場反轉配置中的受控聚變和直接能量轉換的製作方法

2023-10-11 16:36:24

專利名稱:場反轉配置中的受控聚變和直接能量轉換的製作方法
技術領域：
本發明涉及等離子物理領域，具體而言，涉及用於約束等離子體以使能核聚變並用於將能量從聚變產物轉換為電的方法和設備。
背景技術：
聚變是兩個輕核組合以形成較重的核的過程。聚變過程以快速移動的粒子的形式 釋放極大量的能量。由於原子核是帶正電的--這是由於包含在其中的質子--在其之間有排斥靜電カ或庫侖力。對於待聚變的兩個核，這個排斥障礙必須被克服，這是當兩個核被帶到一起而足夠近時發生，在此情況下短程核力變得足夠強，從而克服庫侖カ並融合(fuse)所述核。核克服庫侖障礙所必要的能量由其熱能提供，該熱能必須很高。例如，如果溫度是至少104eV的量級一對應於大約100百萬開爾文溫度，則聚變速率可以是明顯的。聚變反應的速率是溫度的函數，並且其由被稱為反應率的量來表徵。例如，D-T反應的反應率具有30keV和IOOkeV之間的寬峰。
典型的聚變反應包括
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表示質子，He表示氦,而B11表示硼-11。每個方程中的括弧中的數字表示聚變產物的動能。
以上列出的首先兩個反應--D-D和D-T反應一是中子的，這意味著其聚變產物的大多數能量由快中子攜帯。中子反應的缺點是(I)快中子的通量產生許多問題，包括對於大多數構造材料的高水平放射性和反應堆壁的結構損壞；以及(2)快中子的能量通過將其熱能轉變為電能而收集，這是效率很低的(小於30%)。中子反應的優點是(I)其在相對低的溫度下的反應率峰值；以及(2)其由於輻射而造成的損失是相對低的，這是因為氘和氚的原子序數是I。
其它兩個方程一D-He^Pp-B11—中的反應物被稱為聞級燃料。取代如在中子反應中產生快中子，其聚變產物是帶電粒子.高級燃料的一個優點是它們產生少的多的中子並因此較少遭遇與其關聯的缺點。在D-He3的情況下，ー些快中子由ニ級反應產生，但這些中子僅佔聚變產物的能量的大約10% . p-Β11反應沒有快中子，儘管它的確產生由ニ級反應產生的ー些慢中子，但產生少的多的問題.高級燃料的另ー個優點是其聚變產物包括帶電粒子，其動能可被直接轉變為電.以適當的直接能量轉換過程，高級燃料聚變產物的能量可以以可能超過90%的高效率來收集。[0012]高級燃料亦具有缺點。例如，高級燃料的原子序數較高(對於He3為2而對於B11為5)。因此，其輻射損失大於在中子反應中。還有，更難使高級燃料聚變。其峰值反應率在高的多的溫度下出現並且不能達到與D-T—祥高的反應率。因此，用高級燃料導致聚變反應需要它們被帶到較高的能量狀態，在該狀態中其反應率是相當大的。因此，高級燃料必須被蘊含(contain)較長的時間段,在其中它們可被帶到適當的聚變條件。
用於等離子體的蘊含時間是Λ t = r2/D，其中r是最小等離子體尺寸，而D是擴散係數.擴散係數的經典值是D。= CIi2/Tie,其中CIi是離子迴旋半徑，而Tie是離子-電子碰撞時間。依照經典擴散係數的擴散被稱為經典輸運。歸因於短波長不穩定性的Bohm擴散係數是Db= (1/16) Cii2Qi，其中Qi是離子迴旋頻率。依照該關係的擴散被稱為反常輸運。對於聚變條件Db/Dc = (1/16) QiTie^ 108，反常輸運導致比經典輸運短的多的蘊含時間。通過要求用於給定量的等離子體的蘊含時間必須比用於該等離子體進行核聚變反應的時間長，該關係確定在聚變反應堆中必須有多大的等離子體。因此，經典輸運條件比在聚變反應堆中理想，從而允許較小的初始等離子體。
在對等離子體的環狀約束的早期實驗中，現察到AtS r2/DB的蘊含時間。最後40年的進展已將蘊含時間增加到At S 1000r2/DB。一個現有的聚變反應堆概念是託卡馬克。對於過去的30年，聚變的努力已被集中到使用D-T燃料的託卡馬克反應堆上。這些努力在圖7中所示的國際熱核實驗反應堆(ITER)中達到頂點。用託卡馬克的最近的實驗表明，經典輸運r2/D。是可能的，在此情況下最小等離子體尺寸可從米減小到釐米。這些實驗涉及注入高能束(50到IOOkeV)以將等離子體加熱到10到30keV的溫度。見ff. Heidbrink&G. J. Sadler, 34Nuclear Fusion 535(1994)。觀察到這些實驗中的高能束離子減慢並經典地擴散，而熱等離子體繼續異常快地擴散。其原因是高能束離子具有大的迴旋半徑並且在這一點上，對以短於離子迴旋半徑的波長(λ < Cii)進行的波動不敏感。短波長波動趨向於在一個循環上平均並由此抵銷。然而，電子具有小的多的迴旋半徑，因此它們對該波動有反應並反常地輸運。由於反常輸運，等離子體的最小尺寸必須是至少2.8米。由於該尺寸，ITER被建成30米高和30米的直徑。這是可行的最小D-T託卡馬克型反應堆。對於高級燃料如D-He3和ρ-Β11，託卡馬克型反應堆將必須大的多，這是因為燃料離子進行核反應的時間長的多。使用D-T燃料的託卡馬克反應堆具有附加的問題，即聚變產物能量的大部分能量由14MeV的中子載運，這導致由中子通量造成的在幾乎所有構造材料中的感應反應率(inducereactivity)和輻射損壞。另外，其能量到電的轉換必須是通過熱過程，該過程有不大於30%的效率。
