本公开总体上涉及一种利用极向场线圈的等离子体压缩系统及其操作方法。
背景技术：
1、除非本文另有说明，否则本部分中描述的材料不是本技术的权利要求的现有技术，并且不因包含在本部分中而被认为是现有技术。
2、通用融合公司(general fusion)的磁化靶聚变(mtf)技术使用液态金属压缩磁化氢同位素等离子体，进而加热直到氢同位素最初聚变成氦或氚，分别以高能中子或质子的形式释放能量。高能粒子被一层液态金属吸收，其因此被加热。可以提取热量以提供能量源。
3、核聚变是两个原子核结合的过程，由此反应释放能量。能量的释放是由于聚变反应的反应物和产物之间的小的质量差，并且由de＝dmc2控制。常见的反应物是氘(具有一个质子和一个中子的氢核)和氚(具有一个质子和两个中子的氢核)。这两种反应物的聚变产生氦-4原子核、中子以及以热量形式捕捉的能量。要实现反应物的聚变需要反应物的高温和高压(密度)。例如，磁化靶聚变商用发电厂的聚变条件可以在1.5亿摄氏度和800兆帕压力的数量级。在mtf方法中，产生并压缩等离子体，以实现这些条件。
4、等离子体是一种类似于气体的物质状态，由电离的气体原子和自由电子组成。带电粒子(例如，正离子和负电子)的存在使等离子体导电，使得可以响应于磁场。等离子体可以使用磁场成形和定位，并且等离子体的特别稳定的配置是环形。等离子体环是成形为环形配置的自持磁化的等离子体，具有连接的极向和环形(在某些情况下)闭合磁通量。极向磁通量和环形磁通量的连接程度限定了等离子体环的螺旋度。包含在单连通体积中的等离子体环称为紧凑环(ct)。示例性ct配置包括：(i)球形托卡马克(例如，“球马克”)配置，其存在于稳定的磁流体动力学平衡附近，其中，内部磁场具有环形和极向分量；以及(ii)场反配置(frc)，其也具有环形磁拓扑结构，但可以在轴向方向上更细长，其中，外表面类似于长椭球面，并且主要具有极向磁场，而没有环形磁场分量。ct等离子体可以在一系列磁配置中形成，包括以介于球马克和frc状态之间的状态存在的那些。其它等离子体配置也是可行的，例如，在托卡马克中使用导电中心轴的情况下。初始等离子体环也有可能随着时间的推移而演变并改变其磁配置。
5、实现聚变条件的另一种方法是使用压缩mtf反应器中的液态金属内衬的装置(例如，机械活塞)来机械压缩氢等离子体。这些机械等离子体压缩系统通过形成等离子体所在的大致圆柱形涡流腔来压缩聚变容纳容器内的典型球形托卡马克型等离子体。圆柱形涡流腔可以通过使用容纳容器内部的旋转圆柱体来旋转液态金属而形成，使得离心力抵靠旋转圆柱体的壁移动液态金属，从而形成围绕涡流腔的液态金属内衬。液态金属内衬通过移动活塞以径向和轴向使涡流腔内爆而塌缩，并产生球形塌缩腔。当液态金属内衬塌缩时，压缩其中容纳的等离子体。当液态金属内衬围绕封闭的球形托卡马克等离子体向内推动时，约束等离子体的球形托卡马克磁场通过感应过程不完全排除进入导电液态金属内衬，球形托卡马克等离子体由此在导电液态金属内衬中感应电流并排斥磁场。由于液态金属内衬具有有限的电导率，这些感应电流和相关磁场不会完全排斥球形托卡马克磁场，并且随着时间的推移，球形托卡马克磁场的一部分进入液态金属内衬。
6、等离子体压缩系统的具体挑战是等离子体将热量从其核心传递到其外表面并进入容器壁的趋势。这种进入容器壁的热量损失降低了等离子体的温度，从而降低了等离子体的寿命，因此降低了聚变反应发生的概率。这在采用液态金属内衬的mtf系统中尤其具有挑战性，当球形托卡马克磁场进入液体内衬时，等离子体将接触液体内衬并将热量传递到容器壁。因此，有利的是，设计约束等离子体并由此限制或防止等离子体与反应容器壁相互作用的系统和方法。该目标与具有静态壁(例如，托卡马克)或动态壁(磁化靶聚变)的反应器相关。
技术实现思路
