场反转配置中的受控聚变和直接能量转换的制作方法

专利名称:场反转配置中的受控聚变和直接能量转换的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。[0012]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 类似于 Farnworth ；被授予Limpaecher的U. S.专利No. 4，233，537,其公开了借助多极尖(cusp)反射壁的电子的磁约束和离子的静电约束；以及被授予Bussard的U.S.专利No. 4，826，646，其类似于Limpaecher并涉及点尖。这些专利都没有考虑电子的静电约束和离子的磁约束。尽管已有对离子的静电约束的许多研究项目，但它们都没有在当离子具有用于聚变反应堆的所需密 度时建立所需静电场的方面取得成功。最后，以上引用的专利都没有讨论场反转配置磁拓朴。
场反转配置(FRC)是在1960年左右在海军研究实验室在Θ收缩(theta pinch)实验期间偶然发现的。典型的FRC拓朴在图2和图4中示出，其中内部磁场反转方向，而FRC中的粒子轨道如图5和图8中所示。关于FRC，在美国和日本已支持了许多研究程序。有一个有关从I960到1988年的FRC研究的理论和实验的综合性回顾论文。见M. Tuszewski，28Nuclear Fusion 2033，(1988)。有关FRC发展的白皮书描述了 1996年的研究和用于将来研究的建议。见 L. C. Steinhauer 等，30Fusion Technology 116(1996)。到此为止，在FRC实验中，已借助Θ收缩方法形成了 FRC。该形成方法的结果是离子和电子每个都携帯一半电流，这导致在等离子体中的不可忽略的静电场，并且没有静电约束。这些FRC中的离子和电子在磁性上被蕴含。在几乎所有FRC实验中，采取了反常输运。见例如Tuszewski，第2072页I. 5. 2部分的开始处。
这样，理想的是提供ー种聚变系统，其具有蕴含系统，趋向于基本上减小或消除离子和电子的反常输运；以及能量转换系统，以高效率将聚变产物的能量转换为电。

发明内容
本发明被指向一种系统，其促进在具有场反转拓朴的磁场中的受控聚变以及聚变产物能量到电功率的直接转换。在此被称为等离子体发电(PEG)系统的该系统优选地包括聚变反应堆，其具有蕴含系统，趋向于基本上减小或消除离子和电子的反常输运。另外，PEG系统包括被耦合于反应堆的能量转换系统，其以高效率将聚变产物能量转换为电。
在本发明的一个创新方面中，用于离子和电子两者的反常输运趋向于被基本上减小或消除。通过在磁性上将离子约束于场反转配置(FRC)的磁场中，离子的反常输运趋向于被避免。对于电子，通过转变外部施加的磁场以产生强电场，能量的反常输运被避免，所述强电场在静电上将电子约束于深势阱中。作为结果，可与当前约束设备和过程一起使用的聚变燃料等离子体不局限于中子燃料，而是有利地包括高级或aneutronic燃料。对aneutronic燃料,聚变反应能量几乎全部是带电粒子即高能离子的形式,其可在磁场中被操纵，并且依赖于燃料，导致少或没有的放射性。
在本发明的另ー个创新方面，直接能量转换系统被用于将聚变产物的动能直接转换为电功率，这是通过借助电磁场使带电粒子减慢而进行的。有利的是，本发明的直接能量转换系统具有效率、粒子能量容差和电子能力来转换大约5MHz的聚变输出功率的频率和相位以匹配外部60赫兹电カ网(power grid)的频率。
在优选实施例中，聚变反应堆的等离子体蕴含系统包括室、用于在基本上沿主轴的方向上施加磁场的磁场发生器以及环形等离子层，其包括循环离子束。环形等离子束层的离子基本上在轨道中在磁性上被蕴含于室内，而电子基本上蕴含于静电能阱中。在ー个优选实施例的ー个方面中，磁场发生器包括电流线圈。优选的是，所述系统进ー步包括室末端附近的磁镜线圈，其増加室末端处所施加的磁场的大小。该系统亦可包括束注入器，其将中和的离子束注入到所施加的磁场中，其中该束由于所施加的磁场导致的力而进入轨道。在优选实施例的另ー个方面中，所述系统形成具有场反转配置的拓朴的磁场。在另ー个优选实施例中，能量转换系统包括被耦合于聚变反应堆的相对端的逆回旋加速器转换器(ICC)。该ICC具有类似空圆柱的几何结构，其由多个、优选为四个或更多相等的半圆柱电极形成，在其之间有小、直的间隙延伸。在运行中，振荡势能以交替方式被应用于电极。ICC内的电场E具有多级结构并且在对称轴上消失且随半径线性增加；峰值在间隙处。
此外，ICC包括磁场发生器，用于在基本上与聚变反应堆的约束系统相对的方向上施加均匀的单向磁场。在距离聚变反应堆功率核心的最远端，ICC包括离子收集器。在功率核心(power core)和ICC之间的是対称的磁尖，其中约束系统的磁场与ICC的磁场合并在一起。环形的电子收集器位于磁尖附近并被耦合于离子收集器。
在又一个优选实施例中，产物核以及电荷中和的电子从反应堆功率核心的两端出现为环形束，其密度为由于电子和离子的能量差而使磁尖分离它们的密度。电子沿磁场线前进到电子收集器而离子经过所述尖，在这里离子轨迹被修改成遵循沿ICC长度的基本上螺旋状的路径。当离子螺旋经过被连接于共振电路的电极时，能量从该离子被去除。垂直能量的损失趋向于对最高能量离子为最大，该离子最初接近电极而循环，在这里电场是最强的。
从对结合附图进行的以下描述的考虑，本发明的其它方面和特点将变得明显。


在附图的图中，为了举例而不是为了限制而说明了优选实施例，在附图中相同的參考数字指的是相同的部件。
图I示出本发明的示例约束室。
图2示出FRC的磁场。
图3A和3B分别示出FRC中的抗磁性(diamagnetic)和反抗磁性(counterdiamagnetic)万冋。
图4不出本发明的碰撞束系统。
图5示出电子感应加速器轨道。[0036]图6A和6B分别示出FRC中的梯度漂移的方向和磁场。
图7A和7B分别示出FRC中的万漂移的方向和电场。
图8Α、8Β和8C示出离子漂移轨道。
图9Α和9Β示出在FRC末端的洛伦兹力。
图IOA和IOB示出碰撞束系统中电势和电场的转变。
图11示出麦克斯韦分布。
图12Α和12Β示出由于大角度、离子-离子碰撞而造成的从电子感应加速器轨道到漂移轨道的迁移。
图13不出当考虑小角度、电子-尚子碰撞时的Α、B、C和D电子感应加速器轨道。
图14示出在进入约束室之前当其被电极化时的中和的离子束。
图15是当其在约束室中接触等离子体时中和的离子束的仰视图。
图16是依照启动过程的优选实施例的约束室的侧视示意图。
图17是依照启动过程的另ー个优选实施例的约束室的侧视示意图。
图18示出表示FRC形成的B-点探头的迹线。
图19Α示出局部的等离子体发电系统，其包括被耦合于逆回旋加速器直接能量转换器的碰撞束聚变反应堆。
图19Β示出图19Α中的逆回旋加速器转换器的端视图。
图19C示出逆回旋加速器转换器中离子的轨道。
图20Α示出局部的等离子体发电系统，其包括被耦合于逆回旋加速器转换器的替换实施例的碰撞束聚变反应堆。
图20Β示出图20Α中的逆回旋加速器转换器的端视图。
图21Α示出常规回旋加速器内的粒子軌道。
图2IB示出振荡电场。
图21C示出加速粒子的变化的能量。
图22示出有角速度的离子所经历的ICC电极之间的间隙处的方位角电场。
图23示出聚焦四极偶极子透镜。
图24Α和24Β示出附属磁场线圈系统。
图25示出100MW反应堆。
图26示出反应堆支持设备。
图27示出等离子体推力推进系统。
具体实施方式
如图中所示，本发明的等离子体发电系统优选地包括被耦合于直接能量转换系统的碰撞束聚变反应堆。如以上提到的，理想的聚变反应堆解决了离子和电子两者的反常输运的问题。在此发现的对反常输运的问题的解决方案利用了有具有场反转配置(FRC)的磁场的约束系统。以以下方式通过FRC中的磁性约束来避免离子的反常输运使大多数离子具有大的、非绝热轨道，从而使它们对导致绝热离子反常输运的短波长波动不敏感。具体而言，磁场消失的FRC中的区域的存在使得有可能具有包括大多数非绝热离子的等离子体。对于电子，通过转变外部施加的磁场以产生强电场，能量的反常输运被避免，所述强电场在静电上将电子约束于深势阱中。
