等离子体发电系统的制作方法

专利名称:等离子体发电系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及等离体物理领域，特别涉及用于约束等离子体使核聚变能成为可能和用于把来自聚变产物的能量转换成电能的方法和设备。
背景技术：
聚变是两个轻核组合形成一个较重核的过程。聚变过程以快速运动的粒子的形式释放巨大能量。因为原子核是带正电的-由于包含在其中的质子造成的-所以在它们之间有排斥的静电即库仑力。对于两个聚变的核来说，这个排斥力势垒必须被克服。在两个核充分靠近在一起时，这种情况发生，此时短距离的核力变得强到足以克服库仑力并聚变核。核克服库仑势垒需要的能量由它们的热能提供，这个热能必须是非常高。例如，如果温度至少是IO4eV量级-大致对应IO8开氏温度，聚变速率可以是可观的。聚变反应的速率是温度的函数，用称为反应率的量表征。例如，D-T反应的反应率具有在30keV和IOOkeV之间的很宽的峰。
典型的聚变反应包括
D+D — He3 (O. 8MeV) +η (2. 5MeV)，
D+T — α (3. 6MeV) +η (14.1MeV)，
D+He3 — α (3. 7MeV) +p (14. 7MeV)，
p+B11 — 3 a (8. 7MeV)，
其中，D表示氣；T表示氣；表示氦核；η表示中子；ρ表示质子；He表示氦；Bn表示硼-11。每个方程中的括 号中的数字表示聚变产物的动能。
上面列出的前两个反应-D-D和D-T反应-是中子的,这意味着,聚变产物的大部分能量是由快速中子携带。中子反应的缺点是(1)快速中子流产生许多问题，包括反应堆壁的结构损坏和对于大多数制造材料而言高水平的放射性；以及(2)通过将快速中子的热能转换成电能收集它们的能量，这是效率非常低的(小于30% )。中子反应的优点是(I)它们的反应率峰在相对低的温度；以及(2)它们由于辐射造成的损耗是相对低的，因为氘和氚的原子序数是I。
其他两个方程中的反应-D-He3和P-B11-称为高级燃料。不是如在中子反应中那样产生快速中子，它们的聚变产物是带电粒子。高级燃料的一个优点是，它们产生少得多的中子，因此不太有与它们有关的缺点。在D-He3的情况下，由二次反应产生一些快速中子，但这些中子只占聚变产物能量的约百分之十。P-B11反应是无快速中子的，虽然它的确产生一些由二次反应造成的慢速中子，却产生少得多的问题。高级燃料的另一个优点是，它们的聚变产物包括其动能可以直接转换成电能的带电粒子。用适当的能量转换过程，高级燃料聚变产物的能量可以以高效率收集，可能超过百分之九十。
高级燃料也具有缺点。例如，高级燃料的原子序数较高(对于He3是2，而对于B11是5)。因此，它们的辐射损耗比在中子反应中的大。还有，使高级燃料聚变困难得多。它们的峰值反应率出现在高得多的温度，并且达不到如D-T的反应率那样高。于是，用高级燃料引起聚变反应要求使它们达到较高的能量状态，该状态下它们的反应率是非常大的。因此，必须把高级燃料封闭(containment)较长的时期,其间它们可达到适当的聚变条件。
对于等离子体的封闭时间是At = r2/D，其中，r是最小等离体尺寸，D是扩散系数。扩散系数的经典值是二 α,2/&，其中，ai是离子回转半径，以及τ 是离子-电子碰撞时间。按照经典扩散系数的扩散称为经典迁移。起因于短波长不稳定性的玻姆(Bohm)扩散系数是其中Qi是离子回转频率。按照这个关系的扩散称为反常迁移。
对于聚变条件，ZVR =(1/16)Ωα SlO8，反常迁移导致比经典迁移短得多的封闭时间。按给定数量的等离子体的封闭时间必须比等离子体核聚变反应的时间长的要求，这个关系确定在聚变反应堆中等离子体必须多大。所以，考虑到较小的初始等离子体，经典迁移条件在聚变反应堆中是更理想的。
在用等离子体环形约束的早期实验中，观测到了Δ /Z)s的封闭时间。在最近40年的进步已把封闭时间增加到了MslOOOr2/Ds。一个现有的聚变反应堆概念是托卡马克(Tokamat)。过去30年，聚变的努力集中在利用D-T燃料的托卡马克反应堆。这些努力在“国际热核实验反应堆(ITER) ”中达到顶峰。最近就托卡马克的实验提出，经典迁移Δ/ξγ2/A是有可能的，在经典迁移的情况下，最小等离子体尺寸能从米减少到cm。这些实验包含注入高能束(50到IOOkeV)，把等离子体加热到10到30keV的温度。见W. Heidbrink和G. J. Sadler, 34Nuclear Fusion (核聚变)535 (1984)。在这些实验中观测到，当热等离子体继续异常快扩散时，高能束离子慢下来并且经典地扩散。这个的原因是，高能束离子具有大的回转半径，因此，对随比离子回转半径短的波长(λ <a,)的波动不敏感。短波长波动会对周期取平均而由此抵消。然而，电子具有小得多的回转半径，所以它们对波动和迁移响应异常。
