【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于裂变应用的聚变中子源致谢本专利技术得到美国政府支持，在由美国能源局提供的资助编号DE-FG02-04ER54742 和DE-FG02-04ER547M下完成。政府在本专利技术中享有某些权利。相关申请的交叉引用本申请要求于2008年9月11日提交的、序列号为No. 12/208，532的美国专利申请的优先权，上述申请通过引用完整地被合并在本文中。背景全球变暖对于人类来说是紧迫的、可能灾难性的问题。这产生了对于这样的能源的需要，所述能源不发出温室气体，并且可以在相对短的时间规模取代大部分碳基能源供应。利用现有技术在合理的时间内提供所需能量大小的核(裂变)能日益被提倡作为减轻全球变暖的一种战略。尽管可再生能源也被提倡，但是它们目前的发展状态和间断性质限制了它们可以提供的能量构成的份额。目前，来自核裂变的能量最有希望替代大部分燃煤、燃油和燃气发电厂-产生温室气体的最大群体。核(裂变)能存在阻碍它的发展和可接受性的挑战。这些挑战中的最大的一个是安全和核废料的有效处置。核裂变废料的多个挑战性元素之一是超铀(TRUs)。对核废料处置场所例如尤卡山项目(Yucca Mountain Project)的许多重大反对意见与寿命很长的(同位素具有超过 100，000年的半衰期)超铀在未来数十万年释放到生物圈有关。一些废料处置可以在相对便宜的热谱反应堆中被执行。热中子的确减少核废料的总量，但是它们并不影响重要的少数派元素，包括许多长寿命超铀。这些元素对于地质处置是很大的问题。长寿命超铀的破坏需要不同的、成本更高的方法。在纯裂变中，二次还原发生在快裂变反应堆(即，具有快中子谱的裂...
【技术保护点】
１．一种用于减少核废料的混合反应堆，包括：围绕中心轴线由壁包围的第一室，其中所述第一室相对于所述中心轴线具有４米或以下的外半径；所述第一室包围高功率密度中子源，所述高功率密度中子源产生横穿所述高功率密度中子源的表面的等于或高于大约每平方米每秒０．１兆瓦的总中子功率；第二室，其包围大体邻近所述第一室的至少一部分的一层或更多层的可裂变材料，所述第二室也包围中子吸收材料和中子反射材料；其中从所述高功率密度中子源提供给所述可裂变材料的中子促进所述可裂变材料中的核裂变反应。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US12/208,5322008年9月11日中特别指出的要素和组合实现和获得。应当理解前面的概述和下面的详述仅仅是示例性的和解释性的，而不是对本发明的权利要求的限制。附图说明包含在本说明书中并且构成其一部分的不一定按比例绘制的附图示出了若干实施例并且与文字描述一起用于解释本发明的原理，并且其中图1显示了本公开实施例的横截面图；图2显示了图1中所示的本公开实施例的三维视图；图3显示了由CORSICA TM生成的本公开实施例的横截面图；图4显示了围绕中心轴线的容器；图5A-5E显示了使用本公开实施例嬗变可裂变材料的方法的流程图；图6显示了包括限制器和偏滤器的现有技术的磁约束构造；图7显示了包括X偏滤器的(如Kotschenreuther等人在《物理等离子学》2006 年第14卷72502/1-25中题为“有关热负荷、新型偏滤器和聚变反应堆的研究”所述)现有技术的磁约束构造；图8显示了包括本公开偏滤器的一个实施例的托卡马克的改进示意图；图9A显示了用于示例性实施例的CORSICA TM平衡的上部区域；图9B显示了用于示例性实施例的CORSICA TM平衡的上部区域，其中偏滤器线圈被分为两个不同的偏滤器线圈；图9C显示了用于示例性实施例的CORSICA TM平衡的上部区域，其中偏滤器线圈被分为四个不同的偏滤器线圈；图10显示了用于所公开的聚变开发设施(FDF)基反应堆的一个FDF基实施例的示例性图示；图11显示了用于带有Cu线圈的部件试验设施(CTF)的一个示例性实施例的 