磁約束裝置的製作方法
2023-09-14 22:00:15 5
專利名稱:磁約束裝置的製作方法
磁約束裝置
致謝
本發明得到美國政府支持，在由美國能源局提供的資助編號DE-FG02-04ER54742 和DE-FG02-04ER547M下完成。政府在本發明中享有某些權利。
背景
核聚變是從輕元素核組合為重元素導致能量釋放獲得的能源。在聚變中，兩個輕核(例如氘和氚)組合為一個新核(例如氦)並且在該過程中釋放大量能量和另一粒子 (例如在氘和氚的聚變的情況下為中子)。儘管聚變對於太陽和恆星是壯觀的成功能源，但是在地球上控制聚變的實踐在技術上是有挑戰的，原因是為了維持聚變，等離子體(由帶電離子和電子組成的氣體)或電離氣體必須在聚變反應堆中被約束和加熱到數百萬攝氏度且持續足夠的時間以使聚變反應能夠發生。在聚變背後的科學研究發展完善，有100年以上的核物理以及電磁和分子運動理論作為基礎，但是目前的工程技術限制使核聚變的實際使用很有挑戰。聚變反應堆的一種方法使用強大的磁場來約束等離子體，由此以受控方式釋放聚變能量。迄今為止，獲得受控聚變的最成功方法是使用被稱為託卡馬克的圓環形或環形磁構造。
約束等離子體以產生核聚變反應可以用在聚變反應堆的真空室內部產生的磁場 (即，磁瓶)實現。由於等離子體被電離，因此等離子體粒子傾向於在圍繞磁場線的小軌道中迴轉，即，它們基本附著到磁場線，同時沿著磁場線很自由地流動。這可以用於使用適當設計的磁場構造(有時被稱為磁瓶)在真空室中「懸浮」大量等離子體。通過驅動等離子體中的電流產生一組嵌套環形磁面並通過鄰近等離子體放置載流線圈或導體，等離子體可以磁包含在室內。由於這些磁面上的磁場線並不接觸任何實物，例如真空室的壁，因此很熱的等離子體可以長時間理想地保持懸浮在磁瓶中(即，包含閉合磁面的體積中)，並且粒子不與壁接觸。然而實際上，由於粒子彼此碰撞或等離子體中的湍流，粒子和能量沿垂直於磁面的方向很慢地脫離磁約束。減小該緩慢等離子體損失使得等離子體的粒子和能量更好地被約束是等離子體約束研究的主要焦點。
包含閉合磁面的瓷瓶的邊界(即，「堆芯等離子體」)由被稱為限制器(例如參考圖4的410)的實體或由被稱為分界面(例如參考圖4的430)的環形磁面限定，在其外部磁場線是「開放的」，即，它們終止於被稱為偏濾器靶板(參考圖4的420)的實體。緩慢脫離堆芯等離子體的粒子和能量主要落在限制器或偏濾器靶板的小區域上並且生成雜質。由於限制器正好在等離子體邊界上，而偏濾器靶板可以放置得更遠，因此通過使用偏濾器，堆芯等離子體可以更好地與這樣的雜質隔離。由於偏濾器的發明，因此等離子體操作的優選模式是具有分界面和偏濾器，原因是發現這樣的操作允許被稱為H模式的操作模式，在該模式中堆芯中的等離子體粒子和能量更好地被約束。
由於粒子沿著磁線很快地流動但是橫穿磁線很慢，因此橫穿分界面脫離的任何粒子和能量在橫穿它們移動很遠之前沿著開放場線快速到達偏濾器靶板。這必然產生落在偏濾器板的窄區域上的帶有高「刪削通量」的粒子和能量的窄「刪削層」。偏濾器可以處理的最大「刪削通量」限制可以在瓷瓶中維持的最高功率密度。[0008]高「刪削通量」產生許多挑戰。除了熱和粒子通量以外，偏濾器板也必須耐受在聚變中產生的大通量的中子。這些中子導致許多重要材料性質的退化，使偏濾器板極難處理高熱通量和中子通量而不必經常更換。定期更換損壞部件是很耗時的並且需要停止聚變反應。此外，通過在它到達偏濾器板之前注射雜質以輻射能量來減小「刪削通量」的嘗試是不可行的，原因是 來自等離子體的功率密度變得太高使得它嚴重降低等離子體約束，這導致堆芯等離子體中的聚變反應速率的嚴重減小。
為了降低聚變反應堆內的中子和熱通量並且因此減輕對偏濾器部件的損害，反應堆可以簡單地被製造得較大以減小裝置內的功率密度。然而，該方法將反應堆成本和因此用它產生的任何能量的成本顯著增加到與用於發電或生成中子的其他方法相比不合算的水平。
核聚變長期以來被認為是未來的能源，原因是燃料供應與部分海水一樣充裕並且每單位發電的二氧化碳產量可以很小。除了發電以外，在理論上提出了許多其他聚變應用。 然而，高「刪削通量」是這些聚變應用的主要障礙。例如，對於其尺寸可以使它們與其他發電方法相比合算的反應堆，基於目前的技術高「刪削通量」對於偏濾器設計是不能忍受的。 所以，需要克服本領域中的挑戰的方法和裝置，例如一類新的「刪削層」磁幾何結構，其允許顯著提高偏濾器的「刪削通量」限制，因此提供克服目前聚變技術中的關鍵挑戰所需的新方法。
