[发明专利]用于控制等离子体磁场的系统和方法

说明书

公开了用于生成和约束紧凑环的系统的示例。该系统包括：等离子体生成器，用于生成磁化等离子体；通量保持器，用于容纳紧凑环；电源，用于提供电流脉冲；以及控制器，用于主动控制脉冲的电流分布以将等离子体的q分布保持在预定范围内。公开了通过控制电流脉冲的电流分布来控制磁化等离子体的磁寿命的方法的示例。

技术领域

本公开内容大体上涉及用于控制等离子体磁场的衰减时间的系统和方法，特别涉及用于通过控制等离子体磁场来控制等离子体稳定性的系统和方法。

背景技术

除非本文中另有指明，否则本部分中所描述的材料不是关于本申请的权利要求书的现有技术，并且不会由于被包括在本部分中而被认为是现有技术。

等离子体是与气体相似的物质的状态，其中，粒子的至少一部分被电离。带电粒子(例如，正离子和负电子)的存在使得等离子体导电。磁场足够强以影响带电粒子的运动的等离子体被称为磁化等离子体。等离子体环是被成型为环向配置(圆环形状)、具有链接的极向闭合磁场线和环向闭合磁场线(在一些情况下)的自持式磁化等离子体。环向磁场包括平行于等离子体环的磁轴的磁场线。环向场由围绕等离子体的磁轴沿极向方向流动的电流来产生。极向磁场包括围绕等离子体环的磁轴的磁场线并且由平行于磁轴沿环向方向流动的电流来产生。由于磁场线沿环向方向和极向方向绕等离子体转很多圈，因此磁场线在距等离子体的磁轴的恒定半径处限定了“通量面”。极向磁通量和环向磁通量的磁链程度限定了等离子体环的螺旋性。包含在单连通容积中的等离子体环被称为紧凑环(compacttoroid，CT)。CT配置可以包括例如：球马克(spheromak)配置，球马克配置接近于内部磁场具有环向分量和极向分量二者的稳定磁流体动力学平衡而存在；或场反向配置(FRC)，FRC也具有环向磁拓扑，但在轴向方向上可以更长，其外表面类似于长椭球，并且FRC主要具有极向磁场而没有环向磁场分量。CT等离子体可以以一定范围的磁配置形成，磁配置包括以处于球马克状态与FRC状态之间的状态存在的磁配置。磁化等离子体的其他配置包括托卡马克(tokamaks)、反向场箍缩(RFP)以及仿星器，所有这些配置使用外部线圈来在等离子体约束室(通量保持室)的壁处提供环向磁场。相比之下，球马克和FRC不以外部线圈来提供等离子体的环向磁场，而是由在等离子体中流动的电流来产生磁场。

受控热核聚变是基于存在于等离子体中的轻核的聚变来形成较重的核。等离子体需要约束核达足够长的时间以允许足够的这样的核发生聚变。因此，对于任何聚变系统和聚变方案而言，稳定并且将等离子体保持在稳定配置中是非常重要的。在磁化等离子体配置的情况下，等离子体磁场(极向场分量和/或环向场分量)是与等离子体稳定性和等离子体性能有关的关键等离子体性质。

发明内容

在一个方面中，提供了一种用于控制等离子体磁场的衰减的系统。该系统包括控制器，该控制器包括输入单元、处理单元以及输出单元。被定位在各个径向位置、轴向位置以及角位置处的多个测量探头被配置成向控制器的输入单元提供等离子体的至少一个参数的信号。设置与控制器的输出单元进行通信的电源。电源被配置成向系统提供一个或更多个另外的轴向电流脉冲以增强等离子体的环向场。电源具有用于调节电感与电阻比(L/R)时间常数以调节电流脉冲的电流衰减时间的装置。控制器具有包括程序代码的存储器，所述程序代码能够由处理单元执行以处理从多个测量探头获得的信号以识别从探头获得的信号中的不规则性并且当在来自探头中的至少一个探头的信号中检测到不规则性时触发电源以提供轴向电流脉冲。电力系统的L/R时间常数被调节成短于等离子体的极向场的最短衰减时间。

在另一方面中，控制器还包括能够由处理单元执行以进行以下操作的程序代码：计算等离子体的环向磁场与极向磁场的比率，并且比较所计算的比率与实验得到的下限阈值。当所计算的比率低于下限阈值时，控制器触发电源以提供另外的轴向电流脉冲。控制器还包括能够由处理单元执行以将磁场比率保持在下限阈值与上限阈值之间的程序代码。

在一个方面中，控制器还包括能够由处理单元执行以检测从多个探头获得的信号中的振荡的程序代码。当在从探头中的至少一个探头获得的信号中检测到振荡时，触发另外的轴向电流脉冲。