磁化等离子体聚变点火装置及其惯性磁约束聚变方法

摘要

本发明公开了磁化等离子体聚变点火装置及惯性磁约束聚变方法。包括反场构形的形成及加速传输系统、碰撞融合、及内爆压缩系统。形成及加速传输系统对称分布在两侧；碰撞融合系统位于中间，包括金属套筒、外侧套设的线圈以及在两端的磁镜线圈；内爆压缩系统包括金属套筒及电极，在电极连接有脉冲驱动功率源电容器组。本发明所惯性磁约束聚变方法包括通过反场theta箍缩放电技术形成初始的反场构形并使其发生对头相碰，在空间融合成高温高密的磁化等离子体团，密度和温度比碰撞前的单个反场构形等离子体团高，外接的脉冲驱动电源放电驱动固体套筒内爆对高温磁化等离子体靶进行准绝热压缩，使等离子体团的温度和密度升高达至聚变点火条件。

说明书

技术领域

本发明涉及高温磁化等离子体聚变能源反应堆的核心技术部件，高温磁化 等离子体聚变能源反应堆应用惯性磁约束聚变原理，将容器中一定比分的氘 (D)和氚(T)作为原料，通过惯性约束和磁约束混合应用的方式，实现热核 反应点火、燃烧并释放核聚变能量，从而向外界用户输送出电能的设施。

背景技术

众所周知，通过热核聚变输送电能是人类解决能源问题，实现可持续发展 的最终解决方案。磁约束聚变(MFE)和惯性约束聚变(ICF)属于传统的两 大聚变研究途径，这两大途径目前均已取得很大的进展，但同时二者在如何实 现商业化的问题上面临设施巨大、花费不菲以及研发周期过长的严重挑战。

近年来，其他经济小型的聚变途径探索方兴未艾，其中最具代表性的为美 国TriAlphaEnergy能源公司的C-2系列装置，该装置采用等离子体团碰撞融 合技术产生稳态的反场构形(FRC)，并利用外加旋转磁场和中性束加热的方法 提高FRC稳定性和寿命。该技术方案产生的FRC虽然有较好的等离子体稳定 性和较长的寿命，但是其密度较低，无法满足内爆压缩磁化等离子体聚变反应 对等离子体靶参数要求。(H.Y.Guo,M.W.Binderbauer,D.Barnes,etal.Phys. Plasmas18,056110(2011)，M.Tuszewski,A.Smirnov,M.C.Thompson,Phys.Rev. Lett.108,255008(2012)，M.M.Waldrop,Nature511,398(2014))

另外一种代表性的装置为美国LosAlamosNationalLaboratory的FRX-L 系列装置，该装置利用theta放电技术和磁通压缩的方法形成动态的反场构形， 其具有较高的等离子体密度，但是其稳定性较差，而且反场构形的寿命较低， 无法满足内爆压缩对磁化等离子体靶寿命的要求。(J.H.Degnan,D.J.Amdahl, M.Domonkos,etal,24thIAEAFusionEnergyConference(2012))。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种磁化等离子体聚变装置惯性磁约束聚 变方法，该技术方法产生的等离子体靶具有较好的等离子体稳定性和较长寿命， 同时具有较高的密度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种磁化等离子体聚变点火装置， 其包括反场构形等离子体团的形成及加速传输系统，还包括等离子体靶的碰撞 融合系统及内爆压缩系统，所述形成及加速传输系统对称分布在所述碰撞融合 系统及内爆压缩系统的两侧；所述碰撞融合系统位于整个装置的中央，包括： 金属套筒、该金属套筒外侧套设有电性连接的theta线圈以及在该金属套筒两端 设有电性连接的磁镜线圈；所述内爆压缩系统包括：所述金属套筒及电极，该 电极连接金属套筒的两端且构成一个腔室，在该电极还连接有脉冲驱动功率源 电容器组。

进一步，所述碰撞融合系统的theta线圈与中心轴线平行排列，该theta线 圈的材料为Nb3Sn、NbTi超导导体或无氧铜导体。

进一步，所述金属套筒的材质为金、铝、钨或铜。

进一步，所述形成及加速传输系统包括：石英套筒、石英套筒的外侧套设

的theta线圈、远离所述碰撞融合系统及内爆压缩系统的一端设置有磁镜线

圈、电容电源以及DT充气系统，该电容电源电性连接在该theta线圈和磁

镜线圈上，所述DT充气系统连通该石英套筒内。

进一步，所述石英套筒为柱形或锥形。

另一种技术方案在于：一种磁化等离子体聚变点火装置实现惯性磁约束聚 变方法，包括以下步骤：

A.向FRC等离子体团的形成及加速传输系统内通入中性氘氚气体中，嵌入 外加磁场，利用theta线圈缩放电的方法产生将中性气体离化，再通过反向电流 形成磁场位形，形成两个对称相向的高速初始的反场构形等离子体团；

B.利用磁压或洛仑兹力将步骤A形成的两个FRC等离子体团加速传送，并 汇聚到一个碰撞融合区域内，外加磁场对两个FRC等离子体团进行磁通压缩， 两个高速FRC等离子体团对碰时开始轴向收缩挤压，通过磁重联过程两初始 FRC等离子体团融合形成温度、密度更高的具有闭合磁力线的等离子体靶团；

C.对步骤B得到的高温和高密等离子体靶进行内爆压缩，脉冲驱动功率源 放电，在金属套筒外表面驱动电流的驱动下，产生向内径向压缩的洛仑兹力， 内爆压缩固体金属套筒；

D.当高温高密磁化等离子体靶完全碰撞融合形成前，脉冲驱动电源放电， 在金属套筒表面驱动轴向电流产生力内爆压缩固体金属套筒，固体套筒被压缩， 固体套筒经过加速、惯性阶段后，压缩过程到达滞止状态，随后向外反弹，等 离子体团内部的DT靶到达点火状态，系统发生热核聚变反应。

进一步，所述脉冲驱动功率源10～20MJ，放电时驱动电流10～20MA。

进一步，步骤A中，反场构形等离子体团线圈内磁场爬升到2T，离子体内 感应产生1MA涡旋电流。

进一步，所述金属套筒内磁场可达到最大强度不小于4特斯拉。

本发明的技术效果在于：本发明聚变点火装置，在碰撞融合阶段，两个完 全相同的FRC等离子体团以高速进入碰撞融合区时利用theta线圈产生的磁场 进行磁体压缩；然后，两高速FRC等离子体团碰撞，轴向收缩挤压，通过磁重 联过程形成一个高温高密的等离子体靶团。融合后的靶团同样被封闭在具有闭 合磁力线边界的磁场位形之中，比原来初始FRC靶具有更高的温度和密度。并 且具有很稳定的等离子体寿命，能够满足内爆压缩点火靶的要求。当碰撞融合 形成高温高密磁化等离子体靶的同时，脉冲功率源放电，在金属套筒外表面驱 动电流在几十兆安以上的强烈驱动，产生向内径向压缩的洛仑兹力，内爆压缩 固体金属套筒，当固体套筒被均匀稳定地压缩到原来半径的十分之一左右时， 内部磁压及等离子体热压与套筒的压力相当，压缩过程到达滞止状态，随后向 外反弹。这时等离子体内部的DT靶到达点火状态，系统发生热核聚变反应， 由聚变反应释放出的热核中子通过与包层相互作用使氚增殖并将热能传递至能 量转换回路，最终释放出商用的能量输出。

附图说明

图1是本发明磁化等离子体聚变点火装置的结构示意图。

其中，1-形成及加速传输系统；2-theta线圈；3-磁镜线圈；4-石英套筒； 5-DT充气系统；6-电容器电源；7-等离子体靶的碰撞融合系统以及等离子体靶 的内爆压缩系统；8-磁镜线圈；9-theta线圈；10-直流电源系统；11-腔室；12- 金属套筒；13-电极；14-脉冲驱动功率源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人 员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明磁化等离子体聚变点火装置，该装置的所有部件放 置于真空状态下，其包括反场构形等离子体团的形成及加速传输系统1，其还 包括等离子体靶的碰撞融合系统及等离子体靶的内爆压缩系统7，形成及加速 传输系统1对称分布在碰撞融合系统及所述内爆压缩系统7的两侧；碰撞融合 系统包括：金属套筒12、该金属套筒12外侧套设有电性连接的theta线圈9以 及在该金属套筒12两端设有电性连接的磁镜线圈8；内爆压缩系统包括：金属 套筒12及电极13，该电极13连接金属套筒的两端且构成一个真空腔室11，在 该电极13还电性连接有脉冲驱动功率源14。其中；FRC等离子体团的形成及 加速传输系统1，主要功能为采用反场theta箍缩技术(FRTP)形成具有闭合磁 力线的初级反场构形(FRC)等离子体团，其等离子体温度(电子温度加离子 温度)为200-350eV，密度不低于1×10¹⁵cm^-3；由磁场梯度或外置线圈将FRC 等离子体团加速并传送到装置的中间的碰撞融合区，此速度大约在阿尔文速度 量级～10cm/μs，因此其带有很高的动量。

