用于形成并维持高性能FRC的系统和方法与流程

本申请是申请号为201280055842.6、申请日为2012年11月14日、名称为“用于形成并维持高性能frc的系统和方法”的专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求保护在2011年11月4日提交的美国临时申请no.61/559,154的权益，并且要求保护在2011年11月15日提交的美国临时申请no.61/559,721的权益，这些申请都以引用的方式并入到本文中。

本文所描述的实施例大体而言涉及磁等离子体约束系统，并且更特定而言涉及便于形成并维持具有优良的稳定性以及粒子、能量和通量约束的场反向配置的系统和方法。

背景技术：

场反向配置(frc)属于被称作紧凑等离子体环/紧凑环形线圈（ct）的磁等离子体约束拓扑结构的类别。其表现出主导的极向磁场以及具有零或小自生等离子体环场（参看m.tuszewski,nucl.fusion28,2033(1988)）。这种配置的吸引力在于其简单的几何形状，易于构造和维护，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内的平均磁场压力的比），即高功率密度。高β性质有利于经济操作和使用先进的无中子燃料诸如d-he³和p-b¹¹。

形成frc的传统方法使用场反向θ-箍缩技术，产生热的高密度等离子体（参看a.l.hoffman和j.t.slough,nucl.fusion33,27(1993)）。其一种变型为平移-捕集方法，其中，在θ-箍缩“源”中形成的等离子体差不多立即从一端出射到约束腔室内。然后平移的等离子体粒团被捕集于在腔室端部处的两个强镜之间（参看，例如，h.himura、s.okada、s.sugimoto和s.goto,phys.plasmas2,191(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，诸如束喷射（中性或中和的）、旋转磁场、rf或欧姆加热等。这种源分离和约束功能对于可能的未来聚变反应堆提供关键的工程优点。frc被证明极为稳健/强固，对于动态形成、平移和暴力捕获事件具有适应性。此外，它们表现出呈现优选等离子体状态的倾向性（参看例如h.y.guo、a.l.hoffman、k.e.miller和l.c.steinhauer,phys.rev.lett.92,245001(2004)）。在过去的数十年中发展其它frc形成方法已取得了重大进展：合并具有相反方向螺旋性的球马克（参看，例如，y.ono、m.inomoto、y.ueda、t.matsuyama和t.okazaki,nucl.fusion39,2001(1999)）和通过以旋转磁场（rmf）来驱动电流(参看，例如，i.r.jones,phys.plasmas6,1950(1999)），其也提供额外稳定性。

近来，已显著地更进一步发展了长久以前提出的碰撞-合并技术（参看，例如d.r.wells,phys.fluids9,1010(1966)）：在约束腔室相反端处的两个单独θ箍缩同时生成两个等离子体粒团并且使等离子体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。在目前为止的最大frc实验之一的构造和成功操作中，示出了常规的碰撞-合并方法以产生稳定、长寿命、高通量、高温frc（参看例如m.binderbauer、h.y.guo、m.tuszewski等人，phys.rev.lett.105,045003(2010)）。

frc包括了在分界面内侧的闭场线的圆环面和在分界面外侧附近的开场线上的环形边缘层。边缘层联合/合并为超过frc长度的射流，提供自然偏滤器。frc拓扑结构与场反向镜等离子体的拓扑结构相符。但是，显著差别在于frc等离子体具有约10的β。固有低内磁场提供某些本源运动粒子总体，即，与frc小半径相比，具有大拉莫半径（larmorradii）的粒子。正是这些强动力学效应表现为至少部分地造成/有助于过去和当前frc的总体稳定性，诸如在碰撞-合并实验中所产生的那些。

典型的过去的frc实验已受制于对流损失，其中能量约束很大程度上由粒子运输决定。粒子主要在径向从分界面体积扩散出来，并且然后在轴向丢失于边缘层中。因此，frc约束取决于闭场线和开场线区域二者的特性。从分界面出来的粒子扩散时间定标为（a~rs/4，其中rs为中央分界面半径），并且为特征性frc扩散率，诸如，其中ρie表示离子回转半径，以外部施加的磁场来评估。边缘层粒子约束时间是在过去的frc实验中基本上轴向通过时间。在稳态，在径向粒子损失与轴向粒子损失之间的平衡得到分界面密度梯度长度。对于在分界面处具有显著密度的过去frc而言，frc粒子约束时间定标为（参看例如，m.tuszewski,“fieldreversedconfigurations,”nucl.fusion28,2033(1988)）。

现有frc系统设计的另一缺陷在于需要使用外部多极来控制旋转不稳定性，诸如快速增长n=2交换不稳定性。以此方式，典型外部施加四极场提供所需的磁恢复压力来阻尼/抑制这些不稳定模式的发展。虽然这种技术足以用于对热体等离子体（thermalbulkplasma）进行稳定性控制，对于更多动能frc或先进的混合frc，这带来了严重问题，其中，高动能大轨道粒子总体与通常的热等离子体组合。在这些系统中，由于这种多极场造成的轴对称磁场的畸变经由无碰撞随机扩散而导致显著的快速粒子损失，结果是失去了正则角动量守恒。因此用以提供稳定性控制而不促进任何粒子扩散的新颖解决方案重要的是利用这些之前从未探究过的先进的frc构思的更高性能的潜力。

鉴于前文描述，因此，希望改进frc的约束和稳定性以便使用稳态frc作为很多种应用的途径，从紧凑中子源（用于医用同位素生产和核废物整治）到大量分离和富集系统，和用于聚集轻核以用于未来生成能量的反应堆芯等。

技术实现要素：

本文所提供的本发明的实施例针对于便于形成并维持新颖高性能场反向配置（frc）的系统和方法。根据这种新颖高性能frc范例，本发明的系统组合了大量新颖构思和手段来显著地改进frc的粒子、能量和通量约束，以及提供稳定性控制而不会产生不良的副作用。