發明內容
本文公開了用於容納等離子體或聚變等離子體的裝置、小型聚變中子源和可選地包括磁約束等離子體的託卡馬克的實施例。也公開了從所公開實施例排熱的方法。本文中描述的各種實施例可以有用於需要核聚變、中子源和/或從其產生的產品的應用中。
在一個方面中，公開了一種聚變中子源，其包括圍繞中心軸線的環形室，其中環形堆芯等離子體由基本位於閉合環形磁面上的閉合磁場線基本上約束在所述環形室內；所述閉合磁場線由堆芯等離子體中和大體鄰近所述環形室的載流導體中的電流產生，並且所述環形堆芯等離子體基本上由與一個或更多個偏濾器板交叉的開放磁場線的區域封閉；所述偏濾器板具有大於等離子體短半徑和最靠近相應偏濾器板的峰值點的長半徑的總和的外側偏濾器長半徑。
在另一個方面中，公開了一種環形等離子體裝置。所述環形等離子體裝置包括圍繞中心軸線的環形室。環形堆芯等離子體由大體位於閉合環形磁面上的磁場線基本上約束在所述環形室內。所述磁場線由堆芯等離子體中和大體鄰近所述環形室的載流導體中的電流產生。環形堆芯等離子體基本上由與一個或更多個偏濾器板交叉的開放磁場線的區域封閉。所述環形等離子體裝置還包括分界面。所述分界面由分離堆芯等離子體和所述開放磁場線區域的磁面組成。所述分界面與所述偏濾器板交叉，使得從堆芯等離子體橫穿所述分界面流動到所述開放磁場線區域中的粒子和能量沿著所述開放磁場線被引導到所述偏濾器板。所述分界面包含離赤道面垂直距離非零的至少一個滯點，所述赤道面垂直於所述中心軸線並且穿過堆芯等離子體中的最大長半徑的點。所述滯點離所述赤道面的垂直距離大於等離子體短半徑，並且所述偏濾器板具有大於等離子體短半徑和最靠近相應偏濾器板的峰值點的長半徑的總和的外側偏濾器長半徑。[0014]在一個方面中，公開了一種從環形等離子體裝置排熱的方法。所述方法包括圍繞中心軸線在環形室中產生堆芯等離子體的步驟。環形堆芯等離子體基本上由大體位於閉合環形磁面上的磁場線約束在所述環形室內。所述磁場線由堆芯等離子體中和大體鄰近所述環形室的載流導體中的電流產生。環形堆芯等離子體基本上由與一個或更多個偏濾器板交叉的開放磁場線區域封閉。來自環形堆芯等離子體、橫穿所述閉合磁場線的粒子被引導到所述開放磁場線到達一個或更多個偏濾器板。所述一個或更多個偏濾器板中的至少一個被放置在外側偏濾器長半徑處，所述外側偏濾器長半徑大於或等於等離子體短半徑和最靠近相應偏濾器板的峰值點的長半徑的總和。
本文中還描述了一種裝置，所述裝置包括圍繞中心軸線由多個壁封閉的室。所述室具有相對於所述中心軸線的內半徑和外半徑並且被構造為磁包容堆芯等離子體。所述裝置還包括被構造成用於接收廢熱的偏濾器板。所述偏濾器板具有相對於所述中心軸線的偏濾器半徑。所述偏濾器半徑大於或等於等離子體短半徑與最靠近相應偏濾器板的峰值點的長半徑的總和。所述裝置可以用於包容聚變等離子體或作為小型聚變中子源以及作為託卡馬克。也描述了當等離子體存在於其中時從這樣的裝置排熱的方法。
附加優點將部分地在下面的描述中闡述，並且部分地將從描述中顯而易見，或者可以通過實踐領會。其他優點將藉助於在附帶權利要求
中特別指出的要素和組合實現和獲得。應當理解前面的概述和下面的詳述僅僅是示例性的和解釋性的，而不是對本發明的權利要求
的限制。
包含在本說明書中並且構成其一部分的不一定按比例繪製的附圖示出了若干實施例並且與文字描述一起用於解釋本發明的原理，並且其中
圖1顯示了由CORSICA TM生成的本公開實施例的上部區域橫截面圖；
圖2顯示了圍繞中心軸線的容器；
圖3AJB和3C顯示了用於從本公開實施例排熱的方法的流程圖；
圖4顯示了包括限制器和偏濾器的現有技術的磁約束構造；
圖5顯示了包括X偏濾器的(如Kotschenreuther等人在《物理等離子學》2006 年第14卷72502/1-25中題為「有關熱負荷、新型偏濾器和聚變反應堆的研究」所述)現有技術的磁約束構造的下部區域；
圖6顯示了包括本公開偏濾器的一個實施例的託卡馬克的改進示意圖；
圖7A顯示了用於示例性實施例的CORSICA TM平衡的上部區域；
圖7B顯示了用於示例性實施例的CORSICA TM平衡的上部區域，其中偏濾器線圈被分為兩個不同的偏濾器線圈；
圖7C顯示了用於示例性實施例的CORSICA TM平衡的上部區域，其中偏濾器線圈被分為四個不同的偏濾器線圈；
圖8顯示了用於所公開的聚變開發設施(FDF)基反應堆的一個FDF基實施例的示例性圖示；
