用于形成和保持高性能frc的系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001] 本文所描述的實施例總體上設及磁等離子體約束系統(tǒng)，并且更具體地，設及便于 形成和維持具有優(yōu)異的穩(wěn)定性W及粒子、能量和通量約束的場反向位形的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002] 場反向位形(FRC)屬于被稱作緊湊環(huán)(CT)的磁等離子體約束拓撲結構的類別。其 主要表現(xiàn)出極向磁場并且具有零或小的自生成等離子體環(huán)形場（參看M. Tuszewski, Nucl.化Sion 28, 2033( 1988))。運種位形的吸引力在于其簡單的幾何形狀W便簡化構造 和維護，便于能量提取和除灰的自然不受限制的偏濾器，和很高的e(e是平均等離子體壓力 與FRC內(nèi)的平均磁場壓力之比），即高功率密度。高則生質(zhì)有利于經(jīng)濟的操作和使用先進的無 中子核燃料(諸如D-He嘴P-Bii)。
[0003] 形成FRC的傳統(tǒng)方法使用場反向0-髓縮技術，從而產(chǎn)生熱的、高密度的等離子體 (參看A. L. Hoffman and J. T. Slough, Nucl. Fusion 33，27(1993))。其一種變型是 平移-俘獲方法，其中，在角向髓縮"源"中形成的等離子或多或少地立即從一端出射到約束 腔室內(nèi)。然后平移的等離子粒團被俘獲在腔室的端部處的兩個強鏡之間（參看，例如，H. Himura, S. Okada, S.如gimoto and S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191(1995))。一旦處 于約束腔室中，可W采用各種加熱和電流驅(qū)動方法，諸如束注入（中性或中和的）、旋轉磁 場、RF或歐姆加熱等。運種源和約束功能的分離為可能的未來聚變反應堆提供關鍵的工程 優(yōu)點。已證明FRC極為穩(wěn)固，適應于動態(tài)形成、平移和暴力捕獲事件。此外，它們表現(xiàn)出呈現(xiàn) 優(yōu)選等離子體狀態(tài)的傾向（參看例如H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller and L. C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92，245001(2004))。在過去的數(shù)十年中，研發(fā)其它 FRC形成方法已取得了重大進展：合并具有反向螺旋性的球馬克（參看，例如，Y. Ono, M. Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama and T. Okazaki, Nucl. Fusion 39, 2001(1999))和 通過用旋轉磁場（RMF)來驅(qū)動電流（參看，例如，I. R. Jones,曲ys. Plasmas 6, 1950 (1999))，運也提供額外的穩(wěn)定性。
[0004] 近來，已顯著地進一步研發(fā)了很久W前提出的碰撞-合并技術（參看，例如D. R. Wells,陸ys. Fluids 9，1010(1966)):在約束腔室的相對端處的兩個單獨的角向髓縮同 時生成兩個等離子粒團并且使等離子粒團朝向彼此W高速加速;它們?nèi)缓笤诩s束腔室中屯、 處碰撞并且合并W形成復合FRC。在目前為止最大的FRC實驗之一的構造和成功操作中，常 規(guī)的碰撞-合并方法被示出為產(chǎn)生穩(wěn)定、長壽命、高通量、高溫FRC (參看例如M . Binderbauer, H.Y. Guo, M. Tuszewski et al., Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010))。
