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1、场反位形等离子体装置的研制核聚变能源是解决未来人类能源危机的终极途径 , 磁约束和惯性约束是传统 的两大主流聚变途径 , 目前已经取得很大的进展 , 但是二者离商用可控核聚变还 有很长的路要走 , 特别是托卡马克装置面临着工程浩大、建造周期长以及建造维 护费用高昂等特点。面对这一系类的问题 , 国内外不少高校、科研院所以及聚变 公司正在积极探索经济小型的聚变路径 , 场反位形 (Field-Reversed Configuration,FRC) 以其独特的优势可作为商用经济小型聚变堆的一个有力候 选者。中国工程物理研究院流体物理研究所于 2013 年搭建了“荧光 -I ”装置 , 用于研究场反
2、位形预加热磁化等离子体靶形成和约束，该装置的FRC采用9箍缩的形成方式 , 取得的等离子体密度为 1016 cm-3, 等离子体温度 200eV ,分离区半径 4cm和寿命3卩s。我们设计的KMAX-FR装置是在保留了 KMAX(KedaMirror with Axisymmetricity) 串列磁境的特色的基础上研制而成,FRC形成源区位于KMAXI 置中心真空室两边的锥形室内，源区采用9箍缩的方式形成初始FRC等离子体， 两端形成的FRC等离子体团将被空间径向磁场和 FRC环向电流产生的洛伦之力喷 射出去 , 碰撞融合成一个 FRC。在目前的操作中,KMAX-FR(装置取得的等离子体温度
3、、密度以及寿命分别 为:60-100 eV、3 X 1018 m-3和300卩s。我们发展的KMAX-FR弥补了国内 碰撞融合FRC的空白,同时也希望为未来FRC的商用聚变堆的发展积累丰富的经 验, 促进我国聚变事业的发展。本论文的主要工作是在中国科学技术大学研制我 国首个碰撞融合场反位形实验装置一KMAX-FRC在本论文的第一章我们分析了世 界能源结构以及发展聚变能源的迫切需求 , 从而引出了场反位形的概念 , 讨论了 国际上场反位形的发展现状以及形成技术。从第二章至第七章,我们进行了 KMAX-FR(装置研制的详细介绍,包括天线 系统、脉冲能系统、脉冲触发系统、脉冲注气系统等。KMAX-F
4、R装置的特色之一是内置线圈系统 ,每一套天线系统采用 16环单匝紫铜作为天线 ,线圈长度为 1025mm直径分别为350、350、400、450mm该天线绕制在阶梯状石英玻璃管上, 天线锥形半角约为 2.8。脉冲能系统采用 8组高压脉冲同步放电的设计模式 , 并且每一组脉冲由四个高压大电流开关控制进行时序放电 , 时间精度需要达到微 秒量级，总能量115kJ。脉冲触发系统是是保障 KMAX-FR时序放电的关键,在KMAX-FR装置上，我们采用3台时间可设置的纳秒延时器作为高压脉冲触发器的 时序控制源,通过32道光电转换系统控制 32套高压脉冲触发器的触发 ,进而控制 FRC的时序放电。为了增加气体分布的均匀性 ,我们搭建了 4套脉冲注气系统 ,分别为垂直注入和斜向后注入,具体见第七章。KMAX-FR装置设计并搭建完成后,我们开展了 初步的实验,确定FRC的形成,主要包括静电探针密度温度测量实验、 磁探针FRC 内部剖面测量实验、 快速相机等离子体成像实验、 排挤磁通测量以及等离子体喷 射速度测量实验等。在FRC 剖面测量中，我们搭建了一套不仅可伸缩还可以旋转 的磁探针系统,可以完成FRC的径向剖面扫描，此外搭建了 APD光强诊断系统，开 展FRC传输实验。
场反位形等离子体装置的研制