因为反常迁移，等离子体的最小尺寸必须至少在2. 8米。由于这个尺寸，ITER被建成30米高和30米直径。这是实际有可能的最小D-T托卡马克型反应堆。对于高级燃料，例如D-He3和p-B11，托卡马克型反应堆会不得不大得多，因为燃料离子具有核反应的时间长得多。使用D-T燃料的托卡马克型反应堆有另外的问题，这个问题是，聚变产物能量的大部分能量由HMeV中子携带，这在几乎所有建造材料中由于中子流造成辐射损害和感应反应性。另外，它们的能量转换成电能必须靠热过程，这样转换效率不大于30%。
另一个建议的反应堆配置是碰撞束反应堆。在碰撞束反应堆中，由一些离子束轰击本底等离子体。这些束包含具有比热等离子体大得多的能量的离子。在这种类型的反应堆中产生有用的聚变反应已经是不现实的，因为本底等离子体使离子束慢下束。为减小这个问题和使核反应的数量最大，提出了各种建议。
例如，Jassby等人的美国专利No. 4065351披露了在环形约束系统中产生氘和氚的逆流碰撞束的方法。在Jassby等人的美国专利No. 4057462中，注入电磁能量抵消体平衡等离子体拖曳对这些离子核素中的一个的影响。环形约束系统等同托卡马克。在Rostoker的美国专利No. 4894199中，用同一平均速度在托卡马克镜即场反向配置中注入和俘获氘和氣。为了俘获束的单独目的，有低密度的冷本底等离子体。束因为它们具有高的温度而反应，并且主要由伴随注入离子的电子引起减慢。电子由离子加热，在这个情况下减慢最小。
然而,平衡电场不在这些装置中的任何一个中起任何作用。此外，没有任何减少或者甚至考虑反常迁移的意图。
其他专利考虑离子的静电约束和在一些情况考虑电子的磁约束。这些专利包括Farnsworth的美国专利No. 3258402和Farnsworth的美国专利No. 3386883 (它们披露了离子的静电约束和电子的惯性约束)、Hirsch等人的美国专利No. 3530036和Hirsch等人的美国专利 No. 3530497 (与 farnsworth 类似)、Limpaecer 的美国专利 No. 4233537 (它披露了离子静电约束和用多极会切反射壁的电子的磁约束)以及Bussard的美国专利No. 4826646(与Limpaecer类似并包含点会切)。这些专利之中没一个考虑电子的静电约束和离子的磁约束。虽然已有许多关于离子静电约束的研究课题，但它们之中没一个成功地在离子具有聚变反应堆要求的密度时建立要求的静电场。最后，上面援引的那些专利之中没一个讨论场反向配置磁拓扑。
大约1960年在“海军研究实验室”在方位角箍缩(theta pinch)实验期间偶然发现场反向配置(FRC)。图3和图5说明内部磁场反转方向的一个典型FRC拓扑，而图6和图9表示FRC中的粒子轨道。关于FRC，在美国和日本已资助了许多研究计划。有一篇关于从1960年到1988年的FRC研究的理论和实验的综合评论论文。见M. Tusewski，28 NuclearFusion (核聚变)2023 (1988)。一个关于FRC研制的白皮书叙述了在1996年的研究和对未来研究的建议。见 L. C. Steinhauer 等人，30 FusionTechnology (聚变技术)116 (1996)。至今，在FRC实验中，用方位角箍缩方法形成FRC。该形成方法的后果是，离子和电子各携带一半电流，这就导致等离子体中的可忽略的静电场和无静电场约束。在这些FRC中的离子和电子被磁封闭。在几乎所有的FRC实验中都假定反常迁移。见例如Tusewski论文的2072页1.5. 2节的开头。
于是，期望提供一种具有封闭系统和能量转换系统的聚变系统，所述封闭系统会显著减少或消除离子和电子的反常迁移，该能量转换系统以高效率把聚变产物的能量转换成电能。

发明内容
本发明涉及一种系统，这个系统有利于在具有场反向拓扑的磁场中的受控聚变和聚变产物能量到电功率的转换。在这里称为等离子体发电(PEG)系统的系统优选包括具有趋向于显著减少或消除离子和电子的反常迁移的封闭系统的聚变反应堆。另外，PEG系统还包括以高效率直接把聚变产物能量转换成电能的与反应堆耦合的能量转换系统。
在一个实施例中，离子和电子的反常迁移都会被显著减少或消除。通过在场反向配置(FRC)的磁场中磁约束离子会避免离子的反常迁移。对于电子，通过调谐外加磁场产生把电子静电约束在深势阱中的强电场，避免了能量的反常迁移。结果，能用于本约束设备和工艺的聚变燃料等离子体不限于中子燃料，也有利地包括高级即非中子燃料。对于非中子燃料，聚变反应能量几乎完全是带电粒子即高能离子的形式。这些带电粒子能在磁场中被操控，依燃料而定，不造成或几乎不造成放射性。
在一个优选实施例中，聚变反应堆的等离子体封闭系统包括室、用于施加在基本上沿主轴的方向上的磁场的磁场发生器以及包括环流离子束的环形等离子体层。环形等离子体束层以轨道的形式基本上磁封闭在室内，而电子基本上保持在静电能量阱中。在一个优选实施例中，磁场发生器包括电流线圈。优选，磁场发生器还包括在室端部附近的镜像线圈(mirror coil),这些线圈增加在室端部的外加磁场的幅度。系统也包括一个或几个用于把中性化离子束注入到磁场中的束注入器。在磁场中，由于磁场产生的力所述束进入轨道。在一个优选实施例中，系统形成具有场反向配置的拓扑的磁场。
在另一个优选实施例中，提供一个可选择的室，这个室防止方位镜像电流在室壁中央区形成，并使磁通量快速穿过该室。提供结构强度和良好真空性能的、主要由不锈钢组成的室包括，沿几乎整个室长度延伸的室壁中的轴向绝缘中断(break)。优选，有3个互相间隔开约120度的中断。这些中断包括形成在壁中的槽或缝隙。把包含绝缘材料(优选陶瓷等)的插入物插入到槽或缝隙中。在室内部，金属覆盖物覆盖该插入物。在室外部，该插入物附到优选由玻璃纤维等形成成的密封板上。密封板同室壁的不锈钢表面一起借助O环密封件形成真空屏障。
在再另一个优选实施例中，感应等离子体源是可安装在室内的，并包括冲贿圈组件(优选单匝冲贿圈)。它优选由高压(约5-15kV)电源(未示出)馈电。通过经拉伐尔(Laval)喷嘴的直接气体馈送把如氢(或其他合适的气体聚变燃料)这样的中性气体引入到源里。一旦气体从喷嘴排出并把它自己分布在冲贿圈的线圈绕组表面上，绕组就被激励。低电感冲贿圈中的超快电流和磁通量跃升导致气体内的很高的电场。该电场引起击穿、电离和形成的等离子体随后从冲贿圈表面向室的中央或中平面的喷射。
在再一个优选实施例中，RF驱动包括位于室内的四极回旋加速器，其具有4个彼此之间有间隙的方位对称的电极。四极回旋加速器产生以与离子的方位速度相同的方向但以更大的速度旋转的电位波。适当速度的离子能被俘获在这个波中并被周期地反射。这个过程增加燃料离子的动量和能量，并且这个增加通过碰撞传递到没有被俘获的燃料离子。
在另一个实施例中，直接能量转换系统用于通过经电磁场减慢带电粒子，把聚变产物的动能直接转换成电力。有利地，本发明的直接能量转换系统具有转换约5MHz的聚变输出功率的频率和相位来匹配外部60Hz电网的频率的效率、粒子能量容差和电子能力。
在一个优选实施例中，能量转换系统包括与聚变反应堆的相对端结合的逆回旋加速器转换器(ICC)。ICC具有由多个(优选4个或更多个)相等的半圆柱形电极组成的中空圆柱体状几何结构，所述电极之间延伸有小的直缝隙。在工作中，以交变方式把振荡电位加到电极上。在ICC内的电场E具有多极结构，在对称轴上消失，随半径线性增加，峰值在缝隙处。
另外，ICC包括磁场发生器,用于施加在与聚变反应堆的封闭系统的外加磁场基本相反的方向上的均匀单方向磁场。在离聚变反应堆功率芯的最远端，ICC包括离子收集器。在功率芯和ICC之间，是对称的磁会切，在这里，封闭系统的磁场与ICC的磁场合并。环形电子收集器安置在磁会切周围，并与离子收集器耦合。
在再另一个优选实施例中，产物核和电荷中和电子以一密度作为环形束从反应堆功率芯的两端涌出，由于电子和离子的能量差别，在该密度下磁会切把它们分开。电子循着磁力线到电子收集器，而离子穿过磁会切，在那里，离子轨迹改变成基本上是沿ICC长度的螺旋路径。当离子螺旋通过连接到谐振电路的电极时，能量从它们移出。垂直能量的损失对于最初在电极附近环行的最高能量离子最大，所述电极处电场最强。
从结合附图进行的以下描述的考虑，本发明的其他方面和特点将变得明显。


通过举例但不是限制，在附图上说明一些优选实施例。图上相同的参考数字系指相同的部件。
图1表示示例性约束室的局部视图。
图2A表示另一个示例性约束室的局部视图。
图2B表示沿图2A上的直线2B-2B的局部剖面视图。
图2C表示沿图2B上的直线2C的详细视图。
图2D表示沿图2B上的直线2D-2D的局部剖面视图。
图3表不FRC的磁场。
图4A和4B分别表示FRC中的抗磁和反抗磁方向。
图5表不碰撞束系统。
图6表不电磁感应加速器轨道。
图7A和7B分别表示FRC中的磁场和梯度漂移的方向。
图8A和8B分别表示FRC中的电场和云x云漂移的方向。
图9A、9B和9C表示离子漂移轨道。
图1OA和IOB表示在FRC的端部的洛伦兹力。
图1lA和IIB表不振汤束系统中的电场和电似的调谐。
图12表示麦克斯韦分布。
图13A和13B表示由于大角度离子-离子碰撞引起的从电磁感应加速器轨道到漂移轨道的过渡。
图14表示在考虑小角度电子-离子碰撞时的A、B、C和D电磁感应加速器轨道。
图15表示被电极化时的中性离子束。
图16表示在约束室中的接触等离子体时的中性离子束的正面视图。
图17是按照起动过程的一个优选实施例的约束室的示意性端视图。
图18是按照起动过程的另一个优选实施例的约束室的示意性端视图。
图19表示表明FRC形成的B形点探测的踪迹。
图20A表示可安装在室内的感应等离子体源的视图。
图20B和20C表示感应等离子体源的局部视图。
图21A和21B表示RF驱动系统的局部视图。
图21C表示二极和四极配置的示意图。
图22A表示部分的等离子体发电系统，这个系统包括与逆回旋加速器直接能量转换器结合的碰撞束聚变反应堆。
图22B表示图19上的逆回旋加速器转换器的端视图。
图22C表示在逆回旋加速器中离子的轨道。
图23A表示部分的等离子体发电系统，这个系统包括与逆回旋加速器转换器的替换实施例结合的碰撞束聚变反应堆。
图23B表示图20A上的逆回旋加速器转换器的端视图。
图24A表示在传统回旋加速器里面的粒子轨道。
图24B表不一个振荡电场。[0066]图24C表示加速粒子的变化能量。
图25表示在ICC的电极之间的缝隙处的方位电场，这个电场为具有角速度的离子所经历。
图26表示聚焦四极双合透镜。
图27A和27B表示辅助磁场线圈系统。
图28表示100MW反应堆。
图29表示反应堆的支持设备。
图30表示等离子体推力推进系统。
图31表示等离子体推力器推进系统的主要部件。
图32表示等离子体推力器推进系统的方块图。
具体实施方式
如图上所说明的，本发明的等离子体发电(PEG)系统优选包括与直接能量转换系统耦合的碰撞束聚变反应堆(CBFR)。如指上述所说的，理想的聚变反应堆解决了离子和电子二者的反常迁移问题。在这里找到的解决反常迁移问题的方法利用具有磁场的封闭系统，该磁场具有场反向配置(FRC)。以这样方式，即，大多数离子具有大的非绝热轨道，使它们对引起绝热离子反常迁移的短波长波动不敏感，离子的反常迁移通过FRC中的磁场约束避免。特别是，FRC中存在磁场消失的区域，使具有包括大多数的非绝热离子的等离子体有可能。对于电子，通过调谐外加磁场以出现强电场来避免能量的反常迁移。强电场把电子静电地约束在深势阱中。
可以供本约束设备和工艺使用的聚变燃料等离子体不限于如D-D (氘-氘)或D-T(氣-氣)这样的中子燃料,但也有利地包括如D-He3(氣-氦-3)或p-Β11 (氢-硼-11)这样的高级或非中子燃料。(关于高级燃料的讨论，见R. Feldbacher和M. Heindler, NuclearInstrumentsand Method(核仪器和方法),Physics Research,A271 (1988) jj-64(北荷兰阿姆斯特丹))。对于这样的非中子燃料，聚变反应能量几乎完全是带电粒子即高能离子的形式。这些带电粒子能在磁场中被操控，并且取决于燃料，几乎不造成放射性。D-He3反应产生一个H离子和一个带有18. 2MeV能量的He4离子，而p-B11反应产生3个He4离子和8. 7MeV能量。例如，根据对于利用非中子燃料的聚变装置的理论模化，输出能量转换效率可以如约90%那样高，如 K. Yoshikawa、K. Noma 和 Y. Yamamoto 在聚变技术，19,870 (1991)中所述。这样的效率显著地提高非中子燃料在规模可变的(1-1000MW)的、小型的、低成本的配置方面的前景。
在本发明的直接能量转换过程中能够减慢聚变产物的带电粒子，并且能够把它们的动能直接转换成电能。有利地，本发明的直接能量转换系统具有转换约5MHz的聚变输出功率的频率和相位以匹配外部60Hz电网的频率和相位的效率、粒子能量容差和电子能力。
聚变封闭系统
图1说明按照本发明的封闭系统300的优选实施例。封闭系统300包括室壁305，其中限定了约束室310。优选，约束室310形状上是圆柱形的，具有沿室310中心的主轴315。为了将该封闭系统300应用于聚变反应堆，有必要在室310里面建立真空或接近真空。与主轴315同中心的是电磁感应加速器通量线圈(flux coil)320，位于室310之内。电磁感应加速器通量线圈320包括适于围绕长线圈引导电流的载电流介质，如所示，该介质优选包括多个单独线圈的并绕组，最优选地，约4个单独线圈的并绕组，以形成长线圈。本领域技术人员会懂得，通过电磁感应加速器线圈320的电流将在电磁感应加速器线圈320里产生磁场，该磁场基本上在主轴315的方向上。
围绕室壁305的外面是外部线圈325。外部线圈325产生相对恒定的磁场，该磁场具有基本上与主轴315平行的磁通。该磁场是方位角对称的。由外部线圈325引起的磁场是恒定的并与主轴315是平行的近似，远离室310端部是最正确的。在室310的每端是镜线圈330。镜线圈330适于在每端在室310里产生增加的磁场，于是在每端向内弯曲磁力线(见图3和5)。如所解释的，磁力线的该向内弯曲有助于，通过推动等离子体335离开端部(在那里它会逃离封闭系统300的)，把它封闭在一般在镜线圈330之间的室310内的封闭区里。用本领域已知向各种方法，包括增加镜线圈330中的绕组数目、增加通过镜线圈330的电流或者用外部线圈325与镜线圈330交叠，镜线圈330壳适于在端部产生增加的磁场。
如图1所示的外部线圈325和镜线圈330在室壁305外面实现；然而，它们也可以在室310里面。在室壁305由如金属这样的导电材料构建的情况下，有利的是，把线圈325、330放在室壁305里面，因为磁场扩散经过壁305花费的时间可能相对多，因而使系统300反应缓慢。类似地，室310可以是中空圆柱的形状的，室壁305形成长、环形圈。在这样情况下，电磁感应加速器通量线圈320可能在这个环形圈的中央在室壁305外实现。优选，形成环形圈的中心的内壁可包括如玻璃这样的非导电材料。如将成为明显的，室310必须有足以允许环流的等离子体束或层335以一定半径围绕主轴315旋转的尺寸和形状。
室壁305可以由如钢这样的具有高磁导率的材料形成。在这样情况下，由于材料中感应的反向电流，室壁305有助于使磁通量免于逃离室310，“压缩”它。如果室壁是由如有机玻璃这样的具有低磁导率的材料制成，另一个用于封闭磁通量的装置将是必需的。在这样情况下，可提供一系列闭环、扁平金属环。在本领域中称为通量限定器的这些环将提供在外部线圈325之内，但在环流等离子体束335之外。进一步地，这些通量限定器可以是无源的或有源的，其中有源的限定器用预定电流驱动以更加促进磁通量在室310内的封闭。可选择地，外部线圈325它们本身就可用作通量限定器。
如下面更详细解释的，包含带电粒子的环流等离子体束335可以由外部线圈325引起的磁场造成的洛伦兹力封闭在室310内。像这样，等离子体束335中的离子被磁封闭在围绕自外部线圈325的磁通线的大电磁感应加速器轨道上，该磁通线与主轴315平行。在室310里也提供一个或几个束注入端口 340，用于把等离子体离子加到环流等离子体束335。在一个优选实施例中，注入端口 340适于在离主轴315大约相同的径向位置注入离子束，在所述位置处封闭环流等离子体束335 (即围绕下面所述的零位面)。此外，注入端口340适于正切于被封闭的等离子体束335的电磁感应加速器轨道并在该轨道的方向上注入离子束350 (见图17)。
也提供一个或多个本底等离子体源345，用于注入非高能等离子体云到室310中。在一个优选实施例中，本底等离子体源345适于把等离子体335向室310的轴中心引导。已经发现，这样引导等离子体有助于更好地封闭等离子体335并在室310内的封闭区内导致高密度的等离子体335。
直宇室[0086]如上所述，对于CBFR的封闭系统的应用来说，有必要在室里面产生真空或接近真空。由于中性粒子和等离子体燃料之间的相互作用(散射、电荷交换)总是提供能量损耗通道，所以关键的是限制反应堆室内的残余物密度。另外，由真空抽的很差的室造成的杂质可能在工作期间导致污染副反应，并可能在起动期间消耗过度的能量，因为系统不得不烧尽这些残余物。
实现良好水平的真空通常涉及不锈钢室和端口以及低脱气材料的使用。在金属的情况下，良好的真空性能进一步与良好的结构特性配合。然而，如不锈钢等这样的导电材料呈现各种关于它们的电性能的问题。虽然这些负面效应都是联系着的，但它们以不同方式表现出来。在最负面特性中有磁场通过室壁的减速的扩散、电荷在表面上的积累、系统对瞬变信号响应时间的急剧改变以及在表面上形成影响期望磁拓扑的镜像电流。没有这些不希望有的特性并呈现良好真空性能的材料是如陶瓷、玻璃、石英和较小程度的碳纤维的绝缘体。这些材料的主要问题是结构的完整性以及偶然损坏的可能性。如陶瓷的不良可加工性这样的制造问题是另外的限制。
在一个实施例中，如图2A、2B、2C和2D上所描绘的，提供一备选室1310，它使这些问题最少。CBFR的室1310优选主要由金属(优选不锈钢等)构成，以提供结构强度和良好真空性能。然而，室1310的圆柱形壁1311包括在壁1311中的轴向绝缘中断1360，该中断在室1310的中央部分或CBFR的功率芯区沿室1310几乎整个长度延伸。优选，如图2B上所描绘的，有3个互相间隔开约120度的中断1360。如图2C上所描绘的，中断1360包括在室1310的壁1311中的槽或缝隙1362，围绕槽1362的边缘形成有密封槽或支座1369。O环密封件1367容纳在凹槽1369中。如图2D上所描绘的，槽1362延伸室1310的整个长度，使足够的不锈钢材料在两端附近形成壁1311的方位角连续部分，以便提供结构的完整性和为在端处的良好质量真空密封做好准备。为了改进结构完整性和防止内爆，如图2A上所描绘的，室1310优选包括多组局部方位肋1370，该局部方位肋与室壁1311整体地形成或者通过焊接等与室壁1311的表面结合。
如图2C上所描绘的，缝隙1362用由陶瓷材料形成的插入物1364填充。插入物1364稍微伸进到室1310的内部，并在内侧上被金属覆盖物1366覆盖，以防止来自环流等离子体束的一次等离子体与陶瓷碰撞引起的二次等离子体发射。在室1310的外面，插入物1364附到密封板1365，该密封板借助O环密封件1367与室壁1311的不锈钢表面形成真空垒。为了保持希望有的真空性能，密封板1365优选由基板(优选玻璃纤维等)构成，玻璃纤维等是较柔软的，而且与O环1367形成比陶瓷材料更紧密的密封，特别在向内的压力轻微地使室1310变形时。
在槽1362内的插入物或陶瓷绝缘体1364优选防止电流跨缝隙1362形成电弧，并由此防止方位镜像电流在室壁1311中形成。如下面所述的，镜像电流是楞次定律现象，它是抵抗任何磁通量变化的自然倾向例如在CBFR的形成期间在通量线圈1320中发生的磁通量变化。如果在室1310的圆柱形壁1311中没有槽1362，在通量线圈1320中的变化的磁通量使相等但反向的感应电流形成在不锈钢壁1311中，以抵消了在室1310里面的磁通量变化。虽然感应的镜像电流会比施加到通量线圈1320上的电流弱，但镜像电流倾向于很强地减少在室1310内的施加磁场或约束磁场，在不解决时，这倾向于负面地影响磁场拓扑并改变在室1310内的约束特性。槽1362的存在防止在室壁1311的方位连续部分中，向着远离室1310端部的室1310的中平面在室壁1311中形成方位镜像电流。能由室壁1311向着远离室1310的端部的中面承载的唯一镜像电流是，与槽1362的纵向轴平行流动的很弱的电流。这样的电流对FRC的轴向磁约束场没有任何影响，因为由纵向穿过室壁1311的镜像电流产生的磁镜像场只呈现径向和方位分量。在室1310端部附近的壁1311的方位连续导电部分中形成的方位镜像电流不倾向于负面地影响和/或改变在室1310里面的约束特性，因为在该附近的磁拓扑对等离子体的约束不重要。
除了防止在室壁1311中形成方位镜像电流外，槽1362还提供磁通量从场和镜像线圈1325和1330快速穿透室1310的路径。结果，槽1362使得能够进行外加场的亚毫秒级精细调谐和反馈控制。
FRC中的带电粒子
图3表示FRC 70的磁场。该系统具有相对于其轴78的圆柱对称性。在FRC中，有两个磁力线区开放的80和闭合的82。分割这两个区的面称界面84。FRC形成在其上磁场消失的圆柱形零位面86。在FRC的中央部分88，磁场不在轴向上明显改变。在端90，磁场的确在轴向上明显改变。在FRC中，沿中心轴78的磁场反转方向，这得出在场反向配置(FRC)中的术语“反向的”。
在图4A中，在零位面94以外的磁场是在第一方向96上。在零位面94以内的磁场是在与第一方向相反的第二方向98上。如果一个离子在方向100上运动，作用其上的洛伦兹力30指向零位面94。通过应用右手法则，很容易理解这种情况。对于在抗磁方向102上运动的粒子，洛伦兹力总是指向零位面94。这种现象得出称作电磁感应加速器轨道的粒子轨道，要在下面描述。
图4B表示一个在反抗磁方向104上运动的离子。这种情况下的洛伦兹力指向离开零位面94。这种现象得出称作漂移轨道的一种类型轨道，要在下面描述。离子的抗磁方向是电子的反抗磁方向，反之亦然。
图5表示以离子的抗磁方向旋转的等离子体环或环形层106。环106围绕零位面86定位。由环形等离子体层106产生的磁场108与外加磁场110接合，形成具有FRC的拓扑的磁场(图3上表不该拓扑)。
形成等离子体层106的离子束具有温度，因此这些离子的速度在以离子束的平均角速度旋转的框架中形成麦克斯韦分布。不同速度的离子之间的碰撞导致聚变反应。由于这个原因，等离子体束层或功率芯106被称为碰撞束系统。
图6表示称为电磁感应加速器轨道112的碰撞束系统中的主要类型离子轨道。电磁感应加速器轨道112能表示为以零位圆114为中心的正弦波。如上面解释的，在零位圆114上的磁场消失。轨道112的平面垂直于FRC的轴78。在这个轨道上的离子从起点116在它们的抗磁方向102上运动。在电磁感应加速器轨道上的离子具有两种运动在径向方向(与零位圆114垂直)上的振动和沿零位圆114平移。
图7A是FRC中磁场118的图。该图的水平轴代表以cm为单位离FRC轴78的距离。磁场以千高斯为单位。如该图所描绘的，磁场118在零位圆半径120处变为零。
如图7B上所示，在零位圆附近运动的粒子将经历指向离开零位面86的磁场梯度126。在零位圆外面的磁场是在第一方向122上,而在零位圆里面的磁场是在与第一方向相反的第二方向124上。梯度漂移的方向由叉积云XV5给出，在这里，V5是磁场梯度；于是，通过应用右手法则能理解，梯度漂移的方向是在反抗磁方向上，不管离子在零位圆128以外还是以内。
图8A是FRC中电场130的图。该图的水平轴代表以cm为单位离FRC轴78的距离。电场以伏/cm为单位。如该图所描绘的，电场130在接近零位圆半径120处变为零。
如图8B上所示,对于离子电场是去约束的(deconfining),它指向离开零位面86的方向132、134上。如前述，磁场在零位面86以内和以外处在相反方向122、124上。通过应用右手法则能理解，左><启漂移的方向是在抗磁方向102上，不管离子在零位面136以外还是以内。
图9A和9B表示称为漂移轨道138的FRC中的另一类型公共轨道。漂移轨道138能在零位面114以外，如图9A上所示，或者在它以内，如图9B上所示。如果左X月漂移占优势，则漂移轨道138以抗磁方向旋转，或者，如果梯度漂移占优势，漂移轨道138以反抗磁方向旋转。在图9A和9B上表示的漂移轨道138从起点116以抗磁方向102旋转。
如图9C上所示，漂移轨道能被想象为在相对较大的圈上滚动的小圈。小圈142以指示方向144绕其轴自旋。它也以方向102在大圈146上滚动。点140将在空间中沿着与138相同的路径前进。
图1OA和IOB表示在FRC端部151的洛伦兹力方向。在图1OA中，示出了离子在抗磁方向102上以速度148在磁场150中运动。通过应用右手法则能理解，洛伦兹力152倾向于把离子推回到闭合场力线区中。所以，在这种情况下，洛伦兹力152对离子是约束的。在图1OB中，示出了离子在反抗磁方向上以速度148在磁场150中运动。通过应用右手法则能理解，洛伦兹力152倾向于把·离子推到开放场力线区中。所以，在这种情况下，洛伦兹力152对离子是去约束的。
在FRC中的磁和静电约束
通过在离子的抗磁方向102上围绕零位面86注入高能离子束，能在FRC中形成等离子体层106 (见图5)。(在下面接着详细讨论形成FRC和等离子体环的一些不同方法)。在环流等离子体层106中，大多数的离子具有电磁感应加速器轨道112 (见图6)，是高能的，并且是非绝热的。因此，它们对引起反常迁移的短波长波动是不敏感的。
