脉冲式微流控聚变冲程飞轮调控持续发电技术

本发明属于可控核聚变领域，具体涉及激光驱动、飞轮储能调控的可受控核聚变持续发电技术，即脉冲式微流控聚变冲程飞轮调控持续发电方法及设备。

背景技术：

1、目前核能的利用主要依靠核裂变和核聚变两种方式，并且人类已经实现可控核裂变，现有核发电站均采用核裂变反应堆进行发电。但是核裂变过程会产生大量核废料，核废料具有放射性，一旦处理不当就会对环境造成巨大伤害。而核聚变与核裂变的工作原理完全不同，聚变不会产生含有放射性的废料，且核聚变的原料为氘氚，为氢的同位素，可大量地从海水中提取。如何实现可控核聚变，是当今人类社会急需解决的一个世界级难题。我国在可控核聚变研究领域处于世界一流水平，例如位于安徽合肥的东方超环(east)—我国自主设计研发建造的核聚变反应器，创造了在1.2亿度高温下运行101秒的世界纪录。虽然我国在该领域的研究已取得较大进展，但距离实现商业化应用仍有很多的问题需要解决。当前诱发核聚变反应发生的方式主要有两种，分别为以托卡马克及东方超环为代表的磁约束和以神光为代表的惯性约束。磁约束核聚变的原理是利用磁场把超高温等离子体约束在特定区域处，避免与腔体内壁直接接触，使它受控制地发生核聚变反应。惯性约束为利用粒子的惯性约束自身，基本原理为利用激光驱动器提供的能量，使靶丸内部向心爆聚为高温、高密度状态，由用等离子体自身惯性作用，这些等离子体粒子还来不及向四周飞散的极短时间内，诱发其发生核聚变。该项聚变方式主要代表设备为美国的国家点火装置(nif)，中国的神光-ⅲ主机装置。核聚变的关键问题为如何实现反应的持续可控。

技术实现思路

1、本发明针对当前核聚变技术中存在的难以稳定持久地运行而无法对外输出稳定持续能量的难题，提出了脉冲式微流控聚变冲程飞轮调控持续发电技术。

2、本发明所述的脉冲式微流控聚变冲程飞轮调控持续发电技术包括方法及设备，脉冲式微流控聚变冲程飞轮调控持续发电方法，主要包括：

3、第一步：将蒸馏水通过水泵输送至包裹在托卡马克核聚变反应器外壁上的水冷壁换热层中，等待核聚变反应的发生；

4、第二步：向托卡马克核聚变反应装置中输送足以产生微型核聚变反应的微量氘氚气体燃料，再通过滴定管周期性地添加靶丸，靶丸表面附带有大量正电荷，靶丸内部压缩填充氘氚燃料，通过感应生电的方式，使靶丸表面附带大量正电荷，并用静电计测量靶丸所带电荷量。根据测得的靶丸所带电荷量调节外加电场电压大小，将第一个较大靶丸以一定初速度离开滴定管进入托卡马克核聚变反应腔，管道端部安装有速度传感器，检测靶丸速度，腔体内靶丸所受电场力与自身重力相平衡，靶丸做匀速直线运动。再结合下落高度由计算机计算出靶丸经过激光路径所需时间，在相应时间点启动高功率激光装置，实现精准打靶。微秒级的时间里兆瓦级别的能量轰击靶丸，闪电般高能流激光照射靶丸，靶丸产生大量高温等离子体辐射到球形镜面炉膛内壁，再经反射汇聚于靶丸中心，使靶丸温度急剧升高，靶丸内聚变气体压力剧增，诱发靶丸内部燃料核聚变，其中靶丸内氘氚燃料用量以温度达到峰值时炉内壁耐受为上限，以氘氚气体耗尽温度降低至聚变启动温度为下限，靶丸聚变释放大量能量加热托卡马克装置，使托卡马克内部温度快速升高，使托卡马克装置内微量氘氚气体发生核聚变，即以高能激光为点火装置，以靶丸内部氘氚燃料聚变为驱动器，代替传统电加热方式，使托卡马克核聚变反应器内部快速升高到聚变温度以上，诱发托卡马克核聚变反应器内部原有微量氘氚气体转变为高温等离子体，在磁场约束作用下，发生核聚变；

5、第三步：水冷壁层的蒸馏水吸收核聚变释放的能量降低托卡马克核聚变反应装置温度的同时转变为水蒸气，通过水蒸气管道输送至飞轮储能发电系统中的蒸汽集散器中，蒸汽集散器用以聚集水蒸气，提高系统发电效率及蒸馏水的循环利用能力，且避免其四处逃逸后与系统装置接触冷凝形成积水引发装置故障；