圖9顯示了用於帶有Cu線圈的部件試驗設施(CTF)的一個示例性實施例的 CORSICA TM平衡的上部區域；[0029]圖10顯示了用於帶有超導線圈的Slim-CS、減小尺寸中心螺線管(CS)基反應堆的一個示例性實施例的CORSICA TM平衡的上部區域；
圖11顯示了用於ARIES (先進反應堆創新和評價研究)基反應堆(使用安裝在由虛線包圍的可提取段內部的模塊化線圈)的一個示例性實施例的CORSICA TM平衡的上部區域；
圖12a和12b顯示了(a)國家高功率先進環面實驗(NHTX)基實施例的圖示和(b) 用於所公開的NHTX基反應堆的CORSICA TM平衡；
圖13A顯示了標準NHTX構造(現有技術)；
圖1 顯示了用於包括所公開的偏濾器構造的一個實施例的NHTX基反應堆的 SOLPS (刪削層等離子體模擬)計算；
圖13C顯示了用於所公開的NHTX基實施例的CORSICA TM平衡的上部區域；
圖14顯示了 ITER(國際熱核實驗反應堆)等離子體尺寸與使用本文所述的實施例可獲得的高功率密度等離子體尺寸的比較的橫截面圖；以及
圖15是顯示等離子體運動對所公開的偏濾器的偏濾器撞擊點位置的減小影響與相同等離子體運動對等離子體X點的更大影響的比較的圖形。
具體實施方式
可以通過參考以下詳細描述和包括在其中的例子以及參考附圖和它們的先前和以下描述更容易地理解本文中所述的裝置、系統和方法。
在公開和描述本系統、物品、裝置和/或方法之前，應當理解本發明並不限於特定系統、特定裝置或特定方法，因而當然可以變化。也應當理解本文中使用的術語僅僅是為了描述特定實施例的目的而不是旨在限制。
本發明的以下描述在其最佳的、當前已知的實施例中作為本發明的啟發教導。為此，相關領域的技術人員將認識到和理解可以對本文中所述的發明的各個方面進行許多變化，同時仍然獲得本發明的有益結果。也將顯而易見可以通過選擇本發明的實施例的一些特徵而不利用其他特徵獲得本發明的一些預期益處。因此，本領域的技術人員將認識到對本發明的許多修改和調整是可能的，甚至在某些情況下是期望的，並且是本發明的一部分。 因此，提供以下描述作為本發明的原理的示例而不是它的限制。
儘管與本文中所述的那些類似或等效的任何方法和材料可以用於本發明的實踐或試驗中，但是現在描述示例性的方法和材料。
在整個本申請中參考各種出版物。除非另外指出，這些出版物的公開通過引用整體合併於本申請中以便更完整地描述本發明所屬領域的狀態。所公開的參考文獻也通過引用單獨地和具體地被合併在本文中以獲得包含在這些文獻中的在所引用的句子中論述的材料。在本文中沒有任何內容應當被理解為承認本發明沒有資格依靠現有發明早於這樣的出版物。此外，本文中提供的出版日期可能不同於實際出版日期，這可能需要單獨確認。
當在說明書和附帶權利要求
中使用時，單數形式「一 (a和an) 」和「所述(the) 」包括多個指代物，除非上下文清楚地另外指出。因此，例如「一偏濾器板」，「一反應堆」或「一粒子」的提及包括兩個或以上這樣的偏濾器板、反應堆或粒子的組合等。
範圍在本文中可以被表達為從「大約」一個特定值和/或到「大約」另一個特定值。當表達這樣的範圍時，另一個實施例包括從一個特定值和/或到另一個特定值。類似地，當通過使用在前面的「大約」將值表達為近似值時，應當理解特定值形成另一個實施例。還應當理解每個範圍的端點關於另一個端點並且獨立於另一個端點都是有意義的。也應當理解在本文中公開了許多值，並且每個值在本文中也作為除了該值本身以外的「大約」該特定值被公開。例如，如果值「10」被公開，則「大約10」也被公開。也應當理解當值被公開時「小於或等於」該值、「大於或等於」該值和在值之間的可能範圍也被公開，這是熟練技術人員能夠適當理解的。例如，如果值「10」被公開，則「小於或等於10」以及「大於或等於10」也被公開。也應當理解在整個申請中，以許多不同的格式提供數據並且該數據表示端點和起點以及用於數據點的任何組合的範圍。例如，如果特定數據點「10」和特定數據點15被公開， 則應當理解大於、大於或等於、小於、小於或等於和等於10和15以及在10和15之間被視為公開。也應當理解在兩個特定整數之間的每個整數也被公開。例如，如果10和15被公開，則11、12、13和14也被公開。
