用于缓解聚变设备中等离子体破裂的方法和设备技术

示例性芯块可用于磁聚变设备以缓解等离子体破裂。在一些实施例中，可以低温冷却芯块，这可使得芯块电导率升高。芯块的高导电率可以从芯块内部屏蔽出等离子体的磁场。等离子体磁场的屏蔽可以降低芯块的融化率，这可以允许更深的芯块穿透和更适合的沉积材料的空间分布，以恰当地缓解等离子体破裂。在一些其他实施例中，芯块可以是未被低温冷却的。

【技术实现步骤摘要】
用于缓解聚变设备中等离子体破裂的方法和设备
本专利文件涉及用于热核聚变技术的系统、设备和流程。
技术介绍
托卡马克(tokamak)是一种设备，其利用磁场，例如以环形(torus)的形状，在空间上约束等离子体，以使产生受控的热核聚变发电(power)所需的高温等离子体被产生。在托卡马克设备中使用磁场进行约束，部分是因为固体材料不能承受用于热核聚变的等离子体的极高温度。在托卡马克中，通过产生以螺旋形状围绕环形移动的磁场线，可以实现稳定的等离子体平衡。这样的螺旋场可以通过添加圆中的围绕环形传播的环形场和在正交于环形场的圆中传播的极向场来产生。在实施方式中，环形场可以由围绕环形的电磁铁产生，并且极向场可以通过在等离子体内流动的环形电流产生，并且可以通过例如使用第二组电磁铁在等离子体内部感应。在大的环形电流下，各种磁约束聚变设备倾向于表现出不期望的等离子体不稳定性。这种等离子体不稳定性的非线性演变可导致等离子体电流在短周期时间内(例如，大约几毫秒)熄灭(quench)。这种熄灭可以引起高能(energetic)逃逸电子，这些电子逃离空间受约束的等离子体并且可潜在地导致等离子体约束的快速损失。这些逃逸电子可与面对等离子体的部件碰撞，并且可通过例如在这些部件中造成强热(intenseheat)而损坏部件。这种现象称为等离子体破裂(disruption)。
技术实现思路
公开了能够用于缓解(mitigate)等离子体破裂的磁聚变设备的示例性芯块(pellet)的技术、系统和设备。示例性芯块能够在穿透(penetrate)等离子体的同时缓解等离子体破裂。因此，所公开的技术能够增强芯块的穿透深度并且能够允许芯块达到等离子体的中心堆芯(centralcore)。示例性芯块也能够以中空壳体(hollowshell)的形式被引入磁聚变设备中，中空壳体包括小颗粒或多孔材料的内部有效载荷，从而减少在意外撞击的事件下磁聚变设备远壁的损坏可能性。一个示例性实施例公开了聚变设备。所述示例性聚变设备包括：等离子体容器，构造为包括中空内部以约束等离子体；多个环形场线圈，围绕等离子体容器的外表面的不同部分缠绕，该多个环形场线圈被配置为将等离子体磁性地约束在等离子体容器内部；存储设备，该存储设备存储芯块；以及芯块注入器，被放置以从存储设备接收芯块并且可操作地将芯块注入所述等离子体容器。在一些实施例中，存储设备是存储和冷却芯块的低温恒温器(cryostat)存储设备，并且其中芯块具有金属外部。在一些实施例中，其中低温恒温器存储设备被配置为冷却多个芯块至小于或等于40开尔文(kelvin,K)。在一些实施例中，低温恒温器存储设备被配置为冷却多个芯块至10开尔文(K)。在一些实施例中，芯块包括固体芯块。在一些实施例中，芯块包括中空壳体芯块。在一些实施例中，每个中空壳体芯块封装(encapsulate)有效载荷。在一些实施例中，有效载荷包括颗粒或多孔材料。在一些实施例中，有效载荷包括锂、氘化锂、铍、氘化铍、硼、氮化硼或钨。在一些实施例中，每个芯块包括锂或铍。在一些实施例中，等离子体容器成形为D形环形。在一些实施例中，芯块注入器包括单级轻气枪(single-stagelightgasgun)。在一些实施例中，每个芯块包括封装有效载荷的中空壳体。在一些实施例中，中空壳体包括锂、氘化锂、铍、氘化铍或氮化硼。在一些实施例中，有效载荷包括锂、氘化锂、铍、氘化铍、硼、氮化硼或钨。另一实施例公开了缓解等离子体破裂的方法。该示例性方法包括将等离子体磁性地约束在等离子体容器中，存储芯块并将所存储的芯块注入等离子体容器。在一些实施例中，该示例性方法还包括冷却所存储的芯块至小于或等于40开尔文(K)。在一些实施例中，所存储的芯块被冷却至接近10开尔文(K)。附图说明图1示出示例性磁聚变设备的横截面视图；图2示出对于示例性芯块的磁屏蔽的概念；图3示出示例性锂和铍样品的电阻率与温度的曲线；图4A-图4D示出围绕冷却至40开尔文(K)的示例性融化(ablating)轻金属芯块的磁位形(magneticconfiguration)的模拟；图5示出在磁聚变设备中注入芯块的示例性方法；图6示出另一示例性芯块的横截面视图。具体实施方式基于在本文件中公开的技术，在操作诸如托卡马克的磁约束聚变设备时，可以将芯块注入到热聚变等离子体，以缓解不期望的等离子体破裂。