本文提供的一种frc系统包括中央约束容器，中央约束容器由两个直径对置的反向场-θ-箍缩形成部段和超过这两个形成部段的两个偏滤器腔室包围以控制中性粒子密度和杂质污染。磁系统包括：沿着frc系统的部件位于轴向位置处的一系列准直流线圈；在约束腔室的任一端与相邻形成部段之间的准直流镜线圈；以及，镜插塞，其包括在形成部段中每一个与偏滤器之间的紧凑准直流镜线圈，紧凑准直流镜线圈产生额外引导场以使得磁通量表面朝向偏滤器聚焦。形成部段包括模块式脉冲功率形成系统，其使得frc能在现场形成并且然后加速和喷射（=静态形成）或者同时形成和加速（=动态形成）。

frc系统包括中性原子束喷射器和球团（pellet）喷射器。也可以包括吸杂系统以及轴向等离子体枪。也提供偏压电极用于对开放通量表面进行电偏压。

对于本领域技术人员而言，通过查阅下文的附图和详细描述，本发明的系统、方法、特点和优点将会变得显然。所有这样的额外方法、特点和优点意图包括在本描述中，在本发明的范围内，并且受到所附权利要求保护。也意图本发明并不限于需要示例实施例的细节。

附图说明

作为本说明书的部分而包括的附图示出了本发明的目前优选的实施例，并且与上文给出的一般描述和下文给出的优选实施例的详细描述一起用来解释和教导本发明的原理。

图1示出了与在常规frc方案（cr）的情况下相比和与在其它常规frc实验的情况下相比，在高性能frc方案（hpc）的情况下在本发明frc系统中的粒子约束。

图2示出了本发明的frc系统的部件和可能在本发明的frc系统中产生的frc的磁性拓扑结构。

图3示出了如从顶部查看的本发明的frc系统的基本布局，包括中性束、电极、等离子体枪、镜插塞和球团喷射器的优选布置。

图4示出了用于形成部段的脉冲功率系统的部件的示意图。

图5示出了个别脉冲功率形成撬（skid）的等距视图。

图6示出了形成管组件的等距视图。

图7示出了中性束系统和关键部件的局部截面等距视图。

图8示出了在约束腔室上的中性束布置的等距视图。

图9示出了ti和li吸杂系统的优选布置的局部截面等距视图。

图10示出了安装于偏滤器腔室中的等离子体枪的局部截面等距视图。还示出了相关联的磁镜插塞和偏滤器电极组件。

图11示出了约束腔室的轴向端处的环形偏压电极的优选布局。

图12示出了从两个场反向θ箍缩形成部段处的一系列外部抗磁圈和嵌入于中央金属约束腔室内的磁性探针所获得的frc系统中的排斥通量半径的演变。时间从形成源中的同步场反向的瞬间测量，并且给出相对于机器的轴向中平面的距离z。

图13（a）至图13（d）示出了来自本发明frc系统上的代表性非hpf、非持续放电的数据。作为时间的函数示出了（a）在中平面处的排斥通量半径；（b）来自中平面co2干涉仪的6和弦线积分密度（6chordsofline-integrateddensity）；（c）来自co2干涉仪数据的abel逆变换的密度径向分布；以及（d）来自压力平衡的总等离子体温度。

图14示出了用于图13所示的本发明的frc系统的相同放电的选定时间的排斥通量轴向分布。

图15示出了安装于约束腔室外侧的鞍形线圈的等距视图。

图16示出了frc寿命与喷射的中性束的脉冲长度之间的相互关系。如图所示，更长的束脉冲产生更长寿命的frc。

图17示出了frc系统的不同部件对于frc性能和hpf方案达成成就的个别和组合效果。

图18（a）至图18（d）示出了来自本发明的frc系统上的代表性hpf、非持续的放电的数据。作为时间的函数示出了（a）在中平面处的排斥通量半径；（b）来自中平面co2干涉仪的6和弦线积分的密度；（c）来自co2干涉仪数据的abel逆变换的密度径向分布；以及（d）来自压力平衡的总等离子体温度。

图19示出了作为电子温度（te）函数的通量约束。其表示hpf放电的新确立的优良定标方案的图形表示。

应当指出的是附图未必按照比例绘制，并且在所有附图中，出于说明目的，类似结构或功能的元件大体上以相似的附图标记表示。还应当指出的是附图只是为了便于描述本文所叙述的各种实施例。附图未必描述本文所公开的教导内容的每个方面并且并不限制权利要求的范围。

具体实施方式

本文所提供的本发明的实施例针对于便于形成并维持高性能场反向配置（frc）的系统和方法，与常规frc相比，这种高性能场反向配置（frc）具有优良的稳定性以及优良的粒子、能量和通量约束。已研究了各种辅助系统和操作模式来评定在frc中是否存在优良的约束状况。这些努力已得到了突破性发现和本文所描述的高性能frc范例的发展。根据这种新范例，本发明的系统和方法组合了大量新颖构思和手段来显著地改进frc约束（如图1所示）以及提供稳定性控制，而不会有不利的副作用。如在下文中更详细地讨论，图1描绘了在下文所描述的frc系统10（参看图2和图3）中根据高性能frc方案（hpf）操作以用于形成并维持frc与根据常规方案cr操作以用于形成并维持frc的粒子约束的比较，以及与根据其它实验中使用的常规方案以用于形成并维持frc的粒子约束的比较。本公开将概述并且详细描述frc系统10的创新性个别部件和方法以及其集体效果。

frc系统的描述

真空系统

图2和图3描绘了本发明的frc系统10的示意图。frc系统100包括中央约束容器100，中央约束容器100由两个直径对置的反向场θ箍缩形成部段200和超过形成部段200的两个偏滤器腔室300所包围以控制中性粒子密度和杂质污染。本发明的frc系统10被建置为适应超高真空并且在10-8托的典型基准压力操作。这样的真空压力需要使用在配合部件之间的双泵吸配合凸缘、金属o形环、高纯度内壁以及组装之前所有零件的谨慎的初始表面调节，诸如物理和化学清洁，之后为24小时250℃真空烘焙和氢辉光放电清洁。

