本公开涉及等离子体的磁约束。特别地，描述了用于在用于聚变过程的装置中产生等离子体的增强约束的技术。
背景技术：
1、核聚变仍然是研究可扩展能量来源的焦点。随着全球对清洁、可再生能源的需求增加，核聚变作为这种能量来源的可取性也随之增加。然而，迄今为止，核聚变技术尚未实现足以产生超过反应堆运行所需能量的持续反应。
2、在核聚变中，两个原子核(例如，氘或氚)结合以形成一个原子核(例如，氦)，从而产生大量能量。为了实现这一反应，必须将等离子体或电离气体约束并加热到几百万摄氏度。约束通常是利用反应堆内的强磁场实现的，这样磁约束就可以使反应等离子体远离反应堆结构(例如，室壁)。最成功的反应堆设计包括像托卡马克这样的环形容器，其中等离子体在真空室内产生并受到环形磁场的约束。
3、在托卡马克或类似的环形聚变反应堆中，等离子体约束是通过使用若干外部场线圈在反应堆内建立稳定的磁场并在等离子体内产生电流来实现的。由于等离子体被电离，其组成粒子带电并将倾向于在相对较小的轨道上紧紧围绕磁场线旋转。本质上，等离子体粘附到场线，但可以轻松地沿着场线移动。反应堆中产生的场具有环形(在环面“环”的方向上)分量和极向(在环面“周围”的方向上)分量两者，从而产生穿过反应堆内部的螺旋磁场。因此，该磁场的位形包括嵌套的环形磁表面区域，该区域包含封闭且不接触反应堆容器的内表面的磁场线。然后等离子体可以长时间悬浮在封闭的磁区域中，而不会接触反应堆的表面。然而，有若干过程允许等离子体跨场线输运并离开约束区域，从而导致发生聚变的区域的能量和粒子损失。因此，通过限制能量和粒子跨约束场的输运来改善等离子体的约束是当代研究的目标。
技术实现思路
1、约束等离子体的一个方面是存在“输运屏障”，即等离子体的密度、温度和/或压力的陡峭梯度。输运屏障指示过程中的一个或多个过程的减弱，导致约束等离子体不稳定且能量和粒子从约束区域输运出来，包括湍流等离子体流。根据磁场的位形，此类减弱可由速度剪切、磁剪切或类似机制引起。速度剪切一直被认为是用于抑制约束等离子体中的湍流输运过程的主要机制。然而，采用低速剪切的聚变操作方案是可能的，并且可能对于进一步的进展至关重要。因此，需要有控制输运屏障的形成(例如，位置、持续时间、程度)的方法。
2、本公开的实施例涉及改善聚变装置中的等离子体的约束。等离子体可以被磁场约束，该磁场可以通过施加等离子体外部(例如，在外部线圈中)的电流或等离子体内部的电流(例如，等离子体本身中的电流)两者来产生并操纵。可以产生具有特定性质的约束磁场的特征区域。通过在磁场的特征区域处或特征区域内部将粒子注入等离子体，可以引发输运屏障，该输运屏障可减少等离子体粒子和能量从磁场的约束区域的输运，由此改善等离子体的约束。可以通过随后注入额外的粒子来维持这种输运屏障。
3、一个实施例涉及一种方法，该方法包括在等离子体约束装置中产生约束等离子体的磁场的特征区域，并将一定数量的粒子注入特征区域处或特征区域内部的等离子体中。
4、在各种实例中，特征区域可以由负磁剪切区域、低磁剪切区域、大的shafranov偏移区域、约束等离子体的磁场的磁表面的特定形状(其中磁扰动是共振的)、或这些限定特征的任意组合来限定。在一些实例中，可以通过在等离子体中产生与特征区域处的磁场平行的电流来产生特征区域。根据某些实例，在特征区域处或特征区域内部注入该数量的粒子可以产生输运屏障。输运屏障可以由等离子体的大的压力梯度来表征。共振磁扰动诱导粒子和热量的输运，并且在特征区域中引起这些扰动有助于控制那里的压力梯度。在一些实施例中，这对于增加输运屏障的宽度以及避免磁流体动力学不稳定性很有用。输运屏障可以在等离子体约束装置的次半径的约70％的位置处产生。在一些实例中，输运屏障可以在等离子体约束装置的次半径的约80％或约90％的位置处产生。在一些实例中，该数量的粒子可以包括聚变燃料粒子，包括氘和/或氚。在一些实例中，该数量的粒子可以包括杂质粒子，包括碳、硅、稀有气体或原子序数z小于21的元素。
5、另一个实施例涉及第二种方法，该方法可以包括产生约束等离子体的磁场的特征区域，将第一数量的粒子注入特征区域处或特征区域内部的等离子体中，以及将第二数量的粒子注入特征区域处或特征区域内部的等离子体中。第一数量的粒子可以在第一时间注入且持续第一持续时间，而第二数量的粒子可以在第二时间注入且持续第二持续时间。
