專利名稱:等離子體發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及等離體物理領(lǐng)域，特別涉及用于約束等離子體使核聚變能成為可能和用于把來自聚變產(chǎn)物的能量轉(zhuǎn)換成電能的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
聚變是兩個(gè)輕核組合形成一個(gè)較重核的過程。聚變過程以快速運(yùn)動(dòng)的粒子的形式釋放巨大能量。因?yàn)樵雍耸菐д姷?由于包含在其中的質(zhì)子造成的-所以在它們之間有排斥的靜電即庫侖力。對于兩個(gè)聚變的核來說，這個(gè)排斥力勢壘必須被克服。在兩個(gè)核充分靠近在一起時(shí)，這種情況發(fā)生，此時(shí)短距離的核力變得強(qiáng)到足以克服庫侖力并聚變核。核克服庫侖勢壘需要的能量由它們的熱能提供，這個(gè)熱能必須是非常高。例如，如果溫度至少是IO4eV量級-大致對應(yīng)IO8開氏溫度，聚變速率可以是可觀的。聚變反應(yīng)的速率是溫度的函數(shù)，用稱為反應(yīng)率的量表征。例如，D-T反應(yīng)的反應(yīng)率具有在30keV和IOOkeV之間的很寬的峰。
典型的聚變反應(yīng)包括
D+D — He3 (O. 8MeV) +η (2. 5MeV)，
D+T — α (3. 6MeV) +η (14.1MeV)，
D+He3 — α (3. 7MeV) +p (14. 7MeV)，
p+B11 — 3 a (8. 7MeV)，
其中，D表示氣；T表示氣；表示氦核；η表示中子；ρ表示質(zhì)子；He表示氦；Bn表示硼-11。每個(gè)方程中的括 號中的數(shù)字表示聚變產(chǎn)物的動(dòng)能。
上面列出的前兩個(gè)反應(yīng)-D-D和D-T反應(yīng)-是中子的,這意味著,聚變產(chǎn)物的大部分能量是由快速中子攜帶。中子反應(yīng)的缺點(diǎn)是(1)快速中子流產(chǎn)生許多問題，包括反應(yīng)堆壁的結(jié)構(gòu)損壞和對于大多數(shù)制造材料而言高水平的放射性；以及(2)通過將快速中子的熱能轉(zhuǎn)換成電能收集它們的能量，這是效率非常低的(小于30% )。中子反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是(I)它們的反應(yīng)率峰在相對低的溫度；以及(2)它們由于輻射造成的損耗是相對低的，因?yàn)殡碗暗脑有驍?shù)是I。
其他兩個(gè)方程中的反應(yīng)-D-He3和P-B11-稱為高級燃料。不是如在中子反應(yīng)中那樣產(chǎn)生快速中子，它們的聚變產(chǎn)物是帶電粒子。高級燃料的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們產(chǎn)生少得多的中子，因此不太有與它們有關(guān)的缺點(diǎn)。在D-He3的情況下，由二次反應(yīng)產(chǎn)生一些快速中子，但這些中子只占聚變產(chǎn)物能量的約百分之十。P-B11反應(yīng)是無快速中子的，雖然它的確產(chǎn)生一些由二次反應(yīng)造成的慢速中子，卻產(chǎn)生少得多的問題。高級燃料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們的聚變產(chǎn)物包括其動(dòng)能可以直接轉(zhuǎn)換成電能的帶電粒子。用適當(dāng)?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換過程，高級燃料聚變產(chǎn)物的能量可以以高效率收集，可能超過百分之九十。
高級燃料也具有缺點(diǎn)。例如，高級燃料的原子序數(shù)較高(對于He3是2，而對于B11是5)。因此，它們的輻射損耗比在中子反應(yīng)中的大。還有，使高級燃料聚變困難得多。它們的峰值反應(yīng)率出現(xiàn)在高得多的溫度，并且達(dá)不到如D-T的反應(yīng)率那樣高。于是，用高級燃料引起聚變反應(yīng)要求使它們達(dá)到較高的能量狀態(tài)，該狀態(tài)下它們的反應(yīng)率是非常大的。因此，必須把高級燃料封閉(containment)較長的時(shí)期,其間它們可達(dá)到適當(dāng)?shù)木圩儣l件。
對于等離子體的封閉時(shí)間是At = r2/D，其中，r是最小等離體尺寸，D是擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)典值是二 α,2/&，其中，ai是離子回轉(zhuǎn)半徑，以及τ 是離子-電子碰撞時(shí)間。按照經(jīng)典擴(kuò)散系數(shù)的擴(kuò)散稱為經(jīng)典遷移。起因于短波長不穩(wěn)定性的玻姆(Bohm)擴(kuò)散系數(shù)是其中Qi是離子回轉(zhuǎn)頻率。按照這個(gè)關(guān)系的擴(kuò)散稱為反常遷移。
對于聚變條件，ZVR =(1/16)Ωα SlO8，反常遷移導(dǎo)致比經(jīng)典遷移短得多的封閉時(shí)間。按給定數(shù)量的等離子體的封閉時(shí)間必須比等離子體核聚變反應(yīng)的時(shí)間長的要求，這個(gè)關(guān)系確定在聚變反應(yīng)堆中等離子體必須多大。所以，考慮到較小的初始等離子體，經(jīng)典遷移條件在聚變反應(yīng)堆中是更理想的。
在用等離子體環(huán)形約束的早期實(shí)驗(yàn)中，觀測到了Δ /Z)s的封閉時(shí)間。在最近40年的進(jìn)步已把封閉時(shí)間增加到了MslOOOr2/Ds。一個(gè)現(xiàn)有的聚變反應(yīng)堆概念是托卡馬克(Tokamat)。過去30年，聚變的努力集中在利用D-T燃料的托卡馬克反應(yīng)堆。這些努力在“國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER) ”中達(dá)到頂峰。最近就托卡馬克的實(shí)驗(yàn)提出，經(jīng)典遷移Δ/ξγ2/A是有可能的，在經(jīng)典遷移的情況下，最小等離子體尺寸能從米減少到cm。這些實(shí)驗(yàn)包含注入高能束(50到IOOkeV)，把等離子體加熱到10到30keV的溫度。見W. Heidbrink和G. J. Sadler, 34Nuclear Fusion (核聚變)535 (1984)。在這些實(shí)驗(yàn)中觀測到，當(dāng)熱等離子體繼續(xù)異?？鞌U(kuò)散時(shí)，高能束離子慢下來并且經(jīng)典地?cái)U(kuò)散。這個(gè)的原因是，高能束離子具有大的回轉(zhuǎn)半徑，因此，對隨比離子回轉(zhuǎn)半徑短的波長(λ <a,)的波動(dòng)不敏感。短波長波動(dòng)會(huì)對周期取平均而由此抵消。然而，電子具有小得多的回轉(zhuǎn)半徑，所以它們對波動(dòng)和遷移響應(yīng)異常。
因?yàn)榉闯＿w移，等離子體的最小尺寸必須至少在2. 8米。由于這個(gè)尺寸，ITER被建成30米高和30米直徑。這是實(shí)際有可能的最小D-T托卡馬克型反應(yīng)堆。對于高級燃料，例如D-He3和p-B11，托卡馬克型反應(yīng)堆會(huì)不得不大得多，因?yàn)槿剂想x子具有核反應(yīng)的時(shí)間長得多。使用D-T燃料的托卡馬克型反應(yīng)堆有另外的問題，這個(gè)問題是，聚變產(chǎn)物能量的大部分能量由HMeV中子攜帶，這在幾乎所有建造材料中由于中子流造成輻射損害和感應(yīng)反應(yīng)性。另外，它們的能量轉(zhuǎn)換成電能必須靠熱過程，這樣轉(zhuǎn)換效率不大于30%。
另一個(gè)建議的反應(yīng)堆配置是碰撞束反應(yīng)堆。在碰撞束反應(yīng)堆中，由一些離子束轟擊本底等離子體。這些束包含具有比熱等離子體大得多的能量的離子。在這種類型的反應(yīng)堆中產(chǎn)生有用的聚變反應(yīng)已經(jīng)是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)楸镜椎入x子體使離子束慢下束。為減小這個(gè)問題和使核反應(yīng)的數(shù)量最大，提出了各種建議。
例如，Jassby等人的美國專利No. 4065351披露了在環(huán)形約束系統(tǒng)中產(chǎn)生氘和氚的逆流碰撞束的方法。在Jassby等人的美國專利No. 4057462中，注入電磁能量抵消體平衡等離子體拖曳對這些離子核素中的一個(gè)的影響。環(huán)形約束系統(tǒng)等同托卡馬克。在Rostoker的美國專利No. 4894199中，用同一平均速度在托卡馬克鏡即場反向配置中注入和俘獲氘和氣。為了俘獲束的單獨(dú)目的，有低密度的冷本底等離子體。束因?yàn)樗鼈兙哂懈叩臏囟榷磻?yīng)，并且主要由伴隨注入離子的電子引起減慢。電子由離子加熱，在這個(gè)情況下減慢最小。
然而,平衡電場不在這些裝置中的任何一個(gè)中起任何作用。此外，沒有任何減少或者甚至考慮反常遷移的意圖。
其他專利考慮離子的靜電約束和在一些情況考慮電子的磁約束。這些專利包括Farnsworth的美國專利No. 3258402和Farnsworth的美國專利No. 3386883 (它們披露了離子的靜電約束和電子的慣性約束)、Hirsch等人的美國專利No. 3530036和Hirsch等人的美國專利 No. 3530497 (與 farnsworth 類似)、Limpaecer 的美國專利 No. 4233537 (它披露了離子靜電約束和用多極會(huì)切反射壁的電子的磁約束)以及Bussard的美國專利No. 4826646(與Limpaecer類似并包含點(diǎn)會(huì)切)。這些專利之中沒一個(gè)考慮電子的靜電約束和離子的磁約束。雖然已有許多關(guān)于離子靜電約束的研究課題，但它們之中沒一個(gè)成功地在離子具有聚變反應(yīng)堆要求的密度時(shí)建立要求的靜電場。最后，上面援引的那些專利之中沒一個(gè)討論場反向配置磁拓?fù)洹?br>大約1960年在“海軍研究實(shí)驗(yàn)室”在方位角箍縮(theta pinch)實(shí)驗(yàn)期間偶然發(fā)現(xiàn)場反向配置(FRC)。圖3和圖5說明內(nèi)部磁場反轉(zhuǎn)方向的一個(gè)典型FRC拓?fù)?，而圖6和圖9表示FRC中的粒子軌道。關(guān)于FRC，在美國和日本已資助了許多研究計(jì)劃。有一篇關(guān)于從1960年到1988年的FRC研究的理論和實(shí)驗(yàn)的綜合評論論文。見M. Tusewski，28 NuclearFusion (核聚變)2023 (1988)。一個(gè)關(guān)于FRC研制的白皮書敘述了在1996年的研究和對未來研究的建議。見 L. C. Steinhauer 等人，30 FusionTechnology (聚變技術(shù))116 (1996)。至今，在FRC實(shí)驗(yàn)中，用方位角箍縮方法形成FRC。該形成方法的后果是，離子和電子各攜帶一半電流，這就導(dǎo)致等離子體中的可忽略的靜電場和無靜電場約束。在這些FRC中的離子和電子被磁封閉。在幾乎所有的FRC實(shí)驗(yàn)中都假定反常遷移。見例如Tusewski論文的2072頁1.5. 2節(jié)的開頭。
于是，期望提供一種具有封閉系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的聚變系統(tǒng)，所述封閉系統(tǒng)會(huì)顯著減少或消除離子和電子的反常遷移，該能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以高效率把聚變產(chǎn)物的能量轉(zhuǎn)換成電能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)有利于在具有場反向拓?fù)涞拇艌鲋械氖芸鼐圩兒途圩儺a(chǎn)物能量到電功率的轉(zhuǎn)換。在這里稱為等離子體發(fā)電(PEG)系統(tǒng)的系統(tǒng)優(yōu)選包括具有趨向于顯著減少或消除離子和電子的反常遷移的封閉系統(tǒng)的聚變反應(yīng)堆。另外，PEG系統(tǒng)還包括以高效率直接把聚變產(chǎn)物能量轉(zhuǎn)換成電能的與反應(yīng)堆耦合的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，離子和電子的反常遷移都會(huì)被顯著減少或消除。通過在場反向配置(FRC)的磁場中磁約束離子會(huì)避免離子的反常遷移。對于電子，通過調(diào)諧外加磁場產(chǎn)生把電子靜電約束在深勢阱中的強(qiáng)電場，避免了能量的反常遷移。結(jié)果，能用于本約束設(shè)備和工藝的聚變?nèi)剂系入x子體不限于中子燃料，也有利地包括高級即非中子燃料。對于非中子燃料，聚變反應(yīng)能量幾乎完全是帶電粒子即高能離子的形式。這些帶電粒子能在磁場中被操控，依燃料而定，不造成或幾乎不造成放射性。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，聚變反應(yīng)堆的等離子體封閉系統(tǒng)包括室、用于施加在基本上沿主軸的方向上的磁場的磁場發(fā)生器以及包括環(huán)流離子束的環(huán)形等離子體層。環(huán)形等離子體束層以軌道的形式基本上磁封閉在室內(nèi)，而電子基本上保持在靜電能量阱中。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，磁場發(fā)生器包括電流線圈。優(yōu)選，磁場發(fā)生器還包括在室端部附近的鏡像線圈(mirror coil),這些線圈增加在室端部的外加磁場的幅度。系統(tǒng)也包括一個(gè)或幾個(gè)用于把中性化離子束注入到磁場中的束注入器。在磁場中，由于磁場產(chǎn)生的力所述束進(jìn)入軌道。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，系統(tǒng)形成具有場反向配置的拓?fù)涞拇艌觥?br>在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供一個(gè)可選擇的室，這個(gè)室防止方位鏡像電流在室壁中央?yún)^(qū)形成，并使磁通量快速穿過該室。提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和良好真空性能的、主要由不銹鋼組成的室包括，沿幾乎整個(gè)室長度延伸的室壁中的軸向絕緣中斷(break)。優(yōu)選，有3個(gè)互相間隔開約120度的中斷。這些中斷包括形成在壁中的槽或縫隙。把包含絕緣材料(優(yōu)選陶瓷等)的插入物插入到槽或縫隙中。在室內(nèi)部，金屬覆蓋物覆蓋該插入物。在室外部，該插入物附到優(yōu)選由玻璃纖維等形成成的密封板上。密封板同室壁的不銹鋼表面一起借助O環(huán)密封件形成真空屏障。
在再另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，感應(yīng)等離子體源是可安裝在室內(nèi)的，并包括沖賄圈組件(優(yōu)選單匝沖賄圈)。它優(yōu)選由高壓(約5-15kV)電源(未示出)饋電。通過經(jīng)拉伐爾(Laval)噴嘴的直接氣體饋送把如氫(或其他合適的氣體聚變?nèi)剂?這樣的中性氣體引入到源里。一旦氣體從噴嘴排出并把它自己分布在沖賄圈的線圈繞組表面上，繞組就被激勵(lì)。低電感沖賄圈中的超快電流和磁通量躍升導(dǎo)致氣體內(nèi)的很高的電場。該電場引起擊穿、電離和形成的等離子體隨后從沖賄圈表面向室的中央或中平面的噴射。
在再一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，RF驅(qū)動(dòng)包括位于室內(nèi)的四極回旋加速器，其具有4個(gè)彼此之間有間隙的方位對稱的電極。四極回旋加速器產(chǎn)生以與離子的方位速度相同的方向但以更大的速度旋轉(zhuǎn)的電位波。適當(dāng)速度的離子能被俘獲在這個(gè)波中并被周期地反射。這個(gè)過程增加燃料離子的動(dòng)量和能量，并且這個(gè)增加通過碰撞傳遞到?jīng)]有被俘獲的燃料離子。
在另一個(gè)實(shí)施例中，直接能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)用于通過經(jīng)電磁場減慢帶電粒子，把聚變產(chǎn)物的動(dòng)能直接轉(zhuǎn)換成電力。有利地，本發(fā)明的直接能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)換約5MHz的聚變輸出功率的頻率和相位來匹配外部60Hz電網(wǎng)的頻率的效率、粒子能量容差和電子能力。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括與聚變反應(yīng)堆的相對端結(jié)合的逆回旋加速器轉(zhuǎn)換器(ICC)。ICC具有由多個(gè)(優(yōu)選4個(gè)或更多個(gè))相等的半圓柱形電極組成的中空圓柱體狀幾何結(jié)構(gòu)，所述電極之間延伸有小的直縫隙。在工作中，以交變方式把振蕩電位加到電極上。在ICC內(nèi)的電場E具有多極結(jié)構(gòu)，在對稱軸上消失，隨半徑線性增加，峰值在縫隙處。
另外，ICC包括磁場發(fā)生器,用于施加在與聚變反應(yīng)堆的封閉系統(tǒng)的外加磁場基本相反的方向上的均勻單方向磁場。在離聚變反應(yīng)堆功率芯的最遠(yuǎn)端，ICC包括離子收集器。在功率芯和ICC之間，是對稱的磁會(huì)切，在這里，封閉系統(tǒng)的磁場與ICC的磁場合并。環(huán)形電子收集器安置在磁會(huì)切周圍，并與離子收集器耦合。