當在本文中使用時，術語「可選的」或「可選地」表示隨後描述的方面可以存在或不存在或者隨後描述的事件或情況可以發生或不發生，並且描述包括所述事件或情況發生的實例和它不發生的實例。例如，所公開實施例可以可選地包括聚變等離子體，即，聚變等離子體可以存在或不存在。
當在本文中使用時，「示例性的」表示「……的例子」並且並非旨在表達優選的或理想的實施例。此外，當在本文中使用時短語「例如」並非旨在表示任何限制意義，而是僅僅是解釋性的，並且用於指示所列舉的項目僅僅是由這種提供涵蓋的例子。
公開了將用於製備組成物的組分以及將用於本文中公開的方法中的組成物本身。 這些和其他材料在本文中被公開，並且應當理解當這些材料的組合、子集、相互作用、群組等被公開時，儘管這些化合物的各種單獨和總體組合和排列的每一個的具體提及可能未明確被公開，但是每一個在本文中具體地被預料和描述。例如，如果特定化合物被公開和論述並且論述了可以對包括該化合物的許多分子進行的許多修改，則可以具體地預料化合物和修改的每一個可能的組合和排列，除非具體地相反指出。因此，如果一類分子A、B和C以及一類分子D、E和F被公開並且組合分子A-D的一個例子被公開，則即使未單獨地敘述預料到的單獨和總體有意義組合的每一個，也認為A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E和C-F被公開。類似地，這些的任何子集或組合也被公開。因此，例如A-E、B-F和C-E的子組可以被認為公開。該概念適用於本申請的所有方面，包括但不限於製造和使用組成物的方法中的步驟。因此，如果有可以被執行的各種附加步驟，則應當理解這些附加步驟的每一個可以在方法的特定實施例或實施例的組合中被執行。
應當理解本文中公開的組成物具有某些功能。在本文中公開了用於執行所公開功能的某些結構要求，並且應當理解有與所公開結構相關的各種結構可以執行相同功能，並且這些結構將示例性地獲得相同結果。
公開了用於包含等離子體或聚變等離子體的容器、聚變中子源和託卡馬克，其中反應等離子體可以可選地存在於其中。也公開了從所公開實施例排熱的方法，其中存在反應等離子體。
作為一個例子，所公開實施例可以具有如圖1中所示的磁幾何形狀以及線圈和偏濾器構造，圖1是由CORSICA TM電腦程式生成的環形反應堆的一段的橫截面圖。CORSICATM是由加利福尼亞州利沃莫爾市的Lawrence Livermore國家實驗室開發用於模擬磁聚變反應堆中的物理學過程的軟體。在該實施例中，堆芯等離子體110可以主要由閉合磁面140 約束，其中刪削層(SOL) 100存在於所述閉合磁面之外。堆芯等離子體110中的閉合磁面 140由在堆芯等離子體110中、在極向場(PF)線圈120中、在導體(未顯示)中和在環形場(TF)線圈(未顯示)中被驅動的電流導致，這在本領域中是已知的。SOL 100可以包括開放磁場線(相對於堆芯等離子體的閉合磁面140上的線)。真空室可以基本由壁150封閉。附加磁場線170可以存在於所述真空室外部。在壁150中或附近的PF線圈120或載流導體(未顯示)可以用於產生成形開放磁場線的磁場(即，極向場(PF))。如果需要成形和/或控制磁場線，所述線圈120或載流導體可以成形和/或控制所述線，並且產生開放磁場線以用於偏轉交叉場通量(或刪削通量)，即，從堆芯等離子體110橫穿閉合面140遷移到SOL 100中的開放磁場線的粒子。刪削通量可以由開放磁場線偏轉到偏濾器板130，所述偏濾器板可以可選地相對於從聚變等離子體110發射的中子被屏蔽。由於偏濾器板130離堆芯等離子體110的距離(直線距離)和磁距離(沿著磁場線從堆芯等離子體到偏濾器板的距離)大於在本領域中發現的類似尺寸的其他聚變反應堆，因此開放磁場線可以在偏濾器板處進一步擴展，由此減小偏濾器板130上的熱集中，並且允許粒子從它離開堆芯等離子體時直到它到達偏濾器板130的輻射冷卻。從本公開將顯而易見，可以對該實施例進行各種修改。
當在本文中使用時，「用於包含等離子體的容器」可以是與聚變兼容的任何容器， 並且不一定限於已知的容器設計。如果存在反應等離子體，用於包含等離子體的容器可以是聚變中子源。用於包含等離子體的容器也可以是託卡馬克。應當理解任何所公開部件或實施例可以用於任何用於包含等離子體、聚變等離子體的所公開容器、聚變中子源或託卡馬克或從其排熱的方法，除非上下文另外清楚地指出。
在一個方面中，所公開實施例可以包括圍繞中心軸線由壁封閉的環形室，其中所述環形室具有相對於所述中心軸線的內半徑和外半徑；用於接收來自基本上由磁場包含在所述環形室內的聚變等離子體的廢熱的偏濾器板，所述偏濾器板具有相對於所述中心軸線的偏濾器半徑，並且所述偏濾器半徑至少大於或等於等離子體短半徑與最靠近相應偏濾器板的峰值點的長半徑的總和。
當在本文中使用時，「中心軸線」指的是穿過本公開實施例的形心的軸線。在圖2 中顯示了例如圍繞中心軸線220的容器210的一部分。向外並且基本垂直於所述中心軸線延伸的空間中的點具有相對於所述中心軸線的半徑。例如，所述容器可以具有最靠近所述中心軸線220的內半徑230和最遠離所述中心軸線220的外半徑M0。在一個方面中，所述內或外半徑可以被定義為從基本垂直於所述中心軸線220的假想線延伸的點。
所公開的室可以是適於約束聚變等離子體的任何形狀。在一些方面中，所公開的室的至少一部分可以為環形，即，圓環形。「環形」表示圍繞中心軸線的旋轉將是環形旋轉並且所公開的室的至少一部分將在環形旋轉下保持不變。因此，在一個方面中，當附圖(例如圖1和4-1 顯示包含中心軸線的平面中的二維橫截面時，可以通過圍繞所述中心軸線進行360度環形旋轉重建相應的三維環形實施例。
在一個方面中，所公開的容器可以包括已知與聚變反應堆兼容的任何材料。非限定性例子包括金屬(例如鎢和鋼)、金屬合金、(包括碳複合材料)複合材料、它們的組合寸。
在一個方面中，所公開的實施例包括改進的偏濾器。當在本文中使用時，「偏濾器」 意味著指的是實施例中將來自堆芯等離子體的熱、能量和/或粒子偏轉到遠離堆芯等離子體的期望位置的所有方面。偏濾器的各方面的例子包括但不限於刪削層、分界面、在其中包含刪削通量的開放磁場線和一個或更多個偏濾器板(或偏濾器靶板)。
在一個方面中，所述偏濾器板可以包括適合用於聚變反應堆的任何材料。可以使用已知的現有偏濾器組成物，例如在銅或碳複合材料上的鎢或鎢複合材料。可以使用的其他材料包括在高熱導襯底上的鋼合金。
在另一個方面中，偏濾器板可以具有相對於中心軸線的偏濾器半徑並且所述偏濾器半徑可以相對於所公開的實施例中的另一個部件或點位於一個位置。本領域的技術人員將理解，偏濾器半徑相對於其他部件(例如等離子體或室壁等)的比率應當包含任何合適的單個半徑，並且因此所公開的任何實際偏濾器半徑僅僅表示是示例性的並且因而是非限定的。
當在本文中使用並且由Iidiv表示時，術語「偏濾器半徑」意味著指的是偏濾器板離中心軸線的平均半徑距離。
在一個方面中，偏濾器板可以具有大於或等於大約環形室的外半徑的偏濾器半徑。在另一個方面中，偏濾器板可以具有小於或等於大約環形室的外半徑的偏濾器半徑。在又一個方面中，偏濾器板可以具有大於或等於大約環形室的內半徑的偏濾器半徑。
在一個方面中，偏濾器半徑Iidiv與環形室的外半徑I 。的比率可以從大約0. 2到大約10，或者從大約0. 5到大約8，或者從大約1到大約6，或者從大約1到大約5，或者從大約1到大約3，或者從大約1到大約2，或者從大約1到大約1. 5。
一般而言，可以預見可以使用任何尺寸的實施例。但是，例如所述偏濾器板可以具有大約 0. 2m、0. 5m、lm、l. 5m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m 或大約 IOm 的半徑。在另一個方面中，偏濾器半徑可以為大約1. 9mm,3. 3mm、4m、7. 3mm或7. 5mm。
在一個方面中，偏濾器板可以具有相對於分界面上的X點的偏濾器半徑。當在本文中使用時，術語「分界面」指的是開放磁場線和閉合磁場線之間的邊界，並且X點指的是分界面上極向磁場為零的點。在一個方面中，多個X點存在於所公開的實施例中，並且主等離子體X點指的是鄰近所述堆芯等離子體的X點。例如，返回參考圖1，主X點被顯示為 160。主X點的半徑通常取決於磁場線的構造。在一個方面中，偏濾器板可以具有大於或等於主X點的半徑的長半徑。
在一個方面中，偏濾器板半徑與X點半徑的比率Rdiv/I x可以從大約1到大約5，或者從大約1到大約4，或者從大約1到大約3. 5，或者從大約1. 5到大約3. 5。例如，所公開的偏濾器板和所公開的分界面可以具有如表1中列出的半徑以及相應比率。
表1 Iidiv和&的例子
權利要求