6、在各种实例中，特征区域可以由负磁剪切区域、低磁剪切区域、大的shafranov偏移区域、约束等离子体的磁场的磁表面的特定形状、磁扰动共振的位置、或这些限定特征的任意组合来限定。在一些实例中，第一数量的粒子可以包括至少一部分杂质粒子。在若干实例中，第二数量的粒子可以包括杂质粒子、聚变燃料粒子、和/或杂质粒子和聚变燃料粒子的混合物。根据某些实例，第一数量的粒子和第二数量的粒子均可以以时间平均速率注入。针对第二数量的粒子的粒子注入的时间平均速率可以小于针对第一数量的粒子的注入的时间平均速率。在一些实例中，第一数量的粒子可以包括第一部分的聚变燃料粒子，并且第二数量的粒子可以包括第二部分的聚变燃料粒子，其中第二部分大于第一部分。
7、另一个实施例涉及一种系统，该系统可以包括等离子体约束装置、粒子注入器和控制器。控制器可以具有一个或多个处理器以及一个或多个存储计算机可执行指令的存储器，这些指令在用一个或多个处理器执行时使得系统调节由等离子体约束装置内的磁场约束的等离子体的电流以产生磁场的特征区域，并且使用粒子注入器将一定数量的粒子注入特征区域处或特征区域内部的等离子体中，由此在特征区域处或特征区域内部形成输运屏障。
8、在一些实例中，等离子体约束装置可以是托卡马克装置、仿星器或环形箍缩装置。在若干实例中，粒子注入器可被配置成以高速颗粒(其可以包括一部分低温冷冻颗粒)或者以磁约束等离子体(其可以是紧凑环形体)注入该数量的粒子。在一些实例中，该数量的粒子可以是在第一时间注入且持续第一持续时间的第一数量的粒子。控制器的一个或多个存储器可以存储附加指令，这些指令在被执行时使得系统进一步使用粒子注入器在第二时间注入第二数量的粒子且持续第二持续时间，该第二数量的粒子在第二持续时间内维持输运屏障。根据某些实例，第一数量的粒子可以包括杂质粒子，并且第二数量的粒子可以包括聚变燃料粒子或聚变燃料粒子和杂质粒子的混合物。在一些实例中，第一数量的粒子可以包括第一部分的聚变燃料粒子，并且第二数量的粒子可以包括第二部分的聚变燃料粒子，其中第二部分大于第一部分。在一些实例中，针对第二数量的粒子的粒子注入的时间平均速率可小于针对第一数量的粒子的注入的时间平均速率。
1.一种方法，其包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征区域由约束所述等离子体的所述磁场中具有负磁剪切的区域来限定。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征区域由约束所述等离子体的所述磁场中具有低磁剪切的区域来限定。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征区域由大的shafranov偏移来限定。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征区域由约束所述等离子体的所述磁场的磁表面的特定形状来限定。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征区域由约束所述等离子体的所述磁场的共振磁扰动来限定。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征区域由磁剪切、shafranov偏移、约束所述等离子体的所述磁场的磁表面的形状以及所述磁场的共振磁扰动的组合来限定。
8.根据权利要求1所述的方法，其中产生所述特征区域包括在所述等离子体中产生电流，所述电流与所述特征区域处的所述磁场平行。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述输运屏障表征为所述等离子体的压力梯度dp/dr超过阈值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述阈值为5×p/a，其中p为等离子体压力，并且其中a为所述等离子体约束装置的次半径。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述输运屏障在所述等离子体约束装置的次半径的约70％的位置处产生。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述输运屏障在所述等离子体约束装置的次半径的约80％的位置处产生。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述输运屏障在所述等离子体约束装置的次半径的约90％的位置处产生。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述数量的粒子包括聚变燃料粒子。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述聚变燃料粒子包括氘或氚。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述数量的粒子包括杂质粒子。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述杂质粒子包括下列物质中的至少一种：碳、硅、稀有气体或原子序数z小于21的元素。