6、第四步：水蒸气通过蒸气导引管道持续冲击飞轮叶片使其旋转，将热能转化为机械能，且带动与飞轮同轴的磁感应线圈旋转，磁感应线圈切割定磁场磁感线，将机械能转化为电能，产生的电能通过电线一部分输送给激光装置，对激光装置反哺充能，一部分输送至外界供用电设备使用；

7、第五步：飞轮叶片在水蒸气的冲击下旋转的同时，带动底部螺旋叶片一同转动，螺旋叶片旋转产生向上的气流可将水蒸气输送至蒸气冷凝回流装置中进行冷却，冷凝水回流至储水装置中，等待冷却下一周期核聚变反应，从而实现蒸气—水循环，蒸气冷凝回流装置的表面分布有多条弧形沟槽，起到散热器的作用，此结构一方面增大散热面积，大幅度提高蒸气冷凝速率，另一方面可引导冷凝水沿着沟槽回流至储水装置中。

8、第六步：托卡马克核聚变反应器内部检测器检测到氘氚燃料耗尽完全之后，打开托卡马克核聚变反应器排气孔，内部腔体为高温高压环境，利用压力差，排出聚变废气；随后继续从第二步开始循环，使得核聚变可控并能持续地输出电能。

9、初始启动时从第一步开始，第一次使用的靶丸直径大一些，经过一个循环后，托卡马克腔体内由于发生了一次聚变，腔体内的温度已经很高，循环到第二次反应时，靶丸直径选择比初始时稍小，或者直径相同，内部的反应气体量减少。所以靶丸的规格至少有两个，初始反应用大靶丸和循环用靶丸。因为在微量的反应气中需要不断地输入靶丸，靶丸的管道数为n个。

10、本发明脉冲式微流控聚变冲程飞轮调控持续发电技术，在第二步中，向托卡马克核聚变反应装置中输送足以产生微型核聚变反应的微量氘氚气体燃料，为使微量氘氚气体燃料发生核聚变，输入多个靶丸，以形成靶丸串，减少聚变的温升幅度，延长冷却作用时间。

11、实现上述脉冲式微流控聚变冲程飞轮调控持续发电技术的设备包括托卡马克核聚变反应系统、高能脉冲激光系统、蒸汽——水循环系统和飞轮储能调控发电系统，各系统安装在基座固定位置上，托卡马克核聚变反应系统包括核聚变水冷壁换热层、水蒸气输送管道、托卡马克核聚变反应装置和n个靶丸滴定管，n为大于等于2的整数，n根据靶丸规格的数量确定。

12、所述的核聚变水冷壁换热层均匀包裹在核聚变反应装置托卡马克反应腔体外壁，外形与托卡马克反应腔体外侧一致，与托卡马克反应腔体外侧围成一相对封闭区域，封闭区域处有其他系统的安装部位。

13、所述的核聚变反应装置采用磁约束聚变方式，固定在整个设备内部中心处，外侧沿最大直径方向均匀地分布有m个微孔，m个激光装置固定器均匀地排布在托卡马克周围，固定在水蒸气冷凝装置凸起处，玻璃激光管道端部深入微孔内部，并用密封装置对缝隙处进行处理，其中m取6-10为宜，根据聚变反应需要的温度确定；a个飞轮储能调控发电系统上下交叉分层均匀排布在托卡马克核聚变反应器周围，均固定在水蒸气冷凝装置底部或凸起处，a取6-12为宜，根据蒸汽发生量确定。

14、所述的n个靶丸滴定管连通托卡马克反应腔，上端接有靶丸滴定枪，管道内存在外置电场。所述的靶丸通过感应生电的方式，使靶丸表面附带正电荷，并用静电计测量靶丸表面的电荷量。所述的靶丸在进入管道之前，由于重力作用做自由落体运动，进入管道后有初速度，此时重力和电场力平衡，靶丸做匀速运动。

15、高能脉冲激光系统的激光，来源于可产生兆瓦级别高能激光发射装置，高功率激光薄膜反射元件安装在激光装置固定器内部支架上，激光装置固定器通过外肋板放置在内部底板支架上，激光装置外接激光头，内部轴线处安装高功率激光薄膜反射元件，激光头对焦安装在高功率激光薄膜反射元件。激光头发出的激光照射在托卡马克核聚变反应装置内部的靶丸上。靶丸进入管道后做匀速运动，可通过计算得靶丸经过激光路径所需时间，在相应时间点启动激光装置，使激光头发出的激光精准照射在装置内部的靶丸上。激光照射产生的能量，经过高功率激光薄膜反射元件后，得到汇聚增强，激光充能装置为大型充放电电池，充放电功率需达到兆瓦级别。微秒级的时间里兆瓦级别的能量轰击靶丸，闪电般高能流激光照射靶丸，靶丸产生大量高温等离子体辐射到球形镜面炉膛内壁，再经反射汇聚于靶丸中心，使靶丸温度急剧升高到聚变温度。

16、蒸汽—水循环系统包括抽水泵、蒸馏水输送管道、水冷壁层冷却管道、水蒸气导引管道、蒸气冷凝回流装置。

17、所述的抽水泵安装在蒸气冷凝回流装置外侧，成环形均匀排布，抽水泵抽水口连通集水装置，输水口连通蒸馏水输送管道。

18、所述的蒸馏水输送管道一端通过螺钉安装在抽水泵出水口，一端连通水冷壁换热层。

19、所述的水冷壁层冷却管道焊接内嵌固定在水冷壁换热层内，外壁紧贴托卡马克核聚变反应器外层，成环形围绕托卡马克核聚变反应器一周，托卡马克核聚变反应器外侧布满水冷壁层冷却管道，管道一端连通水蒸气导引管道，一端连通蒸馏水输送管道。

20、所述的水蒸气导引管道一端连通水冷壁层冷却管道，一端连通蒸气冷凝回流装置。

21、所述的蒸气冷凝回流装置为圆锥斜面、柱面与半球形弧面组成，圆锥斜面呈正伞形，为内层，焊接在水蒸气冷凝装置内层顶面，圆柱形面为外层，储存冷凝后的蒸馏水，半球形弧面焊接在水蒸气冷凝装置外层，蒸气导引管道一端外伸出圆锥斜面，位于两面之间。

22、多个独立的飞轮储能发电系统周向层叠式均匀排布在托卡马克核聚变反应器周围。每个飞轮储能发电系统包括飞轮转子、飞轮叶片、固定轴、螺旋叶片、磁感应线圈、定磁场、连接器、紧固螺钉、滚动轴承、端盖、蒸汽集散装置和电线。

23、所述的磁感应线圈、螺旋叶片、飞轮转子、飞轮叶片均通过键、轴肩与固定轴连接，同固定轴一起旋转，固定轴从上到下依次为滚动轴承、定磁石一、磁感应线圈、飞轮转子、飞轮叶片、螺旋叶片及定磁石二，定磁石一、定磁石二磁极相反。

24、所述的磁感应线圈包裹在线圈盒内，线圈盒固连在定磁石下方。

25、所述的固定轴与滚动轴承内圈过盈配合，通过轴肩轴向定位，滚动轴承外圈安装在斜端盖内，为过盈配合。

26、所述的飞轮转子固定在连接器上，连接器固定在固定轴上。

27、所述的定磁石一固定在飞轮系统外壳底部内侧，定磁石二固定在端盖内侧顶面。

28、所述的蒸气集散装置安装在斜面端盖底部，包裹住飞轮转子、飞轮叶片及螺旋叶片。

29、托卡马克核聚变反应系统的核聚变水冷壁换热层连通蒸汽—水循环系统的蒸馏水输送管道和蒸气导引管道，其中蒸气导引管道还连通飞轮储能发电系统。飞轮储能发电系统上连蒸汽—水循环系统的蒸气冷凝输送管道，使高温水蒸气冷凝回蒸馏水。高能脉冲激光系统的激光路线经过靶丸下落路径，实现精准打靶。

30、本发明激光脉冲式微流控聚变冲程飞轮调控持续发电技术，其优点和积极效果有：将取得成功的东方超环为代表的托卡马克的磁约束与以神光为代表的惯性约束相结合，通过靶丸引爆核聚变，通过微流控方式控制聚变产生的最高温度；靶丸悬浮于炉膛固定区域中，利用激光和等离子技术，直接照射靶丸，冷却产生蒸汽带走聚变的热量，剩余的温度能够使靶丸聚变继续，实现聚变的连续可控；以飞轮为能量传递媒介、高能激光为点火装置，以靶丸内部氘氚燃料聚变为驱动器，实现了核能向电能的转化，保证了整个系统的核聚变反应能够稳定、可控地进行，为可受控核聚变技术领域的研究提供了一条可行的思路。