另ー種所提出的反應堆配置是碰撞束反應堆。在碰撞束反應堆中，背景等離子體被離子束轟擊。該束包括有比熱等離子體大的多的能量的離子。在這種類型的反應堆中產生有用的聚變反應已不可行，這是因為背景等離子體使離子束減慢。已提出各種建議來減小該問題並使核反應的數量最大。
例如，被授予Jassby等的U. S.專利No. 4，065，351公開了ー種在環狀約束系統中產生氘核和氚核的逆流碰撞束的方法。在被授予Jassby等的U.S.專利No. 4，057，462中，注入電磁能以抵抗一個離子種上的體平衡等離子體拖曳(bulk equilibrium plasmadrag)的作用。環狀約束系統被識別為託卡馬克。在被授予Rostoker的U. S.專利No. 4, 894, 199中，氣和氣的束在託卡馬克、磁鏡(mirror)或場反轉(field reversed)配置中以相同的平均速度被注入並捕獲。存在用於捕獲該束的単一目的的低密度冷背景等離子體。該束由於它們具有高溫而反應，並且減慢主要是由伴隨所注入的離子的電子導致的。所述電子由所述離子加熱，在此情況下減慢是最低限度的。
然而，在所有這些裝置中，平衡電場都沒有任何參與.此外，沒有試圖或甚至考慮減小反常輸運。
其它專利考慮了離子的靜電約束，並且在某些情況下考慮了電子的磁約束。這些專利包括被授予Farnsworth的U. S.專利No. 3, 258, 402和被授予Farnsworth的U. S.專利No. 3，386，883，其公開了離子的靜電約束和電子的慣性約束；被授予Hirsch等的U. S.專利 No. 3，530，036 和被授予 Hirsch 等的 U. S.專利 No. 3，530，497 類似於 Farnworth ；被授予Limpaecher的U. S.專利No. 4，233，537,其公開了藉助多極尖(cusp)反射壁的電子的磁約束和離子的靜電約束；以及被授予Bussard的U.S.專利No. 4，826，646，其類似於Limpaecher並涉及點尖。這些專利都沒有考慮電子的靜電約束和離子的磁約束。儘管已有對離子的靜電約束的許多研究項目，但它們都沒有在當離子具有用於聚變反應堆的所需密 度時建立所需靜電場的方面取得成功。最後，以上引用的專利都沒有討論場反轉配置磁拓樸。
場反轉配置(FRC)是在1960年左右在海軍研究實驗室在Θ收縮(theta pinch)實驗期間偶然發現的。典型的FRC拓樸在圖2和圖4中示出，其中內部磁場反轉方向，而FRC中的粒子軌道如圖5和圖8中所示。關於FRC，在美國和日本已支持了許多研究程序。有一個有關從I960到1988年的FRC研究的理論和實驗的綜合性回顧論文。見M. Tuszewski，28Nuclear Fusion 2033，(1988)。有關FRC發展的白皮書描述了 1996年的研究和用於將來研究的建議。見 L. C. Steinhauer 等，30Fusion Technology 116(1996)。到此為止，在FRC實驗中，已藉助Θ收縮方法形成了 FRC。該形成方法的結果是離子和電子每個都攜帯一半電流，這導致在等離子體中的不可忽略的靜電場，並且沒有靜電約束。這些FRC中的離子和電子在磁性上被蘊含。在幾乎所有FRC實驗中，採取了反常輸運。見例如Tuszewski，第2072頁I. 5. 2部分的開始處。
這樣，理想的是提供ー種聚變系統，其具有蘊含系統，趨向於基本上減小或消除離子和電子的反常輸運；以及能量轉換系統，以高效率將聚變產物的能量轉換為電。

發明內容
本發明被指向一種系統，其促進在具有場反轉拓樸的磁場中的受控聚變以及聚變產物能量到電功率的直接轉換。在此被稱為等離子體發電(PEG)系統的該系統優選地包括聚變反應堆，其具有蘊含系統，趨向於基本上減小或消除離子和電子的反常輸運。另外，PEG系統包括被耦合於反應堆的能量轉換系統，其以高效率將聚變產物能量轉換為電。
在本發明的一個創新方面中，用於離子和電子兩者的反常輸運趨向於被基本上減小或消除。通過在磁性上將離子約束於場反轉配置(FRC)的磁場中，離子的反常輸運趨向於被避免。對於電子，通過轉變外部施加的磁場以產生強電場，能量的反常輸運被避免，所述強電場在靜電上將電子約束於深勢阱中。作為結果，可與當前約束設備和過程一起使用的聚變燃料等離子體不局限於中子燃料，而是有利地包括高級或aneutronic燃料。對aneutronic燃料,聚變反應能量幾乎全部是帶電粒子即高能離子的形式,其可在磁場中被操縱，並且依賴於燃料，導致少或沒有的放射性。
