CN109949947B - 用于缓解聚变设备中等离子体破裂的方法和设备 - Google Patents

Abstract

示例性芯块可用于磁聚变设备以缓解等离子体破裂。在一些实施例中，可以低温冷却芯块，这可使得芯块电导率升高。芯块的高导电率可以从芯块内部屏蔽出等离子体的磁场。等离子体磁场的屏蔽可以降低芯块的融化率，这可以允许更深的芯块穿透和更适合的沉积材料的空间分布，以恰当地缓解等离子体破裂。在一些其他实施例中，芯块可以是未被低温冷却的。

Description

用于缓解聚变设备中等离子体破裂的方法和设备

技术领域

本专利文件涉及用于热核聚变技术的系统、设备和流程。

背景技术

托卡马克(tokamak)是一种设备，其利用磁场，例如以环形(torus)的形状，在空间上约束等离子体，以使产生受控的热核聚变发电(power)所需的高温等离子体被产生。在托卡马克设备中使用磁场进行约束，部分是因为固体材料不能承受用于热核聚变的等离子体的极高温度。在托卡马克中，通过产生以螺旋形状围绕环形移动的磁场线，可以实现稳定的等离子体平衡。这样的螺旋场可以通过添加圆中的围绕环形传播的环形场和在正交于环形场的圆中传播的极向场来产生。在实施方式中，环形场可以由围绕环形的电磁铁产生，并且极向场可以通过在等离子体内流动的环形电流产生，并且可以通过例如使用第二组电磁铁在等离子体内部感应。

在大的环形电流下，各种磁约束聚变设备倾向于表现出不期望的等离子体不稳定性。这种等离子体不稳定性的非线性演变可导致等离子体电流在短周期时间内(例如，大约几毫秒)熄灭(quench)。这种熄灭可以引起高能(energetic)逃逸电子，这些电子逃离空间受约束的等离子体并且可潜在地导致等离子体约束的快速损失。这些逃逸电子可与面对等离子体的部件碰撞，并且可通过例如在这些部件中造成强热(intense heat)而损坏部件。这种现象称为等离子体破裂(disruption)。

发明内容

公开了能够用于缓解(mitigate)等离子体破裂的磁聚变设备的示例性芯块(pellet)的技术、系统和设备。示例性芯块能够在穿透(penetrate)等离子体的同时缓解等离子体破裂。因此，所公开的技术能够增强芯块的穿透深度并且能够允许芯块达到等离子体的中心堆芯(central core)。示例性芯块也能够以中空壳体(hollow shell)的形式被引入磁聚变设备中，中空壳体包括小颗粒或多孔材料的内部有效载荷，从而减少在意外撞击的事件下磁聚变设备远壁的损坏可能性。

一个示例性实施例公开了聚变设备。所述示例性聚变设备包括：等离子体容器，构造为包括中空内部以约束等离子体；多个环形场线圈，围绕等离子体容器的外表面的不同部分缠绕，该多个环形场线圈被配置为将等离子体磁性地约束在等离子体容器内部；存储设备，该存储设备存储芯块；以及芯块注入器，被放置以从存储设备接收芯块并且可操作地将芯块注入所述等离子体容器。

在一些实施例中，存储设备是存储和冷却芯块的低温恒温器(cryostat)存储设备，并且其中芯块具有金属外部。在一些实施例中，其中低温恒温器存储设备被配置为冷却多个芯块至小于或等于40开尔文(kelvin,K)。在一些实施例中，低温恒温器存储设备被配置为冷却多个芯块至10开尔文(K)。

在一些实施例中，芯块包括固体芯块。在一些实施例中，芯块包括中空壳体芯块。在一些实施例中，每个中空壳体芯块封装(encapsulate)有效载荷。在一些实施例中，有效载荷包括颗粒或多孔材料。在一些实施例中，有效载荷包括锂、氘化锂、铍、氘化铍、硼、氮化硼或钨。在一些实施例中，每个芯块包括锂或铍。

在一些实施例中，等离子体容器成形为D形环形。在一些实施例中，芯块注入器包括单级轻气枪(single-stage light gas gun)。

在一些实施例中，每个芯块包括封装有效载荷的中空壳体。在一些实施例中，中空壳体包括锂、氘化锂、铍、氘化铍或氮化硼。在一些实施例中，有效载荷包括锂、氘化锂、铍、氘化铍、硼、氮化硼或钨。