可与本约束设备和过程一起使用的聚变燃料等离子体不局限于中子燃料如D-D (氣-氣)或D-T (氣-氣)，而是有利地包括高级或aneutronic燃料，如D-He3(氘-氦-3)或ρ-Β11(氢-硼-11)。(对于高级燃料的讨论，见R. Feldbacher&M.Heindler NuclearInstruments and Methods in Physics Research A271 (1998)JJ-64 (North Holland Amsterdam))。对于这样的aneutronic燃料,聚变反应能量几乎全部是带电粒子即高能离子的形式，其可在磁场中被操纵，并且依赖于燃料，导致少或没有的放射性。D-He3反应产生H离子和He4离子以及18. 2MeV的能量，而p-Β11反应产生三个He4离子和8. 7MeV的能量。例如，在用于利用aneutronic燃料的聚变装置的理论模型的基础上，输出能量转换效率可以高达大约90%,如K. Yoshikawa, T. Noma和Y. Yamamoto在FusionTechnology, 19,870 (1991)中所述。在可按比例缩放(1-1000MW)、紧凑、低成本的配置中，这样的效率显著地促进了 aneutronic聚变的前景。
在本发明的直接能量转换过程中，聚变产物的带电粒子可被减慢并且其动能可被直接转换为电。有利的是，本发明的直接能量转换系统具有效率、粒子能量容差和电子能力来转换大约5MHz的聚变输出功率的频率和相位以匹配外部60赫兹电力网的频率和相位。
聚变约束系统
图I说明依照本发明的约束系统300的优选实施例。约束系统300包括室壁305，其约束其中的室310。优选的是，室310是圆柱形，有沿室310的中心的主轴315。为将该约束系统300应用于聚变反应堆，有必要在室310中产生真空或近似的真空。与主轴315同心的是电子感应加速器通量线圈320，其位于室310中。电子感应加速器通量线圈320包括电流载运介质，如所示，其适合于绕长线圈引导电流，该长线圈优选地包括多个分离的线圈的平行绕组，并且最优选的是大约四个分离的线圈的平行绕组，从而形成长线圈。本领域的技术人员将理解，通过电子感应加速器线圈320的电流将导致基本上在主轴315的方向上的电子感应加速器线圈320内的磁场。
绕室壁305外的是外部线圈325。外部线圈325产生相对恒定的磁场，其具有基本上与主轴315平行的通量。该磁场在方位角上是对称的。磁场由于外部线圈325而恒定且平行于轴315的近似在远离室310的末端时是最有效的。在室310的每个末端处的是磁镜线圈330。磁镜线圈330适合于在姆个末端产生室310内的增加的磁场，由此在姆个末端处使磁场线向内弯曲。(见图8和10)。如所说明的，场线的这种向内弯曲有助于将等离子体335蕴含于通常在磁镜线圈330之间的室310内的蕴含区域中，这是通过将其推离末端而进行的，在这里其可逸出(escape)约束系统300。磁镜线圈330可适合于借助本领域已知的各种方法在末端产生增加的磁场，所述方法包括增加磁镜线圈330中的绕组的数量，增加逸出磁镜线圈330的电流，或将磁镜线圈330与外部线圈325重叠。
外部线圈325和磁镜线圈330在图I中示出，其在室壁305外实施；然而，它们可在室310内。在室壁305被构建为传导性材料如金属的情况下，可能有利的是将线圈325、330置于室壁305内，这是因为磁场扩散经过壁305所用的时间可以是相对大的，由此导致系统300缓慢地反应。类似地，室310可以是空圆柱的形状，室壁305形成长的环形圏。在这种情况下，电子感应加速器通量线圈320可在室壁305外在所述环形圈的中心实施。优选的是，形成环形圈中心的内壁可包括非传导性材料，如玻璃。如将成为显然的，室310必须有足够的尺寸和形状以允许循环等离子体束或层335在给定半径上绕主轴315旋转。