1、根据本发明的一个方面，提供了一种等离子体压缩系统，包括：容器，其被配置为接收和容纳等离子体和围绕纵向旋转轴线循环的金属液体介质，以便至少部分地限定被配置为接收和容纳等离子体的等离子体压缩区域；用于通过使液体介质朝向纵向旋转轴线向内移动而可控地减小等离子体压缩区域的容积的装置，其中，液体介质压缩等离子体；以及多个导电线圈，其在等离子体压缩区域外部并且被配置为在容器、液体介质和等离子体压缩区域中生成极向磁场。等离子体压缩区域内的至少一些极向磁场沿着纵向旋转轴线延伸，并且当液体介质朝向纵向旋转轴线移动时，液体介质中的至少一些极向磁场与液体介质一起朝向纵向旋转轴线向内移动。
2、在一些方面，容器可以包括铁磁或亚铁磁材料。多个导电线圈可以包括至少两个大致环形的线圈，其围绕纵向旋转轴线大致对称地定位并且大致垂直于纵向旋转轴线，其中所述至少两个大致环形的线圈在沿着纵向旋转轴线的不同对应位置处。多个导电线圈还可以包括至少第一线圈和第二线圈，所述第二线圈与第一线圈间隔开并且大致平行于第一线圈，其中等离子体压缩区域在第一线圈和第二线圈之间。导电线圈可以相对于容器壁定位，使得容器壁将极向磁场集中在等离子体压缩区域内。
3、容器可以包括壁部分，其沿着大致垂直于壁部分的方向具有在3.5m至5.5m范围内的内半径。此外，等离子体压缩系统可以包括在容器内部的金属旋转芯。旋转芯被配置为围绕纵向旋转轴线旋转，并且旋转芯的至少部分沿着大致垂直于壁部分的方向具有在1.5m至3m范围内的内半径。
4、第一电源可以被配置为在液体介质压缩等离子体时使大致恒定的电流在多个导电线圈中流动。更具体地，第一电源可以被配置为使具有ac分量和dc分量的电流流动，其中，ac分量可以具有小于10hz的频率和小于dc分量的幅度的10％的幅度。第一电源还可以被配置为在等离子体压缩区域内的等离子体的寿命期间使大致恒定的电流流动。
5、第二电源可以被配置为在等离子体压缩区域内在容器腔的中心线(赤道平面)处生成100mwb至700mwb的范围内的形成磁场(formation magnetic field)。
6、根据本发明的另一方面，提供了一种等离子体压缩系统，包括：金属容器，其被配置为接收和容纳等离子体；金属液体内衬，其位于容器中并且至少部分地限定具有纵向轴线的等离子体压缩区域；用于朝向纵向轴线向内移动液体内衬以压缩等离子体压缩区域中的等离子体的装置；以及多个导电线圈，其在等离子体压缩区域外部并且被配置为在液体内衬和等离子体压缩区域中生成极向磁场。等离子体压缩区域内的至少一些极向磁场沿着纵向轴线延伸，并且当液体内衬朝向纵向轴线移动时，液体内衬中的至少一些极向磁场与液体内衬一起朝向纵向轴线向内移动。
7、容器可以是铁磁的或亚铁磁的。导电线圈可以相对于容器壁定位，使得容器壁至少部分地将极向磁场集中在等离子体压缩区域内。等离子体可以是大致环形的并且围绕纵向轴线大致对称，其中，等离子体压缩区域中的至少一些极向磁场相对于大致环形的等离子体沿着极向方向延伸。第一电源可以耦合到导电线圈并且被配置为在等离子体压缩区域内生成极向磁场，极向磁场具有足以抑制等离子体撞击液体内衬的强度。
8、多个导电线圈可以包括至少两个大致环形的线圈，其围绕纵向轴线大致对称地定位并且大致垂直于纵向轴线，其中，所述至少两个大致环形的线圈在沿着纵向轴线的不同对应位置处。
9、该系统还可以包括容器中的旋转芯和液体介质。旋转芯可以被配置为使液体介质旋转和循环，以形成液体内衬和等离子体压缩区域。旋转芯可以具有外表面，该外表面与容器的内表面间隔开一间隙。用于移动液体内衬的装置可以包括多个内爆驱动器，其从间隙穿过旋转芯延伸到等离子体压缩区域并且容纳至少一些液体介质。