本实施例中，本发明聚变点火装置的两端为FRC等离子体团的形成及加速 传输系统1，对称相向设置，包括石英套筒1、theta线圈2、磁镜线圈3和电容 电源、氘氚DT充气系统5。其中，每个单独的FRC形成及加速传输系统的石 英套筒1长200cm，内直径为18cm，厚度为1～1.5cm，一端与碰撞融合系统连 接。theta线圈2在石英套筒1外一端共10匝，排列长度150cm，以石英套筒 1开放端起第一匝线圈内直径22.5cm，theta线圈2以一个4～15度范围内的倾 斜角排列，该倾斜角指线圈排列与装置中心轴线间的夹角。具有一定倾斜角排 列的线圈意味着theta箍缩放电时会产生磁场梯度，该磁场梯度会产生轴向的洛 仑兹力作用在FRC等离子体团。石英套筒1在远离碰撞融合系统及内爆压缩系 统的一端连接有一套磁镜线圈3，该磁镜线圈3放置位置与theta线圈2的间隔 为5～10cm，其内直径25cm。电容电源系统包括偏置场电容器组、预电离电 容器组和主放电电容器组；其中，偏置场电容器组充电电压不低于10kV；预电 离电源为充电电压为60kV电容器组；主场电源组为不少于2组充电电压正负 60kV、220μF电容器组组成；磁镜场电源为充电电压不低于10kV电容器组。 DT充气系统5放置于石英套筒1开放端。该系统作用的基本功能及作用为：首 先在实验石英套筒1内冲入氘氚(DT)气体。结合磁镜线圈3，theta线圈2放 电在石英套筒内生成具有闭合磁力线的反场构形等离子体团。倾斜排列的theta 线圈会在石英套筒内产生非均匀磁场，磁压强梯度加速反场构形等离子体团达 到阿尔分速度量级，约10cm/μs量级。通过石英套筒FRC等离子体团被传输到 碰撞融合区。

本发明聚变点火装置的中间部分是等离子体靶的碰撞融合系统以及等离子 体靶的内爆压缩系统。碰撞融合系统的作用为对初始高速的FRC等离子体团进 行磁通压缩、初始高速FRC碰撞融合并在轴向上挤压收缩和捕获碰撞融合后的 形成新更高的温度及密度的具有闭合磁力线的磁化等离子体靶团，其温度在 400～550eV范围、密度不低于10¹⁷cm^-3，寿命在20μs以上。

FRC靶的碰撞融合区和内爆压缩区在空间上重叠。碰撞融合系统：金属套 筒12、该金属套筒12外侧套设有电性连接的theta线圈2以及在该金属套筒2 两端设有电性连接的磁镜线圈8，以及直流电源系统。金属套筒12和盘型电极 13构成的腔室11直径为10cm，长度约50cm，金属材料可为金、铝、钨和铜 等。该系统共有两套磁镜线圈8，分别位于碰撞融合腔室两端外，磁镜线圈8 内直径15～25cm，与盘型电极13间距离在5～10cm内。该系统的theta线圈9 共6匝，共长50cm，线圈轴向水平排列，线圈材料可选Nb3Sn或NbTi超导导 体和无氧铜导体。直流电源系统包括磁镜线圈8直流电源和theta线圈直流电源， 保证金属套筒12内磁场可达到最大强度不小于4特斯拉。

靶碰撞融合系统的主要功能及作用为：首先在相向的两个完全相同的FRC 等离子体团以高速进入碰撞融合区时利用theta线圈9产生的磁场进行磁通压 缩。然后，两高速FRC等离子体团碰撞，轴向收缩挤压，通过磁重联过程形成 一个高温高密的等离子体靶团。除了内嵌磁场金属套筒同时也会抑制碰撞融合 的等离子体团膨胀。融合后的靶团同样被封闭在具有闭合磁力线边界的磁场位 形之中，比原来初始FRC靶具有更高的温度和密度。并且该等离子体靶具有很 长的寿命，能够满足内爆压缩点火靶的要求。

内爆压缩系统包括：金属套筒12及电极13，该电极13连接金属套筒12 的两端且构成一个真空腔室11，在该电极13还电性连接有脉冲驱动功率源14 电容器组。其主要功能：通过电磁脉冲驱动固体套筒,径向压缩碰撞融合后形 成的高温高密磁化等离子体靶团，将固体金属套筒12的动能转换为高温高密磁 化等离子体靶团的内能，从而使得DT等离子体靶团的温度密度随着内爆的进 程不断升高，直到到达聚变点火条件。最终的等离子体参数为：BR>40Tcm， T>4.4keV，密度及约束时间的乘积。

