场反转配置中的受控聚变和直接能量转换制造技术

一种系统和设备，用于场反转配置（ＦＲＣ）磁拓朴中的受控聚变和从聚变产物能量直接到电功率的转换。优选的是，等离子体离子在磁性上被约束于ＦＲＣ中，而等离子体电子在静电上被约束于深能阱中，该能阱通过转变外部施加的磁场而产生。在该配置中，离子和电子可具有足够的密度和温度以使一旦碰撞，则它们借助核力而融合在一起，由此形成以环形束的形式出现的聚变产物。在聚变产物离子螺旋经过逆回旋加速器转换器的电极时，能量从它们被去除。有利的是，可与本约束和能量转换系统一起使用的聚变燃料等离子体包括高级（ａｎｅｕｔｒｏｎｉｃ）燃料。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及等离子物理领域，具体而言，涉及用于约束等离子体以使能核聚变并用于将能量从聚变产物转换为电的方法和设备。
技术介绍
聚变是两个轻核组合以形成较重的核的过程。聚变过程以快速移动的粒子的形式 释放极大量的能量。由于原子核是带正电的--这是由于包含在其中的质子--在其之间有排斥静电カ或库仑力。对于待聚变的两个核，这个排斥障碍必须被克服，这是当两个核被带到一起而足够近时发生，在此情况下短程核力变得足够强，从而克服库仑カ并融合(fuse)所述核。核克服库仑障碍所必要的能量由其热能提供，该热能必须很高。例如，如果温度是至少104eV的量级一对应于大约100百万开尔文温度，则聚变速率可以是明显的。聚变反应的速率是温度的函数，并且其由被称为反应率的量来表征。例如，D-T反应的反应率具有30keV和IOOkeV之间的宽峰。典型的聚变反应包括D+D — He3 (O. 8MeV) +η (2. 5MeV)，D+T — α (3. 6MeV) +η (14. IMeV)，D+He3 — α (3. 7MeV) +p (14. 7MeV)，和p+B11 — 3 a (8. 7MeV)，其中D表示氣，T表示氣，α表示氦核，η表示中子，ρ表示质子，He表示氦,而B11表示硼-11。每个方程中的括弧中的数字表示聚变产物的动能。以上列出的首先两个反应--D-D和D-T反应一是中子的，这意味着其聚变产物的大多数能量由快中子携帯。中子反应的缺点是(I)快中子的通量产生许多问题，包括对于大多数构造材料的高水平放射性和反应堆壁的结构损坏；以及(2)快中子的能量通过将其热能转变为电能而收集，这是效率很低的(小于30%)。中子反应的优点是(I)其在相对低的温度下的反应率峰值；以及(2)其由于辐射而造成的损失是相对低的，这是因为氘和氚的原子序数是I。其它两个方程一D-He^Pp-B11—中的反应物被称为闻级燃料。取代如在中子反应中产生快中子，其聚变产物是带电粒子.高级燃料的一个优点是它们产生少的多的中子并因此较少遭遇与其关联的缺点。在D-He3的情况下，ー些快中子由ニ级反应产生，但这些中子仅占聚变产物的能量的大约10% . p-Β11反应没有快中子，尽管它的确产生由ニ级反应产生的ー些慢中子，但产生少的多的问题.高级燃料的另ー个优点是其聚变产物包括带电粒子，其动能可被直接转变为电.以适当的直接能量转换过程，高级燃料聚变产物的能量可以以可能超过90%的高效率来收集。高级燃料亦具有缺点。例如，高级燃料的原子序数较高(对于He3为2而对于B11为5)。因此，其辐射损失大于在中子反应中。还有，更难使高级燃料聚变。其峰值反应率在高的多的温度下出现并且不能达到与D-T—祥高的反应率。因此，用高级燃料导致聚变反应需要它们被带到较高的能量状态，在该状态中其反应率是相当大的。因此，高级燃料必须被蕴含(contain)较长的时间段,在其中它们可被带到适当的聚变条件。用于等离子体的蕴含时间是Λ t = r2/D，其中r是最小等离子体尺寸，而D是扩散系数.扩散系数的经典值是D。= CIi2/Tie,其中CIi是离子回旋半径，而Tie是离子-电子碰撞时间。依照经典扩散系数的扩散被称为经典输运。归因于短波长不稳定性的Bohm扩散系数是Db= (1/16) Cii2Qi，其中Qi是离子回旋频率。依照该关系的扩散被称为反常输运。对于聚变条件Db/Dc = (1/16) QiTie^ 108，反常输运导致比经典输运短的多的蕴含时间。通过要求用于给定量的等离子体的蕴含时间必须比用于该等离子体进行核聚变反应的时间长，该关系确定在聚变反应堆中必须有多大的等离子体。因此，经典输运条件比在聚变反应堆中理想，从而允许较小的初始等离子体。 在对等离子体的环状约束的早期实验中，现察到AtS r2/DB的蕴含时间。最后40年的进展已将蕴含时间增加到At S 1000r2/DB。