CN203368890U - 用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的装置 - Google Patents
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Abstract
一种用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的装置，包括高压脉冲电源；等离子体枪，设于所述高压脉冲电源之后，所述等离子体枪用于通入中性气体，在所述高压脉冲电源的作用下，使中性气体受到激发电离，从而产生等离子体束，由所述等离子体枪出口喷出；全等离子体通道，设于所述等离子体枪之后，用于对所述等离子体束进行运输；磁阱线圈，设于所述全等离子体通道之后，用于产生中心区域为具有零磁场区的弱磁场区，四周环形区域为障壁磁场的环形磁场位形。本实用新型能有效地抑制等离子体的互换不稳定性，显著增大等离子体的压磁比，可望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。
Description
技术领域
本实用新型有关一种用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的装置。
背景技术
本实用新型涉及一种受控核聚变磁约束装置，尤其是一种用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的装置。
目前受控核聚变磁约束装置的研究以托卡马克为主，世界上研制出的托卡马克装置已达数百个，并且在托卡马克上实验证实了开发聚变能的科学可行性。但托卡马克体积庞大，在其内部存在等离子体和磁场相互“掺合”的现象，并由等离子体的抗磁性引起各种形式的不稳定性，尤其是互换不稳定性，从而导致等离子体的压磁比低，以托卡马克为基础而建造的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。因此有必要加强对非托卡马克型磁约束装置的研究，通过改变磁场位形来抑制等离子体的互换不稳定性，提高等离子体的压磁比，减小磁约束装置的体积。
在托卡马克中，用以产生磁场位形的磁体由环向场线圈和极向场线圈组成。环向场线圈通常由12-32个圆形或非圆形线圈组成，每个线圈又由多匝构成，所产生的环向磁场用以约束等离子体；极向场线圈由欧姆线圈、垂直场线圈、水平场线圈、成形场线圈、偏滤器线圈组成。其中，欧姆线圈和等离子体电流环分别作为变压器的初级绕组和次级绕组，根据变压器原理产生、建立和维持等离子体电流，垂直场线圈、水平场线圈及成形场线圈控制等离子体的位置和截面形状。
托卡马克的磁体结构复杂、体积庞大，等离子体电流的产生、建立和维持依据变压器原理，使得等离子体电流作为约束磁场的一部分，因此存在等离子体和磁场相互“掺合”的现象，这将使等离子体具有互换不稳定性，导致等离子体的能量迅速损失，从而制约磁约束核聚变等离子体的参数，限制受控热核聚变反应堆的发展。
发明内容
本实用新型提供一种用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的装置，以解决背景技术中存在的托卡马克中等离子体和磁场相互“掺合”的技术问题。
为此，本实用新型的一种用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的装置，包括高压脉冲电源；等离子体枪，设于所述高压脉冲电源之后，所述等离子体枪用于通入中性气体，在所述高压脉冲电源的作用下，使中性气体受到激发电离，从而产生等离子体束，由所述等离子体枪出口喷出；全等离子体通道，设于所述等离子体枪之后，用于对所述等离子体束进行运输；磁阱线圈，设于所述全等离子体通道之后，用于产生中心区域为具有零磁场区的弱磁场区，四周环形区域为障壁磁场的环形磁场位形。
所述的用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的装置，其中，所述全等离子体通道包括顺次设置的用于运输全部所述等离子体束的公共等离子体通道、用于截断慢速等离子体束的截断器、用于运输快速等离子体束的快等离子体通道和用于产生有助于快速等离子体束注入所述磁阱线圈的磁场的溜槽线圈。