但是，由于热聚变等离子体所导致的加热，注入的芯块倾向于快速蒸发。这种蒸发可以限制注入的芯块向热聚变等离子体穿透的深度。芯块在完全蒸发前向受约束等离子体的堆芯的穿透能够缓解不期望的等离子体破裂。等离子体与芯块的融化材料的相互作用能够使得等离子体辐射掉其热能，由此将其散布在宽的区域，而不是允许不受控的热能损失至面对聚变设备的部件的等离子体周围。等离子体可由嵌套(nested)的磁通表面约束，但是当这些表面在等离子体破裂期间被破坏，等离子体的热能可以快速逸出至周围的材料结构而导致破坏。在本文件中公开的技术能够被用于部分基于工程和控制示例性芯块的化学成分、结构或温度，以缓解等离子体破裂。在一些实施例中，示例性芯块的结构可以包含壳体和在壳体中称为有效载荷的材料。壳体和有效载荷一旦被分散到等离子体中即能够被等离子体电离，并且能够允许能量辐射出等离子体。示例性芯块能够帮助部分地缓解等离子体破裂，这是由于芯块的壳体能够被用于在有效载荷的一些部分开始电离之前，将至少一些有效载荷携带至等离子体中。所述示例性实施例公开了冷却的芯块和未冷却的芯块两者，在这两种芯块的壳体将壳体材料和有效载荷二者都分解释放到等离子体之前，其壳体能够穿透到等离子体中的速度不同。所述示例性实施例首先描述在将芯块引入磁约束聚变设备中之前能够被低温冷却的芯块。冷却的芯块可以具有固体形式或中空壳体形式。每个冷却的芯块可包括锂或铍。具有中空壳体形式的冷却的芯块能够封装有效载荷。冷却的芯块的有效载荷可包括颗粒或多孔材料。冷却的芯块的有效载荷可包括锂、氘化锂、铍、氘化铍、硼、氮化硼或钨。所述示例性实施例还描述在将芯块引入磁约束聚变设备中之前可能未被低温冷却的芯块。未冷却的芯块可包括封装有效载荷的中空壳体。未冷却的芯块的中空壳体可包括锂、氘化锂、铍、氘化铍或氮化硼。未冷却的芯块的有效载荷可包括锂、氘化锂、铍、氘化铍、硼、氮化硼或钨。转向使用低温措施的实施例，合适的芯块的示例可包括具有金属外部的芯块，金属外部可包括具有低原子序数(Z)的金属。示例性芯块可以可选地被放在处于极低(cryogenically)低温下的低温恒温器中，这使得冷却的芯块的电导率上升。冷却的芯块能够被传送到芯块枪并加速至期望的高速度以进入磁聚变设备，例如托卡马克。芯块的高电导率可以从每个芯块的内部屏蔽出(screenout)等离子体磁场。该屏蔽降低了芯块的融化率，允许更深的芯块穿透和更适合的沉积材料的空间分布(profile)，以恰当缓解等离子体破裂。图1示出示例性磁聚变设备(100)的横截面，其中低温冷却芯块(116)被注入到用于在空间上约束磁化的等离子体(111)为环形形状的等离子体容器(115)。如图1左侧中心线(CL)指示，所述等离子体容器(115)可被构建为D形环形。等离子体堆芯(111)的磁场区域由包含多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚变设备，包括：等离子体容器，构造为包括中空内部以约束等离子体；多个环形场线圈，围绕所述等离子体容器的外表面的不同部分缠绕，所述多个环形场线圈被配置为将等离子体磁性地约束在所述等离子体容器内部；存储设备，所述存储设备存储芯块；以及芯块注入器，被放置以从所述存储设备接收芯块并且可操作地将芯块注入所述等离子体容器。

【技术特征摘要】
2017.12.21 US 15/851,5421.一种聚变设备，包括：等离子体容器，构造为包括中空内部以约束等离子体；多个环形场线圈，围绕所述等离子体容器的外表面的不同部分缠绕，所述多个环形场线圈被配置为将等离子体磁性地约束在所述等离子体容器内部；存储设备，所述存储设备存储芯块；以及芯块注入器，被放置以从所述存储设备接收芯块并且可操作地将芯块注入所述等离子体容器。2.如权利要求1所述的聚变设备，其中所述存储设备是存储和冷却芯块的低温恒温器存储设备，并且其中所述芯块具有金属外部。3.如权利要求2所述的聚变设备，其中所述低温恒温器存储设备被配置为冷却多个芯块至小于或等于40开尔文(K)。4.如权利要求2所述的聚变设备，其中所述低温恒温器存储设备被配置为冷却多个芯块至10开尔文(K)。5.如权利要求1所述的聚变设备，其中所述等离子体容器被成形为D形环形。6.如权利要求1所述的聚变设备，其中所述芯块注入器包括单级轻气枪。7.一种缓解等离子体破裂的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：PB帕克斯，
申请(专利权)人：通用原子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US