CORSICA TM平衡的上部区域；图12显示了用于带有超导线圈的Slim-CS、减小尺寸中心螺线管(CS)基反应堆的一个示例性实施例的CORSICA TM平衡的上部区域；图13显示了用于ARIES (先进反应堆创新和评价研究)基反应堆(使用安装在由虚线包围的可提取段内部的模块化线圈)的一个示例性实施例的CORSICA TM平衡的上部区域；图14A和14B显示了(a)国家高功率先进环面实验(NHTX)基实施例的图示和(b) 用于所公开的NHTX基反应堆的C0RSICATM平衡；图15A显示了标准NHTX构造(现有技术)；图15B显示了用于包括所公开的偏滤器构造的一个实施例的NHTX基反应堆的 SOLPS (删削层等离子体模拟)计算；图15C显示了用于所公开的NHTX基实施例的CORSICA TM平衡的上部区域；图16显示了 ITER(国际热核实验反应堆)等离子体尺寸与使用本文所述的实施例可获得的高功率密度等离子体尺寸的比较的横截面图；以及图17是显示等离子体运动对所公开的偏滤器的偏滤器撞击点位置的减小影响与相同等离子体运动对等离子体X点的更大影响的比较的图形。具体实施方式[0046]可以通过参考以下详细描述和包括在其中的例子以及参考附图和它们的先前和以下描述更容易地理解本文中所述的装置、系统和方法。在公开和描述本系统、物品、装置和/或方法之前，应当理解本发明并不限于特定系统、特定装置或特定方法，因而当然可以变化。也应当理解本文中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的而不是旨在限制。本发明的以下描述在其最佳的、当前已知的实施例中作为本发明的启发教导。为此，相关领域的技术人员将认识到和理解可以对本文中所述的发明的各个方面进行许多变化，同时仍然获得本发明的有益结果。也将显而易见可以通过选择本发明的实施例的一些特征而不利用其他特征获得本发明的一些预期益处。因此，本领域的技术人员将认识到对本发明的许多修改和调整是可能的，甚至在某些情况下是期望的，并且是本发明的一部分。 因此，提供以下描述作为本发明的原理的示例而不是它的限制。尽管与本文中所述的那些类似或等效的任何方法和材料可以用于本发明的实践或试验中，但是现在描述示例性的方法和材料。在整个本申请中参考各种出版物。除非另外指出，这些出版物的公开通过引用整体合并于本申请中以便更完整地描述本发明所属领域的状态。所公开的参考文献也通过引用单独地和具体地被合并在本文中以获得包含在这些文献中的在所引用的句子中论述的材料。在本文中没有任何内容应当被理解为承认本发明没有资格依靠现有发明早于这样的出版物。此外，本文中提供的出版日期可能不同于实际出版日期，这可能需要单独确认。当在说明书和附带权利要求中使用时，单数形式“一(a和an)”和“所述(the) ”包括多个指代物，除非上下文清楚地另外指出。因此，例如“一偏滤器板”，“一反应堆”或“一粒子”的提及包括两个或以上这样的偏滤器板、反应堆或粒子的组合等。范围在本文中可以被表达为从“大约”一个特定值和/或到“大约”另一个特定值。 当表达这样的范围时，另一个实施例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当通过使用在前面的“大约”将值表达为近似值时，应当理解特定值形成另一个实施例。还应当理解每个范围的端点关于另一个端点并且独立于另一个端点都是有意义的。也应当理解在本文中公开了许多值，并且每个值在本文中也作为除了该值本身以外的“大约”该特定值被公开。例如，如果值“10”被公开，则“大约10”也被公开。也应当理解当值被公开时“小于或等于”该值、“大于或等于”该值和在值之间的可能范围也被公开，这是熟练技术人员能够适当理解的。例如，如果值“10”被公开，则“小于或等于10”以及“大于或等于10”也被公开。