在再另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，產(chǎn)物核和電荷中和電子以一密度作為環(huán)形束從反應(yīng)堆功率芯的兩端涌出，由于電子和離子的能量差別，在該密度下磁會(huì)切把它們分開。電子循著磁力線到電子收集器，而離子穿過磁會(huì)切，在那里，離子軌跡改變成基本上是沿ICC長度的螺旋路徑。當(dāng)離子螺旋通過連接到諧振電路的電極時(shí)，能量從它們移出。垂直能量的損失對于最初在電極附近環(huán)行的最高能量離子最大，所述電極處電場最強(qiáng)。
從結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述的考慮，本發(fā)明的其他方面和特點(diǎn)將變得明顯。


通過舉例但不是限制，在附圖上說明一些優(yōu)選實(shí)施例。圖上相同的參考數(shù)字系指相同的部件。
圖1表示示例性約束室的局部視圖。
圖2A表示另一個(gè)示例性約束室的局部視圖。
圖2B表示沿圖2A上的直線2B-2B的局部剖面視圖。
圖2C表示沿圖2B上的直線2C的詳細(xì)視圖。
圖2D表示沿圖2B上的直線2D-2D的局部剖面視圖。
圖3表不FRC的磁場。
圖4A和4B分別表示FRC中的抗磁和反抗磁方向。
圖5表不碰撞束系統(tǒng)。
圖6表不電磁感應(yīng)加速器軌道。
圖7A和7B分別表示FRC中的磁場和梯度漂移的方向。
圖8A和8B分別表示FRC中的電場和云x云漂移的方向。
圖9A、9B和9C表示離子漂移軌道。
圖1OA和IOB表示在FRC的端部的洛倫茲力。
圖1lA和IIB表不振湯束系統(tǒng)中的電場和電似的調(diào)諧。
圖12表示麥克斯韋分布。
圖13A和13B表示由于大角度離子-離子碰撞引起的從電磁感應(yīng)加速器軌道到漂移軌道的過渡。
圖14表示在考慮小角度電子-離子碰撞時(shí)的A、B、C和D電磁感應(yīng)加速器軌道。
圖15表示被電極化時(shí)的中性離子束。
圖16表示在約束室中的接觸等離子體時(shí)的中性離子束的正面視圖。
圖17是按照起動(dòng)過程的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的約束室的示意性端視圖。
圖18是按照起動(dòng)過程的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的約束室的示意性端視圖。
圖19表示表明FRC形成的B形點(diǎn)探測的蹤跡。
圖20A表示可安裝在室內(nèi)的感應(yīng)等離子體源的視圖。
圖20B和20C表示感應(yīng)等離子體源的局部視圖。
圖21A和21B表示RF驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的局部視圖。
圖21C表示二極和四極配置的示意圖。
圖22A表示部分的等離子體發(fā)電系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)包括與逆回旋加速器直接能量轉(zhuǎn)換器結(jié)合的碰撞束聚變反應(yīng)堆。
圖22B表示圖19上的逆回旋加速器轉(zhuǎn)換器的端視圖。
圖22C表示在逆回旋加速器中離子的軌道。
圖23A表示部分的等離子體發(fā)電系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)包括與逆回旋加速器轉(zhuǎn)換器的替換實(shí)施例結(jié)合的碰撞束聚變反應(yīng)堆。
圖23B表示圖20A上的逆回旋加速器轉(zhuǎn)換器的端視圖。
圖24A表示在傳統(tǒng)回旋加速器里面的粒子軌道。
圖24B表不一個(gè)振蕩電場。[0066]圖24C表示加速粒子的變化能量。
圖25表示在ICC的電極之間的縫隙處的方位電場，這個(gè)電場為具有角速度的離子所經(jīng)歷。
圖26表示聚焦四極雙合透鏡。
圖27A和27B表示輔助磁場線圈系統(tǒng)。
圖28表示100MW反應(yīng)堆。
圖29表示反應(yīng)堆的支持設(shè)備。
圖30表示等離子體推力推進(jìn)系統(tǒng)。
圖31表示等離子體推力器推進(jìn)系統(tǒng)的主要部件。
圖32表示等離子體推力器推進(jìn)系統(tǒng)的方塊圖。
具體實(shí)施方式
如圖上所說明的，本發(fā)明的等離子體發(fā)電(PEG)系統(tǒng)優(yōu)選包括與直接能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)耦合的碰撞束聚變反應(yīng)堆(CBFR)。如指上述所說的，理想的聚變反應(yīng)堆解決了離子和電子二者的反常遷移問題。在這里找到的解決反常遷移問題的方法利用具有磁場的封閉系統(tǒng)，該磁場具有場反向配置(FRC)。以這樣方式，即，大多數(shù)離子具有大的非絕熱軌道，使它們對引起絕熱離子反常遷移的短波長波動(dòng)不敏感，離子的反常遷移通過FRC中的磁場約束避免。特別是，F(xiàn)RC中存在磁場消失的區(qū)域，使具有包括大多數(shù)的非絕熱離子的等離子體有可能。對于電子，通過調(diào)諧外加磁場以出現(xiàn)強(qiáng)電場來避免能量的反常遷移。強(qiáng)電場把電子靜電地約束在深勢阱中。
可以供本約束設(shè)備和工藝使用的聚變?nèi)剂系入x子體不限于如D-D (氘-氘)或D-T(氣-氣)這樣的中子燃料,但也有利地包括如D-He3(氣-氦-3)或p-Β11 (氫-硼-11)這樣的高級或非中子燃料。(關(guān)于高級燃料的討論，見R. Feldbacher和M. Heindler, NuclearInstrumentsand Method(核儀器和方法),Physics Research,A271 (1988) jj-64(北荷蘭阿姆斯特丹))。對于這樣的非中子燃料，聚變反應(yīng)能量幾乎完全是帶電粒子即高能離子的形式。這些帶電粒子能在磁場中被操控，并且取決于燃料，幾乎不造成放射性。D-He3反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)H離子和一個(gè)帶有18. 2MeV能量的He4離子，而p-B11反應(yīng)產(chǎn)生3個(gè)He4離子和8. 7MeV能量。例如，根據(jù)對于利用非中子燃料的聚變裝置的理論?；?，輸出能量轉(zhuǎn)換效率可以如約90%那樣高，如 K. Yoshikawa、K. Noma 和 Y. Yamamoto 在聚變技術(shù)，19,870 (1991)中所述。這樣的效率顯著地提高非中子燃料在規(guī)?？勺兊?1-1000MW)的、小型的、低成本的配置方面的前景。
在本發(fā)明的直接能量轉(zhuǎn)換過程中能夠減慢聚變產(chǎn)物的帶電粒子，并且能夠把它們的動(dòng)能直接轉(zhuǎn)換成電能。有利地，本發(fā)明的直接能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)換約5MHz的聚變輸出功率的頻率和相位以匹配外部60Hz電網(wǎng)的頻率和相位的效率、粒子能量容差和電子能力。
聚變封閉系統(tǒng)
圖1說明按照本發(fā)明的封閉系統(tǒng)300的優(yōu)選實(shí)施例。封閉系統(tǒng)300包括室壁305，其中限定了約束室310。優(yōu)選，約束室310形狀上是圓柱形的，具有沿室310中心的主軸315。為了將該封閉系統(tǒng)300應(yīng)用于聚變反應(yīng)堆，有必要在室310里面建立真空或接近真空。與主軸315同中心的是電磁感應(yīng)加速器通量線圈(flux coil)320，位于室310之內(nèi)。電磁感應(yīng)加速器通量線圈320包括適于圍繞長線圈引導(dǎo)電流的載電流介質(zhì)，如所示，該介質(zhì)優(yōu)選包括多個(gè)單獨(dú)線圈的并繞組，最優(yōu)選地，約4個(gè)單獨(dú)線圈的并繞組，以形成長線圈。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)懂得，通過電磁感應(yīng)加速器線圈320的電流將在電磁感應(yīng)加速器線圈320里產(chǎn)生磁場，該磁場基本上在主軸315的方向上。
圍繞室壁305的外面是外部線圈325。外部線圈325產(chǎn)生相對恒定的磁場，該磁場具有基本上與主軸315平行的磁通。該磁場是方位角對稱的。由外部線圈325引起的磁場是恒定的并與主軸315是平行的近似，遠(yuǎn)離室310端部是最正確的。在室310的每端是鏡線圈330。鏡線圈330適于在每端在室310里產(chǎn)生增加的磁場，于是在每端向內(nèi)彎曲磁力線(見圖3和5)。如所解釋的，磁力線的該向內(nèi)彎曲有助于，通過推動(dòng)等離子體335離開端部(在那里它會(huì)逃離封閉系統(tǒng)300的)，把它封閉在一般在鏡線圈330之間的室310內(nèi)的封閉區(qū)里。用本領(lǐng)域已知向各種方法，包括增加鏡線圈330中的繞組數(shù)目、增加通過鏡線圈330的電流或者用外部線圈325與鏡線圈330交疊，鏡線圈330殼適于在端部產(chǎn)生增加的磁場。
如圖1所示的外部線圈325和鏡線圈330在室壁305外面實(shí)現(xiàn)；然而，它們也可以在室310里面。在室壁305由如金屬這樣的導(dǎo)電材料構(gòu)建的情況下，有利的是，把線圈325、330放在室壁305里面，因?yàn)榇艌鰯U(kuò)散經(jīng)過壁305花費(fèi)的時(shí)間可能相對多，因而使系統(tǒng)300反應(yīng)緩慢。類似地，室310可以是中空圓柱的形狀的，室壁305形成長、環(huán)形圈。在這樣情況下，電磁感應(yīng)加速器通量線圈320可能在這個(gè)環(huán)形圈的中央在室壁305外實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選，形成環(huán)形圈的中心的內(nèi)壁可包括如玻璃這樣的非導(dǎo)電材料。如將成為明顯的，室310必須有足以允許環(huán)流的等離子體束或?qū)?35以一定半徑圍繞主軸315旋轉(zhuǎn)的尺寸和形狀。
室壁305可以由如鋼這樣的具有高磁導(dǎo)率的材料形成。在這樣情況下，由于材料中感應(yīng)的反向電流，室壁305有助于使磁通量免于逃離室310，“壓縮”它。如果室壁是由如有機(jī)玻璃這樣的具有低磁導(dǎo)率的材料制成，另一個(gè)用于封閉磁通量的裝置將是必需的。在這樣情況下，可提供一系列閉環(huán)、扁平金屬環(huán)。在本領(lǐng)域中稱為通量限定器的這些環(huán)將提供在外部線圈325之內(nèi)，但在環(huán)流等離子體束335之外。進(jìn)一步地，這些通量限定器可以是無源的或有源的，其中有源的限定器用預(yù)定電流驅(qū)動(dòng)以更加促進(jìn)磁通量在室310內(nèi)的封閉?？蛇x擇地，外部線圈325它們本身就可用作通量限定器。
如下面更詳細(xì)解釋的，包含帶電粒子的環(huán)流等離子體束335可以由外部線圈325引起的磁場造成的洛倫茲力封閉在室310內(nèi)。像這樣，等離子體束335中的離子被磁封閉在圍繞自外部線圈325的磁通線的大電磁感應(yīng)加速器軌道上，該磁通線與主軸315平行。在室310里也提供一個(gè)或幾個(gè)束注入端口 340，用于把等離子體離子加到環(huán)流等離子體束335。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，注入端口 340適于在離主軸315大約相同的徑向位置注入離子束，在所述位置處封閉環(huán)流等離子體束335 (即圍繞下面所述的零位面)。此外，注入端口340適于正切于被封閉的等離子體束335的電磁感應(yīng)加速器軌道并在該軌道的方向上注入離子束350 (見圖17)。
