受控聚变反应方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于从受控聚变反应提取能量的系统。该系统包括用于容纳聚变靶材料的中央靶室。在所述靶室周围设置了多个能量驱动器，以便向靶室中的聚变靶材料提供能量，以启动该材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能量。提供了用于从所述聚变反应提取能量的多个结构，并且包括从所述聚变等离子体提取高压直流电力的装置；以及从所述中央靶室提取热能的装置。可以通过从所述聚变反应提取的高压直流电力向能量驱动器提供电力。能量驱动器可以利用切趾滤波器向用于引起聚变反应的驱动能量的波前提供期望形状，以避免流体动力学不稳定性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及从受控聚变反应中提取能量的方法和系统。技术背景广泛认识到的是受控聚变提供洁净而又充足的能源。然而，尽管投入了上亿美元，但在 引起有效的自持聚变反应方面仅取得了有限的成功。所有先前的方法都受到了三个主要因素 的限制(a) 仅利用了单个的能量提取装置。(b) 大量工作已经集中在了间接驱动反应上，尤其是利用大型激光器作为驱动器，而不 是集中于直接驱动X射线驱动反应上。(c) 流体力学不稳定性是严重问题。这会在靶芯块压缩不够均匀时发生。它引起局部热 量不均匀，反过来该不均匀又引起局部冷却。这导致燃料的不对称燃烧。可以通过两种主要方式来从聚变反应提取能量热方式和电方式。热提耳又是几乎每个电 力厂里所用的朗肯热循环的直接应用。在该处理中，冷却剂被加热，被加热的冷却剂用于转 动涡轮机，而涡轮机用于转动发电机。该处理具有55。/。的标称效率。直接从熔融等离子体提取电力是可能也是实用的。这已经得到多次证实，并且其是具有 大约85。/。的效率的处理。该技术相对于现有技术的聚变发电系统的缺点在于它产生了高压直 流电(DC)。高压直流电难以处理，并且更重要的是，其不适于长距离电力传输和配电。它 不能像交流电(AC)那样能够容易或者有效地转换。流体力学不稳定性是每个聚变发电系统的设计者所面对的主要问题。正式上称为瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylo)不稳定性，它由燃料芯块的不均匀压缩引起。压缩上超过1%的不均 匀度导致能量向外涌出并使靶芯块局部致冷的喷射形式。当前的激光驱动聚变系统利用多 个射束(相当于一个系统中192个)以试图对燃料芯块提供足够均匀的压缩。期望提供一种从受控聚变反应中提取能量的方法，其中，既提取热能量，也提取高压直流能量。期望将提取的高压直流能量能够用作维持受控聚变反应的能量源。 还期望设计从受控聚变反应中提取能量的系统，利用流体力学稳定性实现燃料芯块的高 均匀压缩。
技术实现思路
本专利技术的一个实施方式提供了一种从受控聚变反应中提取能量的系统。该系统包括用于 容纳聚变靶材料的中央靶室。在所述靶室周围设置了多个能量驱动器，以便向靶室中的聚变 靶材料提供能量，以启动该材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能 量。提供了用于从所述聚变反应提取能量的多个装置，并且包括从所述聚变等离子体提取高 压直流电力的装置；以及从所述中央靶室提取热能的装置。前述实施方式通过既提取高压直流能量又提取热能而提高了聚变发电系统的效率。本专利技术的另一个实施方式提供了用于从受控聚变反应提取能量的系统，其中，通过能量 存储装置对所述多个能量驱动器提供电力。所述能量存储装置从第一电源接收电力并提供启 动(start-up)电力和补充(make-up)电力，而第二电源通过从所述聚变等离子体提取的高 压直流电力获得能量。所述启动电力是启动所述聚变反应需要的总能量，而补充电力是为 维持聚变反应的操作而从第二电源添加的能量。前述实施方式通过利用从所述聚变反应提取的高压直流电力作为用于驱动聚变反应的能 量驱动器的电力源实现了较高的效率。这意味着驱动所述聚变反应所述需要的多数能量从(先 前的)聚变反应自身得到。本专利技术的另一实施方式提供了一种用于从受控聚变反应提取能量的系统，其中，所述多 个能量驱动器中的每一个能量驱动器都包括一体装置(unitary apparatus )。所述一体装置既 (a )产生用于使所述聚变把材料进行所述受控聚变反应以便产生聚变等离子体和热量形式的 能量释放的X射线脉沖，又(b)产生同时加热所述聚变靶材料的RF能量。本专利技术的前述实施方式能够产生X射线驱动脉冲的同时产生RF加热脉冲而不降低效率。 这使得能够无需附加费用并且无能量损失地利用RF加热来提高聚变发电系统的效率。