1.一種環形等離子體裝置，包括圍繞中心軸線的環形室，其中一環形堆芯等離子體基本上由大體位於閉合環形磁面上的閉合磁場線約束在所述環形室內，所述閉合磁場線由堆芯等離子體中的電流以及大體鄰近所述環形室的載流導體中的電流產生，並且所述環形堆芯等離子體基本上由與一個或更多個偏濾器板交叉的開放磁場線的區域封閉；和分界面，其包括分離所述堆芯等離子體和開放磁場線的所述區域的磁面，其中所述分界面與所述偏濾器板交叉，使得從堆芯等離子體橫穿所述分界面流動到開放磁場線的所述區域中的粒子和能量沿著所述開放磁場線被引導到所述偏濾器板，並且其中所述分界面包含離赤道面的垂直距離非零的至少一個滯點，所述赤道面垂直於所述中心軸線並且經過堆芯等離子體中的最大長半徑的點，所述垂直距離大於等離子體短半徑，並且所述偏濾器板具有外側偏濾器長半徑，所述外側偏濾器長半徑大於等離子體短半徑與最靠近相應偏濾器板的峰值點的長半徑的總和。
2.根據權利要求
1所述的環形等離子體裝置，其中任何點的長半徑是該點離所述中心軸線的垂直距離，並且垂直於所述中心軸線並且經過堆芯等離子體中的最大長半徑的點的所述赤道面將所述環形室分為上部區域和下部區域，其中堆芯等離子體具有外等離子體長半徑和內等離子體長半徑，所述外等離子體長半徑是堆芯等離子體中最遠離所述中心軸線的點的長半徑，並且所述內等離子體長半徑是堆芯等離子體中最靠近所述中心軸線的點的長半徑，其中所述外等離子體長半徑和內等離子體長半徑的總和的一半是等離子體長半徑，並且所述外等離子體長半徑和內等離子體長半徑之間的差值的一半是等離子體短半徑，其中堆芯等離子體的上部區域中最遠離所述赤道面的點是上峰值點並且堆芯等離子體的下部區域中最遠離所述赤道面的點是下峰值點，其中所述分界面和所述偏濾器板之間的交叉點的最大長半徑是外側偏濾器長半徑，並且其中所述分界面具有一個或更多個滯點，每個所述滯點是這樣的點，在所述點處，包括所述磁面的磁場的極向分量大約為零並且在包含所述中心軸線的任何平面中的方向是極向。
3.根據權利要求
1所述的環形等離子體裝置，其中大體鄰近所述環形室的所述載流導體中的電流在與所述一個或更多個偏濾器板交叉的開放磁場線的所述區域中產生磁通量膨脹。
4.根據權利要求
3所述的環形等離子體裝置，其中在與所述一個或更多個偏濾器板交叉的開放磁場線的所述區域中的所述磁通量膨脹將轉移到所述偏濾器板的能量和粒子分布在所述偏濾器板的擴大區域上，由此減小入射在所述一個或更多個偏濾器板上的能量和粒子的平均通量和峰值通量。
5.根據權利要求
1所述的環形等離子體裝置，其中大體鄰近所述環形室的所述載流導體中的電流增加在所述赤道面中到所述外側偏濾器板的磁連接長度。
6.根據權利要求
5所述的環形等離子體裝置，其中磁連接長度的增加導致在能量入射到所述外側偏濾器板上之前能量的擴散或消耗提升。
7.根據權利要求
1所述的環形等離子體裝置，其中來自堆芯等離子體的粒子在到達所述一個或更多個偏濾器板之前冷卻到小於大約40電子伏特的溫度。
8.根據權利要求
4所述的環形等離子體裝置，其中所述一個或更多個偏濾器板附近區域的低溫允許來自所述一個或更多個偏濾器板附近的粒子的能量輻射增加。
9.根據權利要求
5所述的環形等離子體裝置，其中所述磁連接長度足夠長以在所述偏濾器板和堆芯等離子體之間維持小於大約5eV的溫度的等離子體穩定區域。
10.根據權利要求
1所述的環形等離子體裝置，其中所述一個或更多個偏濾器板中的至少一個相對於從環形堆芯等離子體發射的直接中子被基本上屏蔽。
11.根據權利要求
1所述的環形等離子體裝置，其中所述一個或更多個偏濾器板包括液態金屬。
12.根據權利要求
1所述的環形等離子體裝置，其中堆芯等離子體中的總加熱功率與等離子體長半徑的比率為大約5兆瓦/米或更高。
13.根據權利要求
5所述的環形等離子體裝置，其中從聚變反應泵送氦灰，並且其中所述偏濾器板的長半徑比最近峰值點的長半徑大出的量大於等離子體短半徑，使得所述裝置在所述偏濾器板附近的中性壓力增大，從所述偏濾器板到泵的泵送通道長度減小以及泵送管道的最大面積增加。
14.根據權利要求
1所述的環形等離子體裝置，其中所述環形等離子體裝置是託卡馬克。
15.一種從環形等離子體裝置排出熱和粒子的方法，包括圍繞中心軸線在環形室中產生環形堆芯等離子體，其中環形堆芯等離子體基本上由大體位於閉合環形磁面上的磁場線約束在所述環形室內，閉合的所述磁場線由堆芯等離子體中的電流以及大體鄰近所述環形室的載流導體中的電流產生，並且所述環形堆芯等離子體基本上由與一個或更多個偏濾器板交叉的開放磁場線的區域封閉；和將來自環形堆芯等離子體的橫穿所述閉合磁場線到達所述開放磁場線的粒子引導到所述一個或更多個偏濾器板，其中所述一個或更多個偏濾器板中的至少一個被放置在外側偏濾器長半徑處，所述外側偏濾器長半徑大於或等於等離子體短半徑與最靠近相應偏濾器板的峰值點的長半徑的總和。