室壁305可由诸如钢的具有高磁导率的材料形成。在此情况下，由于材料中的感应反向电流，室壁305有助于抑制磁通量逸出室310，从而“压缩”它。如果室壁待由诸如普列克斯玻璃的具有低磁导率的材料制成，则用于蕴含磁通量的另ー种装置将是必要的。在此情况下，一系列闭环、平金属圈可被提供。本领域已知为通量限定器(fluxdelimiter)的这些圈将被提供于外部线圈325内但在循环等离子体束335外。此外，这些通量限定器可以是无源或有源的，其中有源通量限定器将用预定电流来驱动以较大地促进室310内的磁通量的蕴含。可替换的是，外部线圈325本身可用作通量限定器。
如在以下更详细说明的，包括带电粒子的循环等离子体束3 35可由洛伦兹カ蕴含于室310内，该洛伦兹カ是由外部线圈325产生的磁场而导致的。同样，等离子体束335中的离子在磁性上被蕴含于来自外部线圈325的通量线附近的大电子感应加速器轨道中，该通量线平行于主轴315。ー个或多个束注入端ロ 340亦被提供用于将等离子体离子添加给室310中的循环等离子体束335。在优选实施例中，注入器端ロ 340适合于在距离主轴315的大约相同的半径位置处注入离子束，在这里循环等离子体束335被蕴含(即，在以下描述的零表面周围)。此外，注入器端ロ 340适合于相切于所蕴含的等离子体束335的电子感应加速器轨道而注入离子束350或在其方向上注入离子束350 (见图16)。
亦提供了ー个或多个背景等离子体源345，用于将大量非高能的等离子体注入到室310中。在优选实施例中，背景等离子体源345适合于将等离子体335导向室310的轴中心。已发现这样引导等离子体有助于较好地蕴含等离子体335并导致室310中的蕴含区域中的等离子体335的较高密度。
FRC中的带电粒子
图2示出FRC 70的磁场。该系统具有相对于其轴78的圆柱对称。在FRC中，有两个区域的磁场线开放的80和闭合的82。划分两个区域的表面被称为分界线(separatrix)84。FRC形成磁场消失的圆柱零表面。在FRC的中心部分88中，磁场在轴向上不明显地变化。在末端90，磁场在轴向上确实明显变化。沿中心轴78的磁场反转FRC中的方向，这产生了场反转配置(FRC)中的术语“反转”。
在图3A中，零表面94外的磁场处于第一方向96。零表面94内的磁场处于与第一相対的第二方向98。如果离子在方向100上移动，则作用于其的洛伦兹力30指向零表面94。这可通过应用右手规则而容易地理解。对于在抗磁性方向102上移动的粒子，洛伦兹カ总是指向零表面94。这种现象产生了将在以下描述的被称为电子感应加速器轨道的粒子轨道。
图3B示出在反抗磁性方向104上移动的离子。该情况下的洛伦兹力离开零表面94而指向。这种现象产生了将在以下描述的被称为漂移轨道的轨道类型。用于离子的抗磁性方向是用于电子的反抗磁性，并且反之亦然。
图4示出在离子的抗磁性方向102上旋转的等离子体106的圈或环形层。圈106位于零表面94周围。由环形等离子体层106产生的磁场108与外部施加的磁场110组合形成具有FRC拓朴的磁场(该拓朴在图2中示出)。
形成等离子体层106的离子束具有温度；因此，离子的速度形成以离子束的平均环形速度旋转的框架中的麦克斯韦分布。不同速度的离子之间的碰撞导致聚变反应。为此，等离子体束层或功率核心106被称为碰撞束系统。
图5示出碰撞束系统中的离子轨道的主要类型，其被称为电子感应加速器轨道112。电子感应加速器轨道112可被表示为以零圆114为中心的正弦波。如以上所说明的，零圆114上的磁场消失。轨道112的平面垂直于FRC的轴78。该轨道112中的离子从起始点116处在其抗磁性方向102上移动。电子感应加速器轨道中的离子具有两种运动半径方向(垂直于零圆114)上的振荡，以及沿零圆114的平移。
图6A是FRC中的磁场118的曲线图。该曲线图的水平轴表示距离FRC轴78的以厘米表示的距离。磁场以千高斯为单位。如该曲线图所述，磁场118在零圆半径120处消失。
