等離子體壓縮聚變

Plasma Compression Fusion Device

等離子壓縮聚變裝置

US20190295733A1

摘要:

一種等離子體壓縮聚變設備，包括中空導管和至少一對相對的反向旋轉動態熔斷器。 中空管道包括設置在中空管道內的真空室。 每個動態保險絲具有多個孔和一個帶電的外表面。 組合地，一對動態熔斷器在真空室內產生集中的磁通量和電磁輻射，由此集中的磁能通量壓縮通過孔口注入真空室的氣體混合物，從而使等離子體 產生了核，並且電磁輻射加熱了等離子體核，同時產生的磁場將等離子體核限制在動態熔斷器之間，這樣，當通過孔口將其他氣體混合物引入等離子體核時，就會產生能量增益 。

要求保護的是：

1.一種等離子體壓縮融合裝置，包括：

空心線性管，在空心線性管內設置有真空室。

一對相對的，光滑的彎頭，反向旋轉的錐形結構，它們布置在空心線性管道內，每個反向旋轉的錐形結構都具有多個孔和一個帶電的外表面，並結合在一起形成一個 集中的磁通量和真空腔室內的電磁輻射，從而集中的磁通量壓縮通過孔口注入真空腔室的氣體混合物，從而產生等離子體核，並且電磁輻射加熱等離子體核， 當產生的磁場將等離子芯限制在反向旋轉的錐形結構之間時，這樣，當通過孔口將其他氣體混合物引入等離子芯時，就會產生能量增益。

2.一種等離子體壓縮融合裝置，包括：

空心交叉管，在空心交叉管內設置有真空室。

至少兩對設置在空心交叉管中的相對的，光滑的彎頭的反向旋轉錐形結構，每個反向旋轉錐形結構具有多個孔和一個帶電的外表面，並結合在一起使用。 對在真空室內產生集中的磁通量和電磁輻射，由此集中的磁通量壓縮通過真空室的孔口注入的氣體混合物，從而形成等離子體核，並且電磁輻射加熱等離子體 當等離子體產生的磁場限制在反向旋轉的錐形結構之間的等離子體核心時，使得當通過孔口將其他氣體混合物引入等離子體核心時，會產生能量增益。

3.根據權利要求2所述的等離子體壓縮聚變裝置，其中，等離子體壓縮聚變裝置還包括空心軸，每個空心軸連接至相應的錐形結構，所述空心軸可附接到供應氣體混合物的氣體混合物儲存器。

4.一種等離子體壓縮融合裝置，包括：

空心交叉管，在空心交叉管內設置有真空室。

至少兩對圓錐形截頭圓錐體位於空心交叉管道內，每個圓錐形截頭圓錐體均具有多個孔和一個帶電的外表面，並且所有這些對在真空中產生集中的磁能通量和電磁輻射 室，由此集中的磁通量壓縮通過孔口注入真空室的氣體混合物，從而產生等離子體核，電磁輻射加熱等離子體核，同時產生的磁場將等離子體核限制在圓錐形截頭錐體之間 因此，當將另外的氣體混合物通過孔口引入等離子芯時，會產生能量增益。

5.根據權利要求4所述的等離子體壓縮聚變裝置，其中，每個圓錐形截頭錐體包括帶電格柵的組件和布置在每個圓錐形截頭錐體內的至少一個環形磁線圈，每個環形磁線圈布置在兩個帶電格柵之間的空間內。

描述

政府權益聲明

[0001]

本文所述的發明可以由美國政府製造或用於美國政府，用於政府目的，而無需為此支付任何權利金。

背景

[0002]

熱核聚變涉及將輕核強迫在一起（統一）以形成較重的核，該核由於質量缺陷而隨著能量的產生而發生，如E = mc2表達式所示。 聚變發生在極高的溫度下，超過了太陽的核心溫度，即大約1500萬攝氏度。 例如，氘-rit聚變反應在超過1.75億攝氏度的溫度下發生，而氘-氘聚變反應在大約2.32億攝氏度下發生。 在這些極高的溫度和壓力下，氣體將電離並形成等離子體（物質的第四狀態），即大量電子和正離子（≥1020/ m3）的集合，它們不斷相互作用 ，交換能量。

[0003]

為了使離子融合而限制等離子體的三種主要方法是重力限制，慣性限制和磁限制。 為了從重力限制中獲得融合，您需要恆星大小的質量，因此慣性和磁性限制是唯一可行的方法，並且可能是兩者的混合。 慣性約束聚變是由雷射驅動的內爆或電場（靜電）產生的，而磁約束聚變是在託卡馬克等裝置中以極高的磁感應強度產生的（託卡馬克（使用強大磁場將等離子體約束為等離子體形式的裝置） 圓環面，是通過在三維空間中使圓繞與圓共面的軸旋轉而產生的旋轉表面），磁鏡，磁尖，捏和磁化目標。