也应当理解在整个申请中，以许多不同的格式提供数据并且该数据表示端点和起点以及用于数据点的任何组合的范围。例如，如果特定数据点“10”和特定数据点15被公开， 则应当理解大于、大于或等于、小于、小于或等于和等于10和15以及在10和15之间被视为公开。也应当理解在两个特定整数之间的每个整数也被公开。例如，如果10和15被公开，则11、12、13和14也被公开。当在本文中使用时，术语“可选的”或“可选地”表示随后描述的方面可以存在或不存在或者随后描述的事件或情况可以发生或不发生，并且描述包括所述事件或情况发生的实例和它不发生的实例。例如，所公开实施例可以可选地包括聚变等离子体，即，聚变等离子体可以存在或不存在。当在本文中使用时，“示例性的”表示“......的例子”并且并非旨在表达优选的或理想的实施例。此外，当在本文中使用时短语“例如”并非旨在表示任何限制意义，而是仅仅是解释性的，并且用于指示所列举的项目仅仅是由这种提供涵盖的例子。公开了将用于制备组成物的组分以及将用于本文中公开的方法中的组成物本身。 这些和其他材料在本文中被公开，并且应当理解当这些材料的组合、子集、相互作用、群组等被公开时，尽管这些化合物的各种单独和总体组合和排列的每一个的具体提及可能未明确被公开，但是每一个在本文中具体地被预料和描述。例如，如果特定化合物被公开和论述并且论述了可以对包括该化合物的许多分子进行的许多修改，则可以具体地预料化合物和修改的每一个可能的组合和排列，除非具体地相反指出。因此，如果一类分子A、B和C以及一类分子D、E和F被公开并且组合分子A-D的一个例子被公开，则即使未单独地叙述预料到的单独和总体有意义组合的每一个，也认为A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E和C-F被公开。类似地，这些的任何子集或组合也被公开。因此，例如A-E、B-F和C-E的子组可以被认为公开。该概念适用于本申请的所有方面，包括但不限于制造和使用组成物的方法中的步骤。因此，如果有可以被执行的各种附加步骤，则应当理解这些附加步骤的每一个可以在方法的特定实施例或实施例的组合中被执行。应当理解本文中公开的组成物具有某些功能。在本文中公开了用于执行所公开功能的某些结构要求，并且应当理解有与所公开结构相关的各种结构可以执行相同功能，并且这些结构将示例性地获得相同结果。公开了用于包含等离子体或聚变等离子体的容器、聚变中子源和托卡马克，其中反应等离子体可以可选地存在于其中；并且其中可裂变材料层大体邻近所述等离子体或用于约束所述等离子体的室的至少一部分。也公开了使用所公开实施例裂变可裂变材料的方法，其中存在反应等离子体。也公开了使用所公开方法裂变可裂变材料的核燃料循环。作为一个例子，所公开实施例可以具有如图1和图2中所示的一般构造，该图是所公开反应堆100的一半的横截面图。如图1中所示，所公开实施例可以包括围绕中心轴线 250基本上由壁170包围的环形室。室壁具有最接近中心轴线250的内半径240和最远离中心轴线250的外半径230。环形室可以可选地包括堆芯等离子体160，当存在时，所述堆芯等离子体可以由相对于堆芯等离子体闭合的磁面180和开放的磁场线260包含在所述环形室内。堆芯等离子体可以通过聚变反应产生快(大约14兆电子伏特)中子，由于不带电， 因此所述快中子可以在指定轨道上移动离开堆芯等离子体。当存在时，中子可以轰击大体邻近所述堆芯等离子体160的至少一部分的可裂变材料层150。为了使反应堆与中子隔离， 反应堆的一些部分可以包括铅段四0。另外，铅护罩110可以基本围绕可裂变材料层150。 开放的磁场线260和闭合的磁场线180可以由载流导体所感生的电流产生，所述载流导体包括但不限于环形场(TF)线圈280和220以及极向场(PF)线圈120、140、190和210。主边界或分界面270可以存在于开放的磁场线260和闭合的磁场线180之间，即，开放的和闭合的磁漂移轨道之间的边界。