本發(fā)明涉及可控核聚變領(lǐng)域，具體說是一種啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置。

背景技術(shù)：

核聚變是根本解決人類能源問題的希望。其主要優(yōu)點：一是豐富，據(jù)測算，每升海水中含有0.03克氘，1升海水中所含的氘，經(jīng)過核聚變可提供相當于300升汽油燃燒后釋放出的能量。地球上僅在海水中就有45萬億噸氘?？梢哉f是取之不竭的能源。二是清潔，因為它不會產(chǎn)生污染環(huán)境的放射性物質(zhì)，所以是一種清潔能源。三是安全，受控核聚變反應(yīng)可在稀薄的氣體中持續(xù)地穩(wěn)定進行，十分安全。實現(xiàn)可控核聚變的兩大途徑分別為磁約束和慣性約束，磁約束更加被看好。最有代表性的磁約束方法分別是磁鏡、"托卡馬克"和仿星器。他們的主要原理和問題分別是：

1、磁鏡(magneticmirror)是一種中間弱、兩端強的直管磁場位形。當繞著磁力線旋進的粒子由弱磁場區(qū)進入兩端的強磁場區(qū)域時，就會受到一反向力的作用。這個力迫使粒子的速度減慢，軌道螺距縮短，大部分被反射回去，反射回去的粒子達管子中心區(qū)域后，又向另一端螺旋前進，達端口后又被反射回來。粒子就像光在兩個鏡子之間來回反射，所以稱之為磁鏡。磁鏡作為最早的磁約束可控核聚變裝置，優(yōu)點是磁場平直，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)態(tài)運行，β值高。但粒子端口損失嚴重，無法有效的約束，盡管采取串列磁鏡等方式，但效果仍然很差。

2、托卡馬克(tokamak)：托卡馬克是目前取得最好效果的磁約束可控核聚變裝置。托卡馬克呈簡單圓環(huán)狀，因此無端口損失。托卡馬克主要靠強大的等離子電流產(chǎn)生磁場，與外加磁場疊加，從而產(chǎn)生能約束等離子體的螺旋磁力線。歐姆線圈用于產(chǎn)生、建立和維持等離子體電流；極向場線圈產(chǎn)生的極向磁場控制等離子體截面形狀和位置平衡；環(huán)向場線圈產(chǎn)生的環(huán)向磁場保證等離子體的宏觀整體穩(wěn)定性；外加的環(huán)向磁場、極向磁場、歐姆線圈磁場與等離子體電流自身產(chǎn)生的極向磁場一起構(gòu)成磁力線旋轉(zhuǎn)變換的和磁面結(jié)構(gòu)嵌套的磁場位形來約束等離子體。同時，等離子體電流還對自身進行歐姆加熱。托卡馬克是目前最成功的可控核聚變裝置，“三重積”是磁鏡的10000倍，仿星器的50倍。但離開可控核聚變的實現(xiàn)還有十幾倍的差距，更重要的由于其復雜的磁場位形和控制，無論建造還是運行成本極其高昂。建造中的國際熱核實驗反應(yīng)堆（iter）500兆瓦功率輸出，造價從最初方案100億美元上升到200多億美元。

3、仿星器(stellarator)：等離子體是采用外部磁線圈產(chǎn)生的扭曲磁感線對內(nèi)部運行的等離子體進行約束的，縱向磁場和極向磁場都完全由外部線圈提供，因此理論上它的運行可以沒有等離子體電流。因此可以避免很多由于電流分布帶來的不穩(wěn)定性，這是它的一個主要優(yōu)點。但目前約束效果遠遠差于托卡馬克，同樣由于其復雜的磁場位形，制造復雜，成本高昂。

其他如反向場，場反位形，z箍縮聚變尚不具備與托卡馬克挑戰(zhàn)的條件。

因此，迫切需要一種磁約束有效，控制簡單，特別是成本低廉的可控核聚變裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對上述技術(shù)問題，結(jié)合磁鏡和托卡馬克以及仿星器等環(huán)形磁約束裝置的優(yōu)點，提出一種磁約束有效、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的一種啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置，其約束高溫等離子體裝置包括磁鏡裝置部分和環(huán)形磁約束裝置部分，其特征在于磁鏡裝置部分位于約束高溫等離子體裝置的中間，磁鏡裝置部分為空心圓筒狀結(jié)構(gòu)的磁鏡，或為多個單體柱狀磁鏡，并繞圓周均勻排列，環(huán)形磁約束裝置部分位于約束高溫等離子體裝置的兩端，磁鏡裝置部分和環(huán)形磁約束裝置部分組合并使得高溫等離子體連通成一體形成所述的啞鈴狀結(jié)構(gòu)；所述磁鏡裝置部分和環(huán)形磁約束裝置部分的外磁場均由外線圈的電流提供；環(huán)形磁約束裝置部分的環(huán)向磁場強度大于磁鏡裝置部分的磁場強度，高溫等離子體主要被約束在磁鏡裝置部分中，磁鏡裝置部分兩個端口逸散的高溫等離子體粒子被環(huán)形磁約束裝置部分較強的環(huán)向磁場阻擋，在環(huán)形磁約束裝置中繞行并不斷被反射回磁鏡；達到穩(wěn)定運行狀態(tài)時，環(huán)形磁約束裝置部分的等離子體密度低于磁鏡裝置部分的等離子體密度并維持，可控核聚變反應(yīng)主要在磁鏡裝置部分中進行。