16.根據權利要求
15所述的方法，其中圍繞中心軸線在環形室中產生環形堆芯等離子體，其中環形堆芯等離子體基本上由大體位於閉合環形磁面上的磁場線約束在所述環形室內的這一步驟包括分界面，所述分界面包括分離堆芯等離子體和開放磁場線的所述區域的磁面，其中所述分界面與所述偏濾器板交叉，使得從堆芯等離子體橫穿所述分界面流動到開放磁場線的所述區域中的粒子和能量沿著所述開放磁場線被引導到所述偏濾器板，其中任何點的長半徑是該點離所述中心軸線的垂直距離，並且垂直於所述中心軸線且經過堆芯等離子體中的最大長半徑的點的赤道面將所述環形室分為上部區域和下部區域， 並且其中所述分界面包含至少一個滯點，所述滯點離所述赤道面的垂直距離大於等離子體短半徑。
17.根據權利要求
15所述的方法，其中堆芯等離子體具有外等離子體長半徑和內等離子體長半徑，所述外等離子體長半徑是堆芯等離子體中最遠離所述中心軸線的點的長半徑，並且所述內等離子體長半徑是堆芯等離子體中最靠近所述中心軸線的點的長半徑，其中所述外等離子體長半徑和內等離子體長半徑的總和的一半是等離子體長半徑，並且所述外等離子體長半徑和內等離子體長半徑之間的差值的一半是等離子體短半徑，其中堆芯等離子體的上部區域中最遠離所述赤道面的點是上峰值點並且堆芯等離子體的下部區域中最遠離所述赤道面的點是下峰值點，其中所述分界面和所述偏濾器板之間的交叉點的最大長半徑是外側偏濾器長半徑，並且其中所述分界面具有一個或更多個滯點，每個所述滯點是這樣的點，在所述點處，包括所述磁面的磁場的極向分量大約為零並且在包含所述中心軸線的任何平面中的方向是極向。
18.根據權利要求
15所述的方法，其中大體鄰近所述環形室的所述載流導體中的電流在與所述一個或更多個偏濾器板交叉的開放磁場線的所述區域中產生磁通量膨脹。
19.根據權利要求
18所述的方法，其中在與所述一個或更多個偏濾器板交叉的開放磁場線的所述區域中的所述磁通量膨脹將轉移到所述偏濾器板的能量和粒子分布在所述偏濾器板的擴大區域上，由此減小入射在所述一個或更多個偏濾器板上的能量和粒子的平均通量和峰值通量。
20.根據權利要求
15所述的方法，其中大體鄰近所述環形室的所述載流導體中的電流增加在所述赤道面中到所述外側偏濾器板的磁連接長度。
21.根據權利要求
20所述的方法，其中磁連接長度的增加導致在能量入射到所述外側偏濾器板上之前能量的擴散或消耗提升。
22.根據權利要求
15所述的方法，其中來自堆芯等離子體的粒子在到達所述一個或更多個偏濾器板之前冷卻到小於大約40電子伏特的溫度。
23.根據權利要求
20所述的方法，其中所述一個或更多個偏濾器板附近區域的低溫允許來自所述一個或更多個偏濾器板附近的粒子的能量輻射增加。
24.根據權利要求
20所述的方法，其中所述磁連接長度足夠長以在所述偏濾器板和堆芯等離子體之間維持小於大約5eV的溫度的等離子體穩定區域。
25.根據權利要求
15所述的方法，其中所述一個或更多個偏濾器板中的至少一個相對於從環形堆芯等離子體發射的直接中子被基本上屏蔽。
26.根據權利要求
15所述的方法，其中所述一個或更多個偏濾器板包括液態金屬。
27.根據權利要求
15所述的方法，其中堆芯等離子體中的總加熱功率與等離子體長半徑的比率為大約5兆瓦/米或更高。
28.根據權利要求
15所述的方法，還包括從聚變反應泵送氦灰，其中所述偏濾器板的長半徑比最近峰值點的長半徑大出的量大於等離子體短半徑，使得所述裝置在所述偏濾器板附近的中性壓力增大，從所述偏濾器板到泵的泵送通道長度減小以及泵送管道的最大面積增加。
29.根據權利要求
15所述的方法，其中所述環形等離子體裝置是託卡馬克。
30.一種小型聚變中子源，包括高功率密度環形等離子體裝置；其中所述環形等離子體裝置具有堆芯等離子體中的總加熱功率與等離子體長半徑的比率，該比率為大約5兆瓦/米或更高；其中所述環形等離子體裝置具有橫穿堆芯等離子體表面的中子的總功率，該總功率為大約0. 1兆瓦每平方米每秒或更高；並且其中所述環形等離子體裝置具有位於外側偏濾器長半徑處的一個或更多個偏濾器板， 所述外側偏濾器長半徑大於或等於等離子體短半徑與最靠近相應偏濾器板的峰值點的長半徑的總和。
31.根據權利要求
