用于形成和保持高性能frc的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本文所描述的实施例总体上设及磁等离子体约束系统，并且更具体地，设及便于 形成和维持具有优异的稳定性W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】
[0002] 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.化Sion 28, 2033( 1988))。运种位形的吸引力在于其简单的几何形状W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e(e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。高則生质有利于经济的操作和使用先进的无 中子核燃料(诸如D-He嘴P-Bii)。
[0003] 形成FRC的传统方法使用场反向0-髓缩技术，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，在角向髓缩"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.如gimoto and S. Goto, Phys. Plasmas 2, 191(1995))。一旦处 于约束腔室中，可W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。运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,曲ys. Plasmas 6, 1950 (1999))，运也提供额外的稳定性。
[0004] 近来，已显著地进一步研发了很久W前提出的碰撞-合并技术（参看，例如D. R. Wells,陆ys. Fluids 9，1010(1966)):在约束腔室的相对端处的两个单独的角向髓缩同 时生成两个等离子粒团并且使等离子粒团朝向彼此W高速加速;它们然后在约束腔室中屯、 处碰撞并且合并W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、高溫FRC (参看例如M . Binderbauer, H.Y. Guo, M. Tuszewski et al., Phys. Rev. Lett. 105, 045003 (2010))。
[0005] FRC由分界面内侧的闭合场力线环和分界面外侧附近的开放场力线上的环形边缘 层的环构成。边缘层聚结成超过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0。固有的低内部磁 场提供某些固有运动粒子群体，即，具有可相比于FRC小半径的大拉莫半径Qarmor radii) 的粒子。正是运些强动力学作用表现为至少部分地造成过去和当前FRC(诸如在碰撞-合并 实验中所产生的那些)的总体稳定性。
[0006] 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输运 决定。粒子主要径向地从分界面体积扩散出来，并且然后轴向地损失在边缘层中。因此，FRC 约束取决于闭合场力线和开放场力线区域二者的性质。从分界面扩散出来的粒子扩散时间 定柄为:彩...~..''S巧載,(a~。/4,其中Ts为中央分界面半径），并且将L为特性FRC扩散率，诸如鞍i. ~12.5 Pie,其中Pie表示离子回旋半径，在外部施加的磁场下评估。边缘层粒子约束时间对r 在过去的FRC实验中基本上是轴向通过时间。在稳态中，径向粒子损失与轴向粒子损失之间 的平衡产生分界面密度梯度长度5~（料诗对于在分界面处具有大的密度的过去 FRC，FRC粒子约束时间定标为敕崩I株(参看例如，M. TUSZEWSKI，"Field Reversed Configurations," Nucl. F^ision 28, 2033(1988))。
[0007] 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。W此方式，典型的外部施加四极场提供所需的磁恢复压力来抑 制运些不稳定模式的增长。虽然运种技术足W用于对热体等离子体（thermal bulk plasma)进行稳定性控制，但是对于动能更高的FRC或先进的混合FRC(其中高动能大轨道粒 子群体与通常的热等离子体组合），运呈现出严重问题。在运些系统中，由于运种多极场造 成的轴对称磁场的崎变经由无碰撞随机扩散导致显著的快速粒子损失，运是失去正则角动 量守恒的结果。因此，用W提供稳定性控制而不增强任何粒子的扩散的新颖技术方案对于 利用运些之前从未探究过的先进的FRC构思的更高性能的潜力而言是重要的。
