在磁镜中用中性束打固体靶装置

摘 要：磁镜是一种比较简单的磁约束等离子体进行核聚变的装置，由于磁能有限和泄漏，不能达到授控核聚变条件__劳森亲件，Q>1。但是，它有能約束等离子体的作用，是可取的。中性束的束能可达280Kev，而且能穿过磁场不现受干扰。可直接打到聚变材料（DLi，冰冻D）上，进行少量直接核聚变反应。（反应切面小、一、两巴），同时通过弹性和非弹性散射将靶材料加热成等离子体（20Kev），被磁镜约束。为了稳态运行热核反应，在端部输入D离子束或中性束等。此装置比较简单，投资较小，操作容易，可作能源和产氚应用。

关键词：磁镜；核聚变；椎角；中性束

本装置是一种应用重氢进行热核反应的装置，能连续加入重氢燃料进行连续、稳态或准稳进行授控核聚变的装置。包括中间连通管（1）以及两端分别所连通的反应罐（2）和储仔罐（3）相连通，三个罐体是外层不锈钢壳（4）和铍内壳层（5）之间有储有重水泠却液的夹层空间（6）组成；在反应罐端口管（7）输入D离子，储存罐端口（8）和中间连通管（1）的两端外面包有磁镜线圈（9），反应罐（2）和储存罐（3）的外层包有主罐压缩线圈（10）；在反应罐端口（7）附近设有重氢离子注入管（11），在反应罐（2）中间位置设有中性束粒子注入管（12），在中性束粒子注入管（11）对面设有重氢化锂（DLi）固体靶（13）；在反应罐（2）内的两端设有钨钢圈电极（16）。（14）是等离子体，（15）电磁波射入，阻止氚逃逸，增强聚变反应，（17）中性气体室，（18）中性气体输入口。本装置的优点：能用调节重氢离子或中性束的注入参数控制反应强度，安全性更好，并且实现了连续加重氢燃料进行稳态的热核反应，输出核能或制氚。

本装置将分以几个方面进行表述：1、磁镜；2、中性束；3、靶；4壁壁层：5、测试、诊断、控制；6，直接磁流体发电；7、安全。

1 关于磁镜

1.1在纵向磁场柱体中的带电离子将被封闭在磁镜内

只要，当离子运动方向与磁力线的夹角（锥角）很小时，粒子就会逸出腔外。最后，粒子的约束时间，基本由粒子碰撞时间来确定。

由于电子运动速度快，很快在端部集聚，与中部行成电位差，出现超热电子泄漏，使温度，密度降低，约束时间变短。达不到劳森条件，Q<1。

1.2下面谈谈一些改进方法

（A）中性气体箱法是磁镜外加中性气体箱，阻止粒子逃逸。用此方法的装置叫“2X11 B”。得出较好的参数：密度2 10 14/cm3；离子温度：1.3Kev；电子温度：140kev；等离子体比压2.0。等离子体积：半径7cm；长20cm；约束时间<1ms，Q<1。所用中性束：20Kev，500A，10s。

（B）用串列磁镜方法，企图诅止粒子逃逸，同时，在端部使用了中性束注入、ICRF和ECRF加热。但其参数都末达到2X11B的参数。

（C）端部斜向D离子注入（280kev，10mA，稳态）.可改变端部的电位差，输入燃料，可改变粒子与平行磁力线的角度，减小逃逸，从而增加密度和温度，和约束时间。

（D）在磁镜附近装上交流电极（耐高温，可泠却的），粒子在钨电极作用下，会来回于腔体，同时可减小电位差，使平行于磁力线运动离子与磁力线的夹角增大，减小泄漏，增长约束时间。

（E）在出口处装上射频发生器，阻止氚的泄漏，增大氚的密度，增大磁瓶内的聚变反应率。

2 关于中性束：先作个补充说明

关于“自恃燃烧”，燃烧是很普遍的现象，是人类进步的里程碑，也是人们日常生活普遍和离不开的现象。人们在日常生活、生产、科研中有着深刻的认知。化学中认为：燃烧是燃料在高温条件下，发生发光、发热的化学反应，生成新物质。

更徵观的表述：燃料受热，成气体或等离子体，在具有相互碰撞发生反应的能量（运动速度）时，而发生反应、发光、发热。发生碰撞关系到平均自由程和密度，即碰撞几率，密度低、反应切面小、几率小、发生的反应少，反之会更大。