[0004]

所有這些等離子體限制方法都存在嚴重的問題，例如，需要非常大的尺寸（與航空母艦相當），託卡馬克等離子體的不穩定性以及電磁鏡/尖瓣儀的功率損耗和較短的限制時間。 迄今為止，這些限制方法中沒有一個能夠實現收支平衡的聚變反應，即聚變功率輸出等於功率輸入的條件，更不用說達到點火條件，在這種條件下聚變等離子體燃燒可以自我維持，而無需 外部電源輸入。 結果，需要有效的等離子體壓縮聚變設備，其產生能量增益。

摘要

[0005]

本發明涉及一種等離子體壓縮聚變設備，其包括中空導管和至少一對相對的反向旋轉的動態熔斷器。 中空管道包括設置在中空管道內的真空室。 每個動態保險絲具有多個孔和一個帶電的外表面。 組合地，一對動態熔斷器在真空室內產生集中的磁通量和電磁輻射，由此集中的磁能通量壓縮通過孔口注入真空室的氣體混合物，從而使等離子體 產生了核，電磁輻射加熱了等離子體核，同時產生的磁場將等離子體核限制在動態熔斷器之間，這樣，當另外的氣體混合物通過孔口引入等離子體核時，就會產生能量增益。

[0006]

本發明的一個特徵是提供一種等離子體壓縮聚變裝置，其通過等離子體壓縮誘導的核聚變產生能量增益。

[0007]

本發明的一個特徵是提供一種等離子壓縮聚變裝置，其具有使等離子壓力和能量限制時間的乘積最大化的能力，以便使能量增益最大化並因此引起聚變點火條件。

[0008]

本發明的一個特徵是提供一種等離子體壓縮聚變設備，該等離子體壓縮聚變設備可以產生在千兆瓦至太瓦範圍內（以及更高）的功率，而輸入功率在千瓦至兆瓦範圍內。

圖紙

[0009]

參考以下描述和所附權利要求以及附圖，將更好地理解本發明的這些和其他特徵，方面和優點。

[0010]

圖。 附圖說明圖1是等離子體壓縮聚變裝置的一個實施方式（跨管結構）的側視剖視圖。

[0011]

圖。 圖2是等離子壓縮聚變裝置的一個實施方式（線性管結構）的側視剖視圖。 和，

[0012]

圖。 圖3是動態熔斷器（錐形截頭圓錐體構造）的實施例的橫截面側視圖。

描述

[0013]

在下面和圖2中通過示例的方式示出了本發明的優選實施例。 1-3。 如圖 參照圖1，在一個實施例中（稱為交叉管道構造），等離子體壓縮聚變裝置10包括空心交叉管道100和至少兩對相對的，光滑的彎頭，反向旋轉的錐形結構200（ 充當動態焦點）。 空心交叉管道100包括一個設置在空心交叉管道100內的真空室110。每個相對的，光滑的彎頭，反向旋轉的錐形結構200具有多個孔205和一個帶電的外表面210。 一對反向旋轉的錐形結構200結合在一起，在真空腔室110中產生了集中的磁通量和電磁輻射，從而使集中的磁通量壓縮了通過孔口205注入的混合氣體（聚變燃料）。 到真空室110，這樣就產生了一個等離子核75（也可以稱為聚變等離子核，它是電子和正離子的基本上球形且均勻的集合），並且電磁輻射加熱了等離子核75， 同時產生的磁場將等離子芯75限制在反向旋轉的錐形結構200之間，這樣，當通過孔205向等離子芯75中引入其他氣體混合物時，就會產生能量增益。

[0014]

在本發明的描述中，將在空間，海洋或陸地環境中討論本發明；但是， 然而，本發明可以用於需要使用能量產生的任何類型的應用。

[0015]

如圖 參照圖2，在本發明的另一實施例中（稱為線性管道構造），等離子體壓縮融合裝置10可僅包括一對以相對的彎曲頭反向旋轉的錐形結構200布置在中空的線性裝置內。 -導管150。通常，本發明通過加速振動和/或加速自旋，通過受到平滑而迅速的加速瞬變的帶電物質的受控運動，以產生極高的能量/高強度電磁場，這不僅限制了 等離子體還會極大地壓縮等離子體，從而產生高功率密度的等離子體燃燒，從而導致點火和能量獲取。

[0016]