在本發明的另ー個創新方面，直接能量轉換系統被用於將聚變產物的動能直接轉換為電功率，這是通過藉助電磁場使帶電粒子減慢而進行的。有利的是，本發明的直接能量轉換系統具有效率、粒子能量容差和電子能力來轉換大約5MHz的聚變輸出功率的頻率和相位以匹配外部60赫茲電カ網(power grid)的頻率。
在優選實施例中，聚變反應堆的等離子體蘊含系統包括室、用於在基本上沿主軸的方向上施加磁場的磁場發生器以及環形等離子層，其包括循環離子束。環形等離子束層的離子基本上在軌道中在磁性上被蘊含於室內，而電子基本上蘊含於靜電能阱中。在ー個優選實施例的ー個方面中，磁場發生器包括電流線圈。優選的是，所述系統進ー步包括室末端附近的磁鏡線圈，其増加室末端處所施加的磁場的大小。該系統亦可包括束注入器，其將中和的離子束注入到所施加的磁場中，其中該束由於所施加的磁場導致的力而進入軌道。在優選實施例的另ー個方面中，所述系統形成具有場反轉配置的拓樸的磁場。在另ー個優選實施例中，能量轉換系統包括被耦合於聚變反應堆的相對端的逆回旋加速器轉換器(ICC)。該ICC具有類似空圓柱的幾何結構，其由多個、優選為四個或更多相等的半圓柱電極形成，在其之間有小、直的間隙延伸。在運行中，振蕩勢能以交替方式被應用於電極。ICC內的電場E具有多級結構並且在對稱軸上消失且隨半徑線性增加；峰值在間隙處。
此外，ICC包括磁場發生器，用於在基本上與聚變反應堆的約束系統相對的方向上施加均勻的單向磁場。在距離聚變反應堆功率核心的最遠端，ICC包括離子收集器。在功率核心(power core)和ICC之間的是対稱的磁尖，其中約束系統的磁場與ICC的磁場合併在一起。環形的電子收集器位於磁尖附近並被耦合於離子收集器。
在又一個優選實施例中，產物核以及電荷中和的電子從反應堆功率核心的兩端出現為環形束，其密度為由於電子和離子的能量差而使磁尖分離它們的密度。電子沿磁場線前進到電子收集器而離子經過所述尖，在這裡離子軌跡被修改成遵循沿ICC長度的基本上螺旋狀的路徑。當離子螺旋經過被連接於共振電路的電極時，能量從該離子被去除。垂直能量的損失趨向於對最高能量離子為最大，該離子最初接近電極而循環，在這裡電場是最強的。
從對結合附圖進行的以下描述的考慮，本發明的其它方面和特點將變得明顯。


在附圖的圖中，為了舉例而不是為了限制而說明了優選實施例，在附圖中相同的參考數字指的是相同的部件。
圖I示出本發明的示例約束室。
圖2示出FRC的磁場。
圖3A和3B分別示出FRC中的抗磁性(diamagnetic)和反抗磁性(counterdiamagnetic)萬冋。
圖4不出本發明的碰撞束系統。
圖5示出電子感應加速器軌道。[0036]圖6A和6B分別示出FRC中的梯度漂移的方向和磁場。
圖7A和7B分別示出FRC中的萬漂移的方向和電場。
圖8Α、8Β和8C示出離子漂移軌道。
圖9Α和9Β示出在FRC末端的洛倫茲力。
圖IOA和IOB示出碰撞束系統中電勢和電場的轉變。
圖11示出麥克斯韋分布。
圖12Α和12Β示出由於大角度、離子-離子碰撞而造成的從電子感應加速器軌道到漂移軌道的遷移。
圖13不出當考慮小角度、電子-尚子碰撞時的Α、B、C和D電子感應加速器軌道。
圖14示出在進入約束室之前當其被電極化時的中和的離子束。
圖15是當其在約束室中接觸等離子體時中和的離子束的仰視圖。
圖16是依照啟動過程的優選實施例的約束室的側視示意圖。
圖17是依照啟動過程的另ー個優選實施例的約束室的側視示意圖。
圖18示出表示FRC形成的B-點探頭的跡線。
圖19Α示出局部的等離子體發電系統，其包括被耦合於逆回旋加速器直接能量轉換器的碰撞束聚變反應堆。
圖19Β示出圖19Α中的逆回旋加速器轉換器的端視圖。
圖19C示出逆回旋加速器轉換器中離子的軌道。
圖20Α示出局部的等離子體發電系統，其包括被耦合於逆回旋加速器轉換器的替換實施例的碰撞束聚變反應堆。
圖20Β示出圖20Α中的逆回旋加速器轉換器的端視圖。
圖21Α示出常規回旋加速器內的粒子軌道。
圖2IB示出振蕩電場。
圖21C示出加速粒子的變化的能量。
圖22示出有角速度的離子所經歷的ICC電極之間的間隙處的方位角電場。
圖23示出聚焦四極偶極子透鏡。
圖24Α和24Β示出附屬磁場線圈系統。
圖25示出100MW反應堆。
圖26示出反應堆支持設備。
圖27示出等離子體推力推進系統。
具體實施方式
如圖中所示，本發明的等離子體發電系統優選地包括被耦合於直接能量轉換系統的碰撞束聚變反應堆。如以上提到的，理想的聚變反應堆解決了離子和電子兩者的反常輸運的問題。在此發現的對反常輸運的問題的解決方案利用了有具有場反轉配置(FRC)的磁場的約束系統。以以下方式通過FRC中的磁性約束來避免離子的反常輸運使大多數離子具有大的、非絕熱軌道，從而使它們對導致絕熱離子反常輸運的短波長波動不敏感。具體而言，磁場消失的FRC中的區域的存在使得有可能具有包括大多數非絕熱離子的等離子體。對於電子，通過轉變外部施加的磁場以產生強電場，能量的反常輸運被避免，所述強電場在靜電上將電子約束於深勢阱中。