在FRC中在平衡条件下形成的等离子体层106中，动量守恒在离子的角速度(^和电子的角速度0^之间施加关系。这个关系是
权利要求
1.一种在场反向配置(FRC)磁场中驱动等离子体离子和电子的系统，包括 具有主轴的室(310)， 特征在于该系统还包括 第一磁场发生器(325)，用于在该室的中央区内产生具有基本上平行于室主轴的通量的方位对称磁场；以及 耦合到该室的中央区的RF驱动系统(1110)； 其中所述RF驱动系统包括位于室内的四极回旋加速器，所述四极回旋加速器产生以与离子的方位速度相同的方向但以更大的速度旋转的电位波。
2.权利要求
1的系统，进一步包括与所述室的主轴同中心的电流线圈，用于在所述室中产生方位电场。
3.权利要求
1的系统，其中四极回旋加速器包括形成圆柱形表面的四个半圆柱形电极(1112)。
4.权利要求
1的系统，其中RF驱动系统包括相邻于所述室的周界轴向延伸的调制场线圈(1116)。
5.权利要求
1的系统，还包括所述室内的功率转换系统(420)。
6.权利要求
5的系统，其中功率转换系统包括在所述室的第一端部区域形成圆柱形表面的多个半圆柱形电极(494)。
7.权利要求
6的系统，其中多个半圆柱形电极包括多于两个电极，它们成间隔开的关系并在相邻电极之间形成缝隙。
8.权利要求
7的系统，还包括 第二磁场发生器(488)，用于在所述室的第一端部区域内产生具有基本上平行于室主轴的通量的方位对称磁场； 电子收集器(490)，插入在第一磁场发生器和第二磁场发生器之间并相邻于所述多个电极的第一端；以及 离子收集器(492)，相邻于所述多个电极的第二端安置。
9.权利要求
8的系统，还包括 第二多个半圆柱形电极，在所述室的第二端部区域形成圆柱形表面，其中该第二多个半圆柱形电极包括多于两个电极，它们成间隔开的关系并在相邻电极之间形成缝隙； 第三磁场发生器，用于在所述室的第一端部区域内产生具有基本上平行于室主轴的通量的方位对称磁场； 第二电子收集器，插入在第一磁场发生器和第三磁场发生器之间并相邻于该第二多个电极的第一端；以及 第二离子收集器，相邻于该第二多个电极的第二端安置。
10.权利要求
9的系统，还包括与所述室耦合的离子束注入器(340)。
11.权利要求
10的系统，其中离子束注入器包括用于中和从注入器发射的离子束的电荷的装置。
12.权利要求
1的系统，其中所述RF驱动系统(1110)包括形成圆柱形表面的四个细长电极(1112)。
13.—种驱动FRC中的离子和电子的方法，包括以下步骤产生FRC，特征在于围绕在室内轴向延伸的离子和电子的旋转等离子体束产生所述FRC ；以及 产生电位波，该电位波以与转动等离子体束中的离子的方位速度相同的方向旋转。
14.权利要求
13的方法，其中产生电位波的步骤包括激励形成圆柱形表面的多个细长电极(1112) ο
15.权利要求
14的方法，其中该多个细长电极形成细长的回旋加速器。
16.权利要求
15的方法，其中该回旋加速器是四极回旋加速器。
17.权利要求
15的方法，其中该回旋加速器是二极回旋加速器。
18.权利要求
13的方法，还包括把中性离子注入到所述波中的步骤。
19.权利要求
14的方法，还包括把注入的中性离子俘获在所述波中的步骤。
20.权利要求
19的方法，还包括增加俘获离子的动量和能量的步骤。
专利摘要
一种用于在场反向配置(FRC)磁拓扑中控制聚变和聚变产物能量直接到电力的转换的系统及设备。优选，等离子体离子磁约束在FRC中，而等离子体电子静电约束在通过调谐外加磁场产生的深能量阱中。在这个配置中，离子和电子可以具有适当的密度和温度，以致在碰撞时由核力把它们融合在一起，从而形成以环形束形式出现的聚变产物。当聚变产物离子螺旋通过逆回旋加速器转换器的电极时，能量从它们那里移出。有利地，能用本约束和能量转换系统使用的聚变燃料等离子体包括高级(非中子)燃料。
文档编号G21B1/00GKCN101189684SQ200680007428
公开日2013年4月24日 申请日期2006年3月7日
发明者N·罗斯托克, M·宾德鲍尔, F·韦塞尔, A·钟, V·拜斯特里特斯基, Y·宋, M·安德森, E·加拉特, 艾伦·文德里 申请人:加州大学评议会导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (4),