[实用新型]磁化等离子体聚变点火装置

说明书

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，Inertial Confinement 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。