[发明专利]用于形成和保持高性能FRC的系统和方法

说明书

一种高性能场反向位形（FRC）系统包括中央约束容器（100）、联接到容器（100）的两个直径相对的反场角向箍缩形成部段（200），以及联接到形成部段（200）的两个偏滤器腔室（300）。磁性系统包括沿FRC系统部件轴向定位的准直流线圈（412、414、416）、约束腔室（100）和形成部段之间的准直流镜线圈（420）以及形成部段和偏滤器之间的镜堵漏部。形成部段（200）包括模块化脉冲式功率形成系统，其使得能够实现FRC的静态和动态形成和加速。FRC系统还包括中性原子束注入器（610、640）、弹丸注入器（700）、吸杂系统（810、820）、轴向等离子体枪和通量表面偏压电极。束注入器优选地有角度地朝向腔室的中间平面。在操作中，包括等离子体热能、总粒子数、半径和俘获磁通量的FRC等离子体参数在中性束注入期间能够维持在恒定值或恒定值附近而不衰变。

技术领域

本文所描述的实施例总体上涉及磁等离子体约束系统，并且更具体地，涉及便于形成和维持具有优异的稳定性以及粒子、能量和通量约束的场反向位形的系统和方法。

背景技术

场反向位形（FRC）属于被称作紧凑环（CT）的磁等离子体约束拓扑结构的类别。其主要表现出极向磁场并且具有零或小的自生成等离子体环形场（参看M. Tuszewski,Nucl. Fusion 28, 2033（1988））。这种位形的吸引力在于其简单的几何形状以便简化构造和维护，便于能量提取和除灰的自然不受限制的偏滤器，和很高的β（β是平均等离子体压力与FRC内的平均磁场压力之比），即高功率密度。高β性质有利于经济的操作和使用先进的无中子核燃料（诸如D-He³和p-B¹¹）。

形成FRC的传统方法使用场反向θ-箍缩技术，从而产生热的、高密度的等离子体（参看A. L. Hoffman and J. T. Slough, Nucl. Fusion 33, 27（1993））。其一种变型是平移-俘获方法，其中，在角向箍缩“源”中形成的等离子或多或少地立即从一端出射到约束腔室内。然后平移的等离子粒团被俘获在腔室的端部处的两个强镜之间（参看，例如，H.Himura, S. Okada, S. Sugimoto and S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191（1995））。一旦处于约束腔室中，可以采用各种加热和电流驱动方法，诸如束注入（中性或中和的）、旋转磁场、RF或欧姆加热等。这种源和约束功能的分离为可能的未来聚变反应堆提供关键的工程优点。已证明FRC极为稳固，适应于动态形成、平移和暴力捕获事件。此外，它们表现出呈现优选等离子体状态的倾向（参看例如H. Y. Guo, A. L. Hoffman, K. E. Miller and L.C. Steinhauer, Phys. Rev. Lett. 92, 245001（2004））。在过去的数十年中，研发其它FRC形成方法已取得了重大进展：合并具有反向螺旋性的球马克（参看，例如，Y. Ono, M.Inomoto, Y. Ueda, T. Matsuyama and T. Okazaki, Nucl. Fusion 39, 2001（1999））和通过用旋转磁场（RMF）来驱动电流（参看，例如，I. R. Jones, Phys. Plasmas 6, 1950（1999）），这也提供额外的稳定性。

近来，已显著地进一步研发了很久以前提出的碰撞-合并技术（参看，例如D. R.Wells, Phys. Fluids 9, 1010（1966））：在约束腔室的相对端处的两个单独的角向箍缩同时生成两个等离子粒团并且使等离子粒团朝向彼此以高速加速；它们然后在约束腔室中心处碰撞并且合并以形成复合FRC。在目前为止最大的FRC实验之一的构造和成功操作中，常规的碰撞-合并方法被示出为产生稳定、长寿命、高通量、高温FRC（参看例如M.Binderbauer, H.Y. Guo, M. Tuszewski et al., Phys. Rev. Lett. 105, 045003（2010））。