可與本約束設備和過程一起使用的聚變燃料等離子體不局限於中子燃料如D-D (氣-氣)或D-T (氣-氣)，而是有利地包括高級或aneutronic燃料，如D-He3(氘-氦-3)或ρ-Β11(氫-硼-11)。(對於高級燃料的討論，見R. Feldbacher&M.Heindler NuclearInstruments and Methods in Physics Research A271 (1998)JJ-64 (North Holland Amsterdam))。對於這樣的aneutronic燃料,聚變反應能量幾乎全部是帶電粒子即高能離子的形式，其可在磁場中被操縱，並且依賴於燃料，導致少或沒有的放射性。D-He3反應產生H離子和He4離子以及18. 2MeV的能量，而p-Β11反應產生三個He4離子和8. 7MeV的能量。例如，在用於利用aneutronic燃料的聚變裝置的理論模型的基礎上，輸出能量轉換效率可以高達大約90%,如K. Yoshikawa, T. Noma和Y. Yamamoto在FusionTechnology, 19,870 (1991)中所述。在可按比例縮放(1-1000MW)、緊湊、低成本的配置中，這樣的效率顯著地促進了 aneutronic聚變的前景。
在本發明的直接能量轉換過程中，聚變產物的帶電粒子可被減慢並且其動能可被直接轉換為電。有利的是，本發明的直接能量轉換系統具有效率、粒子能量容差和電子能力來轉換大約5MHz的聚變輸出功率的頻率和相位以匹配外部60赫茲電力網的頻率和相位。
聚變約束系統
圖I說明依照本發明的約束系統300的優選實施例。約束系統300包括室壁305，其約束其中的室310。優選的是，室310是圓柱形，有沿室310的中心的主軸315。為將該約束系統300應用於聚變反應堆，有必要在室310中產生真空或近似的真空。與主軸315同心的是電子感應加速器通量線圈320，其位於室310中。電子感應加速器通量線圈320包括電流載運介質，如所示，其適合於繞長線圈引導電流，該長線圈優選地包括多個分離的線圈的平行繞組，並且最優選的是大約四個分離的線圈的平行繞組，從而形成長線圈。本領域的技術人員將理解，通過電子感應加速器線圈320的電流將導致基本上在主軸315的方向上的電子感應加速器線圈320內的磁場。
繞室壁305外的是外部線圈325。外部線圈325產生相對恆定的磁場，其具有基本上與主軸315平行的通量。該磁場在方位角上是對稱的。磁場由於外部線圈325而恆定且平行於軸315的近似在遠離室310的末端時是最有效的。在室310的每個末端處的是磁鏡線圈330。磁鏡線圈330適合於在姆個末端產生室310內的增加的磁場，由此在姆個末端處使磁場線向內彎曲。(見圖8和10)。如所說明的，場線的這種向內彎曲有助於將等離子體335蘊含於通常在磁鏡線圈330之間的室310內的蘊含區域中，這是通過將其推離末端而進行的，在這裡其可逸出(escape)約束系統300。磁鏡線圈330可適合於藉助本領域已知的各種方法在末端產生增加的磁場，所述方法包括增加磁鏡線圈330中的繞組的數量，增加逸出磁鏡線圈330的電流，或將磁鏡線圈330與外部線圈325重疊。
外部線圈325和磁鏡線圈330在圖I中示出，其在室壁305外實施；然而，它們可在室310內。在室壁305被構建為傳導性材料如金屬的情況下，可能有利的是將線圈325、330置於室壁305內，這是因為磁場擴散經過壁305所用的時間可以是相對大的，由此導致系統300緩慢地反應。類似地，室310可以是空圓柱的形狀，室壁305形成長的環形圏。在這種情況下，電子感應加速器通量線圈320可在室壁305外在所述環形圈的中心實施。優選的是，形成環形圈中心的內壁可包括非傳導性材料，如玻璃。如將成為顯然的，室310必須有足夠的尺寸和形狀以允許循環等離子體束或層335在給定半徑上繞主軸315旋轉。
室壁305可由諸如鋼的具有高磁導率的材料形成。在此情況下，由於材料中的感應反向電流，室壁305有助於抑制磁通量逸出室310，從而「壓縮」它。如果室壁待由諸如普列克斯玻璃的具有低磁導率的材料製成，則用於蘊含磁通量的另ー種裝置將是必要的。在此情況下，一系列閉環、平金屬圈可被提供。本領域已知為通量限定器(fluxdelimiter)的這些圈將被提供於外部線圈325內但在循環等離子體束335外。此外，這些通量限定器可以是無源或有源的，其中有源通量限定器將用預定電流來驅動以較大地促進室310內的磁通量的蘊含。可替換的是，外部線圈325本身可用作通量限定器。