進一步的，上述磁鏡裝置部分具有中間弱、兩端強的直磁場位形。

進一步的，上述磁鏡裝置部分具有以中間弱、兩端強的直磁場位形為主的準螺旋磁場位形。

更進一步的，所述空心圓筒磁鏡裝置是在圓筒磁鏡的圓柱大半徑的外壁和圓柱小半徑的內(nèi)壁之間容納高溫等離子體。

進一步的，所述各個柱狀磁鏡裝置是在柱體內(nèi)容納高溫等離子體。

進一步的，呈環(huán)形狀的磁約束裝置部分可以是托卡馬克，仿星器，反向場聚變裝置中的一種；優(yōu)選托卡馬克。

本發(fā)明的一種啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置與現(xiàn)有的可控核聚變技術(shù)相比有如下顯著的優(yōu)點：

（1）主要約束為磁鏡裝置部分且無端口損失。本方法具有直磁鏡裝置磁場平直、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)態(tài)運行、β值高、成本低的優(yōu)點，同時防止了端口損失。通過兩端環(huán)向磁場有效地阻擋了粒子的端口逸散，并且使得粒子在整個裝置系統(tǒng)內(nèi)形成了閉合軌道，實現(xiàn)了有效約束。

（2）裝置投資成本大幅低于現(xiàn)有的環(huán)形磁約束裝置。本方法的成本降低主要通過兩種途徑實現(xiàn)。即一方面增大磁鏡裝置部分的體積；另一方面減小環(huán)形磁約束裝置的等離子體密度。由于磁鏡裝置的長度在理論上沒有限制，設(shè)置磁鏡裝置部分的等離子體體積比環(huán)形磁約束裝置部分的等離子體體積大很多，這樣就可以用低成本的磁鏡裝置約束大部分的等離子體。與單純的托卡馬克與仿星器相比，盡管本發(fā)明兩端也有環(huán)形磁約束裝置，但環(huán)形磁約束裝置只起到端口阻塞的作用。同時設(shè)置環(huán)形磁約束裝置磁場強度大于磁鏡裝置的磁場強度，其等離子體密度遠遠低于磁鏡裝置的等離子體密度，可以大幅度減少環(huán)形磁約束裝置部分的成本。因此通過直線形為主與環(huán)形的組合，可控核聚變反應(yīng)主要在磁鏡裝置中進行，大大降低了裝置成本。舉例來說，可以使得環(huán)形磁約束裝置的等離子體平均密度比磁鏡裝置的等離子體平均密度小1~2個數(shù)量級，同時使得磁鏡裝置部分的等離子體體積比環(huán)形磁約束裝置部分的等離子體體積大5~500倍。

（3）進行可控核聚變反應(yīng)的主要部分在磁鏡裝置，因此系統(tǒng)總體的磁場位形平直，穩(wěn)定性強，控制簡單，運行成本低。

因此，本發(fā)明的一種啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置，兼具磁鏡和托卡馬克等環(huán)形磁約束組件的優(yōu)點，是一種磁約束有效、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的一種啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置。

附圖說明

圖1是中間為空心圓筒狀結(jié)構(gòu)磁鏡兩端為托卡馬克的一種啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是中間為多個繞圓周均勻排列的單體柱狀磁鏡兩端為托卡馬克的一種啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是中間為開缺口的空心圓筒狀結(jié)構(gòu)磁鏡兩端為托卡馬克的一種啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標號如下：

1、托卡馬克；2、托卡馬克環(huán)向場線圈；3、空心圓筒狀磁鏡；4、磁鏡螺管線圈；5、額外線圈接頭；6、柱狀磁鏡；7、缺口約束線圈磁鏡端口增強線圈；8、開缺口的空心圓筒磁鏡；9缺口約束線圈磁鏡縱向約束線圈。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明作進一步說明：