横穿闭合磁面180的粒子、热和/或能量(即，交叉场通量) 可以由开放磁场线260引导到一个或更多个偏滤器板130和200。在一个方面中，堆芯等离子体可以是聚变等离子体，其从聚变等离子体发射中子， 使得一个或更多个核裂变反应发生在可裂变材料层中。在一个方面中，这样的可裂变材料的反应可以将所述可裂变材料嬗变为相对于可裂变材料更稳定的材料或具有比可裂变材料更短的放射性半衰期的材料。[0060]在另一个方面中，包括可裂变材料层的所公开实施例可以在可裂变材料层内包括核废料。一般而言，核废料可以是能够经历裂变的任何废料。在一个方面中，核废料可以是放射线的。在另一个方面中，核废料可以是可以另外储存在核处置库(例如尤卡山)中的核反应堆废料。应当理解的是，将核废料储存在地质处置库中估计花费大约$960亿；因此， 在一个方面中，所公开实施例可以通过减少核废料量而减小地质处置库的成本。在一个方面中，源自核反应堆的核废料在被放置到所公开实施例中之前可以被引导通过一个或更多个轻水反应堆(LWRs)或其他反应堆。因此，在一个方面中，核废料在用于所公开实施例之前可以部分被嬗变。“嬗变”旨在表示一种过程，其中一个化学元素或同位素通过核反应转变为另一个化学元素或同位素。在一个方面中，可裂变材料层可以包括超铀元素。也被称为铀后元素的超铀元素是具有高于92的原子量的元素。超铀元素的例子包括镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、锔(Cm)、 锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、镄(Fm)、钔(Md)、锘(No)、铹(Lr)、妒(Rf)、·杜(Db)、·喜(Sg)、 波(Bh)、·黑(Hs)、·麦(Mt)、·达(Ds)、鍮(Rg)、112号元素、113号元素、114号元素、 115号元素、116号元素、118号元素。这些元素可以被称为难裂变TRU核废料，并且剩余可裂变元素可以被称为易裂变元素。在另一个方面中，所公开聚变中子源可以用于减小可裂变材料(例如超铀元素) 的放射毒性水平。当在本文中使用时，“放射毒性”表示将放射线物质吸收到生命体中之后的潜在毒性。一般而言，具有较短半衰期的元素是有放射毒性的，例如包括超铀元素的核材料。放射性衰变导致剩余质量的总和减小，其根据公式E = mc2转变为能量(衰变能)。在一些方面中，所述能量是有放射毒性的。在其中所公开实施例包括可裂变材料层的一个方面中，本公开实施例可以用于减少可裂变材料层中的可裂变材料(例如超铀元素)的量。在一个方面中，所公开聚变中子可以用于减少可裂变材料层中的核废料产物的量。因此，在一个方面中，聚变中子源可以用于减小所述核废料产物的放射毒性水平。所述可裂变材料的核裂变反应可以将所述可裂变材料嬗变为相对于可裂变材料更稳定的材料或具有比可裂变材料更短的放射性半衰期的材料。所公开实施例可以具有例如如图3中所示的磁几何形状以及线圈和偏滤器构造， 图3是由CORSICA TM计算机程序生成的环形反应堆的一段的横截面图。CORSICA TM是由加利福尼亚州利沃莫尔市的Lawrence Livermore国家实验室开发用于模拟磁聚变反应堆中的物理学过程的软件。在该实施例中，堆芯等离子体310可以主要由闭合磁面340约束， 其中删削层(S0L)300存在于所述闭合磁面之外。围绕等离子体310的闭合磁面340(即， 环形场)由基本穿过环面的中心(由此通过互感器作用在等离子体310中感生电流)的环形场(TF)线圈或导体(未显示)在等离子体310中感生的电流导致，这在本领域中是已知的。SOL 300可以包括开放磁场线(相对于堆芯等离子体的闭合磁面340)。真空室345可以基本上由壁350包围。附加磁场线370可以存在于所述真空室外部。在壁350中或附近的线圈320或载流导体可以用于产生导致开放磁场线的磁场(即，极向场(PF))。如果需要成形和/或控制磁场线，所述线圈320或载流导体可以成形和/或控制所述线，并且产生开放磁场线以用于偏转交叉场通量(或删削通量)，即，从堆芯等离子体310横穿闭合场线 340迁移到开放磁场线的粒子。删削通量可以由开放磁场线偏转到偏滤器板330，所述偏滤器板如图3中所示可以可选地相对于从聚变等离子体310发射的中子被屏蔽。由于偏滤器板330离堆芯等离子体310的距离(直线距离)和磁距离(沿着磁场线从堆芯等离子体到偏滤器板的距离)大于在本领域中发现的其他聚变反应堆，因此开放磁场线可以在偏滤器板处进一步扩展，由此减小偏滤器板330上的热集中，并且允许粒子从它离开聚变时直到它到达偏滤器板330的辐射冷却。在该实施例中，可裂变材料层(未显示)可以大体邻近所述等离子体310和/或用于约束所述等离子体的所述真空室345的至少一部分。从本公开将显而易见，可以对该实施例进行各种修改。当在本文中使用时，“用于包含等离子体的容器”可以是与聚变兼容的任何容器， 并且不一定限于已知的容器设计。如果存在反应等离子体，用于包含等离子体的容器可以是聚变中子源。用于包含等离子体的容器也可以是托卡马克。应当理解任何所公开部件或实施例可以用于任何用于包含等离子体、聚变等离子体的所公开容器、聚变中子源或托卡马克或从其排热的方法，除非上下文另外清楚地指出。在一个方面中，所公开实施例可以包括围绕中心轴线基本上由壁封闭的环形室， 其中所述环形室具有相对于所述中心轴线的内半径和外半径；用于接收来自基本上由磁场包含在所述环形室内的聚变等离子体的废热的偏滤器板，所述偏滤器板具有相对于所述中心轴线的偏滤器半径，并且所述偏滤器半径至少大于或等于环形室的内半径。可裂变材料层可以大体邻近聚变等离子体。当在本文中使用时，“中心轴线”指的是位于一个平面内并且穿过本公开实施例的形心的轴线。在图4中显示了例如围绕中心轴线的容器的一部分。容器410的一部分围绕中心轴线420。向外并且基本垂直于所述中心轴线延伸的空间中的点具有相对于所述中心轴线的半径。例如，所述容器可以具有最靠近所述中心轴线420的内半径430和最远离所述中心轴线420的外半径440。在一个方面中，所述内半径和外半径可以被定义为从基本垂直于所述中心轴线420的假想线延伸并且沿着与所述容器的直径相同的x-y-z平面定位的点ο所公开的室可以是适于约束聚变等离子体的任何形状。在一些方面中，所公开的室的至少一部分可以为环形。“环形”表示围绕中心轴线上的点的旋转将是环形旋转。因此，在一个方面中，所公开的室不一定作为整体是环形，而是当围绕中心轴线旋转时所述室内或上的点可以产生环形形状。在一个方面中，所公开的容器可以包括已知与聚变反应堆兼容的任何材料。非限定性例子包括金属(例如钨和钢)、金属合金、(包括碳复合材料)复合材料、它们的组合寸。在一个方面中，所公开的实施例包括改进的偏滤器。当在本文中使用时，“偏滤器” 意味着指的是实施例中将来自堆芯等离子体的热、能量和/或粒子偏转到远离堆芯等离子体的期望位置的所有方面。偏滤器的各方面的例子包括但不限于删削层、在其中包含删削通量的开放磁场线和一个或更多个偏滤器板(或偏滤器靶板)和一个或更多个分界面。在一个方面中，所述偏滤器板可以包括适合用于聚变反应堆的任何材料。可以使用已知的现有偏滤器组成物，例如在铜或碳复合材料上的钨或钨复合材料。可以使用的其他材料包括在高热导衬底上的钢合金。在另一个方面中，偏滤器板可以具有相对于中心轴线的偏滤器半径并且所述偏滤器半径可以相对于所公开的实施例中的另一个部件或点位于一个位置。本领域的技术人员将理解，偏滤器半径相对于其他部件(例如等离子体或室壁等)的比率应当包含任何合适的单个半径，并且因此所公开的任何实际偏滤器半径仅仅表示是示例性的并且因而是非限定的。当在本文中使 用并且由Iidiv表示时，术语“偏滤器半径”意味着指的是偏滤器板离中心轴线的最远半径距离。在一个方面中，偏滤器板可以具有大于或等于大约环形室的外半径的偏滤器半径。在另一个方面中，偏滤器板可以具有小于或等于大约环形室的外半径的偏滤器半径。在又一个方面中，偏滤器板可以具有大于或等于大约环形室的内半径的偏滤器半径。在一个方面中，偏滤器半径Iidiv与环形室的外半径I 。的比率可以从大约0. 2到大约10，或者从大约0. 5到大约8，或者从大约1到大约6，或者从大约1到大约5，或者从大约1到大约3，或者从大约1到大约2，或者从大约1到大约1. 5。一般而言，可以预见可以使用任何尺寸的实施例。但是，例如所述偏滤器板可以具有大约 0. 2m、0. 5m、lm、l. 5m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m 或大约 IOm 的半径。在另一个方面中，偏滤器半径可以为大约1. 9mm,3. 3mm、4m、7. 3mm或7. 5匪。在一个方面中，偏滤器板可以具有相对于分界面上的X点的偏滤器半径。当在本文中使用时，术语“分界面”指的是开放磁场线和闭合磁面之间的边界，并且X点指的是分界面上极向磁场为零的点。在一个方面中，多个X点存在于所公开的实施例中，并且主等离子体X点指的是邻近所述堆芯等离子体的X点。例如，返回参考图3，主X点被显示为360。 主X点的半径通常取决于磁场线的构造。在一个方面中，偏滤器板可以具有大于或等于主 X点的半径的长半径。在一个方面中，偏滤器板半径与X点半径的比率Rdiv/I x可以从大约1到大约5，或者从大约1到大约4，或者从大约1到大约3. 5，或者从大约1. 5到大约3. 5。例如，所公开的偏滤器板和所公开的分界面可以具有如表1中列出的半径以及相应比率。表mdiv和&的例子 在又一个方面中，偏滤器板具有相对于等离子体长半径的偏滤器半径，所述等离子体长半径被定义为从所述中心轴线到所述等离子体中心的距离。例如，偏滤器半径与等离子体长半径(R)的比率Rdiv/R可以从大约0.5到大约10，或者从大约1到大约8，或者从大约1到大约6，或者从大约1到大约5，或者从大约2到大约5，例如包括0. 5、1、2、3、4、5、 6、7、8、9或10。作为具体的非限定例子，如果等离子体长半径为lm，并且偏滤器半径为2m， 则 I div/R = 2。在一个方面中，所述偏滤器板可以相对于从堆芯等离子体发射的中子至少部分被屏蔽。在另一个方面中，所述室壁使偏滤器板相对于从所述堆芯等离子体发射的中子至少部分地屏蔽，例如如图3中所示。中子通量被定义为以中子数/cm2-sec计的中子辐射强度的量度。中子通量是在1 秒钟内穿过1平方厘米的指定靶的中子的数量。使用本文中所述的偏滤器板的实施例，计算表明与其他偏滤器板设计相比中子通量减小到十分之一以下。不对应于本文中公开的半径的额外的偏滤器板也可以与所公开的偏滤器板组合使用。具体地，已知反应堆设计可以包括偏滤器板，其中偏滤器半径小于室、等离子体长半径、分界面或用于包含聚变等离子体的容器内的另一个部件或点的外半径。这些已知设计在一些方面中可以简单地增加附加的所公开的偏滤器设计。这样的偏滤器的例子包括如本文中所述的标准偏滤器和如Kotschenreuther等人在《物理等离子学》2006年第14卷 72502/1-25中题为“有关热负荷、新型偏滤器和聚变反应堆的研究”所述的X偏滤器，该文献由此通过引用完整地合并在本说明书中(在下文中被称为Kotschenreuther)。在图8中显示了 X偏滤器的一个示例性实施例，其中大体邻近偏滤器板放置的四个极向场线圈靠近偏滤器板的磁通量膨胀使得从堆芯等离子体流入SOL中的热和等离子体粒子通量落在偏滤器板的较大区域上。参考图3和图4，在一个方面中所公开...
【专利技术属性】
技术研发人员：M·T·科琴罗伊特，
申请(专利权)人：得克萨斯大学体系董事会，
类型：发明
国别省市：US
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