8本专利技术的另一实施方式提供了一种聚变发电系统，切趾结构与各能量驱动器相关联，用 于使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的。本专利技术的前述实施方式通过所述切趾滤波器校正了引起瑞利-泰勒流体力学不稳定性的 波前误差。由于所述把芯块是球形，所述切趾滤波器用于将所述压缩波前的形状改变为半径 与所述靶的半径匹配的非常凹的表面。由此，所述波前环绕所述靶的一个面，并提供了耙 的完全均匀的压缩。利用切趾滤波器校正所述压缩波前的直接利益在于减小了用于照射所述靶的射束的数量。替代加利福尼亚的劳伦斯利弗摩尔实验室(Lawrence Livermore lab)的国家点火装置 聚变反应堆(National Ignition Facility Fusion Reactor)寸吏用的192个射束，本专利技术的当前 实施方式可以允许利用所述少得多的射束，例如6个。这直接减小了反应堆的成本和大小， 同时增加其可靠性。附图说明图1是受控核聚变产生能量的反应堆的简化的立体图；图2A和2B是图1的反应堆的截面图，图2A示出了图1中FIG. 2A-FIG. 2A所指示的截面，而图2B示出了图1中FIG. 2B-FIG. 2B所指示的截面；图3是图1的反应堆系统的能量流的框图，示出了比图1更简化的反应堆；图4A和图4B分别是基本受激X射线发射器(SXE)能量驱动器的简化端和侧截面；图5A是用于图4A和图4B的SXE的栅极和相位匹配网络的立体图；图5B是图5A的栅极和相位匹配网络的视图，其示出了该图中FIG,5A- FIG,5A所指示的截面；图5C是图5A的相位匹配网络的示意图；图6是入射到切趾滤波器上的平面波前和通过该滤波器所产生的被校正波前的截面图；图7是图4的SXE的电容增强版的立体图；图8是沿电子耦合变压器的长度的截面图；图9示出了图8的电子耦合变压器的典型波形；图10是沿组合SXE-虚阴极振荡器(Vircator)驱动器的长度的截面图； 图11是沿图10的虚阴极振荡器RF头的长度的部分截面图； 图12是沿组合SXE-磁绝缘振荡器(MILO)驱动器的长度的截面图； 图13是沿图12的磁绝缘振荡器RF头的长度的部分截面图；图14是沿图12的磁绝缘振荡器RF头中使用的漂移管的长度的部分截面图，并且图14B 是图14A中标有FIG,14B的画圏区域的放大图。具体实施方式在这些优选实施方式的说明的结尾给出了附图标号的列表、其相关部件以及该部件的优 选材料。在附图标号的列表后面完整地列举了参考文献，在本说明中，例如，以如下形式给 出作者Nakai的简化的参考文献(Nakai文献)。优选实施方式的主要原理结合图1 -3描述本专利技术的优选实施方式的主要原理。图1是通过受控核聚变产生能量的反应堆。该系统包括中央靶室或者区域10。 一系列的 六个或者更多个的能量驱动器12对称成对地设置在该中央靶区域的周围。对称能量驱动器 12关于芯块位置22对称地设置，使得共同产成优选地很好的球面波前入射到位置22处的靶 聚变芯块上。能量驱动器以高频率产生X射线，其对称地压缩靶以启动并维持聚变反应。能 量驱动器优选地为受激X射线发射器(SXE: Stimulated X-ray Emitter),如本专利技术人的美国 专利4,723,263中的专利技术首先描述的。在优选的实施方式中，所述SXE驱动器装有RF产生 装置，其提供同时发生的RF能量脉冲以向反应提供附加热量。这在图10-13的讨论中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从受控聚变反应提取能量的系统，该系统包括：　ａ）用于容纳聚变靶材料的中央靶室；　ｂ）多个能量驱动器，其设置在所述靶室的周围，以便向所述靶室中的聚变靶材料提供能量，以启动所述材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形 式释放能量；　ｃ）用于从所述聚变反应提取能量的多个装置，包括：　ｉ）从所述聚变等离子体提取高压直流电力的装置；以及　ｉｉ）从所述中央靶室提取热能的装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-5-30 60/809,453;US 2007-5-29 11/754,928是要覆盖落入本发明的真正 范围和精神内的所有这样的修改和变更。权利要求1、一种用于从受控聚变反应提取能量的系统，该系统包括a)用于容纳聚变靶材料的中央靶室；b)多个能量驱动器，其设置在所述靶室的周围，以便向所述靶室中的聚变靶材料提供能量，以启动所述材料的受控聚变反应，使得以聚变等离子体和热量的形式释放能量；c)用于从所述聚变反应提取能量的多个装置，包括i)从所述聚变等离子体提取高压直流电力的装置；以及ii)从所述中央靶室提取热能的装置。