18.一种方法，其包括：
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述特征区域由约束所述等离子体的所述磁场中具有负磁剪切的区域来限定。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述特征区域由约束所述等离子体的所述磁场中具有减小磁剪切的区域来限定。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述特征区域由大的shafranov偏移来限定。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述特征区域由约束所述等离子体的所述磁场的磁表面的特定形状来限定。
23.根据权利要求18所述的方法，其中所述特征区域由约束所述等离子体的所述磁场的共振磁扰动来限定。
24.根据权利要求18所述的方法，其中所述特征区域由磁剪切、shafranov偏移、约束所述等离子体的所述磁场的磁表面的形状以及所述磁场的共振磁扰动的组合来限定。
25.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一数量的粒子包括至少一部分的杂质粒子。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述第二数量的粒子包括杂质粒子。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述第二数量的粒子包括聚变燃料粒子。
28.根据权利要求25所述的方法，其中所述第二数量的粒子包括杂质粒子和聚变燃料粒子的混合物。
29.根据权利要求25所述的方法，其中针对所述第二数量的粒子的粒子注入的时间平均速率小于针对所述第一数量的粒子的注入的时间平均速率。
30.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一数量的粒子包括第一部分的聚变燃料粒子，并且所述第二数量的粒子包括第二部分的聚变燃料粒子，并且其中所述第二部分大于所述第一部分。
31.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二持续时间大于所述第一持续时间。
32.一种系统，其包括：
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述等离子体约束装置是托卡马克装置、仿星器或环形箍缩装置中的一者。
34.根据权利要求32所述的系统，其中所述粒子注入器被配置成以高速颗粒注入所述数量的粒子。
35.根据权利要求33所述的系统，其中所述数量的粒子包括一部分低温冷冻颗粒。
36.根据权利要求32所述的系统，其中所述粒子注入器被配置成以磁约束等离子体注入所述数量的粒子。
37.根据权利要求36所述的系统，其中所述磁约束等离子体包括紧凑环形体。
38.根据权利要求32所述的系统，其中所述数量的粒子是第一数量的粒子，其中所述第一数量的粒子在第一时间注入且持续第一持续时间，并且其中所述一个或多个存储器存储额外的计算机可执行指令，所述额外的计算机可执行指令当用所述一个或多个处理器来执行时，使所述系统进一步使用所述粒子注入器在第二时间注入第二数量的粒子且持续第二持续时间，所述第二数量的粒子维持所述输运屏障持续所述第二持续时间。
39.根据权利要求38所述的系统，其中所述第一数量的粒子包括杂质粒子，并且所述第二数量的粒子包括聚变燃料粒子。
40.根据权利要求38所述的系统，其中所述第一数量的粒子包括杂质粒子，并且所述第二数量的粒子包括聚变燃料粒子和杂质粒子的混合物。
41.根据权利要求38所述的系统，其中所述第一数量的粒子包括第一部分的聚变燃料粒子，并且所述第二数量的粒子包括第二部分的聚变燃料粒子，并且其中所述第二部分大于所述第一部分。
42.根据权利要求38所述的系统，其中所述第二数量的粒子的注入的时间平均速率小于所述第一数量的粒子的注入的时间平均速率。