内爆压缩系统主要由固体金属套筒12、盘型电极13和脉冲驱动功率源构 成。碰撞融合系统和内爆压缩系统共用金属套筒12，金属套筒12两端连接有 盘型电极，脉冲驱动功率源10～20MJ，最大驱动电流10～20MA。固体金属套筒 在压缩高温高密磁化等离子体靶的过程中由于磁场的冻结效应使得等离子体靶 内的磁场由于广义的磁通守恒而被压缩放大，大约10倍的径向压缩比率，使放 大后的磁场峰值在百特斯拉以上，由此可以在满足Lawson点火条件的同时， 还能到达BR>40Tcm的磁化等离子体点火条件。

内爆压缩系统的运行过程为：当碰撞融合形成高温高密磁化等离子体靶的 同时，脉冲驱动电源放电，在金属套筒外表面强烈驱动几十兆安以上的驱动电 流，产生向内径向压缩的洛仑兹力，内爆压缩固体金属套筒12，当固体金属套 筒12被均匀稳定地压缩到原来半径的十分之一左右时，固体套筒经过加速、惯 性阶段后，压缩过程到达滞止状态，随后向外反弹。这时内部的DT等离子体 靶到达点火状态，系统发生热核聚变反应，由聚变反应释放出的热核中子通过 与包层相互作用使氚增殖并将热能传递至能量转换回路，最终释放出商用的能 量输出。

本发明的技术效果在于：碰撞融合阶段：密度大于碰撞融合之前的任意一 个FRC靶的密度，温度同样大于碰撞融合之前的任意一个FRC靶的温度，所 形成的新的封闭在磁场位型中的等离子体团的存在时间较FRX-L系列装置的 大得多，但比C-2系列装置的小一个量级左右。

电磁内爆压缩点火阶段：磁场以及半径的乘积BR≥40T·cm，温度T≥4.4keV， 密度及约束时间的乘积，nτ_E≥10¹⁴s·cm^-3。

以下是本发明聚变点火装置与现有技术的技术效果参数如下：

本发明聚变点火装置的惯性磁约束聚变方法步骤如下：

第一步、初始FRC形成即加速传输：首先在初始FRC形成和加速传输系 统中的石英套筒内各充入1.82mgDT气体。50μs时磁镜电容器放电，400μs时 偏置场电容器放电，theta线圈产生约0.13T偏置磁场；450μs时预电离场电容 器组放电，产生0.25T磁场并电离气体；475μs时主场电容组放电，theta线圈 主场电流爬升，电流方向与偏置场电流相反，在4μ内theta线圈内磁场爬升到 2T在等离子体内感应产生1MA涡旋电流，形成反场构形等离子体团，其等预 加热等离子体温度到为～250eV，等离子体密度为6.8×10¹⁶cm^-3，等离子体团直 径约15cm，长度约为150cm。倾斜角为6度theta线圈产生非均匀的磁场在4μs 内将等离子体团加速到约10cm/μs，经过10μs传输到碰撞融合区在489μs两对 称相向的初始FRC等离子体团开始碰撞。

第二步、FRC靶碰撞融合。在实验准备时，即初始FRC系统放电前，碰撞 融合系统中直流电源放电，theta线圈产生均匀磁场约4Tesla；磁镜线圈结合 均匀磁场形成磁镜场。当高速初始FRC进入碰撞融合区时，外加磁场对FRC 进行磁通压缩，同时当两FRC高速对碰时开始轴向挤压收缩，通过磁重联过程 两初始FRC等离子体团融合形成温度、密度更高的具有闭合磁力线的等离子体 靶团。从开始碰撞经过约5μs后最终形成直径约为10cm，长度为50cm的具有 闭合磁力线的等离子体团，其等离子体温度为450eV，密度为5.2×10¹⁷cm^-3。 碰撞融合形成的FRC靶被磁镜场捕获在金属套筒内。

第三步、高温高密磁化等离子体靶内爆压缩。在491μs时，即高温高密磁 化等离子体靶完全碰撞融合形成前3μs，Z箍缩脉冲驱动功率源放电，在金属套 筒表面驱动轴向电流产生洛仑兹力径向均匀压缩金属套筒，对等离子体靶进行 准绝热压缩，最大驱动电流为15MA。经过20μs后金属套筒停滞，将动能转换 为等离子体热能，等离子体靶径约为1.0cm，其峰值磁场强度为～10MG(兆高 斯)，等离子体温度为～8keV，等离子体密度为～8×10¹⁹cm^-3，能量约束时间约为 0.3ms，达到聚变点火条件。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的 保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或 变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。