用于无中子和中子聚变的旋转高密度聚变反应器的制造方法
【专利说明】用于无中子和中子聚变的旋转高密度聚变反应器
[0001]相关申请的交叉引用以及优先权要求
[0002]本申请依据35U.S.C.§ 119(e)要求2013年3月11日提交的共同待决的临时申请序列号N0.61/776，592的优先权，该申请的全部内容通过引用合并到本申请中。
技术领域
[0003]本发明描述了利用中性粒子(neutral)进行聚变的能源技术。它涉及到通过核聚变产生能量的领域，其中两个原子聚变在一起形成第三原子从而释放能量，这是质量转换成能量的结果。
[0004]本发明提供了一种使用中性粒子而非带电粒子来产生聚变能的新方法。它描述了如何使中性粒子在一个紧凑的旋转结构中被加速，从而使它们之间实现反复的相互作用。
【背景技术】
[0005]自1950年以来，聚变研究已经持续了很多年，然而商用反应器的前景仍旧前路漫漫。带电粒子、不稳定性的存在和将反应系统维持在高温下所需的大量能量的约束，都使得这成为世界范围内最具挑战性的问题之一。许多方案已被提出，并试图约束用电磁装置加速的带电粒子。然而，到今天仍没有简单的低成本反应器出现。
[0006]本发明选择在中性粒子之间进行聚变，以获得非常高密度的粒子进行相互作用，例如，所获得的粒子密度与采用带电粒子所获得的可能粒子密度相比高四个数量级。本发明使用电流元件上的强磁力(几千牛顿)来通过离子-中性粒子耦合的原理驱动中性粒子。该设备的简单几何形状和紧凑性使得其成为聚变概念中的突破口。与带电粒子不同，在中性粒子彼此靠近直到它们达到亚原子尺寸时，中性粒子不会遇到库仑排斥。中性粒子-中性粒子相互作用的截面因此更高。
[0007]高密度的中性粒子使得其能够以显著速率产生能量以用于商业应用中。聚变速率正比于密度的平方。该技术不同于当今使用的带电粒子聚变，在带电粒子聚变中，因电离需要的能量和带电介质的不稳定性而很难实现高密度。
[0008]高密度的相互作用的粒子使得干净聚变(clean fus1n)成为可能，在该聚变中，聚变产物中没有中子。这样的聚变反应器的优点很多，其中一个优点是可在城市地区选址。其它优点是环境因素，包括低量核废料、低成本燃料和作为燃料的碳氢化合物的替代，从而避免温室气体的排放。
【发明内容】
[0009]该设备在高的中性粒子密度的情况下运行，以便即使对于低截面的相互作用元素而言仍然能够增加聚变反应速率。该速率与中性粒子密度的平方成正比。在一个实施方案中，这些中性粒子由位于轴向磁场中的两个同心电极所限定的环形区域内的非机械等离子体转子驱动。这些电极之间施加直流电压以获得径向直流电流I，该径向直流电流I在方位角方向上产生力E= ILXS，其中L是该电流沿其流动的长度L的径向向量。
[0010]环形区域中氢和硼原子之间的反复相互作用产生了足够的聚变反应来产生高能氦原子核，这些氦原子核可以被直接转换成电能或者热源以用于产生能量。低电离比率、高达几千牛顿的高驱动力F和高中性粒子密度下的反复相互作用组合起来使得其成为没有污染且放射性废物最小的系统。氢和硼都是丰富且非放射性的稳定元素。聚变产物，即高能双电荷氦原子核，使之高效地直接转换为电能。
[0011]该设备只需要一个由超导磁体和直流电源构成的简单的投资支出。取决于应用目的，它可以设计为50厘米到10米的尺寸。
[0012]另一个无中子(aneutronic)反应器使用质子锂(ρ-Li6)与He'He4的产物进行反应。在某些应用中，腔室内的电极上容易涂覆Li可能是源汇(source and sink)的一个优点。
[0013]上述使用大量中性粒子的技术还可以应用到D-T、D-D聚变中，在D-T、D-D聚变中，产物包括中子。资本投资和运行费用会因屏蔽和处理放射性物质而更高。然而，在这些聚变反应中，更低能量下的更大截面从某种程度上弥补了更高的投资和运营成本。
【附图说明】
[0014]图1示出了具有同心电极的P-B11聚变设备的一种配置。
[0015]图2示出一个高电流多触发放电电路，用以延长脉冲持续时间。
[0016]图3示出用于连续波放电的6千伏直流电源。
[0017]图4示出6千伏200安培直流电源电路。
[0018]图5示出一个脉冲与连续波组合的放电电路。
[0019]图6示出使用图5中的组合在中心棒上监测的典型等离子体放电。
[0020]图7示出根据本发明的聚变反应器的另一配置；以及
[0021]图8示出根据本发明的用于向聚变设备供给氢的系统的示意图。
【具体实施方式】
[0022]图2-4示出了脉冲电源和连续波(CW)电源的典型设计，其用于产生等离子体的预电离和持续旋转。
[0023]图1示出了具有同心电极的P-B11聚变设备的配置。提供了超导磁体11，其能够产生轴向磁场。腔室5具有冷却输入(cooling input) I ο腔室5还具有气体输入2。电力电源12连接到放电棒3。在腔室5内提供延伸的放电棒8。元件4是绝缘体。元件6是外部放电棒。元件7为硼板(boron disc)。元件10标示出了硼革El。元件9示出了等离子体。
[0024]多个脉冲电源被顺序触发，以产生脉冲序列来维持高旋转速度。这些脉冲被如此定时，以便在等离子体的导电性(conductivity)衰减到较低的值之前，下一个脉冲被接通以为旋转提供另一个径向电流。
[0025]在初始击穿以形成等离子体电流之后，维持该电流所需的电压被降低，如图6中所示，从而降低了功率需求。这个方案只需要低电离率(105)。离子和电子之间的重组率是最小的，因为离子和电子被中性粒子包围。维持如此低电离率所需的功率比维持完全电离所需的功率要低很多倍。
[0026]中性粒子和离子的旋转使用快门速度高达10万/秒的摄像机进行检测。通过遵循给定的不均勾性(inhomogeneity)，能够估计旋转速度。另一个方法是使用“激光标记”。将激光调谐到与离子线或中性粒子线相匹配的给定波长。使用具有过滤器的快速摄像机来在空间和时间中监测不同波长处的共振散射。另外，还可以使用调谐到给定波长的分光计和光纤。
[0027]每个元素都有旋转和静止两个分布，以使旋转的硼与静止的氢碰撞，反之亦然。B11的静止组分被提供在内电极和外电极处，而B11的旋转组分由力JXB提供。连续流动的氢由压力箱供给，以产生ι-?ο托的压力环境。
[0028]这些旋转硼与静止氢以及旋转氢与静止硼之间的反复相互作用产生了高速率的聚变，如以下等式中表示的:
[0029]dff/dt = np nb σ v Y聚变速率/立方厘米秒
[0030]其中，np、nb分别是质子和硼的密度；
[0031]σ是特定能量E处的聚变截面；
[0032]V是质子和硼之间的相对速度；
[0033]Y是每聚变反应的能量产量=8.7MeV
[0034]应当指出的是，nP既表示氢离子又表示中性粒子，因为对于聚变反应而言，中性粒子或离子都可参与聚变。
[0035]聚变平衡条件由每单位体积内的聚变输出大于能量输入给出:
[0036]dff/dt>VinIin/V
[0037]其中，
[0038]Vin =两个同心电极之间施加的电压
[0039]Iin=由施加的电压Vin产生的径向电流
[0040]V =中性粒子和离子由力JXB驱动的旋转区域的体积；能量输入来源于直流电压和两个电极之间施加的电流。
[0041]工作磁场通常在0.5-3T之间。电子沿轴向磁场的初始电离可用于提供用于预电离的电子和离子。两个同心圆柱之间的等离子体阻抗被降低，使得径向电流在同心圆柱之间流动。这一横跨磁场的径向放电电流主要通过横跨强磁场的离子迀移而发生，因为离子具有比电子大许多的轨道。力JXB使离子在方位角方向旋转。在高密度的情况下，离子和中性粒子之间的频繁碰撞使它们一起旋转。在我们的实验室等离子体中，对于I千伏的电压而言，观察到0.1欧姆的电阻和1KA的径向电流。该电流在2T的场和50厘米的半径中产生了 10000牛顿的力。在这种强大驱动力下，硼离子和中性粒子可以在10毫秒内达到100千电子伏的能量。这一量级的能量可以使聚变发生。
[0042]硼原子在50cm的半径下以3 X 15转/秒旋转，使得将达到100千电子伏的能量。当向着硼的旋转环形区域喷高压氢气时，能够发生氢-硼聚变反应。中性硼和氢原子的高密度(1isVcm3)有助于维持显著的聚变产量，即使截面仅仅为3X10 2Scm2。
[0043]在所有粒子以相同速率旋转的旋转区域中，假设固体自转(solid bodyrotat1n)，则如下面解释的，除非电子屏蔽降低了库仑势皇，否则用于聚变的元素之间将会有低的相对速度。但是，如果没有这种降低，旋转的硼和周围氢原子之间的相对速度将需要足够高以使聚变发生。反应速度取决于B11和氢气的能量。该设备可在高中性粒子密度的氢和硼的情况下运行，这是由于不存在因空间电荷导致的不稳定性。以脉冲或稳态或脉冲与稳态电压的组合的方式来施加高电压，从而在用作电极的放电棒8与放电棒6之间产生径向电流。该径向电流产生用于在方位角方向上推动离子的强扭矩，从而引起中性粒子与离子的碰撞以及共同旋转。此电源还产生连续脉冲链，使得径向电流被维持从而产生用于旋转离子和中性粒子的连续驱动力。脉冲和CW电压的组合用于使得旋转能量和输入电能