当反应产生的能量足以加热燃料到能发生有效碰撞时，又有足够密度，反应继续，

“自恃反应”将实现。这里有几个条件必需具备：（1）燃料的补充；（2）足够的温度；（3）足够的密度。

热核聚娈的原理也是一样的，只是要求的反应温度更高（克服核间的斥力），需几十Kev，密度要求更高（1014/m3粒子），（因反应切面只有一到几巴），又要高温、又要高密度，在工程技术上很困难，采用了许多加热的方法，其中主要是用磁压缩来满足以上条件。由于逃逸、辐射很难实现“自恃反应”。

目前的“授控核聚变”也存在“点火”和“稳态”反应问题，它的难度远高于一般燃烧的难度。

（1）为了达到高温，采用了欧姆加热、磁压缩、中性束、低混杂波、离子迥旋和电子迥旋波等方法；

（2）为了实现高密度，采用了靶丸注入和分子束、中性束注入。而靶丸注入和超声分子束注入会降低温度，入射深度也有问题。

具备以上两个条件（适当的高温和密度）的反应，一开始、很快就结束，反应时间很短，即约束时间很短。因为反应物密度降低，粒子逃逸、温度降低，燃料组份降低。

（3）日本的jt-60由于采取中性束、P离子束注入，较好地满足了燃料注入，高温、高密度要求，使Q>1。

下面再谈谈中性束：

A.现在大多采用灯丝、永磁电离室或RF射频波电离室（也有用潘宁源）产生等离子体，在加速

电极作用下、行成正或负离子流，再通过中性化室，形成高能中性的原子、分子束流。能量转换效率可达30%，粒子能量可达10kev以上，流强可达20A。其能量、流强的范围很广，运动不受磁场影响。具有加热等离子体和输入燃料等作用。也是特殊热处理的工具（材料改性），空战中，也是一种武器。

B.中性束（280Kev、1mA、1s）进入腔体，不受磁场干扰，直接打在靶（LiD或D2），R=2cm，厚0.001cm）上，中性束对靶可进行直接热核反应，并通过弹性和非弹性碰撞、散射，靶很快升华成高能量的离子和电子，被磁场捕获，形成高能、高密度的等离体，进行聚变反应。

进入磁场的等离子可能形成销层，出现电位差，椎角处大量损失高能电子、离子，体系减弱至到停止反应。这过程以毫秒计。

另外，在腔体端部斜向（近90度，注入中性束D2（280Kev、0.001A，與轴近90度），或D离子，阻止高能电子逃逸，减小电位差，补充能量，和燃料，增加密度，使反应稳态进行。

3 靶

靶的顶杆用康铜制成T型，上部园盘半径2cm、长约30cm，下部顶在弹璜上、顶杆套在一钢筒内。园盘上放置半径2cm，厚度0.001cm的固体DLi靶材料。

4 关于壁层

壁层作成模块安在腔体内壁上，壁层向着等离子体方向的表层由铍组成，在于对快中子减速和再与快中子反应产生更多中子，能量较低的中子再经过重水减速，把能量带出腔体，这种热能可用于发电。灰份输出可进行磁流发电。作些改进，可生产氚。可参考西南核物理研究院设计的壁层。

5 关于测试和控制

要用等离子体的诊断仪器：测量温度、密度、能量，用高速照像机、硬X射线成像系统，测等离子的分布，用磁探针测磁场强度等。为了安全，要保证各部件的正常运行，还必需从较低参数入手，摘优选摘运行参数，直至稳态运行。

6 关于直接发电

通过椎角逸出的等离子（氦离子、电子等）进入强磁场发生遍转，分别打在正、负极板上、接通外电路，行成电流。这叫磁流体发电。

7 关于安全

采用纵深防预，首先防中子辐射，在腔体外壁要有一铅层，水泥防护墙作生物屏蔽。保证所有设施的安全运行。

8 磁镜线圈用超导线，外加杜瓦罩着

本装置可输出能量，加以改进，可生产氚。

参考文献：

[1]等离子体物理学与受控热核反应的问题.苏联科学院原子能研究所编第三卷.

[2]大功率中性束.

[3]受控核聚变.1974年会资料选编.原子能出版社.

[4]刘圣康.中子物理.原子能出版社.

[5]石秉仁.磁约束聚变原理与实践.原子能出版社.

[6]蒋国强等编著.氚和氚的工程技术.国防工业出版社.

[7]梅镇岳著.原子核物理学.科学出版社.

作者简介：陈达远，男，中学教师退休。