CN206864193U - 磁化等离子体聚变点火装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种磁化等离子体聚变点火装置，具备：产生反场构形等离子体的形成系统，对所述反场构形等离子体进行加速的多级加速系统，以及使所述反场构形等离子体达到局部聚变点火条件的压缩喷射系统。根据本实用新型所产生的等离子体具有强磁化特征，增加能量沉积减少粒子损失，同时其特殊的磁场结构有助于等离子体自身的约束及稳定，更满足聚变等离子体点火要求。

Description

磁化等离子体聚变点火装置

技术领域

本实用新型涉及高温磁化等离子体聚变能源反应堆的核心技术部件。具体涉及一种磁化等离子体聚变点火装置。

背景技术

高温磁化等离子体聚变能源反应堆是应用局部快速加速加热点火的原理，使氘氚燃料达到点火条件发生热核聚变反应并释放能量，从而向外界用户输送电能的设施。

人类探索更高效、更持久、更清洁能源的努力从未停止。尤其是能源问题日益凸显的今天，伴随着科技的进步，可控核聚变与其商业化发电成为研究的热点。与裂变反应最大的不同在于，聚变反应的产物是大气中含量很高的氦，没有放射性，所以环保无污染；同时核聚变反应的原料为氢的同位素——氘，其在海水中的藏量极为丰富，足以支撑人类千年能源利用；不仅如此，由于核聚变反应堆需要极高的温度才能维持反应持续进行，一旦某一环节出现问题，燃料温度下降，聚变反应就会自动中止，避免了核裂变电站的安全隐患问题。因此，聚变能作为一种无限的、清洁的、安全的新能源，是解决人类能源问题最有效、最有前景的方案。

目前主流的核聚变方案以多国联合ITER（国际热核聚变实验堆）为代表的TOKAMAK构型的磁约束聚变方案（MCF，Magnetic Confinement Fusion）和以美国NIF装置（国家点火装置，Nation Ignition Facility）为代表的激光驱动的惯性约束聚变（ICF，InertialConfinement Fusion）方案。

聚变的依据都基于John D. Lawson在1955年提出的著名的劳逊判据，聚变反应点火条件，即等离子体密度、温度及能量约束时间三乘积大于特定值。

MCF从提高能量约束时间入手，密度较低（约为10²⁰m^-3），能量约束时间约为s。其原理是：利用磁场将等离子体与约束容器隔离开（因为没有容器能直接接触数keV（约数亿摄氏度）的高温等离子体），再将等离子体加热至数keV的高温，控制等离子体不稳定性，达到劳逊判据后等离子体实现点火自持，后续聚变反应将会持续发生。

而ICF则提高等离子体密度至10²²m^-3，能量约束时间则降至10^-9s。其利用外部等离子体自身的惯性对中间的氘氚等离子体进行压缩，控制等离子体不稳定性，中心超高密度维持相对较长时间后（10^-9s）即满足劳逊判据条件实现聚变点火。

上述两种聚变方案都远离了现实中常用的参数范围，所以两者的聚变装置都极为巨大。MCF等离子体密度较低，为实现聚变能量增益就要提高等离子体自身尺寸。MCF等离子体半径就达到6m以上。ICF虽然等离子体尺寸在毫米以下，但其所依赖的驱动器装置半径不会小于十米。已建成的激光聚变的NIF装置超过了200×80m²。在两种主流聚变方案都耗资巨大且各种延期的背景下，基于紧凑环形结构尤其是反场构形结构的聚变方案受到各方关注。以美国Tri Alpha Energy公司C2U装置为代表的磁约束反场构形对撞融合方案突破了原有反场构形研究的寿命制约，开辟了实现聚变点火的新的可能途径。

然而，众多聚变技术路线目前均未达到预期的聚变点火要求，因此开辟创新聚变方案成为强烈诉求。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种磁化等离子体聚变装置，使该装置产生的等离子体更满足聚变等离子体点火要求。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种磁化等离子体聚变点火装置，

具备：

产生反场构形等离子体的形成系统，

对所述反场构形等离子体进行加速的多级加速系统，以及

使所述反场构形等离子体达到局部聚变点火条件的压缩喷射系统。

本实用新型提供的磁化等离子体聚变装置所产生的等离子体具有强磁化特征，增加能量沉积减少粒子损失，同时其特殊的磁场结构有助于等离子体自身的约束及稳定，因此更满足聚变等离子体点火要求。

进一步，所述形成系统、所述多级加速系统及所述压缩喷射系统顺次连接，且各自包括真空腔体、放电线圈、储能电容器组、分时放电控制链。

较佳为，所述形成系统、所述多级加速系统及所述压缩喷射系统中的各个所述真空腔体为端部连通的筒形且整体上共同保持真空。

优选地，所述压缩喷射系统中的所述真空腔体形成如下磁喷管结构：从所述反场构形等离子体的进入端至所述反场构形等离子体的喷出端半径先逐渐减小后迅速增大。

进一步，所述反场构形等离子体为具有封闭磁场结构的紧凑环形等离子体。

优选地，所述多级加速系统中的所述分时放电控制链控制所述放电线圈产生磁活塞并通过多级磁活塞加速反场构形等离子体。

本实用新型涉及反场构形等离子体的形成、弹射、多级磁活塞加速、磁活塞压缩以及磁喷管对等离子体加速加热达到聚变点火条件。等离子体经过形成阶段得到第一步温度密度提升，同时形成具有特殊磁场结构的反场构形等离子体，在弹射进入多级加速系统后被磁活塞推动加速。高速运动的反场构形等离子体进入压缩喷射系统后首先被压缩得到第二步的温度密度提升，穿过磁喷管后得到第三步的温度提升并达到聚变点火条件。由此产生的等离子体更满足聚变等离子体点火要求。

附图说明

图1是根据本实用新型一实施形态的磁化等离子体聚变点火装置的结构示意图；

附图标记：

1 形成系统；

2 多级加速系统；

3 压缩喷射系统；

4 真空腔体；

5 放电线圈；

6 储能电容器组；

7 分时放电控制链；

8 反场构形等离子体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例并不作为对本实用新型的限定。

图1是根据本实用新型一实施形态的磁化等离子体聚变点火装置的结构示意图。根据本实用新型一实施形态的磁化等离子体聚变点火装置具备：产生反场构形等离子体的形成系统，对所述反场构形等离子体进行加速的多级加速系统，以及使所述反场构形等离子体达到局部聚变点火条件的压缩喷射系统。

具体而言，如图1所示，本实施形态的磁化等离子体聚变点火装置包括反场构形的形成系统1、多级加速系统2、以及压缩喷射系统3。反场构形的形成系统1产生反场构形等离子体，反场构形等离子体经过多级加速系统2，进入压缩喷射系统3并被喷出后，等离子体会由于拉瓦喷管的作用局部发生极大的温升，进而达到聚变点火条件实现聚变放能。形成系统1、多级加速系统2及压缩喷射系统3顺次连接，且各自包括真空腔体4、多个放电线圈5、多个储能电容器组6、多个分时放电控制链7。

如图1所示，各系统所具备的各个真空腔体4为端部连通的筒形，且整体上共同保持真空。

进一步，所述压缩喷射系统3中的真空腔体4从等离子体进入端至等离子喷出端半径先逐渐减小后迅速增大，以形成喷管形状，即形成磁喷管。

各系统内的每一个放电线圈5都由各个系统内的储能电容器6组提供放电电流，并由系统内分时放电控制链7对每一个放电线圈独立控制。各系统的分时放电控制链7由统一的装置控制平台操控。

使用本实用新型一实施形态的所述的磁化等离子体聚变点火装置进行局部快速加速加热点火，包括以下步骤：

在形成系统的真空腔体中注入氘氚混合气体；

将真空腔体中的所述氘氚混合气体电离形成反场构形等离子体；

通过所述形成系统中的分时放电控制链控制放电线圈产生磁场梯度，将所述反场构形等离子体弹射出所述形成系统并进入多级加速系统。

通过所述多级加速系统中的分时放电控制链控制放电线圈产生磁活塞，以推动所述反场构形等离子体持续加速，并最终进入压缩喷射系统；

将高速进入所述压缩喷射系统中的所述反场构形等离子体加热加密，

使被加热加密的所述反场构形等离子体进入磁喷管；使其在经过磁喷管后快速获得极大地加速。

即，本实用新型涉及反场构形等离子体的形成、弹射、多级磁活塞加速、磁活塞压缩以及磁拉瓦喷管对等离子体加速加热达到聚变点火条件。等离子体经过形成阶段得到第一步温度密度提升，同时形成具有特殊磁场结构的反场构形等离子体，在弹射进入多级加速系统2后被磁活塞推动加速。高速运动的反场构形等离子体进入压缩喷射系统3后首先被压缩得到第二步的温度密度提升，穿过磁喷管后得到第三步的温度提升并达到聚变点火条件。对于上述过程，通过优选实施例具体说明如下。