實施例一：

如圖1所示，一種中間為空心圓筒狀磁鏡裝置3，兩端為托卡馬克,1的啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置包括：兩端部分的托卡馬克1，環(huán)向磁場b，由環(huán)向場線圈2產(chǎn)生；中間部分的空心圓筒狀磁鏡3，空心圓筒狀磁鏡的磁場bz由一對內(nèi)外壁電流方向相反的磁鏡螺管線圈4產(chǎn)生，裝置的其余部分與常規(guī)無殊。

托卡馬克1大半徑r=8m，小半徑r=3m，等離子體中心磁場強度bθ=8t；空心圓筒狀磁鏡3大半徑r*=8m，小半徑r*=4m，長度lz=300m，空心圓筒狀磁鏡3兩端最高磁場bzmax=6t，空心圓筒狀磁鏡3中間的最弱磁場bzmin=2.9t；空心圓筒狀磁鏡3插入托卡馬克1并與托卡馬克1連通；但由于空心圓筒狀磁鏡3切割了托卡馬克1的環(huán)向場線圈2，使得環(huán)向場線圈2在托卡馬克1周圍無法形成封閉回路，需增加額外線圈接頭5；通過上述手段，等離子體得到約束并使得聚變反應(yīng)得以持續(xù)進行。

實施例二：

如圖2所示，一種中間為多個繞圓周均勻排列的單體柱狀磁鏡6兩端為托卡馬克1的啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置包括：兩端部分的托卡馬克1，環(huán)向磁場bθ由環(huán)向場線圈2產(chǎn)生；中間部分的多個呈圓形均勻分布的單體柱狀磁鏡6，磁鏡磁場bz由磁鏡螺管線圈4產(chǎn)生，裝置的其余部分與常規(guī)無殊。

托卡馬克1大半徑r=10m，小半徑r=4m，等離子體中心磁場強度bθ=11t，環(huán)向場線圈2共20并；中間部分有20個柱狀磁鏡5，分別在托卡馬克1每一并的環(huán)向場線圈2之間均勻插入并與托卡馬克1連通，柱狀磁鏡5兩端最高磁場bzmax=9.5t，柱狀磁鏡5中間最弱磁場bzmin=3.5t，每個柱狀磁鏡5的等離子體截面積為4m²，柱狀磁鏡5長度lz=350m；通過上述手段，等離子體得到約束并使得聚變反應(yīng)得以持續(xù)進行。

實施例三：

如圖3所示，一種中間為開缺口的空心圓筒狀磁鏡8與兩端為托卡馬克1組合成的啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置包括：兩端部分的托卡馬克1，環(huán)向磁場bθ由環(huán)向場線圈2產(chǎn)生；中間開缺口的空心圓筒狀磁鏡8，磁鏡磁場bz由一對內(nèi)外壁電流方向相反的磁鏡螺管線圈4產(chǎn)生，裝置的其余部分與常規(guī)無殊。

托卡馬克1大半徑r=8m，小半徑r=3m，等離子體中心磁場強度bθ=9t；開缺口的空心圓筒磁鏡8大半徑r*=7.3m，小半徑r*=3m，磁鏡8長度lz=280m，磁鏡8兩端最高磁場bzmax=8.5t，磁鏡8中間最弱磁場bzmin=4.1t；插入托卡馬克1并與托卡馬克1連通，開缺口的空心圓筒磁鏡8在與托卡馬克1連通處縮頸；本實施例通過開缺口的方式使得環(huán)向場線圈2在托卡馬克1周圍形成封閉回路；同時在缺口處分別加上缺口約束線圈a磁鏡端口增強線圈7與缺口約束線圈b磁鏡縱向約束線圈9，以控制磁場的位形；通過上述手段，等離子體得到約束并使得聚變反應(yīng)得以持續(xù)進行。

實施例四：

一種中間為多個呈圓形均勻分布的單體片柱狀磁鏡兩端為托卡馬克的啞鈴狀結(jié)構(gòu)可控核聚變裝置包括：兩端部分的仿星器裝置，中間部分的磁鏡裝置，磁鏡磁場bz由磁鏡螺管線圈產(chǎn)生，裝置的其余部分與常規(guī)無殊。

仿星器總長度50m，等離子體中心磁場強度10.5t，環(huán)向場線圈20并；中間部分有10個柱狀磁鏡，分別在仿星器每兩并環(huán)向場線圈之間均勻插入并與仿星器連通，磁鏡兩端最高磁場bzmax=9.5t，磁鏡中間最弱磁場bzmin=3.5t，每片磁鏡主要部分的等離子體截面積為5m²，磁鏡長度lz=200m；通過上述手段，等離子體得到約束并使得聚變反應(yīng)得以持續(xù)進行。