电约束聚变装置，提高聚变装置的中子产额和盈亏比。
本发明的技术方案如下：一种内离子源惯性静电约束聚变装置，包括阳极、阴极、与阴极连接的高压引入支撑杆、内离子源、真空系统、高压系统等，其中，所述内离子源的阳极电位低于惯性静电约束聚变装置的阳极电位；在惯性静电约束聚变装置内设有离子运动轨迹微扰器，用于微扰改变离子运动的角动量。
进一步，如上所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其中，所述阴极采用网状球形结构，通过所述高压引入支撑杆接负高压；惯性静电约束聚变装置的阳极作为真空腔壁接地，或者阳极采用网状球形结构接正高压并置于更大的接地的真空腔壁内。
进一步，如上所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其中，所述的离子运动轨迹微扰器为电场微扰器或磁场微扰器；电场微扰器可以为连接到惯性静电约束聚变装置阳极的金属板；磁场微扰器可以为能够产生小区域磁场的磁铁，磁场作用区域一般小于网状球形阴极的体积，并位于阳极附近。
进一步，如上所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其中，所述的离子运动轨迹微扰器的位置处于所述内离子源相对于惯性静电约束聚变装置阴极中心的对称位置或略偏离对称位置。
进一步，如上所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其中，内离子源注入离子的角动量可以由零角动量变为非零角动量，也可以由非零角动量变为反向角动量或零角动量；如果注入离子的角动量为零角动量，同时采用电场微扰器时，电场微扰器的位置需处于所述内离子源相对于惯性静电约束聚变装置阴极中心的略偏离对称位置。
进一步，如上所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其中，所述内离子源置于惯性静电约束聚变装置的阳极内，或者置于惯性静电约束聚变装置的阳极外。
进一步，如上所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其中，当所述内离子源置于惯性静电约束聚变装置的阳极外时，内离子源的阴极需穿过惯性静电约束聚变装置的阳极伸入其内部，实现离子束的注入，并且可在惯性静电约束聚变装置阳极外的内离子源阴极外部附加聚焦磁铁。
进一步，如上所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其中，所述内离子源置于与高压引入支撑杆垂直的通过惯性静电约束聚变装置中心的平面上。
进一步，如上所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其中，真空腔的真空度好于10-3Pa。
进一步，如上所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其中，所述内离子源和离子运动轨迹微扰器可以分别或同时设置多个。
本发明的有益效果如下：本发明所提供的内离子源惯性静电约束聚变装置，通过采用内离子源技术可以长期约束离子在装置内的往返运动，采用离子运动轨迹微扰器改变离子运动的角动量，可以避免离子返回离子源导致的离子损失，从而延长离子在惯性静电约束聚变装置中的振荡时间，通过采用高真空环境可以避免由电离导致的离子损失和高压电源损耗。该装置由于可以长时间注入累积离子，因而能够提高中子产额和盈亏比。
附图说明
图1为本发明实施例中腔内离子源零角动量注入的惯性静电约束聚变装置结构示意图；
图2为本发明实施例中腔外离子源非零角动量注入的惯性静电约束聚变装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提出了一种内离子源惯性静电约束聚变装置，包括阳极、阴极、与阴极连接的高压引入支撑杆、内离子源、真空系统、高压系统，该装置采用内离子源技术，同时通过设置离子运动轨迹微扰器，采用微扰电场或磁场改变离子振荡轨迹，延长其在惯性静电约束装置中的振荡时间，提高中子产额和盈亏比。所谓内离子源是指，离子源阳极电位低于惯性静电约束装置的阳极电位，离子源并不一定置于惯性静电约束装置阳极内。为了提高对撞几率，可采用多个内离子源。此外，为了减少离子在惯性静电约束装置中运动时的电离损失，真空腔内的真空度尽量高，需要好于10-3Pa。聚变反应主要发生在离子源注入束流来回振荡的惯性静电约束装置阴极附近。来回振荡的离子对撞，如果没有产生核反应而发生大角散射，可由惯性静电约束装置约束散射后的离子，使其重新振荡回阴极球网内，再次参与核聚变。根据离子源注入离子的角动量以及离子运动轨迹微扰器的类型，微扰电场或磁场的位置可以处于所述内离子源相对于惯性静电约束聚变装置阴极中心的对称位置或略偏离对称位置，其作用是改变注入束流相对于惯性静电约束装置中心的角动量，避免返回的离子碰撞离子源或返回到离子源阳极。注入离子可以由角动量为零经微扰改变为非零，也可以由角动量为非零经微扰改变为零，当然还可以在微扰前后的角动量都为非零。
实施例1
图1所示为一种内离子源4置于惯性静电约束装置阳极1内的实施方式，阳极1可以作为真空腔壁接地，也可以采用网状球接正高压并置于更大的接地的真空腔壁内。惯性静电约束装置的阴极2采用网状球形结构，一般通过高压引入支撑杆3接负高压，高压引入支撑杆3与阳极1和真空腔壁(如果存在)绝缘。为了避免高压引入支撑杆3对离子运动的不利影响，可以将内离子源4置于与高压引入支撑杆3垂直的通过惯性静电约束装置中心的平面上，图1中的离子运动轨迹6也可以在这个平面内。离子运动轨迹微扰器5可以是一个连接到惯性静电约束装置阳极的金属板，也可以是一个位于惯性静电约束装置内的能够产生小区域磁场的磁铁，磁场作用区域一般小于网状球形阴极的体积，并位于阳极附近。
从内离子源4引出的离子束向惯性静电约束装置阴极2中心加速运动，穿过阴极球网后，离子做减速运动。如果没有离子运动轨迹微扰器5，惯性静电约束装置阳极1所形成的电场是球形的有心力场，离子在减速到零之后反向直线运动，在理想状态下会返回到离子源源体内。然而受空间电荷力和阴极球网的畸变电场等因素影响，很大一部分离子会损失到内离子源的阴极和阳极上，因此这就很大地影响了离子的利用效率以及盈亏比。
如果离子运动轨迹微扰器5采用电场微扰器(可以是一个连接到惯性静电约束装置阳极的金属板)，与内离子源4完全关于惯性静电约束装置阴极2中心对称，则离子在减速运动过程中感受不到垂直于其运动方向的周向的电场分力，就没有角动量的改变，只能按原路直线返回。如果电场微扰器5偏离中心对称位置一点，就会为离子提供周向的电场分力，从而改变离子运动的角动量。
非零角动量离子在有心力场中的闭合运动轨迹为椭圆，因此第一次返回的离子会运动到图1中离子源4的右侧。离子源4被连接在阳极1的金属包裹，这就可以给离子提供反向的角动量，这样离子就可以沿半个椭圆来回运动。实际的离子运动轨迹受空间电荷力和球网的畸变电场等因素影响，不可能是标准的半椭圆运动，只能是类似半椭圆的运动。
如果电场微扰器5提供的周向力足够大，会形成离心率较小的离子椭圆运动轨迹，即椭圆的长短轴差值更小，这样的椭圆运动可以避开与离子源的碰撞，从而可以形成完整的椭圆运动。随着例子回旋运动次数的增加，椭圆会变得越来越圆，同时其轨迹离离子源4和电场微扰器5的距离也越来越远，直到离子运动轨迹上的离子感受到的电场畸变很小了。
在离子运动的平面内，还可以放置多个离子源4和离子运动轨迹微扰器5，而不同离子源产生的离子运动轨迹很容易交叉，从而提高核聚变的几率。由于惯性静电约束装置内采用高真空，甚至极高真空，离子运动过程中与背景气体的碰撞几率很小，只有与阴极2碰撞的可能，只要离子运动轨迹设计合理，阴极的透过率高，离子就可以长时间运动。
实施例2
图2所示为一种内离子源4置于惯性静电约束装置阳极1外的实施方式，该装置在惯性静电约束装置阳极1的球体上开孔，离子由开孔注入惯性静电约束装置。内离子源等离子体及内离子源的阳极41的电位低于惯性静电约束装置阳极1的电位。内离子源阴极42接一个中空圆筒插入到惯性静电约束装置阳极1内，插入的深度是在没有插入时惯性静电约束装置的电位等于内离子源阴极42的电位的位置，当然其深度可以有深浅的调整，只要不影响离子束的注入即可。在惯性静电约束装置阳极1外的离子源阴极筒42外还可以通过设置聚焦磁铁7的方式附加磁场聚焦，以便改善束流运动的性能。图2中的内离子源4可以采用更高输出流强的离子源。