所述的用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的装置，其中，所述磁阱线圈包括一个补偿线圈，一个螺线管线圈，以及位于等离子体束内部的第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈和第三盲鳗线圈，所述第一盲鳗线圈位于中间且直径最小，所述第二盲鳗线圈和第三盲鳗线圈的直径相同且大于所述第一盲鳗线圈的直径，所处位置关于所述第一盲鳗线圈所在的平面对称，所述补偿线圈的直径最大，与所述第一盲鳗线圈处于同一平面上，所述螺线管线圈呈圆柱形，与所述第一盲鳗线圈的轴线重合，半径小于所述第一盲鳗线圈，且所述螺线管线圈的中垂面与所述第一盲鳗线圈处于同一平面上。
本实用新型的一种高温等离子体的运输、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装置，能有效地抑制等离子体的互换不稳定性，显著增大等离子体的压磁比，可望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。
附图说明
图1是本实用新型的整体结构框图；
图2是本实用新型实施例的全等离子体通道的结构示意图；
图3是本实用新型实施例的磁阱线圈的结构示意图。
附图标记说明
高压脉冲电源-1；等离子体枪-2；全等离子体通道-3；公共等离子体通道-31；截断器-32；快等离子体通道-33；溜槽线圈-34；磁阱线圈-4；第一盲鳗线圈-41；第二盲鳗线圈-42；第三盲鳗线圈-44；补偿线圈-43；螺线管线圈-45。
具体实施方式
为了使本实用新型的形状、构造以及特点能够更好地被理解，以下将列举较佳实施例并结合附图进行详细说明。
为了克服托卡马克中等离子体和磁场相互“掺合”的缺点，应实现等离子体和磁场的分离，可使用这样一种磁场位形：首先，磁场位形为环形磁场位形；其次，磁力线凸向等离子体所在的区域；最后，磁场位形的中心区域的磁场弱，四周环形区域的磁场强，具有平均最小磁场区。
如图1所示，本实用新型包括顺次设置的高压脉冲电源1、等离子体枪2、全等离子体通道3和磁阱线圈4。等离子体枪2中通入中性气体，在高压脉冲电源1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，由等离子体枪2出口喷出。
全等离子体通道3对等离子体束进行运输。该全等离子体通道3包括顺次设置的公共等离子体通道31、截断器32、快等离子体通道33和溜槽线圈34。其中，公共等离子体通道31运输包括快速等离子体束和慢速等离子体束在内的全部等离子体束，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正是用于截断慢速等离子体束。等离子体束经过截断器32后便进入快等离子通道33，经由快等离子体通道33运输。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截断的慢速等离子体束。
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线圈的磁场，同时进一步截断慢速等离子体束。具体的，溜槽线圈34产生与磁阱线圈4的障壁磁场方向相反的磁场，将障壁磁场打开一个“缺口”，等离子体束经由被打开“缺口”的障壁磁场进入磁阱线圈4。具体地，溜槽线圈34中的电流方向与磁阱线圈4的电流方向相反，与磁阱线圈4平行放置，所在平面与磁阱线圈4中第二盲鳗线圈42所在平面的距离，轴线与磁阱线圈4的位置关系，以及线圈中的电流大小影响“缺口”的大小。
在图2中，全等离子体通道3包括19个直径为11cm，匝数为10匝的圆环线圈和4个长度为120cm的非导磁材料做成的支架。19个线圈是各自独立的，每个线圈均绕设在支架上。其中，19个圆环线圈在同一轴线上等间隔顺序平行设置。全等离子体通道3中的各个模块均采用脉冲电源，使用晶闸管电路对脉冲电流进行控制，并且只使用第一个半周期的脉冲电流。全等离子体通道3的各个部分在结构上基本没有差别，通过调整线圈的电流实现功能上的区分。
磁阱线圈4产生中心区域为具有零磁场区的弱磁场区，四周环形区域为障壁磁场的环形磁场位形，等离子体束注入磁阱线圈4之后，分别沿顺时针和逆时针两个方向扩散，最终被稳定约束在弱磁场区。