另一实施例公开了缓解等离子体破裂的方法。该示例性方法包括将等离子体磁性地约束在等离子体容器中，存储芯块并将所存储的芯块注入等离子体容器。在一些实施例中，该示例性方法还包括冷却所存储的芯块至小于或等于40开尔文(K)。在一些实施例中，所存储的芯块被冷却至接近10开尔文(K)。

附图说明

图1示出示例性磁聚变设备的横截面视图；

图2示出对于示例性芯块的磁屏蔽的概念；

图3示出示例性锂和铍样品的电阻率与温度的曲线；

图4A-图4D示出围绕冷却至40开尔文(K)的示例性融化(ablating)轻金属芯块的磁位形(magnetic configuration)的模拟；

图5示出在磁聚变设备中注入芯块的示例性方法；

图6示出另一示例性芯块的横截面视图。

具体实施方式

基于在本文件中公开的技术，在操作诸如托卡马克的磁约束聚变设备时，可以将芯块注入到热聚变等离子体，以缓解不期望的等离子体破裂。但是，由于热聚变等离子体所导致的加热，注入的芯块倾向于快速蒸发。这种蒸发可以限制注入的芯块向热聚变等离子体穿透的深度。芯块在完全蒸发前向受约束等离子体的堆芯的穿透能够缓解不期望的等离子体破裂。等离子体与芯块的融化材料的相互作用能够使得等离子体辐射掉其热能，由此将其散布在宽的区域，而不是允许不受控的热能损失至面对聚变设备的部件的等离子体周围。等离子体可由嵌套(nested)的磁通表面约束，但是当这些表面在等离子体破裂期间被破坏，等离子体的热能可以快速逸出至周围的材料结构而导致破坏。在本文件中公开的技术能够被用于部分基于工程和控制示例性芯块的化学成分、结构或温度，以缓解等离子体破裂。在一些实施例中，示例性芯块的结构可以包含壳体和在壳体中称为有效载荷的材料。壳体和有效载荷一旦被分散到等离子体中即能够被等离子体电离，并且能够允许能量辐射出等离子体。示例性芯块能够帮助部分地缓解等离子体破裂，这是由于芯块的壳体能够被用于在有效载荷的一些部分开始电离之前，将至少一些有效载荷携带至等离子体中。所述示例性实施例公开了冷却的芯块和未冷却的芯块两者，在这两种芯块的壳体将壳体材料和有效载荷二者都分解释放到等离子体之前，其壳体能够穿透到等离子体中的速度不同。

所述示例性实施例首先描述在将芯块引入磁约束聚变设备中之前能够被低温冷却的芯块。冷却的芯块可以具有固体形式或中空壳体形式。每个冷却的芯块可包括锂或铍。具有中空壳体形式的冷却的芯块能够封装有效载荷。冷却的芯块的有效载荷可包括颗粒或多孔材料。冷却的芯块的有效载荷可包括锂、氘化锂、铍、氘化铍、硼、氮化硼或钨。

所述示例性实施例还描述在将芯块引入磁约束聚变设备中之前可能未被低温冷却的芯块。未冷却的芯块可包括封装有效载荷的中空壳体。未冷却的芯块的中空壳体可包括锂、氘化锂、铍、氘化铍或氮化硼。未冷却的芯块的有效载荷可包括锂、氘化锂、铍、氘化铍、硼、氮化硼或钨。

转向使用低温措施的实施例，合适的芯块的示例可包括具有金属外部的芯块，金属外部可包括具有低原子序数(Z)的金属。示例性芯块可以可选地被放在处于极低(cryogenically)低温下的低温恒温器中，这使得冷却的芯块的电导率上升。冷却的芯块能够被传送到芯块枪并加速至期望的高速度以进入磁聚变设备，例如托卡马克。芯块的高电导率可以从每个芯块的内部屏蔽出(screen out)等离子体磁场。该屏蔽降低了芯块的融化率，允许更深的芯块穿透和更适合的沉积材料的空间分布(profile)，以恰当缓解等离子体破裂。

图1示出示例性磁聚变设备(100)的横截面，其中低温冷却芯块(116)被注入到用于在空间上约束磁化的等离子体(111)为环形形状的等离子体容器(115)。如图1左侧中心线(C_L)指示，所述等离子体容器(115)可被构建为D形环形。等离子体堆芯(111)的磁场区域由包含多个环形场线圈(110)的磁笼(magnetic cage)围绕。所述磁笼可由围绕等离子体容器的外表面的不同部分缠绕的多个环形场线圈(110)形成。磁笼被构造为磁性地约束等离子体(111)。

等离子体(111)的横截面形成具有由左侧虚线指示的对称轴(C_L)的环形。一旦芯块穿过磁笼，所述场可开始从示例性芯块(116)的内部被排斥。最终闭合的通量表面中的白色区域代表等离子体堆芯(111)。

在一些实施例中，芯块注入器(106)被用于注入示例性芯块(116)到等离子体(111)中。例如，芯块注入器(106)可包括单级轻气枪。等离子体与示例性芯块(116)的融化后的材料的相互作用使得等离子体(111)辐射掉其热能，由此将其散布在宽的区域，而不是允许不受控的热能损失至面对部件的等离子体周围。等离子体可由嵌套的磁通表面(112)约束。约束等离子体的相同的磁场也可以被操纵以控制芯块(116)的融化率。

图2示出当示例性芯块(208)的磁屏蔽(206)使等离子体的磁场(202)围绕芯块转向时的示例性实施例。等离子体电子(204)沿着磁场线(202)，该磁场线(202)通过抗磁效应从金属芯块(208)内部被排斥。此外，撞击在芯块(208)上的热通量由等离子体电子(204)承载，该等离子体电子(204)由于被固定在磁力线(202)上而被强烈磁化。因此，当这些磁力线围绕芯块转向时，热通量也将围绕芯块转向。结果，芯块的蒸发率可被降低，从而允许芯块更深地穿透到等离子体内部中。

使得磁场线(202)围绕金属芯块(208)转向的物理机制是抗磁现象。示例性芯块(208)可以为固体形式或具有合适几何形状的中空壳体形式，例如中空球壳。中空壳体的中空内部可以由有效载荷材料填充。在一些实施例中，有效载荷可以是松散堆积颗粒的形式，例如，在一些实施方式中大小范围为10到200微米。在一些其他实施例中，有效载荷可以为多孔材料的形式。

在一些实施例中，用于缓解破裂的示例性芯块(208)可包括固体，该固体包括例如锂或铍的低Z金属或轻金属。在一些实施例中，用于缓解破裂的示例性芯块(208)可包括中空壳体形式，其中用于芯块的外壳材料由锂或铍组成。在示例性实施例中，中空壳体内部的有效载荷可包括低Z材料，例如锂(Li)、氘化锂(LiD)、铍(Be)、氘化铍(BeD)、硼(B)、氮化硼(BN)和钨(W)中的一种或多种。

在一些实施例中，通过使用合适的低温恒温器存储设备(102)将这些材料冷却到接近10开尔文(K)，例如锂或铍的低Z或轻金属元素的电导率能够增加至室温值的100至1000倍。在一些实施例中，通过使用所述低温恒温器存储设备(102)将芯块冷却至40K或更低，可以实现锂或铍的低Z轻金属芯块的高电导率，以缓解在例如托卡马克的磁聚变设备等离子体中的破裂。锂或铍材料是非磁性结晶固体金属，其电导率的温度依赖性源于电子-声子散射。在此情况下，电阻率ρ(电导率的倒数，ρ＝1/σ)由如下布洛赫-格临爱森(Block-Gruneisen)公式给出：

其中ρ(0)是由于晶体缺陷或杂质的电子散射导致的在零温度下的剩余电阻率，以及第二项是由电子-声子相互作用引起的温度相关部分，Θ_D是德拜(Debye)温度，ρ_*是在此温度的电阻率，以及α＝4.225是数值常数。在远低于德拜温度的温度下，通常约为300-400K，电阻率随着T⁵接近零而显著下降。

图3示出锂样品(Li)(302)，和铍样品(Be)(多晶(304)；纯晶体(306))的电阻率与温度的曲线。图3示出虽然零温度下的剩余电阻率很明显，但在冷却到低温时，特别是接近绝对零度时，电导率会显著增加。剩余电阻率因样品而异，取决于样品是如何制备的和其有多纯。

通过预冷却芯块所带来的高电导率可以使磁场到芯块中的扩散时间

与具有速度V的芯块的穿透相当

τ_p～a/V

其中σ是电导率，μ₀为自由空间的渗透率，其等于4π×10^-7，r_p是芯块半径，以及a是等离子体的小半径(minor radius)。

回到图1，可以从没有磁场的、距等离子体(111)一定距离处注入芯块(116)。芯块注入器(106)耦合到等离子体容器(115)。在一些实施例中，芯块注入器(106)可将芯块(116)注入到芯块注入管(108)中。芯块注入管(108)的一端连接到芯块注入器(106)，并且芯块注入管(108)的另一端可耦合到等离子体容器(115)并且可以延伸超过环形场线圈(110)和不锈钢(SST)壁(114)。通过在距环形场线圈(110)一定距离处的芯块注入管(108)注入芯块(116)，这允许芯块在其进入磁聚变设备的磁笼时在其内部没有场。一旦芯块(116)在磁笼内，通过在芯块表面上的循环涡流(eddy current)，所述场开始从芯块的内部被排斥。根据楞次定律(Lenz’s law)，这些涡流阻止了磁场在一段时间内扩散到芯块中。穿透时间或磁扩散时间取决于芯块的电导率。

在一些实施例中，磁聚变设备包括用于存储芯块(116)的低温恒温器存储设备(102)。低温恒温器存储设备(102)连接到芯块注入器(106)。在一些实施方案中，低温恒温器存储设备(102)可通过芯块传送设备(104)连接到芯块注入器(106)。通过使用低温恒温器存储设备(102)，通过将芯块预冷却至超低温来增加芯块的电导率。在一些实施例中，通过将芯块浸入液氦浴中，可将芯块冷却至接近绝对零度。在一些实施例中，可以将芯块在液氦浴中冷却至小于或等于40开尔文(K)。在一个示例性实施例中，可以将芯块在液氦浴中冷却至约10开尔文(K)。

图1示出了磁聚变设备(100)的示例性横截面，示出了具有约束等离子体的嵌套的磁通表面(112)的等离子体(111)，以及产生等离子体内的强磁场(从页面向外)的环形磁场线圈(110)的位置，在环形线圈笼外面没有磁场。在一些实施例中，在将芯块以高速度V注入等离子体(111)之前，将芯块(116)存储在低温恒温器存储设备(102)中，并将它们冷却至40K。由于芯块(116)在无场区域发射，芯块内部没有磁场。

当芯块离开芯块注入管(108)时，它们突然暴露于环形磁场，所述环形磁场通过抗磁效应突然从芯块内部被屏蔽。当芯块(116)经过等离子体(111)时，通过在芯块表面上流动的抗磁电流来屏蔽磁场，从而减少落在芯块表面上的等离子体热通量。将磁场扩散到芯块中的特征时间τ_d与芯块到达等离子体的中心区域的时间τ_p相当，对于以约500m/s的速度注入磁聚变设备的芯块，该时间可以是约4ms。在没有磁屏蔽时，芯块可能在到达等离子体堆芯之前完全蒸发。芯块仍然具有小的剩余电阻率，因此所述场在由所述剩余设定的特征时间尺度τ_d上扩散到芯块中。

图4A-4D示出了围绕冷却至40K的示例性融化轻金属芯块的磁位形的模拟，其中，t′＝t/τ,τ＝μ₀σr_p ²/π²，r_p是芯块半径，并且σ是芯块电导率。图4A-4D中所示的模拟使用球面坐标系(r,θ,φ)，其中芯块(400)的中心位于原点r＝0。将芯块(400)归一化为单位圆r＝1。图4A-4D示出了在截经对称轴θ＝0的常数φ平面上的场和流的实际投影，该对称轴在图中对应于x轴，因此x＝rcosθ并且y＝rsinθ。从每个图的左侧到右侧绘制的实线表示选定的磁流线。单位圆上的芯块(400)的表面与第一虚线(402)之间的环状区域是融化流的惰性气体部分。第二虚线(404)示出了存在震荡的表面，将沿着r方向的纯径向流转变为沿着扭曲磁场线的平行流。在第一虚线(402)和第二虚线(404)之间的区域是电离的融化流区域。

在图4A中，箭头示出融化芯块附近的融化流矢量。由于向外电离的融化流，磁场在芯块中的扩散(称为涡流衰减)是不完整的。t＝0处的磁场初始地被从芯块中完全排斥，而初始地将热通量减少到零。对于t>0，当芯块在等离子体中移动的同时，磁场扩散到芯块中。由于向外的融化流和电离气体，即使对于长时间，芯块内部的磁场依然可以被减少。

进一步分析包括芯块附近的磁场结构的时间演变，假设电流和磁场保持轴对称，其中对称轴是远离芯块的未受干扰的磁场的直的方向。在这种示例性模型中，磁屏蔽效应通过融化和电离的气体的向外膨胀而增强。融化流出物在芯块附近相对不受干扰，其中在芯块附近融化流出物的压力明显大于磁压。因此，在芯块附近，流出物几乎球形对称并且能够流经磁场。经过磁场的电离气体的流产生电磁场(EMF)，该电磁场通过欧姆定律在电离气体内产生方位电流(azimuthal current)。该电流以与在芯块中流动的涡流相同的方向流动。两个电流相加，从而增强了芯块最邻近区域的屏蔽效果。由于膨胀，融化压力随着距芯块的距离而减小，直到在一定距离处融化压力变得与磁压相当并且进一步膨胀被阻止。超过该距离，随着膨胀停止而几乎没有电流流动并且电离气体被强制随磁场流动。在一些实施例中，芯块中的高电导率和向外流动的融化材料的有限电导率可以延长磁场向芯块中扩散的时间。示例性模型计算磁场渗入芯块的时间，并发现在屏蔽期间，芯块的融化率可以显著降低，在磁聚变设备等离子体中降低约4-6倍。如图4A-4D所示，在芯块表面附近磁场强度和与磁场强度成正比的热通量大大减小。

图5示出在磁聚变设备中加入示例性芯块的示例性方法(500)。该示例性方法包括约束操作(502)，其中磁笼用于将等离子体约束在等离子体容器中。在存储操作(504)中，示例性芯块存储在芯块存储设备中。在可选的传送操作(506)中，芯块传送设备可以将芯块从芯块存储设备传送到芯块注入器。在注入操作(508)中，芯块注入器可将芯块注入等离子体容器中以将芯块暴露于等离子体。在一些实施例中，还可在传送操作(506)之前执行冷却操作。冷却操作可包括使用低温恒温器存储设备冷却芯块。

示例性实施例涉及用于增强在等离子体约束设备(例如，托卡马克等离子体设备)的热等离子体中所注入的抛射体(projectile)的穿透深度的方法。在等离子体深处注入杂质微粒可保护等离子体约束设备而免于等离子体破裂事件的严重性。在一些实施例中，所公开的技术使用金属杂质芯块的注入以通过在大区域上辐射掉等离子体热能来实现受控的等离子体关闭。所公开的技术还通过引入磁屏蔽现象实现深穿透的能力。磁屏蔽是指当冷却到极低低温时金属材料的强抗磁性，其中电阻变得非常小，从而增加电导率。抗磁性不是永久的。然而，低温下的抗磁性的影响的持续时间使得约束等离子体的约束磁场在其传输通过等离子体的过程中将从芯块的内部被排除，这反过来暂时防护芯块免受强等离子体的热通量影响。

图6示出了另一种示例性芯块的横截面，例如可以在没有冷却处理的情况下用于磁聚变设备中的壳体芯块(shell pellet)。示例性壳体芯块可以存储在存储设备中，并且可以使用芯块传送设备将其送至芯块注入器，该芯块传送设备将示例性芯块送至等离子体容器。示例性壳体芯块(600)包括外壳(602)和有效载荷(604)，有效载荷可包括致密堆积的颗粒或多孔材料。在一些实施方案中，薄壳中空芯块(600)由有效载荷(604)填充，有效载荷例如为大小范围为10至200微米的小颗粒。小颗粒可以是金属或绝缘材料，其可以用作壳体芯块的有效载荷。壳体(602)在飞过热等离子体的同时经历融化，同时将内部有效载荷与等离子体热通量屏蔽，直到在等离子体内更深的某个特定点处，壳体(602)分解，使有效载荷(604)暴露于等离子体。一旦发生这种情况，微粒开始升温并熔化或蒸发。在熔化状态下，由于不均匀的表面融化压力的剪切作用(shearing action)，颗粒可能会碎裂成较小的液滴。固体芯块不会破碎，因为芯块材料的剪切强度通常超过融化压力的不均匀性。由于碎裂成较小的微粒大大增加了表面与体积比，摩擦减速和融化(质量损失)速率二者急剧增加。结果，微粒有效载荷物质可以更容易地分散并被捕获在辐射冷却的等离子体内，实现等离子体致密化。

在一些实施例中，封装有效载荷(604)的壳体(602)可包括具有所需或足够结构强度的低Z材料，以承受芯块注入管中的加速力而不会破碎。用于示例性壳体(602)的材料可包括例如轻金属，例如锂(Li)或铍(Be)，或相关的绝缘化合物，例如氘化锂(LiD)，或氘化铍(BeD)，或氮化硼(BN)。在一些实施例中，壳体内的有效载荷(604)可包括与其壳体类似的材料，包括例如锂(Li)、氘化锂(LiD)、铍(Be)、氘化铍(BeD)、硼(B)、氮化硼(BN)或钨(W)。

可以设计或选择用于冷却的芯块和未冷却的芯块的化学成分以减少或最小化污染物进入芯块容器。例如，可以在一些等离子体容器的内壁上使用锂以改善整体等离子体性能。用于这种等离子体容器的示例性芯块的示例性壳体和有效载荷可以包括锂，其可以缓解等离子体破裂并且可以最小化将污染物引入等离子体容器中。类似地，对于未冷却的芯块，使用诸如锂的轻金属也可以使真空容器内的不希望的元素最小化。

使用轻金属低Z芯块的益处为可以低温冷却低Z芯块以引起此专利文件中描述的磁屏蔽效应。使用包含绝缘化合物的芯块的益处为它们允许分子化合物具有更高的蒸发热和离解热，这降低了融化率并促进了更深的穿透。使用低Z壳体的另一个好处是这种使用允许等离子体以较慢的速率辐射冷却。电阻磁流体动力学(Magnetohydrodynamics，MHD)理论警告要注意不要通过挥发性杂质在q＝2的磁共振表面上冷却等离子体。否则，电阻扭曲(kink)或撕裂模可能破坏外磁表面并触发向内传播的冷却前沿。因此，从内向外冷却优于从外部冷却，因为等离子体的中心区域具有比外部区域更少的合理或不稳定的磁性表面。

融化和电离的微粒使等离子体在等离子体的较深区域中经历辐射驱动的热塌陷。粒子还可以消除逃逸电子，抑制点火区(seed)的逃逸，这种逃逸可以通过雪崩连锁效应(avalanche knock-on effect)放大成大而危险的逃逸电子电流。

基于模拟，当等离子体从聚变温度(例如，大约20,000eV)冷却到较低温度(例如，大约30-100eV)时，初始致密堆积的微粒仍然可以快速破碎成为较小的簇，其随后递归地裂变成越来越小的簇，直到个别灰尘微粒最终暴露于等离子体。分解时间的估计可以由如下给出。引起初始有效载荷簇的第一次裂变的时间大致是τ_f0＝R₀/c₀，其中R₀是初始芯块半径，并且是合理时间(sound time)，其中p₀是在初始有效载荷簇外的表面融化压力，ρ是包括空隙空间的灰尘质量密度，并且α<1是偏度系数(asymmetry coefficient)。在n次裂变之后，致密堆积的微粒簇或斑点的数量将是2n。进一步假设：(1)质量守恒(忽略斑点融化)；(2)每个斑点呈球形；并且(3)所有斑点的ρ和α保持不变。鉴于融化压力随着斑点半径以p∝R^-1/3而缩放，原始有效载荷以这种方式分散的时间变为

将初始有效载荷簇作为芯块的直径，例如，D＝1.5cm，并且ρ～1g/cm³，冷却至100eV等离子体的等离子体中的融化压力为约1MPa，令碎裂时间为约1ms，如果芯块速度为<500米/秒(m/s)，则碎裂时间足够短。

分散的单独灰尘微粒的穿透将受到减速和质量损失(融化)二者的限制。更快的蒸发率是由于极小的微粒大小；与τ_life∝D³/G∝D^5/3(D和G分别为颗粒直径和质量融化率)成比例的寿命确保隔离的颗粒在温的30-100eV等离子体内完全融化而不是撞击对面壁。通过摩擦停止，粒子也包含在等离子体内。在一些实施例中，细颗粒或灰尘的大小可以是大约10微米，远小于环境等离子体的德拜长度。然后可以从轨道运动受约束(orbital motionlimited，OML)处理计算单独灰尘颗粒上的库仑阻力。假设相对于等离子体的初始灰尘微粒速度等于原始芯块速度V_pellet约500m/s。由于V_pellet远小于离子和电子的热速度，即使对于10-100eV的热塌陷等离子体，移动的灰尘微粒上的库仑阻力主要是由于其与背景等离子体离子的相互作用。因此，相对于背景离子移动的灰尘微粒的停止时间τ类似于快速(MeV)离子测试微粒移动穿过热电子等离子体的减速时间，在缩放相似的观念上：其中T是目标微粒的温度，并且Z_d是灰尘颗粒(测试微粒)上的电荷。3/2温度定标是熟知的，并且它表明停止时间随着等离子体的辐射冷却而缩短，除了灰尘颗粒其采用电位、浮动电位，因此其电荷Z_d也取决于等离子体温度T的情况。综上所述，在氢等离子体中的减速时间如下所示：

其中，n(m^-3)，T(eV)和M(amu)分别是等离子体离子密度、温度和离子质量，ρ_d(kg/m³)是灰尘颗粒中材料的质量密度，r(m)是颗粒半径，并且ψ～2-5是浮动电位归一化到离子温度，以及lnΛ约为10是库仑对数。作为示例，采用诸如T＝100eV和n＝10²⁰m^-3的聚变参数，我们得到τ＝0.6ms，因此在一些实施例中，约500m/s芯块速度的停止距离可以是30cm。因此，任何未融化的灰尘微粒都可以很容易地被捕获在小半径为0.66米的等离子体内。

虽然本专利文件包含许多细节，但这些细节不应被解释为对任何发明或可被要求保护的范围的限制，而是作为具体对于特定发明的特定实施例的特征的描述。在单独的实施例的上下文中在本专利文件中描述的某些特征，也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各个特征也可以在多个实施例中单独地或以任何适当的子组合来实现。此外，尽管上面描述的特征可以描述为以某些组合运作并且甚至初始要求保护这样的组合，但是在一些情况下可以从组合中删除来自所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或各种子组合。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应该被理解为要求以所示的特定顺序或按顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。此外，在本专利文件中描述的实施例中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这种分离。

仅描述了一些实施方式和示例，并且其他实施方式、改善和变化可以基于本专利文件中描述和说明的内容进行。

Claims (17)

1.一种聚变设备，包括：

等离子体容器，构造为包括中空内部以约束等离子体；

多个环形场线圈，围绕所述等离子体容器的外表面的不同部分缠绕，所述多个环形场线圈被配置为将等离子体磁性地约束在所述等离子体容器内部；

存储设备，所述存储设备是被配置为冷却芯块至小于或等于40开尔文(K)的低温恒温器存储设备并且所述存储设备存储冷却的芯块；以及

芯块注入器，被放置以从所述存储设备接收所述冷却的芯块并且可操作地将在无场区域发射的所述冷却的芯块注入所述等离子体容器以通过磁屏蔽所述冷却的芯块实现更深的注入。

2.如权利要求1所述的聚变设备，其中所述芯块具有金属外部。

3.如权利要求1所述的聚变设备，其中所述低温恒温器存储设备被配置为冷却所述冷却的芯块至10开尔文(K)。

4.如权利要求1所述的聚变设备，其中所述等离子体容器被成形为D形环形。

5.如权利要求1所述的聚变设备，其中所述芯块注入器包括单级轻气枪。

6.一种缓解等离子体破裂的方法，包括：

将等离子体磁性地约束在等离子体容器中；

存储冷却的芯块，其中所述冷却的芯块被冷却至小于或等于40开尔文(K)；以及

从等离子体容器没有磁场的位置以已知速度将所述冷却的芯块注入所述等离子体容器以通过磁屏蔽所述冷却的芯块实现更深的注入。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述冷却的芯块被冷却至10开尔文(K)。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述冷却的芯块包括固体芯块。

9.如权利要求6所述的方法，包括使用中空壳体芯块作为所述冷却的芯块。

10.如权利要求9所述的方法，其中每个中空壳体芯块封装有效载荷。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述有效载荷包括颗粒或多孔材料。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述有效载荷包括锂、氘化锂、铍、氘化铍、硼、氮化硼或钨。

13.如权利要求6所述的方法，其中每个芯块包括锂。

14.如权利要求6所述的方法，包括将中空壳体封装有效载荷用作所述冷却的芯块。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述中空壳体包括锂、氘化锂、铍、氘化铍或氮化硼。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述有效载荷包括锂、氘化锂、铍、氘化铍、硼、氮化硼或钨。

17.如权利要求6所述的方法，其中每个芯块包括铍。