如图6B中所示，在零圆附近移动的粒子将看到远离零表面86而指向的磁场的梯度126。零圆外的磁场处于第一方向122,而零圆内的磁场处于与第一相对的第二方向。梯 度漂移的方向由叉积给出，其中是磁场的梯度；这样，可通过右手规则理解，梯
度漂移的方向处于反抗磁性方向，而不管离子在零圆128外或内。
图7A是FRC中的电场130的曲线图。该曲线图的水平轴表示距离FRC轴78的以厘米表示的距离。电场以伏特/cm为单位。如该曲线图所述，电场130在零圆半径120处消失。
如图7B中所示,用于离子的电场是解约束的(deconfining);其远离零表面86而指向方向132、134。跟以前一祥，磁场处于零表面86的内和外的相对方向122、124上。通过应用右手规则可理解，ExB漂移的方向处于抗磁性方向102上，而不管离子在零表面136外或内。
图8A和8B示出FRC中的另ー种类型的常见(common)轨道，被称为漂移轨道138。漂移轨道138可在零表面114外，如图8A中所示，或在其内，如图8B中所示。如果漂移占优，则漂移轨道138在抗磁性方向上旋转，或如果梯度漂移占优，则在反抗磁性方向上旋转。图8Α和8Β中所示的漂移轨道138从起始点116在抗磁性方向上旋转。
如图8C中所示的漂移轨道可认为是在相对较大的圆上滚动的小圆。小圆142在方向144上绕其轴自旋。它亦在方向102上在大圆146上滚动。点140将在空间上描绘(trace)类似于Π8的路径。
图9A和9B示出在FRC 151末端的洛伦兹力的方向。在图9A中，示出了一个离子在磁场150中以速度148在抗磁性方向102上移动。通过应用右手规则可理解，洛伦兹力152趋向于将该离子推回到闭合场线的区域中。因此，在此情况下，洛伦兹力152正在约束该离子。在图9B中，示出了一个离子在磁场150中以速度148在反抗磁性方向102上移动。通过应用右手规则可理解，洛伦兹力152趋向于将该离子推回到开放场线的区域中。因此，在此情况下，洛伦兹力152在对该离子解约束。
FRC中的磁约束和静电约束
通过在离子的抗磁性方向102上绕零表面86注入高能离子束，等离子体层106 (见图4)可在FRC中被形成。(形成FRC和等离子体圈的不同方法的详细讨论如下)。在循环等离子体层106中，大多数离子具有电子感应加速器轨道112 (见图5)，是高能的，并且是非绝热的；这样，它们对导致反常输运的短波长波动是不敏感的。[0089]在形成于FRC中的等离子体层106中并且在平衡条件下，动量的守恒强加了离子角速度Oi和电子角速度COe之间的关系。该关系为
权利要求
1.一种等尚子体电功率生成系统，包括 具有主轴(315)和維持真空或近似真空状态的真空室(310)， 第一外部线圈(325，425)，用于在所述真空室的中央区域内产生具有基本上平行于所述真空室的主轴的通量(480)的方位角对称磁场， 位于所述第一外部线圈每ー侧的第一和第二磁镜线圈(330)， 与所述真空室的主轴同心的电流线圈(320)，用于在所述真空室内生成方位角电场，在所述真空室的第一端区域形成圆柱面的第一组三个或更多的电极(494)，其中所述三个或更多的电极以间隔关系在相邻电极之间形成细长间隙(497)，其中所述三个或更多的电极形成具有多于两个极的多极结构的电场， 第二外部线圈(488)，用于在所述真空室的第一端区域内产生具有基本上平行于所述真空室的主轴的通量(496)的方位角对称磁场，其中由所述第一外部线圈产生的磁场与由所述第二外部线圈产生的磁场合并在一起，以形成対称的磁尖(486)， 插入所述第一和第二外部线圈并且邻近所述三个或更多的电极的第一端的环形电子收集器(490)，该环形电子收集器被置于磁尖周围，和 邻近所述三个或更多的电极的第二端放置并且耦合于所述环形电子收集器的离子收集器(492)。
2.根据权利要求