【等离子体形成阶段】

在形成系统1中的真空腔体4中注入氘氚混合气体。本实施例中该混合气体为大约100Pa。

将该真空腔体中的氘氚混合气体电离形成具有闭合磁场结构的紧凑环形反场构形等离子体。该过程可采用射频、等离子体枪、旋转磁场或角向箍缩等方式进行，例如在采用角向箍缩方式时，放电磁场约为5T，此时等离子体密度约为1×10²³m^-3，温度约为300eV。等离子体得到第一步温度密度提升，同时形成具有封闭磁场结构的紧凑环形等离子体。

通过形成系统1中的分时放电控制链7控制放电线圈5产生磁场梯度，将所形成的反场构形等离子体弹射出形成系统1并进入多级加速系统2。产生的磁场梯度通常为5T/m，反场构形等离子体弹出速度通常为100km/s。

【推动加速阶段】

通过多级加速系统2中的分时放电控制链7控制放电线圈5产生随反场构形等离子体同步运动的磁活塞，以推动反场构形等离子体持续在多级加速系统中的真空腔体4中进行多级加速，最终进入压缩喷射系统3。

反场构形等离子体进入多级加速系统之前2，在多级加速系统2中已形成与形成系统1中相同的磁场强度，该磁场强度约5T。反场构形等离子体进入后，等离子体尾端的放电线圈将磁场迅速提高，产生强大的磁压形成磁活塞推动等离子体向前运动。高速运动的反场构形等离子体通过压缩得到第二步的温度密度提升。

多个放电线圈5通过时序控制或等离子体位置检测等手段实现磁活塞与反场构形等离子体运动同步，以使得磁活塞对反场构形等离子体的推动效果得以持续，实现多级磁活塞加速反场构形等离子体。十级磁活塞约可加速反场构形等离子体至1000km/s。

压缩喷射系统3内放电线圈5形成锥形压缩磁场，将利用高速进入压缩喷射系统3中的反场构形等离子体的动能加热并压缩其自身，提高反场构形等离子体的温度密度，此时等离子体密度将达到1×1024m^-3，温度约提升一倍至600eV。被加热加密的反场构形等离子体被挤压至锥形压缩磁场尖端处，即进入磁喷管区域，磁喷管可以是拉瓦尔喷管。

【进一步快速加速加热阶段】

该步骤中得到的进入磁喷管的等离子体在经过磁喷管后将快速获得极大地加速，并能得到第三步的温度提升。通常部分等离子体将达到3000eV的高温。此阶段的加速将使等离子体局部达到聚变点火条件，发生热核聚变反应，进一步地带动整体等离子体发生热核聚变反应。

本实用新型提供的一种磁化等离子体聚变装置局部快速加速加热点火，产生的等离子体更满足聚变等离子体点火要求。

基于上述说明，本领域技术人员能够明了本实用新型的较多的改良和其他实施形态等。因此，上述说明仅作为示例性的解释，旨在向本领域技术人员提供教导实施本实用新型的最优选的形态。在不脱离本实用新型的精神的范围内，可以实质上变更其结构和/或功能的具体内容。作为本领域技术人员不必超出本实用新型的主旨即能实施的变更，也包含在本实用新型中。

Claims (6)

1.一种磁化等离子体聚变点火装置，其特征在于，

具备：

产生反场构形等离子体的形成系统，

对所述反场构形等离子体进行加速的多级加速系统，以及

使加速后的所述反场构形等离子体达到局部聚变点火条件的压缩喷射系统。

2.根据权利要求1所述的磁化等离子体聚变点火装置，其特征在于，

所述形成系统、所述多级加速系统及所述压缩喷射系统顺次连接，且各自包括真空腔体、放电线圈、储能电容器组、分时放电控制链。

3.根据权利要求2所述的磁化等离子体聚变点火装置，其特征在于，

所述形成系统、所述多级加速系统及所述压缩喷射系统中的各个所述真空腔体为端部连通的筒形且整体上共同保持真空。

4.根据权利要求2或3所述的磁化等离子体聚变点火装置，其特征在于，

所述压缩喷射系统中的所述真空腔体形成如下磁喷管结构：从所述反场构形等离子体的进入端至所述反场构形等离子体的喷出端半径先逐渐减小后迅速增大。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的磁化等离子体聚变点火装置，其特征在于，

所述反场构形等离子体为具有封闭磁场结构的紧凑环形等离子体。

6.根据权利要求2或3所述的磁化等离子体聚变点火装置，其特征在于，

所述多级加速系统中的所述分时放电控制链控制所述放电线圈产生磁活塞并通过多级磁活塞加速反场构形等离子体。