用于無(wú)中子和中子聚變的旋轉(zhuǎn)高密度聚變反應(yīng)器制造技術(shù)

聚變?cè)O(shè)備在沒有中子的情況下以“無(wú)中子聚變”方式產(chǎn)生中性原子和離子的聚變，因?yàn)楫a(chǎn)物在高中性粒子密度下利用強(qiáng)離子-中性粒子耦合。離子和中性粒子因頻繁碰撞而在圓柱形腔室內(nèi)一起旋轉(zhuǎn)。高磁力使得有可能達(dá)到高旋轉(zhuǎn)能量；介質(zhì)中的磁場(chǎng)因不存在磁荷而能夠被設(shè)置在非常高的值處。在方位角方向上通過(guò)強(qiáng)磁力進(jìn)行反復(fù)加速使得有可能獲得非常高的離子速度。聚變主要發(fā)生在中性粒子之間。該方法也能夠應(yīng)用于具有中子情況下的聚變。在產(chǎn)生高能高密度的中性粒子時(shí)，傳統(tǒng)聚變方案和中子源能夠使用上面描述的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】用于無(wú)中子和中子聚變的旋轉(zhuǎn)高密度聚變反應(yīng)器相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用以及優(yōu)先權(quán)要求本申請(qǐng)依據(jù)35U.S.C.§119(e)要求2013年3月11日提交的共同待決的臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)No.61/776,592的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用合并到本申請(qǐng)中。
本專利技術(shù)描述了利用中性粒子(neutral)進(jìn)行聚變的能源技術(shù)。它涉及到通過(guò)核聚變產(chǎn)生能量的領(lǐng)域，其中兩個(gè)原子聚變?cè)谝黄鹦纬傻谌訌亩尫拍芰浚@是質(zhì)量轉(zhuǎn)換成能量的結(jié)果。本專利技術(shù)提供了一種使用中性粒子而非帶電粒子來(lái)產(chǎn)生聚變能的新方法。它描述了如何使中性粒子在一個(gè)緊湊的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中被加速，從而使它們之間實(shí)現(xiàn)反復(fù)的相互作用。
技術(shù)介紹
自1950年以來(lái)，聚變研究已經(jīng)持續(xù)了很多年，然而商用反應(yīng)器的前景仍舊前路漫漫。帶電粒子、不穩(wěn)定性的存在和將反應(yīng)系統(tǒng)維持在高溫下所需的大量能量的約束，都使得這成為世界范圍內(nèi)最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。許多方案已被提出，并試圖約束用電磁裝置加速的帶電粒子。然而，到今天仍沒有簡(jiǎn)單的低成本反應(yīng)器出現(xiàn)。本專利技術(shù)選擇在中性粒子之間進(jìn)行聚變，以獲得非常高密度的粒子進(jìn)行相互作用，例如，所獲得的粒子密度與采用帶電粒子所獲得的可能粒子密度相比高四個(gè)數(shù)量級(jí)。本專利技術(shù)使用電流元件上的強(qiáng)磁力(幾千牛頓)來(lái)通過(guò)離子-中性粒子耦合的原理驅(qū)動(dòng)中性粒子。該設(shè)備的簡(jiǎn)單幾何形狀和緊湊性使得其成為聚變概念中的突破口。與帶電粒子不同，在中性粒子彼此靠近直到它們達(dá)到亞原子尺寸時(shí)，中性粒子不會(huì)遇到庫(kù)侖排斥。中性粒子-中性粒子相互作用的截面因此更高。高密度的中性粒子使得其能夠以顯著速率產(chǎn)生能量以用于商業(yè)應(yīng)用中。聚變速率正比于密度的平方。該技術(shù)不同于當(dāng)今使用的帶電粒子聚變，在帶電粒子聚變中，因電離需要的能量和帶電介質(zhì)的不穩(wěn)定性而很難實(shí)現(xiàn)高密度。高密度的相互作用的粒子使得干凈聚變(cleanfusion)成為可能，在該聚變中，聚變產(chǎn)物中沒有中子。這樣的聚變反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)很多，其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可在城市地區(qū)選址。其它優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境因素，包括低量核廢料、低成本燃料和作為燃料的碳?xì)浠衔锏奶娲瑥亩苊鉁厥覛怏w的排放。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
該設(shè)備在高的中性粒子密度的情況下運(yùn)行，以便即使對(duì)于低截面的相互作用元素而言仍然能夠增加聚變反應(yīng)速率。該速率與中性粒子密度的平方成正比。在一個(gè)實(shí)施方案中，這些中性粒子由位于軸向磁場(chǎng)中的兩個(gè)同心電極所限定的環(huán)形區(qū)域內(nèi)的非機(jī)械等離子體轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)。這些電極之間施加直流電壓以獲得徑向直流電流I，該徑向直流電流I在方位角方向上產(chǎn)生力F＝IL×B，其中L是該電流沿其流動(dòng)的長(zhǎng)度L的徑向向量。環(huán)形區(qū)域中氫和硼原子之間的反復(fù)相互作用產(chǎn)生了足夠的聚變反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生高能氦原子核，這些氦原子核可以被直接轉(zhuǎn)換成電能或者熱源以用于產(chǎn)生能量。低電離比率、高達(dá)幾千牛頓的高驅(qū)動(dòng)力F和高中性粒子密度下的反復(fù)相互作用組合起來(lái)使得其成為沒有污染且放射性廢物最小的系統(tǒng)。氫和硼都是豐富且非放射性的穩(wěn)定元素。聚變產(chǎn)物，即高能雙電荷氦原子核，使之高效地直接轉(zhuǎn)換為電能。該設(shè)備只需要一個(gè)由超導(dǎo)磁體和直流電源構(gòu)成的簡(jiǎn)單的投資支出。取決于應(yīng)用目的，它可以設(shè)計(jì)為50厘米到10米的尺寸。另一個(gè)無(wú)中子(aneutronic)反應(yīng)器使用質(zhì)子鋰(p-Li6)與He3、He4的產(chǎn)物進(jìn)行反應(yīng)。在某些應(yīng)用中，腔室內(nèi)的電極上容易涂覆Li可能是源匯(sourceandsink)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。上述使用大量中性粒子的技術(shù)還可以應(yīng)用到D-T、D-D聚變中，在D-T、D-D聚變中，產(chǎn)物包括中子。資本投資和運(yùn)行費(fèi)用會(huì)因屏蔽和處理放射性物質(zhì)而更高。然而，在這些聚變反應(yīng)中，更低能量下的更大截面從某種程度上彌補(bǔ)了更高的投資和運(yùn)營(yíng)成本。附圖說(shuō)明圖1示出了具有同心電極的p-B11聚變?cè)O(shè)備的一種配置。圖2示出一個(gè)高電流多觸發(fā)放電電路，用以延長(zhǎng)脈沖持續(xù)時(shí)間。圖3示出用于連續(xù)波放電的6千伏直流電源。圖4示出6千伏200安培直流電源電路。圖5示出一個(gè)脈沖與連續(xù)波組合的放電電路。圖6示出使用圖5中的組合在中心棒上監(jiān)測(cè)的典型等離子體放電。圖7示出根據(jù)本專利技術(shù)的聚變反應(yīng)器的另一配置；以及圖8示出根據(jù)本專利技術(shù)的用于向聚變?cè)O(shè)備供給氫的系統(tǒng)的示意圖。具體實(shí)施方式圖2-4示出了脈沖電源和連續(xù)波(CW)電源的典型設(shè)計(jì)，其用于產(chǎn)生等離子體的預(yù)電離和持續(xù)旋轉(zhuǎn)。圖1示出了具有同心電極的p-B11聚變?cè)O(shè)備的配置。提供了超導(dǎo)磁體11，其能夠產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)。腔室5具有冷卻輸入(coolinginput)1。腔室5還具有氣體輸入2。電力電源12連接到放電棒3。在腔室5內(nèi)提供延伸的放電棒8。元件4是絕緣體。元件6是外部放電棒。元件7為硼板(borondisc)。元件10標(biāo)示出了硼靶。元件9示出了等離子體。