[000引鉴于前文所述，因此，期望的是改进FRC的约束和稳定性，W便使用稳态FRC作为多 种应用的途径，所述应用包括紧凑型中子源（用于医用同位素生产、核废料整治、材料研究、 中子射线照相法和断层摄影术）、紧凑型光子源(用于化学生产和加工）、质量分离和富集系 统，W及用于未来一代能源的轻核聚变的反应堆忍。
【发明内容】
[0009] 本文所提供的本实施例设及便于形成和维持新型高性能场反向位形(FRC)的系统 和方法。根据运种新型高性能FRC范例，本系统组合了大量新颖构思和技术手段W显著地改 进粒子、能量和通量的FRC约束，W及提供稳定性控制而不产生不良的副作用。
[0010] 本文所提供的一种FRC系统包括由两个直径上相对的反场角向髓缩形成部段包围 的中央约束容器，W及超出运两个形成部段的两个偏滤器腔室，W控制中性密度和杂质污 染。磁性系统包括:沿着FRC系统的部件位于轴向位置处的一系列准直流线圈；约束腔室的 任一端与相邻形成部段之间的准直流镜线圈；W及镜堵漏部(plug),其包括形成部段中的 每一个与偏滤器之间的紧凑型准直流镜线圈，紧凑型准直流镜线圈产生额外的引导场W使 得磁通量表面朝向偏滤器集中。形成部段包括模块式脉冲功率形成系统，其使得FRC能够在 原位形成并且然后加速和注入(=静态形成)或者同时地形成和加速(=动态形成）。
[0011] FRC系统包括中性原子束注入器和弹丸(pellet)注入器。在一个实施例中，束注入 器成角度W朝向中间平面注入中性粒子。束注入器朝向中间平面成角度并且轴向束位置靠 近中间平面改进了束-等离子体禪合，即使在注入期间FRC等离子体收缩或W其他方式轴向 地紧缩也是如此。也包括吸杂系统（gettering system) W及轴向等离子体枪。也提供偏压 电极W便对开放的通量表面进行电偏压。
[0012] 在操作中，当中性束被注入等离子体并且弹丸提供适当的粒子加料(particle refuel)时，包括等离子体热能、总粒子数、等离子体半径和长度W及磁通量的FRC全局等离 子体参数实质上能够维持而没有衰变。
[0013] 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、特征和优点将是或将变得显而易见。所有运样的额外方法、特征和优点旨在包括在本描 述中，在本发明的范围内，并且由所附权利要求保护。也旨在本发明不限于需要示例实施例 的细节。
【附图说明】
[0014] 作为本说明书的一部分而包括的附图示出了本发明的优选实施例，并且与上文给 出的一般性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。
[001引图1示出高性能FRC状态(regime)(HPC)下对比常规FRC状态(CR)下，和对比其它常 规FRC实验下，本FRC系统中的粒子约束。
[0016] 图2示出本FRC系统的部件和能够在本FRC系统中产生的FRC的磁性拓扑结构。
[0017] 图3A示出如从顶部观察的本FRC系统的基本布局，包括中性束、电极、等离子体枪、 镜堵漏部和弹丸注入器的优选布置。
[0018] 图3B示出如从顶部观察的中央约束容器，并且示出在中央约束容器中W垂直于主 要对称轴线的角度设置的中性束。
[0019] 图3C示出如从顶部观察的中央约束容器，并且示出在中央约束容器中W不足W垂 直于主要对称轴线的角度设置的中性束，并且该中性束指向朝向中央约束容器的中间平面 的注入粒子。
[0020] 图4示出用于形成部段的脉冲功率系统的部件的示意图。
[0021] 图5示出单个脉冲功率形成橋(skid)的等距视图。
[0022] 图6示出形成管组件的等距视图。
[0023] 图7示出中性束系统和关键部件的局部截面等距视图。
[0024] 图8示出约束腔室上的中性束布置的等距视图。
[0025] 图9示出Ti和Li吸杂系统的优选布置的局部截面等距视图。
[0026] 图10示出安装在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 联的磁镜堵漏部和偏滤器电极组件。
[0027] 图11示出约束腔室的轴向端处的环形偏压电极的优选布局。
[0028] 图12示出从在两个场反向角向髓缩形成部段处的一系列外部抗磁圈和嵌入中央 金属约束腔室内的磁性探头所获得的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间平面的距离Z。
[0029] 图13(a)至图13(d)示出来自本FRC系统上的代表性非HPF、非持续放电的数据。（a) 中间平面处的排斥通量半径，（b)来自中间平面C〇2干设仪的线积分密度的6个弦（chord), (C)来自C〇2干设仪数据的Abel反演的密度径向分布，W及(d)来自压力平衡的总等离子体 溫度被示出为随时间而变。
[0030] 图14示出对于与图13中所示的本FRC系统相同的放电的选定时间的排斥通量轴向 分布。
[0031] 图15示出安装于约束腔室外侧的鞍形线圈的等距视图。
[0032] 图16示出FRC寿命与注入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。<