反向场θ箍缩形成部段200为标准的场反向θ箍缩(frtp)，但具有下文详细讨论的先进的脉冲功率形成系统（参看图4至图6）。每个形成部段200由标准不透明工业级石英管形成，其以具有2毫米的超纯石英内衬为特征。约束腔室100由不锈钢制成以允许许多径向和切向端口；其也用作下文所描述的实验时标的通量保存器并且限制快速的磁瞬态。利用干涡旋粗泵、涡轮分子泵和低温泵的集合来在frc系统10内形成并维持真空。

磁系统

在图2和图3中示出了磁系统400。在图2中示出了与由frc系统10可产生的frc450有关的frc磁通量和等密度线（作为径向和轴向坐标的函数）以及其它特点。使用被发展为用以模拟与frc系统10对应的系统和方法的代码通过2-d电阻霍尔-mhd数值模拟来获得这些等密度线，并且与测量的实验数据相符。如在图2中看出，frc450包括了在分界面451内侧的frc450的内部453处的闭场线的圆环和在分界面451的略外侧的开场线452上的环形边缘层456的圆环。边缘层456联合为超过frc长度的射流454，提供自然偏滤器。

主磁系统410包括一系列准直流线圈412、414和416，它们沿着frc系统10的部件，即沿着约束腔室100、形成部段200和偏滤器300处于特定轴向位置处。准直流线圈412、414和416由准直流开关电源供电并且在约束腔室100、形成部段200和偏滤器300中产生约0.1t的基本磁偏压场。除了准直流线圈412、414和416之外，主磁系统410包括了在约束腔室100的任一端与相邻形成部段200之间的准直流镜线圈420（由开关电源供电）。准直流镜线圈420提供高达5的磁镜比并且可以被独立地激励用于均衡成形控制。此外，镜插塞440定位于形成部段200和偏滤器300中每一个之间。镜插塞440包括紧凑准直流镜线圈430和镜插塞线圈444。准直流镜线圈430包括三个线圈432、434和436（由开关电源供电），其产生额外引导场以使磁通量表面455朝向穿过镜插塞线圈444的小直径通路442聚焦。围绕小直径通路442缠绕并且由lc脉冲功率电路供电的镜插塞线圈444产生高达4t的强磁镜场。这整个线圈布置的目的是为了紧密地束集和引导磁通量表面455和端部流动的等离子体射流454到偏滤器300的远距腔室310内。最后，鞍形线圈“天线”460的集合（参看图15）位于约束腔室100外侧，在中平面的每一侧上两个，并且被馈送直流电源。鞍形线圈天线460可以被配置成用以提供约0.01t的准静态磁偶极子或者四极场用来控制旋转不稳定性和/或电子电流控制。鞍形线圈天线460可以灵活地提供绕机器中平面对称或不对称的磁场，取决于所施加的电流的方向。

脉冲功率形成系统

脉冲功率形成系统210根据修改的θ箍缩原理操作。存在着各自向形成部段200之一供电的两个系统。图4至图6示出了形成系统210的主要建置框和布置。形成系统210包括模块式脉冲功率布置，模块式脉冲功率布置包括各自激励着围绕形成石英管240而缠绕的条带组件230（=条带）的线圈232子集的个别单元（=撬）220。每个撬220包括电容器221、感应器223、快速高电流开关225和相关联的触发器222和吞噬器（dump）电路224。总之，每个形成系统210储存介于350-400kj之间的电容能量，其提供高达35gw的功率以形成并且加速frc。经由现有技术的触发器和控制系统222和224实现了这些部件的协调操作，现有技术触发器和控制系统222和224允许在每个形成部段200上的形成系统210之间的同步定时并且最小化开关抖动为数十纳秒。这种模块式设计的优点在于其灵活的操作：frc可以在现场形成并且然后加速并喷射（=静态形成）或者同时形成和加速（=动态形成）。

中性束喷射器

中性原子束部署于frc系统10上以提供加热和电流驱动以及形成快速粒子压力。如在图3和图8中所示，包括中性原子束喷射器系统610和640的个别束线位于中央约束腔室100周围并且在切向对frc等离子体喷射快速粒子（并且垂直于约束腔室100的轴线），具有一定冲击参数使得目标捕集区位于分界面451内（参看图2）。每个喷射器系统610和640能够向frc等离子体内投射多达1mw的中性束功率，其中粒子能量在20kev与40kev之间。系统610和640基于正离子多孔口提取源并且利用离子提取栅的几何聚焦、惯性冷却和不同的泵吸。除了使用不同的等离子体源之外，系统610和640的主要差别在于它们的满足它们相应安装位置的物理设计，得到侧部和顶部喷射能力。对于侧部喷射器系统610，这些中性束喷射器的典型部件具体地在图7中示出。如图7所示，每个个别中性束系统610包括了在输入端处的rf等离子体源612（这在系统640中由弧源替代），并且磁屏614覆盖该端。离子光源和加速栅616联接到等离子体源612并且闸阀620定位于离子光源和加速栅616与中和器622之间。偏转磁体624和离子吞噬器628位于中和器622与出口端处的瞄准装置630之间。冷却系统包括两个低温制冷器634、两个低温板636和ln2护罩638。这种灵活的设计允许在较宽的frc参数范围操作。