一个现有的聚变反应堆概念是托卡马克。对于过去的30年，聚变的努力已被集中到使用D-T燃料的托卡马克反应堆上。这些努力在图7中所示的国际热核实验反应堆(ITER)中达到顶点。用托卡马克的最近的实验表明，经典输运r2/D。是可能的，在此情况下最小等离子体尺寸可从米减小到厘米。这些实验涉及注入高能束(50到IOOkeV)以将等离子体加热到10到30keV的温度。见ff. Heidbrink&G. J. Sadler, 34Nuclear Fusion 535(1994)。观察到这些实验中的高能束离子减慢并经典地扩散，而热等离子体继续异常快地扩散。其原因是高能束离子具有大的回旋半径并且在这一点上，对以短于离子回旋半径的波长(λ < Cii)进行的波动不敏感。短波长波动趋向于在一个循环上平均并由此抵销。然而，电子具有小的多的回旋半径，因此它们对该波动有反应并反常地输运。由于反常输运，等离子体的最小尺寸必须是至少2.8米。由于该尺寸，ITER被建成30米高和30米的直径。这是可行的最小D-T托卡马克型反应堆。对于高级燃料如D-He3和ρ-Β11，托卡马克型反应堆将必须大的多，这是因为燃料离子进行核反应的时间长的多。使用D-T燃料的托卡马克反应堆具有附加的问题，即聚变产物能量的大部分能量由14MeV的中子载运，这导致由中子通量造成的在几乎所有构造材料中的感应反应率(inducereactivity)和辐射损坏。另外，其能量到电的转换必须是通过热过程，该过程有不大于30%的效率。另ー种所提出的反应堆配置是碰撞束反应堆。在碰撞束反应堆中，背景等离子体被离子束轰击。该束包括有比热等离子体大的多的能量的离子。在这种类型的反应堆中产生有用的聚变反应已不可行，这是因为背景等离子体使离子束减慢。已提出各种建议来减小该问题并使核反应的数量最大。例如，被授予Jassby等的U. S.专利No. 4，065，351公开了ー种在环状约束系统中产生氘核和氚核的逆流碰撞束的方法。在被授予Jassby等的U.S.专利No. 4，057，462中，注入电磁能以抵抗一个离子种上的体平衡等离子体拖曳(bulk equilibrium plasmadrag)的作用。环状约束系统被识别为托卡马克。在被授予Rostoker的U. S.专利No. 4, 894, 199中，氣和氣的束在托卡马克、磁镜(mirror)或场反转(field reversed)配置中以相同的平均速度被注入并捕获。存在用于捕获该束的単一目的的低密度冷背景等离子体。该束由于它们具有高温而反应，并且减慢主要是由伴随所注入的离子的电子导致的。所述电子由所述离子加热，在此情况下减慢是最低限度的。然而，在所有这些装置中，平衡电场都没有任何參与.此外，没有试图或甚至考虑减小反常输运。其它专利考虑了离子的静电约束，并且在某些情况下考虑了电子的磁约束。这些专利包括被授予Farnsworth的U. S.专利No. 3, 258, 402和被授予Farnsworth的U. S.专利No. 3，386，883，其公开了离子的静电约束和电子的惯性约束；被授予Hirsch等的U. S.专利 No. 3，530，036 和被授予 Hirsch 等的 U. S.专利 No. 3，530，497 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等离子体电功率生成系统，包括：　　　　具有主轴（３１５）的室（３０５），　　　　第一磁场发生器（３２５，４２５），用于在所述室的中央区域内生成具有基本上平行于所述室的主轴的通量（４８０）的方位角对称磁场，　　　　与所述室的主轴同心的电流线圈（３２０），用于在所述室内生成方位角电场，　　　　在所述室的第一端区域形成圆柱面的第一多个电极（４９４），其中所述多个电极包括以间隔关系在相邻电极之间形成细长间隙（４９７）的多于两个的电极，其中所述多个电极形成具有多于两个极的多极结构的电场，　　　　第二磁场发生器（４８８），用于在所述室的第一端区域内生成具有基本上平行于所述室的主轴的通量（４９６）的方位角对称磁场，　　　　插入所述第一和第二磁场发生器并且邻近所述多个电极的第一端的电子收集器（４９０），和　　　　邻近所述多个电极的第二端放置的离子收集器（４９２）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：N罗斯托克，HJ蒙克霍尔斯特，
申请(专利权)人：加州大学评议会，佛罗里达大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：US[美国]