2、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都产生 X射线脉冲，用于使所述聚变靶材料进行所述受控聚变反应。3、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都包括 一体装置，所述一体装置产生以下两者a) X射线脉冲，用于使所述聚变靶材料进行所述受控聚变反应以便产生聚变等离子体和 热量形式的能量释放；以及b) 加热所述聚变靶材料的RF能量。4、 根据权利要求2所述的系统，该系统还包括切趾结构，其与所述多个能量驱动器中的 各个驱动器相关联，用于使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变把材料看去是凹入的。5、 根据权利要求3所述的系统，该系统还包括切趾结构，其与所述多个能量驱动器中的 各个驱动器相关联，用于使所述X射线脉冲的波前整形为从所述聚变靶材料看去是凹入的。6、 根据权利要求1、 2、 3或4所述的系统，其中，所述多个能量驱动器通过能量存储 装置供电；所述能量存储装置从以下各处接收电力a) 提供启动电力和补充电力的第一电源；以及b) 通过从所述聚变等离子体提取的高压直流电力获得能量的第二电源；其中，所述启动电力是启动所述聚变反应需要的总能量，而所述补充电力是为维持所述 聚变反应的操作而从所述第二电源添加的能量。7、 根据权利要求1、 2、 3、 4或5所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能 量驱动器都利用以下各项中的任何一种或者其组合构成的X射线源气体氧、氮、氖、氩、 氪、氡、铋、、汞和铀。8、 根据权利要求1、 2、 3、 4或5所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都具有大约200电子伏特到100千电子伏特之间的X射线驱动能量。9、 根据权利要求1、 2、 3、 4或5所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能 之间的任何元素。10、 根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个能量驱动器中的各个能量驱动器都包 括具有柱形三极电子管的X射线源，所述电子管具有沿着其主轴的空心阳极以及径向上与所 述阳极隔开的栅极和阴极，所述X射线源被设计成使得所述栅极和所述阴极之间的关系形成 支持横电模式的圆形波导管；所述各能量驱动器设计成a )所述阴极和栅极形成产生径向上对称的衰减行波的行波电子枪，所述衰减行波沿着所 述各能量驱动器的直线轴以光速传播并且处于横电模式；b) 径向上对称的衰减行波以光速沿所述阳极扫过，并且具有足够的能量，使得电子穿透 所述阳极的壁并形成韧致辐射和电子带，所述带以光速沿着所述阳极的内部中空的空间如同 波前一样扫过；所述阳极的内部空间填充有激光介质，所述激光介质被扫过的韧致辐射和电 子带波前完全离子化；以及c) 所述扫过的韧致辐射和电子带波前的能量通过所述阴极的分布式极间电容中包含的能 量泵出或者来自分布式极间电容和栅极中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。11、 根据权利要求10所述的系统，其中，所述外部能量存储装置包括同心缠绕在所述阴 极的外表面上的同轴电容器。12、 根据权利要求10所述的系统，其中，所述扫过的韧致辐射和电子带波前的能量通 过所述阴极的分布式极间电容中包含的能量以线性形式泵浦或者来自分布式极间电容和栅极 中包含的所述能量以及来自外部能量存储装置。13、 根据权利要求10所述的系统，其中a)所述X射线源还在所述阳极的输出端产生高压脉冲；以及b )所述高压脉冲用于通过RF生成装置产生RF脉冲，所述RF生成装置包括共振腔和 附接到所述X射线源的阳极的输出端的电子枪，以便产生与所述X射线脉冲一致的相位相干 的RF能量脉冲串。14、 根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一电源利用电子耦合变压器产生与所述 第二电源产生的电力兼容的高压脉冲，并加到所述第二电源产生的电力中。15、 根据权利要求14所述的系统，其中，所述电子耦合变压器包括a)柱形三极管电子管，所述电子管具有沿着其主轴的实心阳极以及径...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯蒂斯比恩巴赫，
申请(专利权)人：柯蒂斯比恩巴赫，
类型：发明
国别省市：US[美国]