多個(gè)脈沖電源被順序觸發(fā)，以產(chǎn)生脈沖序列來(lái)維持高旋轉(zhuǎn)速度。這些脈沖被如此定時(shí)，以便在等離子體的導(dǎo)電性(conductivity)衰減到較低的值之前，下一個(gè)脈沖被接通以為旋轉(zhuǎn)提供另一個(gè)徑向電流。在初始擊穿以形成等離子體電流之后，維持該電流所需的電壓被降低，如圖6中所示，從而降低了功率需求。這個(gè)方案只需要低電離率(10-5)。離子和電子之間的重組率是最小的，因?yàn)殡x子和電子被中性粒子包圍。維持如此低電離率所需的功率比維持完全電離所需的功率要低很多倍。中性粒子和離子的旋轉(zhuǎn)使用快門速度高達(dá)10萬(wàn)/秒的攝像機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)遵循給定的不均勻性(inhomogeneity)，能夠估計(jì)旋轉(zhuǎn)速度。另一個(gè)方法是使用“激光標(biāo)記”。將激光調(diào)諧到與離子線或中性粒子線相匹配的給定波長(zhǎng)。使用具有過(guò)濾器的快速攝像機(jī)來(lái)在空間和時(shí)間中監(jiān)測(cè)不同波長(zhǎng)處的共振散射。另外，還可以使用調(diào)諧到給定波長(zhǎng)的分光計(jì)和光纖。每個(gè)元素都有旋轉(zhuǎn)和靜止兩個(gè)分布，以使旋轉(zhuǎn)的硼與靜止的氫碰撞，反之亦然。B11的靜止組分被提供在內(nèi)電極和外電極處，而B11的旋轉(zhuǎn)組分由力J×B提供。連續(xù)流動(dòng)的氫由壓力箱供給，以產(chǎn)生1-10托的壓力環(huán)境。這些旋轉(zhuǎn)硼與靜止氫以及旋轉(zhuǎn)氫與靜止硼之間的反復(fù)相互作用產(chǎn)生了高速率的聚變，如以下等式中表示的：dW/dt＝npnbσvY聚變速率/立方厘米秒其中，np、nb分別是質(zhì)子和硼的密度；σ是特定能量E處的聚變截面；v是質(zhì)子和硼之間的相對(duì)速度；Y是每聚變反應(yīng)的能量產(chǎn)量＝8.7MeV應(yīng)當(dāng)指出的是，nP既表示氫離子又表示中性粒子，因?yàn)閷?duì)于聚變反應(yīng)而言，中性粒子或離子都可參與聚變。聚變平衡條件由每單位體積內(nèi)的聚變輸出大于能量輸入給出：dW/dt>VinIin/V其中，Vin＝兩個(gè)同心電極之間施加的電壓Iin＝由施加的電壓Vin產(chǎn)生的徑向電流V＝中性粒子和離子由力J×B驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域的體積；能量輸入來(lái)源于直流電壓和兩個(gè)電極之間施加的電流。工作磁場(chǎng)通常在0.5-3T之間。電子沿軸向磁場(chǎng)的初始電離可用于提供用于預(yù)電離的電子和離子。兩個(gè)同心圓柱之間的等離子體阻抗被降低，使得徑向電流在同心圓柱之間流動(dòng)。這一橫跨磁場(chǎng)的徑向放電電流主要通過(guò)橫跨強(qiáng)磁場(chǎng)的離子遷移而發(fā)生，因?yàn)殡x子具有比電子大許多的軌道。力J×B使離子在方位角方向旋轉(zhuǎn)。在高密度的情況下，離子和中性粒子之間的頻繁碰撞使它們一起旋轉(zhuǎn)。在我們的實(shí)驗(yàn)室等離子體中，對(duì)于1千伏的電壓而言，觀察到0.1歐姆的電阻和10KA的徑向電流。該電流在2T的場(chǎng)和50厘米的半徑中產(chǎn)生了10000牛頓的力。在這種強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力下，硼離子和中性粒本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種促使粒子之間發(fā)生聚變的方法，包括：提供被配置成產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)的超導(dǎo)磁體；提供位于所述磁場(chǎng)中的圓柱形腔室；在所述圓柱形腔室中提供靶；在所述圓柱形腔室中提供放電電極；為所述放電電極提供電功率以產(chǎn)生垂直于所述磁場(chǎng)的電場(chǎng)；向所述圓柱形腔室中供給氫氣；通過(guò)向所述放電電極施加電功率，在所述腔室中從所述氫氣中產(chǎn)生具有離子和中性粒子的等離子體；通過(guò)所述電場(chǎng)和磁場(chǎng)使得所述等離子體在所述圓柱形腔室中旋轉(zhuǎn)；通過(guò)電子發(fā)射體在所述腔室內(nèi)發(fā)射的帶負(fù)電的電子，降低所述等離子體中兩個(gè)正在靠近的原子核內(nèi)的帶正電的質(zhì)子之間的庫(kù)侖勢(shì)壘；其中所述腔室內(nèi)氫原子和質(zhì)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了離心力，該離心力使所述氫原子和質(zhì)子貼向所述電子發(fā)射體；以及促使所述等離子體中的粒子與所述靶之間發(fā)生聚變反應(yīng)。

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】2013.03.11 US 61/776,5921.一種促使粒子之間發(fā)生聚變的反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括：超導(dǎo)磁體，被配置成產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)；腔室，該腔室位于所述磁場(chǎng)中以便被供給氫氣；靶，該靶位于所述腔室中；放電電極，所述放電電極位于所述腔室中，而且所述放電電極被提供電功率以產(chǎn)生垂直于所述磁場(chǎng)的電場(chǎng)以便在所述腔室中從所述氫氣中產(chǎn)生具有離子和中性粒子的等離子體，而且通過(guò)所述電場(chǎng)和磁場(chǎng)使得所述等離子體在所述腔室中旋轉(zhuǎn)；以及電子發(fā)射體，用于在所述腔室內(nèi)發(fā)射帶負(fù)電的電子，以降低所述等離子體中兩個(gè)正在靠近的原子核內(nèi)的帶正電的質(zhì)子之間的庫(kù)侖勢(shì)壘，其中所述腔室內(nèi)氫原子和質(zhì)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了離心力，該離心力使所述氫原子和質(zhì)子貼向所述電子發(fā)射體，從而促使所述等離子體中的粒子與所述靶之間發(fā)生聚變反應(yīng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述電子發(fā)射體包括六硼化鑭LaB6。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述電子發(fā)射體接地。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述靶在所述腔室內(nèi)是靜止的。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述靶在所述腔室內(nèi)是旋轉(zhuǎn)的。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中，中性粒子和離子被所述腔室內(nèi)氫原子的旋轉(zhuǎn)推向所述放電電極的內(nèi)表面，由此所述中性粒子和離子的密度能夠依賴于旋轉(zhuǎn)速率而增加，從而得到相應(yīng)更高的聚變速率，所述聚變速率正比于反應(yīng)物密度的乘積。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，該反應(yīng)器還包括：通過(guò)旋轉(zhuǎn)氫原子和離子與靜止LaB6發(fā)射體之間的碰撞提供正反饋，導(dǎo)致所述靶的溫度增加，增加附加發(fā)射的電子，從而進(jìn)一步降低庫(kù)侖勢(shì)壘并促使附加的聚變反應(yīng)，從而釋放具有兆電子伏能量的高能帶電粒子；所述帶電粒子在所述LaB6靶內(nèi)消耗它們的能量，從而產(chǎn)生...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃耀輝，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：黃耀輝，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：廣東;44