[0005] FRC由分界面內(nèi)側的閉合場力線環(huán)和分界面外側附近的開放場力線上的環(huán)形邊緣 層的環(huán)構成。邊緣層聚結成超過FRC長度的射流，提供自然偏濾器。FRC拓撲結構與場反向鏡 等離子體的拓撲結構相符。但是，顯著差別在于FRC等離子體具有約10的0。固有的低內(nèi)部磁 場提供某些固有運動粒子群體，即，具有可相比于FRC小半徑的大拉莫半徑Qarmor radii) 的粒子。正是運些強動力學作用表現(xiàn)為至少部分地造成過去和當前FRC(諸如在碰撞-合并 實驗中所產(chǎn)生的那些)的總體穩(wěn)定性。
[0006] 典型的過去的FRC實驗已受制于對流損失，其中能量約束很大程度上由粒子輸運 決定。粒子主要徑向地從分界面體積擴散出來，并且然后軸向地損失在邊緣層中。因此，F(xiàn)RC 約束取決于閉合場力線和開放場力線區(qū)域二者的性質(zhì)。從分界面擴散出來的粒子擴散時間 定柄為:彩...~..''S巧載,(a~。/4,其中Ts為中央分界面半徑），并且將L為特性FRC擴散率，諸如鞍i. ~12.5 Pie,其中Pie表示離子回旋半徑，在外部施加的磁場下評估。邊緣層粒子約束時間對r 在過去的FRC實驗中基本上是軸向通過時間。在穩(wěn)態(tài)中，徑向粒子損失與軸向粒子損失之間 的平衡產(chǎn)生分界面密度梯度長度5~（料詩對于在分界面處具有大的密度的過去 FRC，F(xiàn)RC粒子約束時間定標為敕崩I株(參看例如，M. TUSZEWSKI，"Field Reversed Configurations," Nucl. F^ision 28, 2033(1988))。
[0007] 現(xiàn)有FRC系統(tǒng)設計的另一缺陷在于需要使用外部多極來控制旋轉不穩(wěn)定性，諸如 快速增長n=2交換不穩(wěn)定性。W此方式，典型的外部施加四極場提供所需的磁恢復壓力來抑 制運些不穩(wěn)定模式的增長。雖然運種技術足W用于對熱體等離子體（thermal bulk plasma)進行穩(wěn)定性控制，但是對于動能更高的FRC或先進的混合FRC(其中高動能大軌道粒 子群體與通常的熱等離子體組合），運呈現(xiàn)出嚴重問題。在運些系統(tǒng)中，由于運種多極場造 成的軸對稱磁場的崎變經(jīng)由無碰撞隨機擴散導致顯著的快速粒子損失，運是失去正則角動 量守恒的結果。因此，用W提供穩(wěn)定性控制而不增強任何粒子的擴散的新穎技術方案對于 利用運些之前從未探究過的先進的FRC構思的更高性能的潛力而言是重要的。
[000引鑒于前文所述，因此，期望的是改進FRC的約束和穩(wěn)定性，W便使用穩(wěn)態(tài)FRC作為多 種應用的途徑，所述應用包括緊湊型中子源（用于醫(yī)用同位素生產(chǎn)、核廢料整治、材料研究、 中子射線照相法和斷層攝影術）、緊湊型光子源(用于化學生產(chǎn)和加工）、質(zhì)量分離和富集系 統(tǒng)，W及用于未來一代能源的輕核聚變的反應堆忍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本文所提供的本實施例設及便于形成和維持新型高性能場反向位形(FRC)的系統(tǒng) 和方法。根據(jù)運種新型高性能FRC范例，本系統(tǒng)組合了大量新穎構思和技術手段W顯著地改 進粒子、能量和通量的FRC約束，W及提供穩(wěn)定性控制而不產(chǎn)生不良的副作用。
[0010] 本文所提供的一種FRC系統(tǒng)包括由兩個直徑上相對的反場角向髓縮形成部段包圍 的中央約束容器，W及超出運兩個形成部段的兩個偏濾器腔室，W控制中性密度和雜質(zhì)污 染。磁性系統(tǒng)包括:沿著FRC系統(tǒng)的部件位于軸向位置處的一系列準直流線圈；約束腔室的 任一端與相鄰形成部段之間的準直流鏡線圈；W及鏡堵漏部(plug),其包括形成部段中的 每一個與偏濾器之間的緊湊型準直流鏡線圈，緊湊型準直流鏡線圈產(chǎn)生額外的引導場W使 得磁通量表面朝向偏濾器集中。形成部段包括模塊式脈沖功率形成系統(tǒng)，其使得FRC能夠在 原位形成并且然后加速和注入(=靜態(tài)形成)或者同時地形成和加速(=動態(tài)形成）。
[0011] FRC系統(tǒng)包括中性原子束注入器和彈丸(pellet)注入器。在一個實施例中，束注入 器成角度W朝向中間平面注入中性粒子。束注入器朝向中間平面成角度并且軸向束位置靠 近中間平面改進了束-等離子體禪合，即使在注入期間FRC等離子體收縮或W其他方式軸向 地緊縮也是如此。也包括吸雜系統(tǒng)（gettering system) W及軸向等離子體槍。也提供偏壓 電極W便對開放的通量表面進行電偏壓。
[0012] 在操作中，當中性束被注入等離子體并且彈丸提供適當?shù)牧Ｗ蛹恿?particle refuel)時，包括等離子體熱能、總粒子數(shù)、等離子體半徑和長度W及磁通量的FRC全局等離 子體參數(shù)實質(zhì)上能夠維持而沒有衰變。
[0013] 對于本領域技術人員而言，通過查閱下文的附圖和詳細描述，本發(fā)明的系統(tǒng)、方 法、特征和優(yōu)點將是或?qū)⒆兊蔑@而易見。所有運樣的額外方法、特征和優(yōu)點旨在包括在本描 述中，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且由所附權利要求保護。也旨在本發(fā)明不限于需要示例實施例 的細節(jié)。
【附圖說明】
[0014] 作為本說明書的一部分而包括的附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并且與上文給 出的一般性描述和下文給出的優(yōu)選實施例的詳細描述一起，用來解釋和教導本發(fā)明的原 理。
[001引圖1示出高性能FRC狀態(tài)(regime)(HPC)下對比常規(guī)FRC狀態(tài)(CR)下，和對比其它常 規(guī)FRC實驗下，本FRC系統(tǒng)中的粒子約束。
[0016] 圖2示出本FRC系統(tǒng)的部件和能夠在本FRC系統(tǒng)中產(chǎn)生的FRC的磁性拓撲結構。
[0017] 圖3A示出如從頂部觀察的本FRC系統(tǒng)的基本布局，包括中性束、電極、等離子體槍、 鏡堵漏部和彈丸注入器的優(yōu)選布置。
[0018] 圖3B示出如從頂部觀察的中央約束容器，并且示出在中央約束容器中W垂直于主 要對稱軸線的角度設置的中性束。
[0019] 圖3C示出如從頂部觀察的中央約束容器，并且示出在中央約束容器中W不足W垂 直于主要對稱軸線的角度設置的中性束，并且該中性束指向朝向中央約束容器的中間平面 的注入粒子。
[0020] 圖4示出用于形成部段的脈沖功率系統(tǒng)的部件的示意圖。
[0021] 圖5示出單個脈沖功率形成橋(skid)的等距視圖。
[0022] 圖6示出形成管組件的等距視圖。
[0023] 圖7示出中性束系統(tǒng)和關鍵部件的局部截面等距視圖。
[0024] 圖8示出約束腔室上的中性束布置的等距視圖。
[0025] 圖9示出Ti和Li吸雜系統(tǒng)的優(yōu)選布置的局部截面等距視圖。
[0026] 圖10示出安裝在偏濾器腔室中的等離子體槍的局部截面等距視圖。還示出了相關 聯(lián)的磁鏡堵漏部和偏濾器電極組件。
[0027] 圖11示出約束腔室的軸向端處的環(huán)形偏壓電極的優(yōu)選布局。
[0028] 圖12示出從在兩個場反向角向髓縮形成部段處的一系列外部抗磁圈和嵌入中央 金屬約束腔室內(nèi)的磁性探頭所獲得的FRC系統(tǒng)中的排斥通量半徑的演變。時間從形成源中 的同步場反向的瞬間測量，并且給出相對于機器的軸向中間平面的距離Z。
[0029] 圖13(a)至圖13(d)示出來自本FRC系統(tǒng)上的代表性非HPF、非持續(xù)放電的數(shù)據(jù)。（a) 中間平面處的排斥通量半徑，（b)來自中間平面C〇2干設儀的線積分密度的6個弦（chord), (C)來自C〇2干設儀數(shù)據(jù)的Abel反演的密度徑向分布，W及(d)來自壓力平衡的總等離子體 溫度被示出為隨時間而變。
[0030] 圖14示出對于與圖13中所示的本FRC系統(tǒng)相同的放電的選定時間的排斥通量軸向 分布。
[0031] 圖15示出安裝于約束腔室外側的鞍形線圈的等距視圖。
[0032] 圖16示出FRC壽命與注入的中性束的脈沖長度之間的相互關系。如圖所示，更長的 束脈沖產(chǎn)生更長壽命的FRC。<