如在以下更詳細說明的，包括帶電粒子的循環等離子體束3 35可由洛倫茲カ蘊含於室310內，該洛倫茲カ是由外部線圈325產生的磁場而導致的。同樣，等離子體束335中的離子在磁性上被蘊含於來自外部線圈325的通量線附近的大電子感應加速器軌道中，該通量線平行於主軸315。ー個或多個束注入端ロ 340亦被提供用於將等離子體離子添加給室310中的循環等離子體束335。在優選實施例中，注入器端ロ 340適合於在距離主軸315的大約相同的半徑位置處注入離子束，在這裡循環等離子體束335被蘊含(即，在以下描述的零表面周圍)。此外，注入器端ロ 340適合於相切於所蘊含的等離子體束335的電子感應加速器軌道而注入離子束350或在其方向上注入離子束350 (見圖16)。
亦提供了ー個或多個背景等離子體源345，用於將大量非高能的等離子體注入到室310中。在優選實施例中，背景等離子體源345適合於將等離子體335導向室310的軸中心。已發現這樣引導等離子體有助於較好地蘊含等離子體335並導致室310中的蘊含區域中的等離子體335的較高密度。
FRC中的帶電粒子
圖2示出FRC 70的磁場。該系統具有相對於其軸78的圓柱對稱。在FRC中，有兩個區域的磁場線開放的80和閉合的82。劃分兩個區域的表面被稱為分界線(separatrix)84。FRC形成磁場消失的圓柱零表面。在FRC的中心部分88中，磁場在軸向上不明顯地變化。在末端90，磁場在軸向上確實明顯變化。沿中心軸78的磁場反轉FRC中的方向，這產生了場反轉配置(FRC)中的術語「反轉」。
在圖3A中，零表面94外的磁場處於第一方向96。零表面94內的磁場處於與第一相対的第二方向98。如果離子在方向100上移動，則作用於其的洛倫茲力30指向零表面94。這可通過應用右手規則而容易地理解。對於在抗磁性方向102上移動的粒子，洛倫茲カ總是指向零表面94。這種現象產生了將在以下描述的被稱為電子感應加速器軌道的粒子軌道。
圖3B示出在反抗磁性方向104上移動的離子。該情況下的洛倫茲力離開零表面94而指向。這種現象產生了將在以下描述的被稱為漂移軌道的軌道類型。用於離子的抗磁性方向是用於電子的反抗磁性，並且反之亦然。
圖4示出在離子的抗磁性方向102上旋轉的等離子體106的圈或環形層。圈106位於零表面94周圍。由環形等離子體層106產生的磁場108與外部施加的磁場110組合形成具有FRC拓樸的磁場(該拓樸在圖2中示出)。
形成等離子體層106的離子束具有溫度；因此，離子的速度形成以離子束的平均環形速度旋轉的框架中的麥克斯韋分布。不同速度的離子之間的碰撞導致聚變反應。為此，等離子體束層或功率核心106被稱為碰撞束系統。
圖5示出碰撞束系統中的離子軌道的主要類型，其被稱為電子感應加速器軌道112。電子感應加速器軌道112可被表示為以零圓114為中心的正弦波。如以上所說明的，零圓114上的磁場消失。軌道112的平面垂直於FRC的軸78。該軌道112中的離子從起始點116處在其抗磁性方向102上移動。電子感應加速器軌道中的離子具有兩種運動半徑方向(垂直於零圓114)上的振蕩，以及沿零圓114的平移。
圖6A是FRC中的磁場118的曲線圖。該曲線圖的水平軸表示距離FRC軸78的以釐米表示的距離。磁場以千高斯為單位。如該曲線圖所述，磁場118在零圓半徑120處消失。
如圖6B中所示，在零圓附近移動的粒子將看到遠離零表面86而指向的磁場的梯度126。零圓外的磁場處於第一方向122,而零圓內的磁場處於與第一相對的第二方向。梯 度漂移的方向由叉積給出，其中是磁場的梯度；這樣，可通過右手規則理解，梯
度漂移的方向處於反抗磁性方向，而不管離子在零圓128外或內。
圖7A是FRC中的電場130的曲線圖。該曲線圖的水平軸表示距離FRC軸78的以釐米表示的距離。電場以伏特/cm為單位。如該曲線圖所述，電場130在零圓半徑120處消失。
如圖7B中所示,用於離子的電場是解約束的(deconfining);其遠離零表面86而指向方向132、134。跟以前一祥，磁場處於零表面86的內和外的相對方向122、124上。通過應用右手規則可理解，ExB漂移的方向處於抗磁性方向102上，而不管離子在零表面136外或內。
圖8A和8B示出FRC中的另ー種類型的常見(common)軌道，被稱為漂移軌道138。漂移軌道138可在零表面114外，如圖8A中所示，或在其內，如圖8B中所示。如果漂移佔優，則漂移軌道138在抗磁性方向上旋轉，或如果梯度漂移佔優，則在反抗磁性方向上旋轉。圖8Α和8Β中所示的漂移軌道138從起始點116在抗磁性方向上旋轉。
如圖8C中所示的漂移軌道可認為是在相對較大的圓上滾動的小圓。小圓142在方向144上繞其軸自旋。它亦在方向102上在大圓146上滾動。點140將在空間上描繪(trace)類似於Π8的路徑。
圖9A和9B示出在FRC 151末端的洛倫茲力的方向。在圖9A中，示出了一個離子在磁場150中以速度148在抗磁性方向102上移動。通過應用右手規則可理解，洛倫茲力152趨向於將該離子推回到閉合場線的區域中。因此，在此情況下，洛倫茲力152正在約束該離子。在圖9B中，示出了一個離子在磁場150中以速度148在反抗磁性方向102上移動。通過應用右手規則可理解，洛倫茲力152趨向於將該離子推回到開放場線的區域中。因此，在此情況下，洛倫茲力152在對該離子解約束。
FRC中的磁約束和靜電約束
通過在離子的抗磁性方向102上繞零表面86注入高能離子束，等離子體層106 (見圖4)可在FRC中被形成。(形成FRC和等離子體圈的不同方法的詳細討論如下)。在循環等離子體層106中，大多數離子具有電子感應加速器軌道112 (見圖5)，是高能的，並且是非絕熱的；這樣，它們對導致反常輸運的短波長波動是不敏感的。[0089]在形成於FRC中的等離子體層106中並且在平衡條件下，動量的守恆強加了離子角速度Oi和電子角速度COe之間的關係。該關係為
權利要求
1.一種等尚子體電功率生成系統，包括 具有主軸(315)和維持真空或近似真空狀態的真空室(310)， 第一外部線圈(325，425)，用於在所述真空室的中央區域內產生具有基本上平行於所述真空室的主軸的通量(480)的方位角對稱磁場， 位於所述第一外部線圈每ー側的第一和第二磁鏡線圈(330)， 與所述真空室的主軸同心的電流線圈(320)，用於在所述真空室內生成方位角電場，在所述真空室的第一端區域形成圓柱面的第一組三個或更多的電極(494)，其中所述三個或更多的電極以間隔關係在相鄰電極之間形成細長間隙(497)，其中所述三個或更多的電極形成具有多於兩個極的多極結構的電場， 第二外部線圈(488)，用於在所述真空室的第一端區域內產生具有基本上平行於所述真空室的主軸的通量(496)的方位角對稱磁場，其中由所述第一外部線圈產生的磁場與由所述第二外部線圈產生的磁場合併在一起，以形成対稱的磁尖(486)， 插入所述第一和第二外部線圈並且鄰近所述三個或更多的電極的第一端的環形電子收集器(490)，該環形電子收集器被置於磁尖周圍，和 鄰近所述三個或更多的電極的第二端放置並且耦合於所述環形電子收集器的離子收集器(492)。
2.根據權利要求
I所述的系統，進一歩包括 在所述真空室的第二端區域形成圓柱面的第二組三個或更多的電極，其中所述第二組三個或更多的電極以間隔關係在相鄰電極之間形成細長間隙， 第三外部線圈，用於在所述真空室的第二端區域內生成具有基本上平行於所述真空室的主軸的通量的方位角對稱磁場，其中由所述第一外部線圈產生的磁場與由所述第三外部線圈產生的磁場合併在一起，以形成対稱的磁尖， 插入所述第一和第三外部線圈並且鄰近所述第二組三個或更多的電極的第一端的第ニ環形電子收集器，和 鄰近所述第二組三個或更多的電極並耦合於所述第二環形電子收集器的第二端放置的第二離子收集器。
3.一種等離子體電功率生成系統,包括 碰撞束聚變反應堆(410)，具有圓柱形真空室(310)和置於所述真空室周圍的第一外部線圈(425)，以及由於在所述真空室內由所述第一外部線圈產生的磁場而部分形成的場反轉配置磁場，和 與所述聚變反應堆的第一端耦合的逆回旋加速器能量轉換器(420)，所述轉換器包括 形成圓柱面並且以間隔關係在相鄰電極之間形成間隙(497)的三個或更多的電極(494)， 第二外部線圈(488)，用於在所述逆回旋加速器能量轉換器內產生磁場，由所述第一外部線圈產生的磁場與由所述第二外部線圈產生的磁場合併在一起，以形成対稱的磁尖， 插入 所述第一和第二外部線圈並且鄰近所述三個或更多的電極的第一端的環形電子收集器，該環形電子收集器被置於磁尖周圍，和 鄰近所述三個或更多的電極的第二端放置並且耦合於所述環形電子收集器的離子收集器。
4.根據權利要求
3所述的系統，進一歩包括與所述聚變反應堆的第二端耦合的逆回旋加速器能量轉換器。
5.根據權利要求
4所述的系統，其中所述聚變反應堆進一歩包括與所述真空室的主軸(315)同心的並且放置在功率核心區域(436)內的電流線圈(320)。
6.根據權利要求
I和3中任意一項所述的系統，進一歩包括與所述三個或多個電極耦合的諧振電路。
7.根據權利要求
I和3中任意一項所述的系統，進一歩包括與所述三個或多個電極耦合的槽路。
8.根據權利要求
I和3中任意ー項的系統，其中所述第一和第二外部線圈包括關於所述真空室放置的環形場線圈，其中由所述第一外部線圈的場線圈產生的磁場的場線在與由所述第二外部線圈的場線圈產生的磁場的場線相反的方向上延伸。
9.根據權利要求
I和3中任意一項所述的系統，其中所述環形電子收集器和離子收集器是電稱合的。
10.根據權利要求
I和3中任意一項所述的系統，其中所述三個或多個電極是對稱的。
11.根據權利要求
10所述的系統，其中所述第一外部線圈進一歩包括第一和第二組磁鏡線圈(330)，所述第一和第二組磁鏡線圈關於所述真空室以間隔的關係放置並且在其間限定了功率核心區域(436)。
12.根據權利要求
I和3中任意一項所述的系統，進ー步包括與所述真空室耦合的等離子體注入器(345)。