球团喷射器

为了提供喷射新粒子的手段和更好地控制frc粒子存量，在frc系统10上利用一种12-管筒球团喷射器700（参看，例如i.vinyar等人，“pelletinjectorsdevelopedatpelinforjet,tae,andhl-2a,”2010年9月27日至10月1日第26届聚变科学与技术研讨会的会议录（proceedingsofthe26thfusionscienceandtechnologysymposium,09/27to10/01(2010)））。图3示出了在frc系统10上的球团喷射器700的布局。圆柱形球团（d~1mm，l~1-2mm）被喷射到frc内，以在150-250km/s范围的速度。每个个别球团包含约5×10¹⁹个氢原子，其与frc粒子存量相当。

吸杂系统

熟知中性光晕气体（halogas）在所有约束系统中是严重的问题。电荷交换和再循环（从壁释放冷杂质材料）过程能对能量和粒子约束具有毁灭性影响。此外，在边缘处或边缘附近中性气体的任何显著密度将导致促进喷射的大轨道（高能）粒子（大轨道指具有frc拓扑结构标度的轨道或者至少具有远大于特征性磁场梯度长度标度的轨道半径的粒子）的寿命损失或至少严重地缩减喷射的大轨道（高能）粒子的寿命，这一事实不利于所有高能等离子体应用，包括经由辅助束加热而聚集。

表面调节为可以在约束系统中控制或减轻中性气体和杂质的不利效果的手段。为此目的，本发明所提供的frc系统10采用钛和锂淀积系统810和820，钛和锂淀积系统810和820向转向器300和约束腔室（或容器100）的朝向等离子体的表面涂布ti和/或li薄膜（数十微米厚）。经由气相淀积技术来实现涂层。固体li和/或ti被蒸发和/或升华并且喷涂到附近表面上以形成涂层。源为原子炉，其具有引导喷嘴（在li的情况下）822或者带引导护罩的受热固体球812（在ti的情况下）。li蒸发器系统通常以连续模式操作，而ti升华器主要在等离子体操作之间间歇地操作。这些系统的操作温度高于600℃以获得快速淀积速率。为了实现良好的壁覆盖率，需要多个策略性定位的蒸发器/升华器系统。图9详细描述了在frc系统10中的吸杂淀积系统810和820的优选布置。涂层充当吸杂表面并且有效地泵吸氢类原子和分子物质（h和d）。涂层也可减少其它典型杂质，诸如碳和氧到无关紧要的水平。

镜插塞

如上文所述，frc系统10采用如图2和图3所示的镜线圈420、430和444的集合。第一镜线圈集合420位于约束腔室100的两个轴向端处并且由主磁系统410的约束线圈412、414和416独立地激励。第一镜线圈集合420主要帮助在合并期间使frc450转向并在轴向容纳frc450并且在持续期间提供均衡成形控制。第一镜线圈集合420产生比由中央约束线圈412所产生的中央约束场名义上/标称更高的磁场（约0.4至0.5t）。包括三个紧凑准直流镜线圈432、434和436的第二镜线圈集合430位于形成部段200与偏滤器300之间并且由共同开关电源所驱动。镜线圈432、434和436以及更紧凑的脉冲式镜插塞线圈444（由电容电源供电）和物理缩窄部442一起形成镜插塞440，镜插塞440提供具有很高磁场（在2至4t之间，具有约10至20ms之间的上升时间）的窄低气体传导路径。与约束线圈412、414和416的一米以上标度（meter-plus-scale）内孔和煎饼形设计相比，最紧凑的脉冲镜线圈444具有紧凑的径向尺寸，20cm的内孔和类似的长度。镜插塞440的目的是多元化的：（1）线圈432、434、436和444紧密地束集和引导磁通量表面452和端部流动的等离子体射流454到远距偏滤器腔室300内。这保证了排出的粒子适当地到达偏滤器300并且存在着连续通量表面455，连续通量表面455的踪迹从中央frc450的开场线452区域一直到偏滤器300。（2）在frc系统10中的物理缩窄部442对来自安放于偏滤器300中的等离子体枪350的中性气体流动提供阻碍，线圈432、434、436和444能通过缩窄部442传递磁通量表面452和等离子体射流454。同样，缩窄部442防止来自形成部段200的气体返流到偏滤器300从而减少了当开始启动frc时引入到整个frc系统10内的中性粒子数量。（3）由线圈432、434、436和444所产生的强轴向镜减少了轴向粒子损失并且因此减少了在开场线上的平行粒子扩散率。

轴向等离子体枪

来自安装于偏滤器300的偏滤器腔室310中的枪350的等离子体流旨在改进稳定性和中性束性能。枪350安装到偏滤器300的腔室310内侧的轴线上，如图3和图10所示，并且产生在偏滤器300中沿着开放通量线452并且朝向约束腔室100的中心而流动的等离子体。枪350在垫圈-堆叠通道中以高密度气体放电而操作并且被设计成用以生成数千安培的完全电离的等离子体持续5至10ms。枪350包括脉冲式磁线圈，脉冲式磁线圈使输出等离子体流与约束腔室100中所希望的等离子体大小匹配。枪350的技术参数的特征在于，具备5至13cm外径和至多约10cm内径的通道并且在400至600v以介于0.5至2.3t之间的枪内磁场提供10至15ka的放电电流。

枪等离子体能渗透镜插塞440的磁场并且流入到形成部段200和约束腔室100内。等离子体通过镜插塞440转移的效率随着在枪350与插塞440之间的距离减小和使插塞440更宽和更短而增加。在合理条件下，枪350可以各自递送大约10²²个质子通过2至4t镜插塞440，分别具有在约150至300ev和约40至50ev的高离子和电子温度。枪350向frc边缘层456提供大量燃料补给，并且改进了总frc粒子约束。

为了进一步增加等离子体密度，可以利用气箱将额外气体从枪350充入到等离子体流内。这种技术允许增加喷射的等离子体密度数倍。在frc系统10中，安装于镜插塞440的偏滤器300侧上的气箱改进了frc边缘层456燃料补给、frc450形成和等离子体线捆扎。

已知上文所讨论的所有调整参数并且也考虑可能仅利用一个或利用两个枪进行操作，显然，可以提供较广范围的操作模式。

偏压电极

开放通量表面的电偏压可以提供径向电位，径向电位引起方位角e×b运动，方位角e×b运动提供一种类似于转动旋钮的控制机制以经由速度剪切来控制开场线等离子体和实际frc芯450的旋转。为了实现这种控制，frc系统10采用策略性地放置于机器的各个部分上的各种电极。图3描绘了定位于frc系统10内的优选位置处的偏压电极。

在原则上，存在4类电极：（1）在约束腔室100中的点电极905，其与frc450的边缘中的特定开场线452接触以提供局部充电；（2）环形电极900，其在约束腔室100与形成部段200之间以方位角对称的方式向远边缘通量层456充电；（3）在偏滤器300中的同心电极910的堆叠，其向多个同心通量层455充电（由此，可以通过调整线圈416以调整偏滤器磁场以便终止在适当电极910上的所希望的通量层456来控制层的选择）；以及，最后（4）等离子体枪350本身的阳极920（参看图10）（其拦截frc450的分界面附近的内开放通量表面455）。对于这些电极中的某些，图10和图11示出了某些典型设计。

在所有情况下，这些电极由脉冲式或直流电源以至多约800v的电压驱动。取决于电极大小和通量表面与什么相交，可能消耗在千安培范围的电流。

frc系统-常规方案的非持续操作

在frc系统10上的标准等离子体形成遵循着良好发展的反向场θ箍缩技术。用于启动frc的典型过程始于驱动准直流线圈412、414、416、420、432、434和436为稳态操作。然后脉冲功率形成系统210的rftp脉冲功率电路驱动了脉冲式快速反向磁场线圈232以在形成部段200中形成约-0.05t的暂时反向偏压。在这点，在9-20psi的预定量的中性气体经由位于形成部段200外端的凸缘处的方位角定向的充入谷（puff-vale）集合而被喷射到由（南北）形成部段200的石英管腔室240限定的两个形成体积内。之后，从石英管240表面上的天线集合生成了小rf（~数百千赫）场以在中性气柱内以局部种子电离区域的形式造成预电离。这之后是对于驱动所述脉冲式快速反向磁场线圈232的电流施加θ激振（theta-ringing）调制，而这种θ激振调制导致气柱更全面预电离。最后，脉冲功率形成系统210的主脉冲功率组发射以驱动脉冲快速反向磁场线圈232来形成多达0.4t的前向偏压场。这个步骤可以被定时序从而使得在形成管240的整个长度上均匀地生成前向偏压场（静态形成）或者使得沿着形成管240的轴线实现连续的蠕动场调制（动态形成）。

在这整个形成过程中，在约5μs内快速地发生等离子体中的实际场反向。被递送到正形成的等离子体的数千兆瓦脉冲功率易于产生热frc，热frc然后经由前向磁场（磁蠕动）的时序调制或者在形成管210的轴向外端附近的线圈集合232的最后线圈中暂时增加的电流（形成了在轴向指向约束腔室100的轴向磁场梯度）的施加而从形成部段200出射。然后这样形成并加速的两个（南北）形成frc膨胀到更大直径约束腔室100内，其中准直流线圈412产生前向偏压场以控制径向膨胀并且提供均衡的外磁通量。

一旦在南北形成frc到达约束腔室100的中平面附近的情况下，frc碰撞。在碰撞期间，在frc最终合并为单个frc450时，南北形成frc的轴向动能很大程度被热化。在约束腔室100中可提供等离子体诊断的较大集合以研究frc450的均衡。在frc系统10中的典型操作条件产生复合frc，具有约0.4m的分界面半径和约3m的轴向延伸。另外的特征为约0.1t的外部磁场，约5×10¹⁹m^-3的等离子体密度和高达1kev的总等离子体温度。并无任何持续，即，并不加热和/或并无经由中性束喷射或其它辅助器件的电流驱动，这些frc的寿命限于约1ms，这是本源特征性配置衰减时间。

非持续操作的实验数据-常规方案

图12示出了排斥通量半径的典型时间演变，排斥通量半径近似分界面半径rs，以示出frc450的θ-箍缩合并过程的动态。两个（南北）个别等离子体粒团同时产生并且以超音速vz~250km/s从相应形成部段200加速出来，并且在z=0处的中平面附近碰撞。在碰撞期间，等离子体粒团在轴向发生压缩，之后快速径向和轴向膨胀，之后最终合并以形成frc450。合并frc450的径向和轴向动态都由详细的密度分布测量和基于测辐射仪的断层摄影术来证实。

在图13中作为时间的函数示出了来自frc系统10的代表性非持续放电的数据。frc起始于t=0。在图13（a）中示出在机器轴向中平面处的排斥通量半径。从位于约束腔室不锈钢壁略内侧的磁性探针阵列获得这些数据，磁性探针测量轴向磁场。钢壁为此放电时标的良好的通量保存器。

在图13（b）中示出了线积分密度，来自位于z=0处的6-和弦co2/he-ne干涉仪。考虑到如由测辐射热断层摄影术所测量的竖直（y）frc位移，abel逆变换得到图13（c）的等密度线。在前0.1ms期间进行某些轴向和径向晃荡之后，frc以中空密度分布而稳定。这种分布相当地平坦，沿着轴线具有显著的密度，如由典型2-dfrc均衡所需。

在图13（d）中示出了总等离子体温度，从压力平衡得到并且与汤姆森散射和光谱学测量完全一致。

源自整个排斥通量阵列的分析表明frc分界面的形状（由排斥通量轴向分布来近似）从跑道形逐渐地演变为椭圆形。在图14中示出的这种演变与从两个frc到单个frc的逐渐磁性重连一致。实际上，粗略估计表明在这种特定情形下约10%的两个初始frc磁通量在碰撞期间重连。

在frc寿命期间，frc长度从3m稳态地收缩至约1m。在图4中可以看到的这种收缩表明大部分对流能量损失支配了frc约束。由于分界面内侧的等离子体压力比外部磁压力更快速地减小，在端部区域中的磁场线张力在轴向压缩所述frc，恢复轴向和径向均衡。对于在图13和图14中所讨论的放电，当frc均衡似乎要减退时，frc磁通量、粒子存量和热能（分别为约10mwb，7×10¹⁹个粒子和7kj)在第一毫秒中减小大致一个数量级。

持续操作–hpf方案

在图12至图14中的示例为无任何持续的衰减frc的特征。但是，在frc系统10上部署了若干技术来进一步改进hpf方案的frc约束（内芯和边缘层）并且持续这种配置。

中性束

首先，快速（h）中性粒子在来自八个中性束喷射器600的束中垂直于bz而喷射。从南北形成frc在约束腔室100中合并为一个frc450的时刻开始，而喷射快速中性粒子的束。主要通过电荷交换形成的快速离子具有添加到frc450的方位角电流的电子感应加速器轨道（具有frc拓扑结构标度或者至少远大于特征性磁场梯度长度标度的主要半径）。在放电的某些部分之后（在0.5至0.8ms进入射击之后），足够大的快速离子总体显著地改进了内frc稳定性和约束特性（参看例如m.w.binderbauer和n.rostoker,plasmaphys.56，部分3,451(1996)）。而且，从持续的观点，来自中性束喷射器600的束也是用以驱动电流并且加热frc等离子体的主要手段。

在frc系统10的等离子体方案中，快速离子主要减缓等离子体电子。在放电的早期部分期间，快速离子的典型轨道平均减缓时间为0.3至0.5ms，这导致主要是电子的显著frc加热。快速离子在分界面外侧进行较大径向漂移，因为内部frc磁场固有地较低（对于0.1t的外部轴向场而言平均为约0.03t）。如果在分界面外侧中性气体密度太高，快速离子将会易受电荷交换损失。因此，部署于frc系统10上的壁吸杂和其它技术（诸如有助于气体控制等的等离子体枪350和镜插塞440）倾向于最小化边缘中性粒子并且能允许所需的快速离子电流积聚。

球团喷射

当在frc450内积聚显著快速粒子总体时，由于更高的电子温度和更长的frc寿命，冷冻的h或d球团从球团喷射器700喷射到frc450内以持续frc450的frc粒子存量。预期的消融时标足够短以提供显著的frc粒子源。当在球团喷射器700的管筒或喷射管中时并且在进入约束腔室100之前可以通过将个别球团打散为更小的碎片而扩大喷射件的表面积从而增加这个速率，可以通过在即将进入到约束腔室100之前张紧所述喷射管的最后区段的弯曲半径来增加在球团与喷射管壁之间的摩擦来实现这个步骤。通过改变12个管筒（喷射管）的发射顺序和速率以及分裂，能调谐球团喷射系统700来提供粒子存量持续仅所希望的水平。这继而帮助维持在frc450中的内部动压力并且持续frc450的操作和寿命。

一旦消融的原子遇到在frc450中的大量等离子体的情况下，它们变得被完全电离。然后由本源frc等离子体来碰撞加热所得到的冷等离子体部件。维持所希望的frc温度所需的能量最终由束喷射器600供应。在这个意义上，球团喷射器700与中性束喷射器600一起形成了维持着稳态并且持续frc450的系统。

鞍形线圈

为了实现稳态电流驱动并且维持所需的离子电流，希望防止或显著地减小由于电子-离子摩擦力所造成的电子加快自旋（由于碰撞离子电子动量转移造成）。frc系统10利用创新性技术来经由外部施加的静态磁偶极子或四极场来提供电子打破（electronbreaking）。这经由在图15中所描绘的外部鞍形线圈460来实现。从鞍形线圈460在横向施加的径向磁场在旋转frc等离子体中感应一种轴向电场。所得到的轴向电子电流与径向磁场相互作用以在电子上产生方位角打破力，fθ=。对于在frc系统10中的典型条件，在等离子体内侧所需施加的磁偶极子（或四极）场需要为仅大约0.001t以提供充分的电子打破。约0.015t的相对应的外场足够小以不造成明显的快速粒子损失或以其它方式不利地影响约束。实际上，所施加的磁偶极子（或四极）场有助于抑制不稳定性。与切向中性束喷射和轴向等离子体喷射相组合，鞍形线圈460提供关于电流维持和稳定性的额外水平的控制。

镜插塞

在镜插塞440内的脉冲式线圈444的设计允许以适度(约100kj)电容能量而局部生成高磁场(2至4t)。为了形成frc系统10的本发明操作典型的磁场，在形成体积内的所有场线穿过镜插塞440处的缩窄部442，如由图2中的磁场线所示，并且未发生等离子体壁接触。而且，与准直流偏滤器磁体416串联的镜插塞440可以被调整为将场线引导至偏滤器电极910上，或者使场线向外扩张开呈端部勾形/尖头（cusp）配置（未图示）。端部勾形配置改进了稳定性并且抑制了平行电子热传导。

镜插塞440本身也有助于中性气体控制。镜插塞400允许在frc形成期间更好地利用充入到石英管内的氘气，因为由插塞的较少的气体传导（极少，500l/s）显著地减小了到偏滤器300内的气体返流。在形成管210内侧的大部分残留的充入气体被快速电离。此外，通过镜插塞440流动的高密度等离子体提供高效中性电离，因此提供有效的气体屏障。因此，来自frc边缘层456在偏滤器300中再循环的大部分中性粒子并不返回到约束腔室100。此外，与等离子体枪350的操作相关联的中性粒子（如在下文讨论）将主要约束到偏滤器300。

最后，镜插塞440倾向于改进frc边缘层约束。利用在20至40范围的镜比（插塞/约束磁场）和在南北镜插塞440之间的15m的长度，边缘层粒子约束时间增加至多一个数量级。改进易于增加frc粒子约束。

假定源自分界面体积453的径向扩散性（d）粒子损失由源自边缘层456的轴向损失（）平衡，则得到，从此式，分界面密度梯度长度可以被重写为。此处，rs、ls和ns分别为分界面半径、分界面长度和分界面密度。frc粒子约束时间为，其中并且。物理地，改进导致增加的δ（减小的分界面密度梯度和漂移参数），并且因此，减小的frc粒子损失。frc粒子约束的总体改进通常略小于平方（quadratic），因为ns随着增加。

的显著改进也需要边缘层456保持大体稳定（即，无n=1槽纹（flute），水龙带/消防带（firehose），或者开放系统典型的其它mhd不稳定性）。使用等离子体枪350提供这种优选的边缘稳定性。就此而言，镜插塞440和等离子体枪350形成有效边缘控制系统。

等离子体枪

等离子体枪350通过线捆扎（line-tying）而改进了frc排放射流454的稳定性。来自等离子体枪350生成无方位角动量的枪等离子体，这证明适用于控制frc旋转不稳定性。如此，枪350为控制frc稳定性的有效手段，而无需更旧的四极稳定技术。因此，等离子体枪350使得能利用快速粒子的有益效果或者采用如在本公开中所概述的先进的混合动力学frc方案。因此，等离子体枪350使得frc系统10能操作，其中鞍形线圈电流仅足以用于电子打破但低于将会造成frc不稳定和/或导致显著快速粒子扩散的阈值。

如在上文的镜插塞讨论中所提到的那样，如果可以得到显著改进，所供应的枪等离子体将会与边缘层粒子损失率（~10²²/s）相当。在frc系统10中的枪产生的等离子体的寿命在毫秒范围。实际上，认为具有ne~10¹³cm^-3密度和约200ev的离子温度的枪等离子体约束于端部镜插塞440之间。捕集长度l和镜比r分别为约15m和20。由于库仑碰撞所造成的离子平均自由路径为并且由于，离子约束于气体动力状态中。在此状态中的等离子体约束时间为，其中vs为离子声速。为了比较，这些等离子体参数的经典离子约束时间将为。异常横向扩散可以在原则上缩短等离子体约束时间。但是，在frc系统10中，如果假定波姆（bohm）扩散率，则枪等离子体的估计的横向约束时间为。因此，枪将会向frc边缘层456提供显著燃料补给和改进的总frc粒子约束。

而且，枪等离子体流可以在约150至约200微秒内开启，其允许用于frc启动、平移并且合并到约束腔室100内。如果在约t~0（frc主要组起始）开启，枪等离子体帮助持续目前动态形成和合并的frc450。来自形成frc和来自枪的组合粒子存量足以用于中性束捕获、等离子体加热和长持续。如果在-1至0ms范围内的t开启，则枪等离子体可以向石英管210填充等离子体或者将充入到石英管内的气体电离，因此允许具有减少或甚至可能零充入气体的frc形成。具有零充入气体的frc形成可能需要足够冷的形成等离子体以允许反向偏压磁场快速扩散。如果在t<-2ms开启，等离子体流可以向形成部段200和约束腔室100的形成和约束区域的约1至3m³场线体积填充若干10¹³cm^-3的目标等离子体密度，足以在frc到达之前允许中性束积聚。形成frc然后可以被形成并且平移到所得到的约束容器等离子体内。以此方式，等离子体枪350能允许实现很多种操作条件和参数方案。

电偏压

边缘层456中的径向电场分布的控制以各种方式有益于frc稳定性和约束。由于在frc系统10中部署的创新性偏压部件，能在整个机器上从约束腔室100中的中央约束区域完全外侧的区域，向一组开放通量表面施加多种周密计划的电位分布。以此方式，在frc450略外侧，在边缘层456上可生成径向电场。然后，这些径向电场修改了边缘层456的方位角旋转并且经由e×b速度剪切实现其约束。然后在边缘层456与frc芯453之间的任何差异旋转可通过剪切而传输到frc等离子体内侧。因此，控制边缘层456直接地影响了frc芯453。而且，由于在等离子体旋转中的自由能也可能造成不稳定性，这种技术提供用以控制不稳定性的开始和生长的直接手段。在frc系统10中，适当边缘偏压对于开场线运输和旋转以及frc芯旋转提供有效控制。各种提供的电极900、905、910和920的位置和形状允许控制不同通量表面组455并且处于不同和独立电位。以此方式，可以实现大量不同的电场配置和强度，每个对于等离子体性能具有不同的特征性影响。

所有这些创新性偏压技术的关键优点在于芯和边缘等离子体行为可能从frc等离子体完全外侧实现，即无需使任何物理部件触及中央热等离子体（其将会可能对于能量、通量和粒子损失具有严重影响）。这对于hpf构思的性能和所有可能应用具有重大有益影响。

试验数据-hpf操作

从中性束枪600经由束喷射快速粒子在允许实行hpf方案方面起到重要作用。图16示出了这个现实。描绘了曲线集合，曲线集合示出了frc的寿命如何与束脉冲长度相关的方式。对于构成这次研究的所有放电，所有其它操作条件保持恒定。将多次射击（shot）的数据平均化，并且因此表示典型的行为。显而易见的是，更长的束持续时间产生更长寿命的frc。考虑到这个证据以及这次研究期间的其它诊断，证明了束增加了稳定性并且减少了损失。在束脉冲长度与frc寿命之间的相互关系并非理想的，因为束捕集在低于特定等离子体大小的情况下变得低效，即，因为frc450的物理大小收缩，并非所有喷射束被拦截和捕集。frc的收缩主要是由于对于特定实验设置而言，在放电期间来自frc等离子体的净能量损失(~4mw)略微大于经由中性束馈送到frc内的总功率（~2.5mw）。将束定位于更靠近容器100的中平面的位置处将会倾向于降低这些损失并且延长frc寿命。

图17示出了不同部件对于实现hpf方案的效果。其示出了典型曲线系列，这些曲线描绘了作为时间的函数，frc450的寿命。在所有情况下，恒定、适量的束功率（约2.5mw）被喷射持续每次放电的整个持续时间。每个曲线表示部件的不同组合。例如，以无任何镜插塞440、等离子体枪350或者从吸杂系统800吸杂来操作frc系统10导致快速开始旋转不稳定性和frc拓扑结构损失。仅添加镜插塞440延迟了不稳定性开始并且增加了约束。利用镜插塞440与等离子体枪350的组合进一步降低了不稳定性并且延长了frc寿命。最后，除了枪350和插塞440之外再加上吸杂（在此情况下ti）得到最佳的结果，所得到的frc不存在不稳定性并且表现出最长的寿命。从这个实验示范显然，部件的完全组合产生最佳效果并且提供具有最佳目标条件的束。

如图1所示，新发现的hpf方案表现出显著改进的运输行为。图1示出了在常规方案与hpf方案之间frc系统10的粒子约束时间变化。如可以看出的，在hpf方案中，其以远超5的系数改进。此外，图1详细描述了frc系统10的粒子约束时间，与现有常规frc实验中的粒子约束时间相比。关于这些其它机器，frc系统10的hpf方案已经以介于5与接近20之间的系数改进了约束。最后并且最重要地，在hpf方案中frc系统10的约束定标的性质与所有先前测量显著不同。在确立frc系统10中的hpf方案之前，在现有frc实验中，从数据得出各种经验定标律来预测约束时间。所有那些定标规则大致取决于比例，其中r为无frc的磁场的半径（机器的物理标度的粗测）并且为在外部施加的场中评估的离子拉莫半径（施加磁场的粗测）。从图1显然，常规frc中的长约束仅在较大的机器大小和/或高磁场是可能的。操作常规frc方案cr中的frc系统10倾向于遵循那些定标规则，如图1所示。但是，hpf方案极其优越并且示出可以实现更好的约束而无需较大的机器大小或高磁场。更重要的是，从图1还显然，hpf方案与cr方案相比以减小的等离子体大小导致改进的约束时间。如下文所描述，对于通量和能量约束时间也可以看到类似的趋势，在fr系统10中，其以3-8的系数增加。hpf方案的突破因此能允许使用适度的束功率、更低的磁场和更小的大小来持续和维持在frc系统10和未来更高能量机器中的frc均衡。与这些改进并存的是更低的操作和构造成本以及降低的工程复杂性。

为了进一步比较，图18示出了作为时间的函数源自frc系统10中的代表性hpf方案放电的数据。图18（a）描绘了在中平面处的排斥通量半径。对于这些更长的时标，传导钢壁不再是良好的通量保存器并且在壁内部的磁性探针随着壁外侧的探针增大以适当补偿通过钢的磁通量扩散。与常规方案cr中的典型性能相比，如图13所示，hpf方案操作模式表现出超过400%的更长的寿命。

在图18（b）中示出了线积分密度迹线的代表性和弦并且在图18（c）示出了其abel逆变换补充、等密度线。与常规frc方案cr相比，如图13所示，等离子体在整个脉冲中更安静，指示很稳定的操作。峰值密度在hpf射击中也略微更低，这是更热的总等离子体温度的结果（至多2的系数），如图18（d）所示。

对于图18中所示的相应放电，能量、粒子和通量约束时间分别为0.5ms、1ms和1ms。以1ms进入放电的参考时间，储存的等离子体能量为2kj，而损失为约4mw，使得这个目标非常适合于中性束持续。

图19总结了新确立的实验hpf通量约束定标形式的hpf方案的所有优点。如在图19中可以看出，基于之前进行的测量并且在t=0.5ms之后，即t<0.5ms和t>0.5ms，该约束以电子温度的大致平方定标。具有te的正幂（和非负幂）的这个强定标与常规托卡马克所表现的定标完全相反，其中约束通常与电子温度的某级幂成反比。这种定标的表现为hpf状态和大轨道（即，以frc拓扑结构标度和/或至少特征性磁场梯度长度标度的轨道）离子总体的直接结果。从根本上，这个新定标显著有利于高操作温度并且能允许相对适度大小的反应器。

虽然本发明易于做出各种修改和替代形式，在附图中已示出并且在本文中详细地描述了本发明的具体示例。但应了解本发明并不限于所公开的特定形式或方法，而是相反，本发明将要涵盖属于所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等效物和替代物。

在上文的描述中，仅出于解释说明的目的，陈述了具体命名以提供对于本公开的透彻理解。但是对于本领域技术人员显然，无需这些具体的细节来实践本公开的教导内容。

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公开了用于生成和维持hpf方案frc的系统和方法。应了解本文所描述的实施例是出于阐明目的并且不应被理解为限制本公开的主题。不偏离本发明的范围或精神的各种修改、用途、替代、组合、改进、生产方法将对于本领域技术人员而言显而易见。例如，读者将了解到本文所描述的过程动作的具体次序和组合只是说明性的，除非陈述为其它情况，并且可以使用不同或额外的过程动作或者过程动作的不同组合或次序来执行本发明。作为另一示例，一个实施例的每个特点可以与其它实施例中示出的其它特点混合和匹配。本领域技术人员已知的特点和过程可同样根据需要并入。此外并且显然，可以根据需要来增减特点。因此，除了所附权利要求和其等效物之外，本发明并不受到限制。