[发明专利]一种在等离子体强磁场位置注入中性束的磁镜装置

说明书

技术领域

本发明属于核聚变能领域，涉及磁镜聚变装置，具体涉及一种在等离子体强磁场位置注入中性束的磁镜装置。

背景技术

磁镜一种利用中间弱、两端强的特殊磁场位形来约束等离子体的磁约束聚变装置。其主要特征为在装置的两端具有高磁场强度的磁场线圈，形成非常高的磁势垒，从而将带电粒子约束在磁镜内部。

气体动力学阱GDT(Gas Dynamic Trap)装置是一种轴对称的磁镜装置，具有很高的磁镜比(最大磁场强度与最小磁场强度的比值)，两磁镜之间的距离大于等离子体中粒子的有效平均自由程，其中的等离子体较为符合气体动力学的特性，因此称之为气体动力学阱(GDT)。

利用中性束系统向GDT等离子体注入高能中性粒子，中性粒子被靶等离子体电离形成快离子，由于快离子在等离子体中的碰撞散射效应较小，其方向角较为稳定。依据带电粒子在稳衡磁场中磁矩守恒，因此快离子会在GDT内部往返运动，并且在两端的折返点位置高密度聚集并不断碰撞而发生聚变反应。

这类GDT磁镜装置有着结构简单紧凑、等离子体温度低、造价较低的优点，被认为最有希望实现聚变相关应用磁镜装置，比如作为聚变中子源开展聚变材料和聚变堆子部件集成测试的平台，或者驱动裂变包层作为聚变裂变混合堆用于嬗变核废料、增殖核燃料等应用。

聚变能量增益是指聚变等离子体产生的聚变功率与所消耗掉的加热功率的比值，通常用Q表示，即：Q＝聚变功率/加热功率。而目前GDT这类磁镜类装置的聚变能量增益较低(小于0.1)，一方面会导致装置的成本较高，另一方面需要较高的中性束注入功率和磁场强度作为技术支撑。

GDT装置快离子折返点位置的磁场强度B_t与注入位置磁场强度B_inj之间的关系为B_t＝B_inj/(sin²θ)，其中θ为中性束注入与等离子体轴线方向的夹角。由于装置本身的结构限制，θ不能过低，通常大于20°。传统GDT磁镜的中性束注入方案是在最小磁场位置，即在中平面进行中性束注入(B_inj＝B₀)。在这种中性束注入方案的情况下，一方面难以通过降低θ来高快离子折返点位置的磁场强度，另一方面由于受到磁体技术的限制，无法通过提高最大磁场来提高磁镜比，而降低B₀反而会降低B_inj。因此，总的来说，传统中性束注入的方法限制了GDT磁镜装置Q的提升空间。

发明内容

本发明的目的是为了解决长期制约磁镜装置发展的聚变能量增益过低的问题，提供了一种在等离子体强磁场位置注入中性束的磁镜装置。

本发明所采用的技术方案是：一种在等离子体强磁场位置注入中性束的磁镜装置，主要由中性束注入系统和、磁体系统、真空室、等离子体枪和其他辅助的设备；其特征在于：

所述的中性束注入系统的中性粒子斜注入磁镜装置约束等离子体的强磁场位置，可以是磁镜最小磁场(中平面)到最大磁场(磁喉)之间等离子体的任何位置；

所述的中性束注入系统的注入角可以是锐角或者钝角，注入角为中性粒子注入的方向和等离子体轴的夹角；

所述的中性束注入系统可以由多个中性束分别在磁镜装置约束等离子体不同的强磁场位置注入。

其中，该强磁场位置注入中性束的磁镜装置，可以提高中性束产生的快离子在磁镜中折返点位置的磁场强度和密度，提高快离子聚变反应的功率密度。

其中，该强磁场位置注入中性束的磁镜装置，可以通过降低磁镜中平面磁场的方式来提高磁镜比，提高电子温度和快离子的约束时间，而不影响快离子在折返点位置的磁场强度和密度，最终提高磁镜装置的聚变能量增益。

其中，该强磁场位置注入中性束的磁镜装置，可以采用在不同位置以不同的角度注入多束中性束粒子，有利于调节快离子在转折点区域的密度分布，在固定的等离子体比压限制条件下，产生最大的聚变功率输出。

本发明的原理是：一种在等离子体强磁场位置注入中性束的磁镜装置，利用在磁镜装置约束等离子体的强磁场位置斜注入高能中性束粒子，提高中性束产生的快离子在磁镜中折返点位置的磁场强度，约束更高的快离子密度，提高快离子聚变反应的功率密度。在不增加输入功率的情况下增加了聚变功率，从而提高磁镜装置的聚变能量增益。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可以提高中性束产生的快离子在磁镜中折返点位置的磁场强度和所约束的快离子密度，提高快离子聚变反应的功率密度；