高效緊湊型聚變反應堆制造技術

描述了一種用作中子源或能量源的高效緊湊型核聚變反應堆。該反應堆具有環形等離子體室和等離子體約束系統，此系統被布置成產生用于約束等離子體室中的等離子體的磁場。等離子體約束系統被配置成使得被約束的等離子體的主要半徑為1.5m或更少。該反應堆構建為使用高溫超導環形磁體，該高溫超導環形磁體能在低溫(77K或更少)下工作并使性能增強。環形磁場可以增至5T或更多，使聚變輸出顯著增加，因而中子輸出非常有效并且該反應堆能夠產生能量的凈輸出。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】【專利摘要】描述了一種用作中子源或能量源的高效緊湊型核聚變反應堆。該反應堆具有環形等離子體室和等離子體約束系統，此系統被布置成產生用于約束等離子體室中的等離子體的磁場。等離子體約束系統被配置成使得被約束的等離子體的主要半徑為1.5m或更少。該反應堆構建為使用高溫超導環形磁體，該高溫超導環形磁體能在低溫(77K或更少)下工作并使性能增強。環形磁場可以增至5T或更多，使聚變輸出顯著增加，因而中子輸出非常有效并且該反應堆能夠產生能量的凈輸出?！緦＠f明】高效緊湊型聚變反應堆
本專利技術涉及一種在強環形場中操作的緊湊型聚變反應堆。特別地，但非排他地，本專利技術涉及一種適合用作能量源或用作高效中子源的球形托卡馬克反應堆。
技術介紹
生產聚變能的挑戰是非常復雜的。目前已經提出除托卡馬克之外的許多可選設備，盡管還沒有一個能夠產生任何與現有運行的最好的托卡馬克(如JET)可比的結果。在開始建造有史以來最大及最昂貴(cl5bn歐元)的托卡馬克ITER之后，世界核聚變的研究已經進入了新的階段。到達商業核聚變反應堆的成功路線要求長脈沖、使得發電具有經濟效益的高效率和穩定運行。這三個條件特別難以同時達到，并且計劃中的方案將需要對ITER和其他核聚變設施進行多年的實驗研究，以及理論和技術研究。通過這一路線發展的商業核聚變反應堆預料不會在2050年之前建成。為了獲得使發電具有經濟效益(即功率輸出比功率輸入更多)的核聚變反應堆，傳統的托卡馬克必須是巨大的(如ITER)，從而可以有足夠多的能量約束時間(該時間大約與等離子體體積成比例)，以致等離子體足夠熱以發生熱聚變?！緦＠夹g內容】根據本專利技術的第一方面，提供了一種用作能量源或高效中子源的緊湊型核聚變反應堆。該反應堆包括環形等離子體室和等離子體約束系統，該系統被布置成產生用于約束等離子體室中的等離子體的磁場。等離子體約束系統被配置成使得被約束的等離子體的主要半徑為1.5m或更少,優選為1.0m或更少,更優選為0.5m或更少。該反應堆可以為球形托卡馬克。所述等離子體約束系統包括高溫超導體(HTS)線圈，該線圈能產生環形磁場，該環形磁場在主要半徑處的測量值為3T或更多，優選為5T或更多，優選為IOT或更多，更優選為15T或更多。在使用中，所述HTS線圈可冷卻至77K，或者可選地冷卻至30K或更低，或者甚至4K或更低。小型核聚變裝置的先前的設計通常具有壁負載的問題，即通過等離子體室壁的中子通量或分散的等離子體熱?？蛇x擇使用輸入到等離子體的低的功率，該功率小于10MW，優選為小于6MW，更優選為小于1MW，能使該裝置利用現有材料和技術變得可行。即使在具有傳統的銅磁鐵的情況下，來自這樣的反應堆的功率輸出也可以至少為1MW。當使用HTS環形磁場磁鐵時，就有可能在相當高的環形磁場中運行反應堆，并使聚變功率輸出大大增加。通過引導一個或多個中性射束進入等離子體可以增強中子生產。一個或多個中性射束可以具有至少200keV、優選至少lOOkeV、更優選地至少130keV、更優選地至少80keV、更優選至少40keV的能量?？梢詮倪x定方向引導多個中子射束進入等離子體，以優化射束中的粒子與熱的等離子體間的聚變反應，該多個中子射束可以包括碰撞束(collidingbeams)。在一個實施方式中，等離子體可以保持在穩定狀態多于10秒，優選地多于100秒，更優選地多于1000秒，更優選地多于10000秒。事實上，等離子體可以在持續維持在穩定狀態高達幾年。由于發射的總中子數量和能量的因為使用長脈沖而增加，這將大大增加中子生產或能量的有用性。為了得到這樣的長脈沖，可以在沒有電感的情況下驅動等離子體電流，例如通過使用中性射束或RF電流驅動。RF電流驅動包括驅動電流的任意電磁波技術，包括電子伯恩斯坦波、低雜波、電子回旋共振及其任意組合。低能中性射束可以更有效地(每單位能量輸入)傳遞動力以驅動電流。HTS磁鐵的使用有助于將等離子體保持在穩定狀態，因為，作為超導體，在磁鐵中沒有來自電阻的熱效應，并且HTS磁鐵的電流供應比電阻磁鐵的功率供應更穩定。等離子體可以使用融合-壓縮、或磁場泵送來啟動，其中振蕩電流產生加強等離子體電流的等離子體環，或者激活位于環形室中心部分中的一個或多個螺線管，和/或通過回旋振蕩管或其他適當的高頻發生器產生RF電流啟動。等離子體電流可以激活一個或多個螺線管、RF電流驅動和/或加熱等離子體以使得需要包含增長的等離子體的極向磁場的快速增長輸入幾乎足夠的通量，以將等離子體電流上升到要求的工作值。如果使用可收縮的螺線管，它們可以可選地為被預冷卻的高溫超導螺線管。可以使用RF電流驅動和/或中性射束注射來保持等離子體電流。中性射束和/或等離子體可以包括氚以加強中子生產。氚是昂貴且具有輻射的，所以優選的是僅僅使用氘來運行反應堆。使用D-D核聚變反應是仍然會產生一些中子的(通常假設在相同的環形磁場、等離子體電流和等離子體加熱條件下，D-D聚變能產生的中子為通過D-T核聚變產生的I / 80)。然而，在使用氚之前和在不希望使用氚的情況下，例如，出于成本、復雜性、安全性、調控和有效性的考慮，D-D核聚變對于測試反應堆是非常重要的。在某些情況下D-D核聚變可以得到高得驚人的中子通量。這可以通過增加環形磁場、明智地使用中性射束和優化等離子體的加熱方法、以及/或者通過ICRH(離子回旋共振加熱)的應用來實現，應用ICRH已經被證實能夠使中子生產增加超過十倍。為了減少或消除來由中子引起的損傷，中心柱周圍可以設置有屏蔽物?？梢耘渲肏TS制造材料以提供增強的對由中子引起的損傷的抵抗力，例如通過增加HTS制造材料內的HTS層的厚度。HTS制造材料可以配置為提供增加的電流密度，例如，在HTS制造材料中，通過減少非HTS層的厚度或者增加HTS層的厚度，以允許更多空間用于屏蔽。中心柱可以包括鈹、鋁或其他非HTS材料，從而盡管有中子通量，仍能將結構完整性和電導率保持在可接受的水平。鈹、鋁或其他非HTS材料被低溫冷卻以減小其電阻，并且任選地加入到HTS材料中，形成中心柱之外的環形場磁體的剩余部分。中心柱的內部由HTS制成，而，中心柱的外部由用于屏蔽對HTS造成損傷的中子的鈹、鋁或其他非HTS材料制成。鈹、鋁或其他非HTS材料被低溫冷卻以減小其電阻，并且任選地加入到HTS材料中，形成中心柱之外的環形場磁體的剩余部分。HTS材料任選地配置以提供增強的對由中子引起的損傷的抵抗力和/或增強的電流密度。反應堆射出的中子可以用于下面的一個或多個，其中包括，發電、產生熱量、醫療和其它用途的同位素的形成、癌癥治療、氫的產生(例如通過高溫電解作用)，處理核廢料，通過中子撞擊鋰以制造氚，培育核裂變燃料，中子光譜，材料和部件的測試，和/或科學研究。在傳統的核聚變反應堆，在等離子體產生的α粒子會被保持。盡管此處描述的專利技術比傳統的聚變反應堆小得多，但由于高磁場，α粒子將仍被約束，并對等離子體加熱起顯著的作用。當反應堆運行時，可以選擇在環形的中心不設置螺線管，因為其可能被高的中子通量破壞。本專利技術的一個特征在于，在主要環形場磁體(和任選地，在其他磁體)中使用了高溫超導體(HTS)，使在緊湊型ST中以低運行成本獲得高磁場。高磁場、小尺寸和低的寬高比的結合(這改善了穩本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：大衛·金厄姆，阿蘭·賽克斯，米哈爾·格瑞亞耐維奇，
申請(專利權)人：托卡馬克方案英國有限公司，
類型：
國別省市：