也提供一個(gè)或多個(gè)本底等離子體源345，用于注入非高能等離子體云到室310中。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本底等離子體源345適于把等離子體335向室310的軸中心引導(dǎo)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這樣引導(dǎo)等離子體有助于更好地封閉等離子體335并在室310內(nèi)的封閉區(qū)內(nèi)導(dǎo)致高密度的等離子體335。
直宇室[0086]如上所述，對于CBFR的封閉系統(tǒng)的應(yīng)用來說，有必要在室里面產(chǎn)生真空或接近真空。由于中性粒子和等離子體燃料之間的相互作用(散射、電荷交換)總是提供能量損耗通道，所以關(guān)鍵的是限制反應(yīng)堆室內(nèi)的殘余物密度。另外，由真空抽的很差的室造成的雜質(zhì)可能在工作期間導(dǎo)致污染副反應(yīng)，并可能在起動(dòng)期間消耗過度的能量，因?yàn)橄到y(tǒng)不得不燒盡這些殘余物。
實(shí)現(xiàn)良好水平的真空通常涉及不銹鋼室和端口以及低脫氣材料的使用。在金屬的情況下，良好的真空性能進(jìn)一步與良好的結(jié)構(gòu)特性配合。然而，如不銹鋼等這樣的導(dǎo)電材料呈現(xiàn)各種關(guān)于它們的電性能的問題。雖然這些負(fù)面效應(yīng)都是聯(lián)系著的，但它們以不同方式表現(xiàn)出來。在最負(fù)面特性中有磁場通過室壁的減速的擴(kuò)散、電荷在表面上的積累、系統(tǒng)對瞬變信號響應(yīng)時(shí)間的急劇改變以及在表面上形成影響期望磁拓?fù)涞溺R像電流。沒有這些不希望有的特性并呈現(xiàn)良好真空性能的材料是如陶瓷、玻璃、石英和較小程度的碳纖維的絕緣體。這些材料的主要問題是結(jié)構(gòu)的完整性以及偶然損壞的可能性。如陶瓷的不良可加工性這樣的制造問題是另外的限制。
在一個(gè)實(shí)施例中，如圖2A、2B、2C和2D上所描繪的，提供一備選室1310，它使這些問題最少。CBFR的室1310優(yōu)選主要由金屬(優(yōu)選不銹鋼等)構(gòu)成，以提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和良好真空性能。然而，室1310的圓柱形壁1311包括在壁1311中的軸向絕緣中斷1360，該中斷在室1310的中央部分或CBFR的功率芯區(qū)沿室1310幾乎整個(gè)長度延伸。優(yōu)選，如圖2B上所描繪的，有3個(gè)互相間隔開約120度的中斷1360。如圖2C上所描繪的，中斷1360包括在室1310的壁1311中的槽或縫隙1362，圍繞槽1362的邊緣形成有密封槽或支座1369。O環(huán)密封件1367容納在凹槽1369中。如圖2D上所描繪的，槽1362延伸室1310的整個(gè)長度，使足夠的不銹鋼材料在兩端附近形成壁1311的方位角連續(xù)部分，以便提供結(jié)構(gòu)的完整性和為在端處的良好質(zhì)量真空密封做好準(zhǔn)備。為了改進(jìn)結(jié)構(gòu)完整性和防止內(nèi)爆，如圖2A上所描繪的，室1310優(yōu)選包括多組局部方位肋1370，該局部方位肋與室壁1311整體地形成或者通過焊接等與室壁1311的表面結(jié)合。
如圖2C上所描繪的，縫隙1362用由陶瓷材料形成的插入物1364填充。插入物1364稍微伸進(jìn)到室1310的內(nèi)部，并在內(nèi)側(cè)上被金屬覆蓋物1366覆蓋，以防止來自環(huán)流等離子體束的一次等離子體與陶瓷碰撞引起的二次等離子體發(fā)射。在室1310的外面，插入物1364附到密封板1365，該密封板借助O環(huán)密封件1367與室壁1311的不銹鋼表面形成真空壘。為了保持希望有的真空性能，密封板1365優(yōu)選由基板(優(yōu)選玻璃纖維等)構(gòu)成，玻璃纖維等是較柔軟的，而且與O環(huán)1367形成比陶瓷材料更緊密的密封，特別在向內(nèi)的壓力輕微地使室1310變形時(shí)。
在槽1362內(nèi)的插入物或陶瓷絕緣體1364優(yōu)選防止電流跨縫隙1362形成電弧，并由此防止方位鏡像電流在室壁1311中形成。如下面所述的，鏡像電流是楞次定律現(xiàn)象，它是抵抗任何磁通量變化的自然傾向例如在CBFR的形成期間在通量線圈1320中發(fā)生的磁通量變化。如果在室1310的圓柱形壁1311中沒有槽1362，在通量線圈1320中的變化的磁通量使相等但反向的感應(yīng)電流形成在不銹鋼壁1311中，以抵消了在室1310里面的磁通量變化。雖然感應(yīng)的鏡像電流會(huì)比施加到通量線圈1320上的電流弱，但鏡像電流傾向于很強(qiáng)地減少在室1310內(nèi)的施加磁場或約束磁場，在不解決時(shí)，這傾向于負(fù)面地影響磁場拓?fù)洳⒏淖冊谑?310內(nèi)的約束特性。槽1362的存在防止在室壁1311的方位連續(xù)部分中，向著遠(yuǎn)離室1310端部的室1310的中平面在室壁1311中形成方位鏡像電流。能由室壁1311向著遠(yuǎn)離室1310的端部的中面承載的唯一鏡像電流是，與槽1362的縱向軸平行流動(dòng)的很弱的電流。這樣的電流對FRC的軸向磁約束場沒有任何影響，因?yàn)橛煽v向穿過室壁1311的鏡像電流產(chǎn)生的磁鏡像場只呈現(xiàn)徑向和方位分量。在室1310端部附近的壁1311的方位連續(xù)導(dǎo)電部分中形成的方位鏡像電流不傾向于負(fù)面地影響和/或改變在室1310里面的約束特性，因?yàn)樵谠摳浇拇磐負(fù)鋵Φ入x子體的約束不重要。
除了防止在室壁1311中形成方位鏡像電流外，槽1362還提供磁通量從場和鏡像線圈1325和1330快速穿透室1310的路徑。結(jié)果，槽1362使得能夠進(jìn)行外加場的亞毫秒級精細(xì)調(diào)諧和反饋控制。
FRC中的帶電粒子