在图3中，磁阱线圈4包括三个位于等离子体束内部的线圈（第一盲鳗线圈41、第二盲鳗线圈42和第三盲鳗线圈44）、一个补偿线圈43和一个螺线管线圈45，各线圈均采用铜或超导体材料，并由不锈钢支架支撑。处于等离子体内部的线圈称为盲鳗。盲鳗及补偿线圈43采用平行共轴载流圆环线圈。
其中，第一盲鳗线圈41位于中间且直径最小，称为内部盲鳗。第二盲鳗线圈42和第三盲鳗线圈44的直径相同且大于第一盲鳗线圈41的直径，所处位置关于第一盲鳗线圈41所在的平面对称，称为外部盲鳗。补偿线圈43的直径最大，与第一盲鳗线圈41处于同一平面上。螺线管线圈45呈圆柱形，与第一盲鳗线圈41的轴线重合，半径小于第一盲鳗线圈41，且中垂面与第一盲鳗线圈41处于同一平面上。这样，根据磁场叠加原理，磁阱线圈4产生中心区域为具有零磁场区的弱磁场区，四周环形区域为障壁磁场的环形磁场位形。
下表给出了一组磁阱线圈4的参数。
改变磁阱的线圈个数以及各线圈在空间的相对位置关系、线圈自身尺寸的大小、线圈匝数的多少、线圈中电流的大小和方向同样能够产生中心区域为具有零磁场区的弱磁场区，四周环形区域为障壁磁场的环形磁场位形，并非以此为限。比如，可将螺线管线圈45用两个具有相同参数的平行共轴载流圆环线圈替换。具体的，平行共轴载流圆环线圈直径略大于第一盲鳗线圈的直径，小于第二和第三盲鳗线圈的直径。与第一盲鳗线圈的圆心距等于第二盲鳗线圈与第一盲鳗线圈的圆心距。
本实用新型的装置在实际工作时，首先向等离子体枪2中通入中性气体，利用高压脉冲电源1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2的出口喷出。将从等离子体枪2中发射出的等离子体束导入公共等离子体通道31，以进行运输。将等离子体束导入截断器42，截断慢速等离子体束，并允许快速等离子体束通过。将快速等离子体束导入快等离子体通道43进行运输。溜槽线圈44产生与磁阱线圈4的障壁磁场方向相反的磁场，将障壁磁场打开一个“缺口”，等离子体束经由被打开“缺口”的障壁磁场进入磁阱线圈4。等离子体束注入磁阱之后，分别沿顺时针和逆时针两个方向扩散，最终被稳定约束在弱磁场区。
本实用新型的一种高温等离子体的运输、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装置，能有效地抑制等离子体的互换不稳定性，显著增大等离子体的压磁比，可望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。
以上对本实用新型的描述是说明性的，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实用新型的保护范围内。
Claims (3)
1.一种用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的装置，其特征在于，包括
高压脉冲电源；
等离子体枪，设于所述高压脉冲电源之后，所述等离子体枪用于通入中性气体，在所述高压脉冲电源的作用下，使中性气体受到激发电离，从而产生等离子体束，由所述等离子体枪出口喷出；
全等离子体通道，设于所述等离子体枪之后，用于对所述等离子体束进行运输；
磁阱线圈，设于所述全等离子体通道之后，用于产生中心区域为具有零磁场区的弱磁场区，四周环形区域为障壁磁场的环形磁场位形。
2.如权利要求1所述的用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的装置，其特征在于，所述全等离子体通道包括顺次设置的用于运输全部所述等离子体束的公共等离子体通道、用于截断慢速等离子体束的截断器、用于运输快速等离子体束的快等离子体通道和用于产生有助于快速等离子体束注入所述磁阱线圈的磁场的溜槽线圈。
3.如权利要求1所述的用具有零磁场区的磁场位形约束高温等离子体的装置，其特征在于，所述磁阱线圈包括一个补偿线圈，一个螺线管线圈，以及位于等离子体束内部的第一盲鳗线圈、第二盲鳗线圈和第三盲鳗线圈，所述第一盲鳗线圈位于中间且直径最小，所述第二盲鳗线圈和第三盲鳗线圈的直径相同且大于所述第一盲鳗线圈的直径，所处位置关于所述第一盲鳗线圈所在的平面对称，所述补偿线圈的直径最大，与所述第一盲鳗线圈处于同一平面上，所述螺线管线圈呈圆柱形，与所述第一盲鳗线圈的轴线重合，半径小于所述第一盲鳗线圈，且所述螺线管线圈的中垂面与所述第一盲鳗线圈处于同一平面上。
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