30所述的小型聚變中子源，其中所述環形等離子體裝置是託卡馬克。
32.一種裝置，包括圍繞中心軸線由多個壁封閉的室，其中所述室相對於所述中心軸線具有內半徑和外半徑並且被構造為通過磁場包含堆芯等離子體；被構造用於接收廢熱的偏濾器板，所述偏濾器板相對於所述中心軸線具有偏濾器半徑，所述偏濾器半徑大於或等於等離子體短半徑與最靠近相應偏濾器板的峰值點的長半徑的總和。
33.根據權利要求
32所述的裝置，其中包含在所述室中的堆芯等離子體具有外等離子體長半徑和內等離子體長半徑，所述外等離子體長半徑是堆芯等離子體中最遠離所述中心軸線的點的長半徑，並且所述內等離子體長半徑是堆芯等離子體中最靠近所述中心軸線的點的長半徑，其中所述外等離子體長半徑和內等離子體長半徑的總和的一半是等離子體長半徑，並且所述外等離子體長半徑和內等離子體長半徑之間的差值的一半是等離子體短半徑，其中堆芯等離子體的上部區域中最遠離所述赤道面的點是上峰值點並且堆芯等離子體的下部區域中最遠離所述赤道面的點是下峰值點，其中分界面和偏濾器板之間的交叉點的最大長半徑是外側偏濾器長半徑，並且其中所述分界面具有一個或更多個滯點，每個所述滯點是這樣的點，在所述點處，包括所述磁面的磁場的極向分量大約為零並且在包含所述中心軸線的任何平面中的方向是極向。
34.根據權利要求
32所述的裝置，其中堆芯等離子體基本上由大體位於閉合磁面上的閉合磁場線約束在所述室內，所述閉合磁場線由堆芯等離子體中的電流以及大體鄰近所述室的載流導體中的電流產生，並且所述堆芯等離子體基本上由與所述偏濾器板交叉的開放磁場線的區域封閉。
35.根據權利要求
34所述的裝置，其中大體鄰近所述室的所述載流導體中的電流在與所述偏濾器板交叉的開放磁場線的所述區域中產生磁通量膨脹。
36.根據權利要求
32所述的裝置，其中在與所述偏濾器板交叉的開放磁場線的所述區域中的所述磁通量膨脹將轉移到所述偏濾器板的能量和粒子分布在所述偏濾器板的擴大區域上，由此減小入射在所述偏濾器板上的能量和粒子的平均通量和峰值通量。
37.根據權利要求
33所述的裝置，其中大體鄰近所述室的所述載流導體中的電流增加在所述赤道面中到所述外側偏濾器板的磁連接長度。
38.根據權利要求
37所述的裝置，其中磁連接長度的增加導致在能量入射到所述外側偏濾器板上之前能量的擴散或消耗提升。
39.根據權利要求
32所述的裝置，其中來自堆芯等離子體的粒子在到達所述偏濾器板之前冷卻到小於大約40電子伏特的溫度。
40.根據權利要求
32所述的裝置，其中所述偏濾器板附近區域中的低溫允許來自所述偏濾器板附近的粒子的能量輻射增加。
41.根據權利要求
37所述的裝置，其中磁連接長度足夠長以在所述偏濾器板和堆芯等離子體之間維持小於大約5eV的溫度的等離子體穩定區域。
42.根據權利要求
32所述的裝置，其中所述偏濾器板相對於從環形堆芯等離子體發射的直接中子被基本上屏蔽。
43.根據權利要求
32所述的裝置，其中所述偏濾器板包括液態金屬。
44.根據權利要求
32所述的裝置，其中堆芯等離子體中的總加熱功率與等離子體長半徑的比率為大約5兆瓦/米或更高。
45.根據權利要求
37所述的裝置，其中從所述室內的聚變反應泵送氦灰，其中所述偏濾器板的長半徑比最近峰值點的長半徑大出的量大於等離子體短半徑，使得所述裝置在所述偏濾器板附近的中性壓力增大，從所述偏濾器板到泵的泵送通道長度減小以及泵送管道的最大面積增加。
46.根據權利要求
32所述的裝置，其中所述裝置是託卡馬克。
專利摘要
公開了一種裝置，所述裝置包括由圍繞中心軸線的壁封閉的室。所述室具有相對於所述中心軸線的內半徑和外半徑並且被構造為磁包含堆芯等離子體。所述裝置還包括被構造用於接收廢熱的偏濾器板。所述偏濾器板具有相對於所述中心軸線的偏濾器半徑。所述偏濾器半徑大於或等於等離子體短半徑與最接近相應偏濾器板的峰值點的長半徑的總和。所述裝置可以用於包含聚變等離子體，作為小型聚變中子源，或作為小型聚變能量源。也描述了當等離子體存在於其中時從這樣的裝置排熱的方法。
文檔編號G21B1/00GKCN102224547SQ200980142268
公開日2011年10月19日 申請日期2009年8月20日
發明者M·T·科琴羅伊特, P·M·瓦蘭朱, S·M·馬哈詹 申請人:德克薩斯大學體系董事會導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan