高效紧凑型聚变反应堆制造技术

描述了一种用作中子源或能量源的高效紧凑型核聚变反应堆。该反应堆具有环形等离子体室和等离子体约束系统，此等离子体约束系统被布置成产生用于约束等离子体室中的等离子体的磁场。等离子体约束系统被配置成使得被约束的等离子体的主要半径为1.5m或更小。环形磁场运行于5T或更小，以及等离子体电流是5MA或更小。此外，所生成的α粒子约束在等离子体中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种在强环形场中运行的紧凑型聚变反应堆。特别地，但非排他地，本专利技术涉及一种适合用作能量源或用作高效中子源的球形托卡马克反应堆。
技术介绍
生产聚变能的挑战是非常复杂的。目前已经提出除托卡马克之外的许多可选设备，尽管还没有一个能够产生任何与现有运行的最好的托卡马克(如JET)可比的结果。在开始建造有史以来最大及最昂贵(c15bn欧元)的托卡马克ITER之后，世界核聚变的研究已经进入了新的阶段。到达商业核聚变反应堆的成功路线要求长脉冲、使得发电具有经济效益的高效率和稳定运行。这三个条件特别难以同时达到，并且计划中的方案将需要对ITER和其他核聚变设施进行多年的实验研究，以及理论和技术研究。通过这一路线发展的商业核聚变反应堆预料不会在2050年之前建成。为了获得使发电具有经济效益(即功率输出比功率输入更多)的核聚变反应堆，传统的托卡马克必须是巨大的(如ITER)，从而可以有足够多的能量约束时间(该时间大约与等离子体体积成比例)，以致等离子体足够热以发生热聚变。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种用作能量源或高效中子源的紧凑型核聚变反应堆。该反应堆包括环形等离子体室和等离子体约束系统，所述环形等离子室中约束有包括氚离子的等离子体，所述等离子体约束系统被布置成产生用于约束等离子体室中的所述等离子体的磁场。等离子体约束系统被配置成使得被约束的等离子体的主要半径为1.5m或更少，优选为1.2m或更少，更优选为1.0m或更少，更优选为0.8m或更少，更优选为0.6m或更少。磁场在使用中时包括5T或更少，优选为4T或更少，更优选为3T或更少，更优选为2T或更少的环形分量。等离子体电流是5MA或更少，优选为4MA或更少，优选为3MA或更少，优选为2MA或更少，更优选为1MA或更少。宽高比是2.5或更少，优选为小于2.2，更优选为小于2.0，更优选为小于1.8，更优选为小于1.7。该反应堆可以为球形托卡马克。所产生的α粒子中被约束在等离子体中的百分比为0.4或更大，优选为0.5或更大，更优选为0.6或更大，更优选为0.7或更大，更优选为0.8，更优选为0.9或更大。实际上，在一个实施例中，基本上所有产生的α粒子可以被约束在等离子体中。因此，即使在低至约2MA的等离子体电流下，高比例的α粒子也可以被约束在适度高场的球形托卡马克中。应当理解，这种α粒子可用于加热等离子体并在高增益器件中保持聚变条件。氚离子与氘离子在等离子体中的比例可以为至少约25:75，优选为至少约40:60，更优选为至少约50:50。等离子体约束系统可以包括高环形场磁体，该高环形场磁体由具有高温超导体的材料制成，优选为在使用中被冷却至大约80K(氮的沸腾温度为77K)，更优选为冷却至30K或更少，更优选为冷却至4K或更少。所述反应堆可被配置成使得输入到等离子体的功率小于100MW，优选为小于10MW，更优选为小于6MW，更优选为小于3MW，更优选为小于1MW，更优选为小于500kW。换言之，在优选实施例中，反应堆是低能量反应堆。然而，所述反应堆优选为被布置成以聚变能量增益因子Qeng运行，其中Qeng>1，更优选为Qeng>3，更优选为Qeng>10，更优选为Qeng>15，更优选为Qeng>20，并且所述反应堆作为高效中子源或能量源运行。小型核聚变装置的先前的设计通常具有壁负载的问题，即通过等离子体室壁的中子通量或分散的等离子体热。可选择使用输入到等离子体的低的功率，该功率小于10MW，优选为小于6MW，更优选为小于1MW，能使该装置利用现有材料和技术变得可行。通过引导一个或多个中性射束进入等离子体可以增强中子生产。一个或多个中性射束可以具有至少200keV、优选至少100keV、更优选为至少130keV、更优选为至少80keV、更优选至少40keV的能量。可以从选定方向引导多个中子射束进入等离子体，以优化射束中的粒子与热的等离子体间的聚变反应，该多个中子射束可以包括碰撞束(collidingbeams)。在一个实施方式中，等离子体可以保持在稳定状态多于10秒，优选为多于100秒，更优选为多于1000秒，更优选为多于10000秒。事实上，等离子体可以在持续维持在稳定状态高达几年。具体地，等离子体能量约束时间可以比常规预测的大至少10％，优选为大50％，更优选为大100％，更优选为大2倍，更优选为大5倍，更优选为大10倍。由于发射的总中子数量和能量的因为使用长脉冲而增加，这将大大增加中子或能量产生的用途。为了得到这样的长脉冲，可以在没有电感的情况下驱动等离子体电流，例如通过使用中性射束或RF电流驱动。Rf电流驱动包括驱动电流的任意电磁波技术，包括电子伯恩斯坦波、低杂波、离子回旋共振电子回旋共振及其任意组合。低能中性射束可以更有效地(每单位能量输入)传递动力以驱动电流。此外，等离子体压力与磁性压力的比率可以大于5％，优选为大于10％，更优选为大于20％，更优选为大于30％。HTS磁铁的使用有助于将等离子体保持在稳定状态，因为，作为超导体，在磁铁中没有来自电阻的热效应，并且HTS磁铁的电流供应比电阻磁铁的功率供应更稳定。等离子体可以使用融合-压缩、或磁场泵送来启动，其中振荡电流产生加强等离子体电流的等离子体环，或者激活位于环形室中心部分中的一个或多个螺线管，和/或通过回旋振荡管或其他适当的高频发生器产生RF电流启动。等离子体电流可以激活一个或多个螺线管、RF电流驱动和/或加热等离子体以使得需要包含增长的等离子体的极向磁场的快速增长输入几乎足够的通量，以将等离子体电流上升到要求的工作值。如果使用可收缩的螺线管，它们可以可选地为被预冷却的高温超导螺线管。可以使用RF电流驱动和/或中性射束注射来保持等离子体电流。为了减少或消除来由中子引起的损伤，中心柱周围可以设置有屏蔽物。可以配置HTS制造材料以提供增强的对由中子引起的损伤的抵抗力，例如通过增加HTS制造材料内的HTS层的厚度。HTS制造材料可以配置为提供增加的电流密度，例如，在HTS制造材料中，通过减少非HTS层的厚度或者增加HTS层的厚度，以允许更多空间用于屏蔽。中心柱可以包括铍、铝或其他非HTS材料，从而尽管有中子通量，仍能将结构完整性和电导率保持在可接受的水平。铍、铝或其他非HTS材料被低温冷却以减小其电阻，并且任选地加入到HTS材料中，形成中心柱之外的环形场磁体的剩余部分。中心柱的内部由HTS制成，而，中心柱的外部由用于屏蔽对HTS造成损伤的中子的铍、铝或其他非HTS材料制成。铍、铝或其他非HTS材料被低温冷却以减小其电阻，并且任选地加入到HTS材料中，形成中心柱之外的环形场磁体的剩余部分。HTS材料任选地配置以提供增强的对由中子引起的损伤的抵抗力和/或增强的电流密度。反应堆射出的中子可以用于下面的一个或多个，其中包括，发电、产生热量、医疗和其它用途的同位素的形成、癌症治疗、氢的产生(例如通过高温电解作用)，处理核废料，通过中子撞击锂以制造氚，培育核裂变燃料，中子光谱，材料和部件的测试，和/或科学研究。在传统的核聚变反应堆，在等离子体产生的α粒子会被保持。尽管此处描述的专利技术比传统的聚变反应堆小得多，但由于高磁场，α粒子将仍被约束，并对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紧凑型核聚变反应堆，包括：环形等离子体室和等离子体约束系统，所述环形等离子体室中约束有包括氚离子和氘离子的等离子体，以及所述等离子体约束系统被布置成产生用于约束等离子体室中的等离子体的磁场，其中：所述等离子体约束系统被配置成使得被约束的等离子体的主要半径为1.5m或更少，优选为1.2m或更少，更优选为1.0m或更少，更优选为0.8m或更少，更优选为0.6m或更少；使用中的所述磁场的环形分量为5T或更少，优选为4T或更少，更优选为3T或更少，更优选为2T或更少；等离子体电流是5MA或更少，优选为4MA或更少，更优选为3MA或更少，更优选为2MA或更少，更优选为1MA或更少；宽高比是2.5或更少，优选为小于2.2，更优选为小于2.0，更优选为小于1.8，更优选为小于1.7；以及所述反应堆中产生的α粒子中被约束在等离子体中的百分比为0.4或更大，优选为0.5或更大，更优选为0.6或更大，更优选为0.7或更大，更优选为0.8，更优选为0.9或更大。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.10 GB 1406476.01.一种紧凑型核聚变反应堆，包括：环形等离子体室和等离子体约束系统，所述环形等离子体室中约束有包括氚离子和氘离子的等离子体，以及所述等离子体约束系统被布置成产生用于约束等离子体室中的等离子体的磁场，其中：所述等离子体约束系统被配置成使得被约束的等离子体的主要半径为1.5m或更少，优选为1.2m或更少，更优选为1.0m或更少，更优选为0.8m或更少，更优选为0.6m或更少；使用中的所述磁场的环形分量为5T或更少，优选为4T或更少，更优选为3T或更少，更优选为2T或更少；等离子体电流是5MA或更少，优选为4MA或更少，更优选为3MA或更少，更优选为2MA或更少，更优选为1MA或更少；宽高比是2.5或更少，优选为小于2.2，更优选为小于2.0，更优选为小于1.8，更优选为小于1.7；以及所述反应堆中产生的α粒子中被约束在等离子体中的百分比为0.4或更大，优选为0.5或更大，更优选为0.6或更大，更优选为0.7或更大，更优选为0.8，更优选为0.9或更大。2.根据权利要求1所述的聚变反应堆，其中，氚离子与氘离子在等离子体中的比例是至少约25:75，优选为至少约40:60，更优选为至少约50:50。3.根据任一前述权利要求所述的聚变反应堆，其中，等离子体约束系统包括环形场磁体，该环形场磁铁由具有高温超导体的材料制成，优选为在使用中被冷却至80K，更优选为冷却至30K或更少，更优选为冷却至4K或更少；4.根据任一前述权利要求所述的聚变反应堆，还包括以下特征中的一个或多个：从选定的不同方向将中性射束引导进入等离子体，以优化射束中粒子间的核聚变反应；所述反应堆被配置成使得输入到等离子体的功率小于100MW，优选为小于10MW，更优选小于6MW，更优选为小于3MW，更优选为小于1MW，更优选为小于500kW；所述反应堆被布置成以聚变功率增益因子Qeng运行，Qeng满足Qeng>1，更优选为Qeng>3，更优选为Qeng>10，更优选为Qeng>15，更优选为Qeng>20的，并且所述反应堆作为高效中子源或能量源运行；等离子体保持在稳定状态多于10秒，优选为多于100秒，更优选为多于1000秒，更优选为多于10000秒；以及等离子体电流是在没有感应的情况下驱动的。5.根据权利要求4所述的聚变反应堆，被布置成使用以下操作中的一个或多个来启动等离子体：融合-压缩；磁场泵送，以使得振荡电流产生加强等离子体电流的等离子体环；激活位于环形室的中心部分中的一个或多个螺线管，所述一个或多个螺线管可选地是可收缩螺线管；以及通过回旋振荡管或其他RF源产生RF电流启动；以及可选地被布置成使用一个或多个以下的操作来提升等离子体电流：激活所述一个或多个螺线管；RF电流驱动；以及加热等离子体，以使得需要包含增长的等离子体的极向磁场的快速增长输入几乎足够的通量，以使等离子体电流上升到要求的工作值。6.根据任一前述权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿兰·赛克斯，米哈尔·格瑞亚耐维奇，大卫·金厄姆，
申请(专利权)人：托卡马克能量有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB