[发明专利]用于形成并维持高性能FRC的系统和方法

说明书

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。

技术领域

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. Fusion 28, 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. Fusion 33, 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.Plasmas 2, 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. Fusion 39, 2001(1999)）和通过以旋转磁场（RMF）来驱动电流(参看，例如，I. R. Jones, Phys. Plasmas 6, 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. Fluids 9, 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（larmor radii）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。