13.根據權利要求
12所述的系統，其中所述等離子體注入器被軸向地定向以朝所述真空室的中間平面注入等離子體。
14.根據權利要求
I和3中任意一項所述的系統，其中所述第一外部線圈是可調的。
15.根據權利要求
14所述的系統，進一歩包括與所述第一外部線圈耦合的控制系統。
16.根據權利要求
I和5中任意一項所述的系統，其中所述電流線圈是電子感應加速器通量線圈。
17.根據權利要求
I和5中任意一項所述的系統，其中所述電流線圈包括多個獨立線圈的並聯繞組。
18.根據權利要求
I和3中任意一項所述的系統，進ー步包括與所述真空室耦合的離子束注入器(340)。
19.根據權利要求
18所述的系統，其中所述離子束注入器包括用於中性化從所述離子束注入器發射的離子束的電荷的裝置。
20.一種在權利要求
I或3的等離子體電功率生成系統中的等離子體電功率生成處理方法，包括以下步驟 所述真空室內在環形等離子體周圍產生具有場反轉配置FRC的磁場，其中內部磁場線在與外部磁場線相反的方向上延伸， 將所述等離子體約束在所述真空室內，該等離子體具有等離子體離子和等離子電子， 在場反轉配置FRC內產生成聚變產物離子，和 將從場反轉配置FRC出現的聚變產物離子的動能轉換成電功率。
21.根據權利要求
20所述的處理方法，其中轉換聚變產物離子的動能的步驟包括引導聚變產物離子通過減速電場並且將聚變產物離子減速。
22.根據權利要求
21所述的處理方法，進ー步包括生成減速電場的步驟。
23.根據權利要求
21和22中任意一項所述的處理方法，其中所述減速電場是包括三個或更多極的多極細長電場。
24.根據權利要求
21和22中任意一項所述的處理方法，進ー步包括從場反轉配置FRC以環形束的形式出現聚變產物離子並且引導所述聚變產物離子沿著螺旋路徑通過所述減速電場的步驟。
25.根據權利要求
23所述的處理方法，進ー步包括從場反轉配置FRC以環形束的形式出現聚變產物離子並且引導所述聚變產物離子沿著螺旋路徑通過所述減速電場的步驟。
26.根據權利要求
21、22和25中任意一項所述的處理方法，其中生成減速電場的步驟包括向以間隔關係在相鄰電極之間形成細長間隙的三個或更多細長電極施加振蕩電勢，所述三個或更多細長電極在所述真空室內形成圓柱形的腔。
27.根據權利要求
23所述的處理方法，其中生成減速電場的步驟包括向以間隔關係在相鄰電極之間形成細長間隙的三個或更多細長電極施加振蕩電勢，所述三個或更多細長電極在所述真空室內形成圓柱形的腔。
28.根據權利要求
24所述的處理方法，其中生成減速電場的步驟包括向以間隔關係在相鄰電極之間形成細長間隙的三個或更多細長電極施加振蕩電勢，所述三個或更多細長電極在所述真空室內形成圓柱形的腔。
29.根據權利要求
23所述的處理方法，其中生成多極細長電場的步驟包括在形成於所述三個或更多電極之間的細長間隙的兩端生成方位角電場。
30.根據權利要求
27所述的處理方法，其中生成多極細長電場的步驟包括在形成於所述三個或更多電極之間的細長間隙的兩端生成方位角電場。
31.根據權利要求
25、27、28和29中任意一項所述的處理方法，進ー步包括在所述真空室內生成第一和第二施加的磁場的步驟，其中所述第一和第二施加的磁場的單向場線在相對的方向上延伸。
32.根據權利要求
24所述的處理方法，進ー步包括在所述真空室內生成第一和第二施加的磁場的步驟，其中所述第一和第二施加的磁場的單向場線在相対的方向上延伸。
33.根據權利要求
26所述的處理方法，進ー步包括在所述真空室內生成第一和第二施加 的磁場的步驟，其中所述第一和第二施加的磁場的單向場線在相対的方向上延伸。
34.根據權利要求
30所述的處理方法，進ー步包括在所述真空室內生成第一和第二施加的磁場的步驟，其中所述第一和第二施加的磁場的單向場線在相対的方向上延伸。
35.根據權利要求
31所述的處理方法，進ー步包括連接第一和第二施加的磁場的場線以形成磁尖的步驟。
36.根據權利要求
32-34中任意一項所述的處理方法，進ー步包括連接第一和第二施加的磁場的場線以形成磁尖的步驟。
37.根據權利要求
24所述的處理方法，進ー步包括步驟 在所述真空室內生成第一和第二施加的磁場，其中所述第一和第二施加的磁場的單向場線在相對的方向上延伸，連接第一和第二施加的磁場的場線以形成磁尖，和 引導所述環形束通過所述磁尖的步驟。
38.根據權利要求
25所述的處理方法，進ー步包括步驟 在所述真空室內生成第一和第二施加的磁場，其中所述第一和第二施加的磁場的單向場線在相對的方向上延伸， 連接第一和第二施加的磁場的場線以形成磁尖，和 引導所述環形束通過所述磁尖的步驟。
39.根據權利要求
37和38中任意一項所述的處理方法，進ー步包括將基本上所有聚變產物離子的軸向能量轉換成旋轉能量的步驟。
40.根據權利要求
39所述的處理方法，進ー步包括收集來自環形束的電荷中和的電子作為跟隨所述磁尖的磁場線的電子的步驟。
41.根據權利要求
40所述的處理方法，進ー步包括一旦聚變產物離子的能量被轉換成電能就收集所述聚變產物離子的步驟。
42.根據權利要求
41所述的處理方法，進ー步包括調節從離子能量轉換的電能以匹配現有的電カ網的步驟。
43.根據權利要求
42所述的處理方法，進ー步包括在所述真空室內產生靜電場的步驟。
44.根據權利要求
43所述的處理方法,其中所述靜電場具有對應於第一施加的磁場的幅度的幅度。
45.根據權利要求
42和43中任意一項所述的處理方法，其中產生靜電場的步驟包括以下步驟 以預定的幅度向真空室施加第一施加的磁場，和 以預定的速度將包括離子的束注入到場反轉配置FRC內。
46.根據權利要求
45所述的處理方法，進ー步包括通過調節所述第一施加的磁場的幅度調節所述靜電場的幅度的步驟。
47.根據權利要求
45所述的處理方法，進ー步包括調節所述第一施加的磁場以控制所述靜電場的幅度的步驟。
48.根據權利要求
47所述的處理方法，進ー步包括在場反轉配置FRC內磁性約束多個等離子體離子的步驟。
49.根據權利要求
48所述的處理方法，進ー步包括在所述靜電場內靜電約束多個等離子體電子的步驟。
50.根據權利要求
47所述的處理方法，其中調節施加的磁場的步驟包括調節所述靜電場的幅度。
51.根據權利要求
43所述的處理方法，其中產生靜電場的步驟包括在場反轉配置FRC內在抗磁性方向上旋轉等離子體並且由於等離子體電子離開該等離子體而生成多餘的正電荷的步驟。
52.根據權利要求
51所述的處理方法，其中生成多餘的正電荷的步驟包括在等離子體電子上施加洛倫茲力。
53.根據權利要求
49所述的處理方法，其中所述磁性約束步驟包括基本上經典包含所述等離子體離子，其中經典包含所述等離子體離子包括在約束結構內包含所述等離子體離子一個大於等離子體的燃燒時間的時間周期。
54.根據權利要求
53所述的處理方法，其中所述靜電約束步驟包括基本上經典包含所述等離子體電子。
55.根據權利要求
53所述的處理方法，進ー步包括使等離子體離子在場反轉配置FRC內在大半徑電子感應加速器軌道上沿軌道運行，其中軌道半徑超過造成波動的反常輸運的波長。
56.根據權利要求
53所述的處理方法，進ー步包括旋轉等離子體並且產生電流以形成圍繞等離子體的磁自場的步驟。
57.根據權利要求
56所述的處理方法，進ー步包括組合第一施加的磁場和磁自場以形成所述場反轉配置FRC磁場的步驟。
58.根據權利要求
57所述的處理方法，進ー步包括在所述約束結構內生成方位角電場的步驟。
59.根據權利要求
58所述的處理方法，進ー步包括將所述方位角電場耦合到等離子體離子和電子並且在所述等離子體離子和電子上施加有質動カ的力。
60.根據權利要求
59所述的處理方法，其中生成方位角電場的步驟包括増加流過通量線圈的電流。
61.根據權利要求
48所述的處理方法，進ー步包括冷卻等離子體電子的步驟。
62.根據權利要求
48所述的處理方法，進ー步包括將來自靜電場的電勢能阱的能量傳送到聚變產物離子的步驟。
63.根據權利要求
62所述的處理方法，其中所述等離子體包括至少兩種不同的離子種類。
64.根據權利要求
56所述的處理方法，進ー步包括加速旋轉等離子體到聚變相關的旋轉能量的步驟。
65.根據權利要求
64所述的處理方法，進ー步包括將高能量離子束注入到場反轉配置FRC中並且在場反轉配置FRC內在電子感應加速器軌道上捕獲所述束。
66.根據權利要求
46到48或63中任意一項所述的處理方法，其中所述離子束被基本上與第一施加的磁場橫向地注入。
67.根據權利要求
45所述的處理方法,其中所述離子束被基本上與第一施加的磁場橫向地注入。
68.根據權利要求
43所述的處理方法，其中產生靜電場的步驟包括以對應於約束多個等離子體電子的靜電場的幅度施加第一施加的磁場。
專利摘要
場反轉配置中的受控聚變和直接能量轉換，一種系統和設備，用於場反轉配置(FRC)磁拓樸中的受控聚變和從聚變產物能量直接到電功率的轉換。優選的是，等離子體離子在磁性上被約束於FRC中，而等離子體電子在靜電上被約束於深能阱中，該能阱通過轉變外部施加的磁場而產生。在該配置中，離子和電子可具有足夠的密度和溫度以使一旦碰撞，則它們藉助核力而融合在一起，由此形成以環形束的形式出現的聚變產物。在聚變產物離子螺旋經過逆回旋加速器轉換器的電極時，能量從它們被去除。有利的是，可與本約束和能量轉換系統一起使用的聚變燃料等離子體包括高級(aneutronic)燃料。
文檔編號G21BGKCN1874646 B發布類型授權 專利申請號CN 200610094539
公開日2012年10月3日 申請日期2002年3月18日
發明者H·J·蒙克霍爾斯特, N·羅斯託克 申請人:佛羅裡達大學研究基金會, 加州大學評議會導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2),