在磁鏡中用中性束打固體靶裝置

摘 要：磁鏡是一種比較簡單的磁約束等離子體進行核聚變的裝置，由于磁能有限和泄漏，不能達到授控核聚變條件__勞森親件，Q>1。但是，它有能約束等離子體的作用，是可取的。中性束的束能可達280Kev，而且能穿過磁場不現受干擾。可直接打到聚變材料（DLi，冰凍D）上，進行少量直接核聚變反應。（反應切面小、一、兩巴），同時通過彈性和非彈性散射將靶材料加熱成等離子體（20Kev），被磁鏡約束。為了穩態運行熱核反應，在端部輸入D離子束或中性束等。此裝置比較簡單，投資較小，操作容易，可作能源和產氚應用。

關鍵詞：磁鏡；核聚變；椎角；中性束

本裝置是一種應用重氫進行熱核反應的裝置，能連續加入重氫燃料進行連續、穩態或準穩進行授控核聚變的裝置。包括中間連通管（1）以及兩端分別所連通的反應罐（2）和儲仔罐（3）相連通，三個罐體是外層不銹鋼殼（4）和鈹內殼層（5）之間有儲有重水泠卻液的夾層空間（6）組成；在反應罐端口管（7）輸入D離子，儲存罐端口（8）和中間連通管（1）的兩端外面包有磁鏡線圈（9），反應罐（2）和儲存罐（3）的外層包有主罐壓縮線圈（10）；在反應罐端口（7）附近設有重氫離子注入管（11），在反應罐（2）中間位置設有中性束粒子注入管（12），在中性束粒子注入管（11）對面設有重氫化鋰（DLi）固體靶（13）；在反應罐（2）內的兩端設有鎢鋼圈電極（16）。（14）是等離子體，（15）電磁波射入，阻止氚逃逸，增強聚變反應，（17）中性氣體室，（18）中性氣體輸入口。本裝置的優點：能用調節重氫離子或中性束的注入參數控制反應強度，安全性更好，并且實現了連續加重氫燃料進行穩態的熱核反應，輸出核能或制氚。

本裝置將分以幾個方面進行表述：1、磁鏡；2、中性束；3、靶；4壁壁層：5、測試、診斷、控制；6，直接磁流體發電；7、安全。

1 關于磁鏡

1.1在縱向磁場柱體中的帶電離子將被封閉在磁鏡內

只要，當離子運動方向與磁力線的夾角（錐角）很小時，粒子就會逸出腔外。最后，粒子的約束時間，基本由粒子碰撞時間來確定。

由于電子運動速度快，很快在端部集聚，與中部行成電位差，出現超熱電子泄漏，使溫度，密度降低，約束時間變短。達不到勞森條件，Q<1。

1.2下面談談一些改進方法

（A）中性氣體箱法是磁鏡外加中性氣體箱，阻止粒子逃逸。用此方法的裝置叫“2X11 B”。得出較好的參數：密度2 10 14/cm3；離子溫度：1.3Kev；電子溫度：140kev；等離子體比壓2.0。等離子體積：半徑7cm；長20cm；約束時間<1ms，Q<1。所用中性束：20Kev，500A，10s。

（B）用串列磁鏡方法，企圖詛止粒子逃逸，同時，在端部使用了中性束注入、ICRF和ECRF加熱。但其參數都末達到2X11B的參數。

（C）端部斜向D離子注入（280kev，10mA，穩態）.可改變端部的電位差，輸入燃料，可改變粒子與平行磁力線的角度，減小逃逸，從而增加密度和溫度，和約束時間。

（D）在磁鏡附近裝上交流電極（耐高溫，可泠卻的），粒子在鎢電極作用下，會來回于腔體，同時可減小電位差，使平行于磁力線運動離子與磁力線的夾角增大，減小泄漏，增長約束時間。

（E）在出口處裝上射頻發生器，阻止氚的泄漏，增大氚的密度，增大磁瓶內的聚變反應率。

2 關于中性束：先作個補充說明

關于“自恃燃燒”，燃燒是很普遍的現象，是人類進步的里程碑，也是人們日常生活普遍和離不開的現象。人們在日常生活、生產、科研中有著深刻的認知。化學中認為：燃燒是燃料在高溫條件下，發生發光、發熱的化學反應，生成新物質。

更徵觀的表述：燃料受熱，成氣體或等離子體，在具有相互碰撞發生反應的能量（運動速度）時，而發生反應、發光、發熱。發生碰撞關系到平均自由程和密度，即碰撞幾率，密度低、反應切面小、幾率小、發生的反應少，反之會更大。

當反應產生的能量足以加熱燃料到能發生有效碰撞時，又有足夠密度，反應繼續，

“自恃反應”將實現。這里有幾個條件必需具備：（1）燃料的補充；（2）足夠的溫度；（3）足夠的密度。

熱核聚孌的原理也是一樣的，只是要求的反應溫度更高（克服核間的斥力），需幾十Kev，密度要求更高（1014/m3粒子），（因反應切面只有一到幾巴），又要高溫、又要高密度，在工程技術上很困難，采用了許多加熱的方法，其中主要是用磁壓縮來滿足以上條件。由于逃逸、輻射很難實現“自恃反應”。

目前的“授控核聚變”也存在“點火”和“穩態”反應問題，它的難度遠高于一般燃燒的難度。

（1）為了達到高溫，采用了歐姆加熱、磁壓縮、中性束、低混雜波、離子迥旋和電子迥旋波等方法；

（2）為了實現高密度，采用了靶丸注入和分子束、中性束注入。而靶丸注入和超聲分子束注入會降低溫度，入射深度也有問題。

具備以上兩個條件（適當的高溫和密度）的反應，一開始、很快就結束，反應時間很短，即約束時間很短。因為反應物密度降低，粒子逃逸、溫度降低，燃料組份降低。

（3）日本的jt-60由于采取中性束、P離子束注入，較好地滿足了燃料注入，高溫、高密度要求，使Q>1。

下面再談談中性束：

A.現在大多采用燈絲、永磁電離室或RF射頻波電離室（也有用潘寧源）產生等離子體，在加速

電極作用下、行成正或負離子流，再通過中性化室，形成高能中性的原子、分子束流。能量轉換效率可達30%，粒子能量可達10kev以上，流強可達20A。其能量、流強的范圍很廣，運動不受磁場影響。具有加熱等離子體和輸入燃料等作用。也是特殊熱處理的工具（材料改性），空戰中，也是一種武器。

B.中性束（280Kev、1mA、1s）進入腔體，不受磁場干擾，直接打在靶（LiD或D2），R=2cm，厚0.001cm）上，中性束對靶可進行直接熱核反應，并通過彈性和非彈性碰撞、散射，靶很快升華成高能量的離子和電子，被磁場捕獲，形成高能、高密度的等離體，進行聚變反應。

進入磁場的等離子可能形成銷層，出現電位差，椎角處大量損失高能電子、離子，體系減弱至到停止反應。這過程以毫秒計。

另外，在腔體端部斜向（近90度，注入中性束D2（280Kev、0.001A，與軸近90度），或D離子，阻止高能電子逃逸，減小電位差，補充能量，和燃料，增加密度，使反應穩態進行。

3 靶

靶的頂桿用康銅制成T型，上部園盤半徑2cm、長約30cm，下部頂在彈璜上、頂桿套在一鋼筒內。園盤上放置半徑2cm，厚度0.001cm的固體DLi靶材料。

4 關于壁層

壁層作成模塊安在腔體內壁上，壁層向著等離子體方向的表層由鈹組成，在于對快中子減速和再與快中子反應產生更多中子，能量較低的中子再經過重水減速，把能量帶出腔體，這種熱能可用于發電。灰份輸出可進行磁流發電。作些改進，可生產氚。可參考西南核物理研究院設計的壁層。

5 關于測試和控制

要用等離子體的診斷儀器：測量溫度、密度、能量，用高速照像機、硬X射線成像系統，測等離子的分布，用磁探針測磁場強度等。為了安全，要保證各部件的正常運行，還必需從較低參數入手，摘優選摘運行參數，直至穩態運行。

6 關于直接發電

通過椎角逸出的等離子（氦離子、電子等）進入強磁場發生遍轉，分別打在正、負極板上、接通外電路，行成電流。這叫磁流體發電。

7 關于安全

采用縱深防預，首先防中子輻射，在腔體外壁要有一鉛層，水泥防護墻作生物屏蔽。保證所有設施的安全運行。

8 磁鏡線圈用超導線，外加杜瓦罩著

本裝置可輸出能量，加以改進，可生產氚。

參考文獻：

[1]等離子體物理學與受控熱核反應的問題.蘇聯科學院原子能研究所編第三卷.

[2]大功率中性束.

[3]受控核聚變.1974年會資料選編.原子能出版社.

[4]劉圣康.中子物理.原子能出版社.

[5]石秉仁.磁約束聚變原理與實踐.原子能出版社.

[6]蔣國強等編著.氚和氚的工程技術.國防工業出版社.

[7]梅鎮岳著.原子核物理學.科學出版社.

作者簡介：陳達遠，男，中學教師退休。