[发明专利]用于形成并维持高性能FRC的系统和方法

说明书

本发明提供了便于形成和维持新颖高性能场反向配置（FRC）的系统和方法。用于高性能FRC（HPF）的FTC系统包括由两个直径对置的反向场θ箍缩形成部段和超过这些形成部段的两个偏滤器包围的中央约束容器以控制中性粒子密度和杂质污染。一种磁系统包括沿着FRC系统部件在轴向定位的一系列准直流线圈，在约束腔室与相邻形成部段之间的准直流镜线圈以及在形成部段与偏滤器之间的镜插塞。形成部段包括模块式脉冲功率形成系统，其允许FRC在现场形成并且然后加速并喷射（=静态形成）或者同时形成并加速（=动态形成）。FRC系统还包括中性原子束喷射器、球团喷射器、吸杂系统、轴向等离子体枪和通量表面偏压电极。

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。

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。