10、在一些方面，等离子体压缩系统还可以包括与多个内爆驱动器流体连通的加压流体源，其中，加压流体源被配置为可控地向多个内爆驱动器施加加压气体，这使内爆驱动器向液体介质施加压力脉冲，使得液体内衬被向内推动，以使等离子体压缩区域塌缩并且压缩等离子体压缩区域内的等离子体。在一些其它方面，用于移动液体内衬的装置还可以包括多个压缩驱动器，其固定安装到容器的外表面并且与多个内爆驱动器流体连通。在间隙中的压缩流体与压缩驱动器和内爆驱动器流体连通。加压流体源与多个压缩驱动器流体连通，并且被配置为可控地向多个压缩驱动器施加加压气体，从而使压缩驱动器经由压缩流体向多个内爆驱动器施加第一压力脉冲，并且从而使内爆驱动器向液体介质施加第二压力脉冲，使得液体内衬被向内推动，以使等离子体压缩区域塌缩并且压缩第二区域内的等离子体。
11、等离子体压缩系统还可以包括等离子体注入器，该等离子体注入器与容器流体连通并且被配置为将等离子体注入到等离子体压缩区域中。
12、根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括：将磁化环形等离子体注入到等离子体压缩区域中，等离子体压缩区域至少部分地由具有纵向轴线的金属液体内衬限定；在液体内衬和等离子体压缩区域内生成极向磁场，等离子体压缩区域中的至少一些极向磁场沿着纵向轴线延伸；以及朝向纵向轴线压缩液体内衬，从而减小容纳等离子体的等离子体压缩区域的容积并压缩等离子体。液体介质可以旋转，以形成金属液体内衬，其中，液体内衬围绕与等离子体的轴线对称的纵向旋转轴线旋转。
13、生成极向磁场可以包括使电流流过等离子体压缩区域外部的多个线圈。在所述压缩期间，电流可以是大致恒定的。压缩液体内衬可以包括调节液体内衬的轨迹，以动态地调节等离子体压缩区域内的极向磁场。
1.一种等离子体压缩系统，包括：
2.根据权利要求1所述的等离子体压缩系统，其中，所述容器包括铁磁或亚铁磁材料。
3.根据权利要求2所述的等离子体压缩系统，其中，所述多个导电线圈相对于所述容器的壁定位，使得所述容器的壁将所述极向磁场集中在所述等离子体压缩区域中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，所述多个导电线圈包括至少两个大致环形的线圈，其围绕所述纵向旋转轴线大致对称地定位并且大致垂直于所述纵向旋转轴线，所述至少两个大致环形的线圈沿着所述纵向旋转轴线在不同对应位置处。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，所述多个导电线圈包括至少第一线圈和第二线圈，所述第二线圈与所述第一线圈间隔开并且大致平行于所述第一线圈，其中，所述等离子体压缩区域在所述第一线圈和所述第二线圈之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，所述容器包括壁部分，所述壁部分沿着大致垂直于所述壁部分的方向具有3.5m至5.5m范围内的内半径。
7.根据权利要求6所述的等离子体压缩系统，还包括所述容器内部的金属旋转芯，所述旋转芯被配置为围绕所述纵向旋转轴线旋转，并且所述旋转芯的至少部分沿着大致垂直于所述壁部分的方向具有1.5m至3m范围内的内半径。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的等离子体压缩系统，还包括第一电源，所述第一电源被配置为在所述液体介质压缩所述等离子体的同时使大致恒定的电流在所述多个导电线圈中流动。
9.根据权利要求8所述的等离子体压缩系统，其中，所述第一电源被配置为使具有ac分量和dc分量的所述电流流动，其中，所述ac分量具有小于10hz的频率和小于所述dc分量的幅度的10％的幅度。