圖3表示FRC 70的磁場。該系統(tǒng)具有相對于其軸78的圓柱對稱性。在FRC中，有兩個(gè)磁力線區(qū)開放的80和閉合的82。分割這兩個(gè)區(qū)的面稱界面84。FRC形成在其上磁場消失的圓柱形零位面86。在FRC的中央部分88，磁場不在軸向上明顯改變。在端90，磁場的確在軸向上明顯改變。在FRC中，沿中心軸78的磁場反轉(zhuǎn)方向，這得出在場反向配置(FRC)中的術(shù)語“反向的”。
在圖4A中，在零位面94以外的磁場是在第一方向96上。在零位面94以內(nèi)的磁場是在與第一方向相反的第二方向98上。如果一個(gè)離子在方向100上運(yùn)動(dòng)，作用其上的洛倫茲力30指向零位面94。通過應(yīng)用右手法則，很容易理解這種情況。對于在抗磁方向102上運(yùn)動(dòng)的粒子，洛倫茲力總是指向零位面94。這種現(xiàn)象得出稱作電磁感應(yīng)加速器軌道的粒子軌道，要在下面描述。
圖4B表示一個(gè)在反抗磁方向104上運(yùn)動(dòng)的離子。這種情況下的洛倫茲力指向離開零位面94。這種現(xiàn)象得出稱作漂移軌道的一種類型軌道，要在下面描述。離子的抗磁方向是電子的反抗磁方向，反之亦然。
圖5表示以離子的抗磁方向旋轉(zhuǎn)的等離子體環(huán)或環(huán)形層106。環(huán)106圍繞零位面86定位。由環(huán)形等離子體層106產(chǎn)生的磁場108與外加磁場110接合，形成具有FRC的拓?fù)涞拇艌?圖3上表不該拓?fù)?。
形成等離子體層106的離子束具有溫度，因此這些離子的速度在以離子束的平均角速度旋轉(zhuǎn)的框架中形成麥克斯韋分布。不同速度的離子之間的碰撞導(dǎo)致聚變反應(yīng)。由于這個(gè)原因，等離子體束層或功率芯106被稱為碰撞束系統(tǒng)。
圖6表示稱為電磁感應(yīng)加速器軌道112的碰撞束系統(tǒng)中的主要類型離子軌道。電磁感應(yīng)加速器軌道112能表示為以零位圓114為中心的正弦波。如上面解釋的，在零位圓114上的磁場消失。軌道112的平面垂直于FRC的軸78。在這個(gè)軌道上的離子從起點(diǎn)116在它們的抗磁方向102上運(yùn)動(dòng)。在電磁感應(yīng)加速器軌道上的離子具有兩種運(yùn)動(dòng)在徑向方向(與零位圓114垂直)上的振動(dòng)和沿零位圓114平移。
圖7A是FRC中磁場118的圖。該圖的水平軸代表以cm為單位離FRC軸78的距離。磁場以千高斯為單位。如該圖所描繪的，磁場118在零位圓半徑120處變?yōu)榱恪?br>如圖7B上所示，在零位圓附近運(yùn)動(dòng)的粒子將經(jīng)歷指向離開零位面86的磁場梯度126。在零位圓外面的磁場是在第一方向122上,而在零位圓里面的磁場是在與第一方向相反的第二方向124上。梯度漂移的方向由叉積云XV5給出，在這里，V5是磁場梯度；于是，通過應(yīng)用右手法則能理解，梯度漂移的方向是在反抗磁方向上，不管離子在零位圓128以外還是以內(nèi)。
圖8A是FRC中電場130的圖。該圖的水平軸代表以cm為單位離FRC軸78的距離。電場以伏/cm為單位。如該圖所描繪的，電場130在接近零位圓半徑120處變?yōu)榱恪?br>如圖8B上所示,對于離子電場是去約束的(deconfining),它指向離開零位面86的方向132、134上。如前述，磁場在零位面86以內(nèi)和以外處在相反方向122、124上。通過應(yīng)用右手法則能理解，左><啟漂移的方向是在抗磁方向102上，不管離子在零位面136以外還是以內(nèi)。
圖9A和9B表示稱為漂移軌道138的FRC中的另一類型公共軌道。漂移軌道138能在零位面114以外，如圖9A上所示，或者在它以內(nèi)，如圖9B上所示。如果左X月漂移占優(yōu)勢，則漂移軌道138以抗磁方向旋轉(zhuǎn)，或者，如果梯度漂移占優(yōu)勢，漂移軌道138以反抗磁方向旋轉(zhuǎn)。在圖9A和9B上表示的漂移軌道138從起點(diǎn)116以抗磁方向102旋轉(zhuǎn)。
如圖9C上所示，漂移軌道能被想象為在相對較大的圈上滾動(dòng)的小圈。小圈142以指示方向144繞其軸自旋。它也以方向102在大圈146上滾動(dòng)。點(diǎn)140將在空間中沿著與138相同的路徑前進(jìn)。
圖1OA和IOB表示在FRC端部151的洛倫茲力方向。在圖1OA中，示出了離子在抗磁方向102上以速度148在磁場150中運(yùn)動(dòng)。通過應(yīng)用右手法則能理解，洛倫茲力152傾向于把離子推回到閉合場力線區(qū)中。所以，在這種情況下，洛倫茲力152對離子是約束的。在圖1OB中，示出了離子在反抗磁方向上以速度148在磁場150中運(yùn)動(dòng)。通過應(yīng)用右手法則能理解，洛倫茲力152傾向于把·離子推到開放場力線區(qū)中。所以，在這種情況下，洛倫茲力152對離子是去約束的。
在FRC中的磁和靜電約束
通過在離子的抗磁方向102上圍繞零位面86注入高能離子束，能在FRC中形成等離子體層106 (見圖5)。(在下面接著詳細(xì)討論形成FRC和等離子體環(huán)的一些不同方法)。在環(huán)流等離子體層106中，大多數(shù)的離子具有電磁感應(yīng)加速器軌道112 (見圖6)，是高能的，并且是非絕熱的。因此，它們對引起反常遷移的短波長波動(dòng)是不敏感的。
在FRC中在平衡條件下形成的等離子體層106中，動(dòng)量守恒在離子的角速度(^和電子的角速度0^之間施加關(guān)系。這個(gè)關(guān)系是
權(quán)利要求
1.一種在場反向配置(FRC)磁場中驅(qū)動(dòng)等離子體離子和電子的系統(tǒng)，包括 具有主軸的室(310)， 特征在于該系統(tǒng)還包括 第一磁場發(fā)生器(325)，用于在該室的中央?yún)^(qū)內(nèi)產(chǎn)生具有基本上平行于室主軸的通量的方位對稱磁場；以及 耦合到該室的中央?yún)^(qū)的RF驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1110)； 其中所述RF驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括位于室內(nèi)的四極回旋加速器，所述四極回旋加速器產(chǎn)生以與離子的方位速度相同的方向但以更大的速度旋轉(zhuǎn)的電位波。