图2注入的是非零角动量离子束。束流在第一次运动到离子运动轨迹微扰器5时，如果将离子角动量直接降低为零，在直线运动到内离子源一侧，不管离子源对其有无角动量的改变，在后续的运动中，离子运动轨迹微扰器5对离子运动的影响较大，使得反向的角动量只会越来越大。因此，离子的稳定运动状态为类椭圆运动。如果离子运动轨迹微扰器5只对离子产生较小的角动量改变，即每次回旋运动的角动量有一个小量的减小，而且减小的越来越小，例如每次减小的角动量为本次回旋角动量的1/2。这样离子的运动轨迹就越来越接近直线运动，直到其感受不到离子运动轨迹微扰器5引起的畸变电场。在图2中，初次入射的离子运动轨迹61有较大的角动量，最终运动轨迹62的角动量接近零。而角动量为零的直线运动会产生大量离子对撞。
如果离子运动轨迹微扰器采用磁场微扰器，磁场作用区域一般小于网状球形阴极的体积，并位于阳极附近。在磁场作用下，零动量注入的离子可以变为非零动量；而非零动量注入的离子一般难以变为零动量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种内离子源惯性静电约束聚变装置，包括阳极(1)、阴极(2)、与阴极(2)连接的高压引入支撑杆(3)、内离子源(4)、真空系统、高压系统，其特征在于：所述内离子源(4)的阳极电位低于惯性静电约束聚变装置的阳极电位；在惯性静电约束聚变装置内设有离子运动轨迹微扰器(5)，用于微扰改变离子运动的角动量。
2.如权利要求1所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其特征在于：所述阴极(2)采用网状球形结构，通过所述高压引入支撑杆(3)接负高压；惯性静电约束聚变装置的阳极(1)作为真空腔壁接地，或者阳极(1)采用网状球形结构接正高压并置于更大的接地的真空腔壁内。
3.如权利要求1或2所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其特征在于：所述的离子运动轨迹微扰器(5)为电场微扰器或磁场微扰器；电场微扰器可以为连接到惯性静电约束聚变装置阳极的金属板；磁场微扰器可以为能够产生小区域磁场的磁铁，磁场作用区域一般小于网状球形阴极的体积，并位于阳极附近。
4.如权利要求3所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其特征在于：所述的离子运动轨迹微扰器(5)的位置处于所述内离子源(4)相对于惯性静电约束聚变装置阴极中心的对称位置或略偏离对称位置。
5.如权利要求4所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其特征在于：内离子源注入离子的角动量可以由零角动量变为非零角动量，也可以由非零角动量变为反向角动量或零角动量；如果注入离子的角动量为零角动量，同时采用电场微扰器时，电场微扰器的位置需处于所述内离子源相对于惯性静电约束聚变装置阴极中心的略偏离对称位置。
6.如权利要求1或2所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其特征在于：所述内离子源(4)置于惯性静电约束聚变装置的阳极(1)内，或者置于惯性静电约束聚变装置的阳极(1)外。
7.如权利要求6所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其特征在于：当所述内离子源(4)置于惯性静电约束聚变装置的阳极(1)外时，内离子源(4)的阴极(42)需穿过惯性静电约束聚变装置的阳极(1)伸入其内部，实现离子束的注入，并且可在惯性静电约束聚变装置阳极外的内离子源阴极外部附加聚焦磁铁(7)。
8.如权利要求1或2所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其特征在于：所述内离子源(4)置于与高压引入支撑杆(3)垂直的通过惯性静电约束聚变装置中心的平面上。
9.如权利要求2所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其特征在于：真空腔的真空度好于10-3Pa。
10.如权利要求1所述的内离子源惯性静电约束聚变装置，其特征在于：所述内离子源(4)和离子运动轨迹微扰器(5)可以分别或同时设置多个。
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