10.根据权利要求8所述的等离子体压缩系统，其中，所述电源被配置为在所述等离子体压缩区域内的等离子体的寿命期间使大致恒定的电流流动。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，第二电源耦合到多个形成场线圈，并且被配置为在所述等离子体压缩区域内在容器腔的中心线(赤道平面)处生成100mwb至700mwb的范围内的形成磁场。
12.一种等离子体压缩系统，包括：
13.根据权利要求12所述的等离子体压缩系统，其中，所述容器是铁磁的或亚铁磁的。
14.根据权利要求12或13所述的等离子体压缩系统，其中，所述多个导电线圈相对于所述容器的壁定位，使得所述容器的壁至少部分地将所述极向磁场集中在所述等离子体压缩区域内。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，所述等离子体是大致环形的并且围绕所述纵向轴线大致对称，所述等离子体压缩区域中的至少一些极向磁场相对于大致环形的等离子体沿着极向方向延伸。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的等离子体压缩系统，还包括第一电源，所述第一电源耦合到所述导电线圈并且被配置为在所述等离子体压缩区域内生成所述极向磁场，所述极向磁场具有足以抑制所述等离子体撞击所述液体内衬的强度。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的等离子体压缩系统，其中，所述多个导电线圈包括至少两个大致环形的线圈，所述至少两个大致环形的线圈围绕所述纵向轴线大致对称地定位并且大致垂直于所述纵向轴线，所述至少两个大致环形的线圈在沿着所述纵向轴线的不同对应位置处。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的等离子体压缩系统，还包括在所述容器中的旋转芯和液体介质，所述旋转芯被配置为使所述液体介质旋转和循环，以形成所述液体内衬和所述等离子体压缩区域。
19.根据权利要求18所述的等离子体压缩系统，其中，所述旋转芯具有外表面，所述外表面与所述容器的内表面间隔开一间隙，并且用于移动液体内衬的装置包括多个内爆驱动器，所述内爆驱动器从所述间隙穿过所述旋转芯延伸到所述等离子体压缩区域并且包含至少一些液体介质。
20.根据权利要求19所述的等离子体压缩系统，还包括与所述多个内爆驱动器流体连通的加压流体源，其中，所述加压流体源被配置为能控制地向所述多个内爆驱动器施加加压气体，从而使所述内爆驱动器向所述液体介质施加压力脉冲，使得所述液体内衬被向内推动，以使所述等离子体压缩区域塌缩并且压缩在所述等离子体压缩区域内的等离子体。
21.根据权利要求1所述的等离子体压缩系统，其中，所述用于移动液体内衬的装置还包括：
22.根据权利要求12至21中任一项所述的等离子体压缩系统，还包括等离子体注入器，所述等离子体注入器与所述容器流体连通并且被配置为将所述等离子体注入到所述等离子体压缩区域中。
23.一种方法，包括：
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述生成极向磁场包括使电流流过所述等离子体压缩区域外部的多个线圈。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，在所述压缩期间，所述电流是大致恒定的。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的方法，其中，所述压缩液体内衬包括调节所述液体内衬的轨迹，以动态地调节在所述等离子体压缩区域内的极向磁场。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，还包括旋转金属液体介质以形成所述金属液体内衬，其中，所述液体内衬围绕与所述纵向轴线对称的旋转轴线旋转。