2.權(quán)利要求
1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與所述室的主軸同中心的電流線圈，用于在所述室中產(chǎn)生方位電場。
3.權(quán)利要求
1的系統(tǒng)，其中四極回旋加速器包括形成圓柱形表面的四個(gè)半圓柱形電極(1112)。
4.權(quán)利要求
1的系統(tǒng)，其中RF驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括相鄰于所述室的周界軸向延伸的調(diào)制場線圈(1116)。
5.權(quán)利要求
1的系統(tǒng)，還包括所述室內(nèi)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(420)。
6.權(quán)利要求
5的系統(tǒng)，其中功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括在所述室的第一端部區(qū)域形成圓柱形表面的多個(gè)半圓柱形電極(494)。
7.權(quán)利要求
6的系統(tǒng)，其中多個(gè)半圓柱形電極包括多于兩個(gè)電極，它們成間隔開的關(guān)系并在相鄰電極之間形成縫隙。
8.權(quán)利要求
7的系統(tǒng)，還包括 第二磁場發(fā)生器(488)，用于在所述室的第一端部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有基本上平行于室主軸的通量的方位對稱磁場； 電子收集器(490)，插入在第一磁場發(fā)生器和第二磁場發(fā)生器之間并相鄰于所述多個(gè)電極的第一端；以及 離子收集器(492)，相鄰于所述多個(gè)電極的第二端安置。
9.權(quán)利要求
8的系統(tǒng)，還包括 第二多個(gè)半圓柱形電極，在所述室的第二端部區(qū)域形成圓柱形表面，其中該第二多個(gè)半圓柱形電極包括多于兩個(gè)電極，它們成間隔開的關(guān)系并在相鄰電極之間形成縫隙； 第三磁場發(fā)生器，用于在所述室的第一端部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具有基本上平行于室主軸的通量的方位對稱磁場； 第二電子收集器，插入在第一磁場發(fā)生器和第三磁場發(fā)生器之間并相鄰于該第二多個(gè)電極的第一端；以及 第二離子收集器，相鄰于該第二多個(gè)電極的第二端安置。
10.權(quán)利要求
9的系統(tǒng)，還包括與所述室耦合的離子束注入器(340)。
11.權(quán)利要求
10的系統(tǒng)，其中離子束注入器包括用于中和從注入器發(fā)射的離子束的電荷的裝置。
12.權(quán)利要求
1的系統(tǒng)，其中所述RF驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1110)包括形成圓柱形表面的四個(gè)細(xì)長電極(1112)。
13.—種驅(qū)動(dòng)FRC中的離子和電子的方法，包括以下步驟產(chǎn)生FRC，特征在于圍繞在室內(nèi)軸向延伸的離子和電子的旋轉(zhuǎn)等離子體束產(chǎn)生所述FRC ；以及 產(chǎn)生電位波，該電位波以與轉(zhuǎn)動(dòng)等離子體束中的離子的方位速度相同的方向旋轉(zhuǎn)。
14.權(quán)利要求
13的方法，其中產(chǎn)生電位波的步驟包括激勵(lì)形成圓柱形表面的多個(gè)細(xì)長電極(1112) ο
15.權(quán)利要求
14的方法，其中該多個(gè)細(xì)長電極形成細(xì)長的回旋加速器。
16.權(quán)利要求
15的方法，其中該回旋加速器是四極回旋加速器。
17.權(quán)利要求
15的方法，其中該回旋加速器是二極回旋加速器。
18.權(quán)利要求
13的方法，還包括把中性離子注入到所述波中的步驟。
19.權(quán)利要求
14的方法，還包括把注入的中性離子俘獲在所述波中的步驟。
20.權(quán)利要求
19的方法，還包括增加俘獲離子的動(dòng)量和能量的步驟。
專利摘要
一種用于在場反向配置(FRC)磁拓?fù)渲锌刂凭圩兒途圩儺a(chǎn)物能量直接到電力的轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)及設(shè)備。優(yōu)選，等離子體離子磁約束在FRC中，而等離子體電子靜電約束在通過調(diào)諧外加磁場產(chǎn)生的深能量阱中。在這個(gè)配置中，離子和電子可以具有適當(dāng)?shù)拿芏群蜏囟?，以致在碰撞時(shí)由核力把它們?nèi)诤显谝黄?，從而形成以環(huán)形束形式出現(xiàn)的聚變產(chǎn)物。當(dāng)聚變產(chǎn)物離子螺旋通過逆回旋加速器轉(zhuǎn)換器的電極時(shí)，能量從它們那里移出。有利地，能用本約束和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)使用的聚變?nèi)剂系入x子體包括高級(非中子)燃料。
文檔編號G21B1/00GKCN101189684SQ200680007428
公開日2013年4月24日 申請日期2006年3月7日
發(fā)明者N·羅斯托克, M·賓德鮑爾, F·韋塞爾, A·鐘, V·拜斯特里特斯基, Y·宋, M·安德森, E·加拉特, 艾倫·文德里 申請人:加州大學(xué)評議會(huì)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4),