I所述的系统，进一歩包括 在所述真空室的第二端区域形成圆柱面的第二组三个或更多的电极，其中所述第二组三个或更多的电极以间隔关系在相邻电极之间形成细长间隙， 第三外部线圈，用于在所述真空室的第二端区域内生成具有基本上平行于所述真空室的主轴的通量的方位角对称磁场，其中由所述第一外部线圈产生的磁场与由所述第三外部线圈产生的磁场合并在一起，以形成対称的磁尖， 插入所述第一和第三外部线圈并且邻近所述第二组三个或更多的电极的第一端的第ニ环形电子收集器，和 邻近所述第二组三个或更多的电极并耦合于所述第二环形电子收集器的第二端放置的第二离子收集器。
3.一种等离子体电功率生成系统,包括 碰撞束聚变反应堆(410)，具有圆柱形真空室(310)和置于所述真空室周围的第一外部线圈(425)，以及由于在所述真空室内由所述第一外部线圈产生的磁场而部分形成的场反转配置磁场，和 与所述聚变反应堆的第一端耦合的逆回旋加速器能量转换器(420)，所述转换器包括 形成圆柱面并且以间隔关系在相邻电极之间形成间隙(497)的三个或更多的电极(494)， 第二外部线圈(488)，用于在所述逆回旋加速器能量转换器内产生磁场，由所述第一外部线圈产生的磁场与由所述第二外部线圈产生的磁场合并在一起，以形成対称的磁尖， 插入 所述第一和第二外部线圈并且邻近所述三个或更多的电极的第一端的环形电子收集器，该环形电子收集器被置于磁尖周围，和 邻近所述三个或更多的电极的第二端放置并且耦合于所述环形电子收集器的离子收集器。
4.根据权利要求
3所述的系统，进一歩包括与所述聚变反应堆的第二端耦合的逆回旋加速器能量转换器。
5.根据权利要求
4所述的系统，其中所述聚变反应堆进一歩包括与所述真空室的主轴(315)同心的并且放置在功率核心区域(436)内的电流线圈(320)。
6.根据权利要求
I和3中任意一项所述的系统，进一歩包括与所述三个或多个电极耦合的谐振电路。
7.根据权利要求
I和3中任意一项所述的系统，进一歩包括与所述三个或多个电极耦合的槽路。
8.根据权利要求
I和3中任意ー项的系统，其中所述第一和第二外部线圈包括关于所述真空室放置的环形场线圈，其中由所述第一外部线圈的场线圈产生的磁场的场线在与由所述第二外部线圈的场线圈产生的磁场的场线相反的方向上延伸。
9.根据权利要求
I和3中任意一项所述的系统，其中所述环形电子收集器和离子收集器是电稱合的。
10.根据权利要求
I和3中任意一项所述的系统，其中所述三个或多个电极是对称的。
11.根据权利要求
10所述的系统，其中所述第一外部线圈进一歩包括第一和第二组磁镜线圈(330)，所述第一和第二组磁镜线圈关于所述真空室以间隔的关系放置并且在其间限定了功率核心区域(436)。
12.根据权利要求
I和3中任意一项所述的系统，进ー步包括与所述真空室耦合的等离子体注入器(345)。
13.根据权利要求
12所述的系统，其中所述等离子体注入器被轴向地定向以朝所述真空室的中间平面注入等离子体。
14.根据权利要求
I和3中任意一项所述的系统，其中所述第一外部线圈是可调的。
15.根据权利要求
14所述的系统，进一歩包括与所述第一外部线圈耦合的控制系统。
16.根据权利要求
I和5中任意一项所述的系统，其中所述电流线圈是电子感应加速器通量线圈。
17.根据权利要求
I和5中任意一项所述的系统，其中所述电流线圈包括多个独立线圈的并联绕组。
18.根据权利要求
I和3中任意一项所述的系统，进ー步包括与所述真空室耦合的离子束注入器(340)。
19.根据权利要求
18所述的系统，其中所述离子束注入器包括用于中性化从所述离子束注入器发射的离子束的电荷的装置。
20.一种在权利要求
I或3的等离子体电功率生成系统中的等离子体电功率生成处理方法，包括以下步骤 所述真空室内在环形等离子体周围产生具有场反转配置FRC的磁场，其中内部磁场线在与外部磁场线相反的方向上延伸， 将所述等离子体约束在所述真空室内，该等离子体具有等离子体离子和等离子电子， 在场反转配置FRC内产生成聚变产物离子，和 将从场反转配置FRC出现的聚变产物离子的动能转换成电功率。
21.根据权利要求
20所述的处理方法，其中转换聚变产物离子的动能的步骤包括引导聚变产物离子通过减速电场并且将聚变产物离子减速。
22.根据权利要求
21所述的处理方法，进ー步包括生成減速电场的步骤。
23.根据权利要求
21和22中任意一项所述的处理方法，其中所述减速电场是包括三个或更多极的多极细长电场。
24.根据权利要求
21和22中任意一项所述的处理方法，进ー步包括从场反转配置FRC以环形束的形式出现聚变产物离子并且引导所述聚变产物离子沿着螺旋路径通过所述减速电场的步骤。
25.根据权利要求
23所述的处理方法，进ー步包括从场反转配置FRC以环形束的形式出现聚变产物离子并且引导所述聚变产物离子沿着螺旋路径通过所述減速电场的步骤。
26.根据权利要求
21、22和25中任意一项所述的处理方法，其中生成減速电场的步骤包括向以间隔关系在相邻电极之间形成细长间隙的三个或更多细长电极施加振荡电势，所述三个或更多细长电极在所述真空室内形成圆柱形的腔。
27.根据权利要求
23所述的处理方法，其中生成減速电场的步骤包括向以间隔关系在相邻电极之间形成细长间隙的三个或更多细长电极施加振荡电势，所述三个或更多细长电极在所述真空室内形成圆柱形的腔。
28.根据权利要求
24所述的处理方法，其中生成減速电场的步骤包括向以间隔关系在相邻电极之间形成细长间隙的三个或更多细长电极施加振荡电势，所述三个或更多细长电极在所述真空室内形成圆柱形的腔。
29.根据权利要求
23所述的处理方法，其中生成多极细长电场的步骤包括在形成于所述三个或更多电极之间的细长间隙的两端生成方位角电场。
30.根据权利要求
27所述的处理方法，其中生成多极细长电场的步骤包括在形成于所述三个或更多电极之间的细长间隙的两端生成方位角电场。
31.根据权利要求
25、27、28和29中任意一项所述的处理方法，进ー步包括在所述真空室内生成第一和第二施加的磁场的步骤，其中所述第一和第二施加的磁场的单向场线在相对的方向上延伸。
32.根据权利要求
24所述的处理方法，进ー步包括在所述真空室内生成第一和第二施加的磁场的步骤，其中所述第一和第二施加的磁场的单向场线在相対的方向上延伸。
33.根据权利要求
26所述的处理方法，进ー步包括在所述真空室内生成第一和第二施加 的磁场的步骤，其中所述第一和第二施加的磁场的单向场线在相対的方向上延伸。
34.根据权利要求
30所述的处理方法，进ー步包括在所述真空室内生成第一和第二施加的磁场的步骤，其中所述第一和第二施加的磁场的单向场线在相対的方向上延伸。
35.根据权利要求
31所述的处理方法，进ー步包括连接第一和第二施加的磁场的场线以形成磁尖的步骤。
36.根据权利要求
32-34中任意一项所述的处理方法，进ー步包括连接第一和第二施加的磁场的场线以形成磁尖的步骤。
37.根据权利要求
24所述的处理方法，进ー步包括步骤 在所述真空室内生成第一和第二施加的磁场，其中所述第一和第二施加的磁场的单向场线在相对的方向上延伸，连接第一和第二施加的磁场的场线以形成磁尖，和 引导所述环形束通过所述磁尖的步骤。
38.根据权利要求
25所述的处理方法，进ー步包括步骤 在所述真空室内生成第一和第二施加的磁场，其中所述第一和第二施加的磁场的单向场线在相对的方向上延伸， 连接第一和第二施加的磁场的场线以形成磁尖，和 引导所述环形束通过所述磁尖的步骤。
39.根据权利要求
37和38中任意一项所述的处理方法，进ー步包括将基本上所有聚变产物离子的轴向能量转换成旋转能量的步骤。
40.根据权利要求
39所述的处理方法，进ー步包括收集来自环形束的电荷中和的电子作为跟随所述磁尖的磁场线的电子的步骤。
41.根据权利要求
40所述的处理方法，进ー步包括一旦聚变产物离子的能量被转换成电能就收集所述聚变产物离子的步骤。
42.根据权利要求
41所述的处理方法，进ー步包括调节从离子能量转换的电能以匹配现有的电カ网的步骤。
43.根据权利要求
42所述的处理方法，进ー步包括在所述真空室内产生静电场的步骤。
44.根据权利要求
43所述的处理方法,其中所述静电场具有对应于第一施加的磁场的幅度的幅度。
45.根据权利要求
42和43中任意一项所述的处理方法，其中产生静电场的步骤包括以下步骤 以预定的幅度向真空室施加第一施加的磁场，和 以预定的速度将包括离子的束注入到场反转配置FRC内。
46.根据权利要求
45所述的处理方法，进ー步包括通过调节所述第一施加的磁场的幅度调节所述静电场的幅度的步骤。
47.根据权利要求
45所述的处理方法，进ー步包括调节所述第一施加的磁场以控制所述静电场的幅度的步骤。
48.根据权利要求
47所述的处理方法，进ー步包括在场反转配置FRC内磁性约束多个等离子体离子的步骤。
49.根据权利要求
48所述的处理方法，进ー步包括在所述静电场内静电约束多个等离子体电子的步骤。
50.根据权利要求
47所述的处理方法，其中调节施加的磁场的步骤包括调节所述静电场的幅度。
51.根据权利要求
43所述的处理方法，其中产生静电场的步骤包括在场反转配置FRC内在抗磁性方向上旋转等离子体并且由于等离子体电子离开该等离子体而生成多余的正电荷的步骤。
52.根据权利要求
51所述的处理方法，其中生成多余的正电荷的步骤包括在等离子体电子上施加洛伦兹力。
53.根据权利要求
49所述的处理方法，其中所述磁性约束步骤包括基本上经典包含所述等离子体离子，其中经典包含所述等离子体离子包括在约束结构内包含所述等离子体离子一个大于等离子体的燃烧时间的时间周期。
54.根据权利要求
53所述的处理方法，其中所述静电约束步骤包括基本上经典包含所述等离子体电子。
55.根据权利要求
53所述的处理方法，进ー步包括使等离子体离子在场反转配置FRC内在大半径电子感应加速器轨道上沿轨道运行，其中轨道半径超过造成波动的反常输运的波长。
56.根据权利要求
53所述的处理方法，进ー步包括旋转等离子体并且产生电流以形成围绕等离子体的磁自场的步骤。
57.根据权利要求
56所述的处理方法，进ー步包括组合第一施加的磁场和磁自场以形成所述场反转配置FRC磁场的步骤。
58.根据权利要求
57所述的处理方法，进ー步包括在所述约束结构内生成方位角电场的步骤。
59.根据权利要求
58所述的处理方法，进ー步包括将所述方位角电场耦合到等离子体离子和电子并且在所述等离子体离子和电子上施加有质动カ的力。
60.根据权利要求
59所述的处理方法，其中生成方位角电场的步骤包括増加流过通量线圈的电流。
61.根据权利要求
48所述的处理方法，进ー步包括冷却等离子体电子的步骤。
62.根据权利要求
48所述的处理方法，进ー步包括将来自静电场的电势能阱的能量传送到聚变产物离子的步骤。
63.根据权利要求
62所述的处理方法，其中所述等离子体包括至少两种不同的离子种类。
64.根据权利要求
56所述的处理方法，进ー步包括加速旋转等离子体到聚变相关的旋转能量的步骤。
65.根据权利要求
64所述的处理方法，进ー步包括将高能量离子束注入到场反转配置FRC中并且在场反转配置FRC内在电子感应加速器轨道上捕获所述束。
66.根据权利要求
46到48或63中任意一项所述的处理方法，其中所述离子束被基本上与第一施加的磁场横向地注入。
67.根据权利要求
45所述的处理方法,其中所述离子束被基本上与第一施加的磁场横向地注入。
68.根据权利要求
43所述的处理方法，其中产生静电场的步骤包括以对应于约束多个等离子体电子的静电场的幅度施加第一施加的磁场。
专利摘要
场反转配置中的受控聚变和直接能量转换，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。
文档编号G21BGKCN1874646 B发布类型授权 专利申请号CN 200610094539
公开日2012年10月3日 申请日期2002年3月18日
发明者H·J·蒙克霍尔斯特, N·罗斯托克 申请人:佛罗里达大学研究基金会, 加州大学评议会导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (2),