如圖 如圖1所示，該優選實施例包括兩對相對的彎頭反向旋轉錐形結構200； 但是，可以使用兩對以上的錐形結構200。 錐形結構200通常可以稱為動態熔斷器，由高電容鎢合金（例如氮化鎢）或任何其他類型的金屬，合金或可行材料製成。 每個成對彼此相對的錐形結構200可以具有平滑彎曲的頂點部分201，並且/或者包括帶電格柵202和環形電磁線圈203的組件。每個環形磁線圈203可以設置在至少兩個帶電格柵的組件之間 ，布置在每個錐形結構200中。交叉導管100可能包括圍繞等離子體核心75的內表面115。內表面115可以帶電並振動，以防止血漿顆粒撞擊交叉導管的壁 100（特別是內表面115）並啟動等離子體淬火。 氣體或聚變燃料的混合物，最好是氘氣，通過反向旋轉的錐形結構200引入等離子芯75中，即通過錐形結構200中的孔205注入。錐形結構200連接到相應的空心軸220 ，氣體或聚變燃料的混合物從儲氣罐（未顯示）通過壓力送入。

[0017]

在替代實施例中，動態熔斷器的幾何形狀也可以是圓頂狀或半球形的。 或者，如圖 3，動態熔斷器可以是圓錐形截頭錐體230或具有等腰梯形橫截面的截頭圓錐體。 圓錐形截頭錐體230還包括多個孔235，並且可以包括帶電格柵202（至少三個）和至少一個環形磁線圈203的組件，這些組件布置在每個圓錐形截頭錐體230內。通常，多個孔洞235可以 可以將其放置在帶電格柵202內。與動態熔斷器的所有其他實施例一樣，每個圓錐形截頭圓錐體230的外表面都可以帶電。 每個環形電磁線圈203必須置於兩個帶電的柵格202之間。柵格202用於使氘氣（或其他呈氣態的聚變燃料）電離，並保持在不同的相反帶電電壓下，以靜電方式加速電子或電子。 取決於所需的物理效果，以類似於離子推進器的方式將離子注入等離子芯75中。

[0018]

所有動態熔斷器實施例都可以以線性管道配置，交叉管道配置或任何實際可行的管道配置形式使用。 在所述動態熔斷器的實施例中，動態熔斷器200、230或動態熔斷器自旋的方向應使所產生的磁通量始終指向等離子體核75。動態熔斷器200、230可以充當電子的粒子加速器 一旦它們離開每個動態熔斷器200、230，它們就緊緊地束縛在環形線圈203的磁場線以及動態熔斷器200、230的磁場線上。這些電子通過一組 具有電勢差的兩個電網202（一個電網可能是一個正電壓電荷網，另一個負電壓電荷網，都具有切換電荷的能力），它們在等離子芯75中呈現出電位差，從而形成了一個深（高能量）負電勢阱 。 該負勢阱極大地加速了帶正電的離子向其移動，並且隨著離子不斷在阱周圍循環，它們進行聚變。 高溫高壓等離子芯75是由於氣體動力渦旋羽流的撞擊而產生的，這些渦流呈現出高粘性加熱以及構成這些羽流的電子和帶正電的離子的強烈碰撞。 為了在熔化所需的極端溫度下加熱等離子芯75，帶電的動態熔斷器200、230通過加速旋轉產生高電磁輻射。 動態熔斷器200、230的內表面可以很好地絕緣，以防止電荷遷移，可用但不限於碳化矽，氮化硼或碳化硼襯裡。 為了保持至少一個庫侖的電荷，具有高電容的鎢合金（例如但不限於氮化鎢）是動態熔斷器200、230的首選材料。每個動態熔斷器200 ，230安裝在相應的空心軸220（也可以稱為聚變燃料導管）上，該空心軸與可變功率直流感應電動機（未顯示）和儲氣罐（未顯示）相連，並且可以加速 -通過數字控制器（未顯示）在旋轉中減速-加速-加速。

[0019]

為了發生聚變反應，我們需要遵守Lawson準則：

nTτE≥3×1021KeVs / m 3（式1），

[0020]

其中n是等離子體密度，T是等離子體溫度，τE是能量約束時間。 等式1說明，等離子體壓力與等離子體能量限制時間的乘積越高，聚變反應的能量增益越高。 等式1中的等號表示收支平衡狀態，表示能量增益為1，這是聚變功率輸出等於反應堆功率輸入的條件。 此外，必須注意，如果將磁場強度加倍（以特斯拉為單位將磁感應強度B加倍），則在其他聚變參數保持不變的情況下，反應堆的線性尺寸將減半。 因此，在開發緊湊的聚變裝置中，能夠產生高的磁感應強度（磁通密度）非常重要。

[0021]

當涉及等離子體磁約束聚變時，有兩個表達式表達了具有高磁場感應的重要性，即：

能量增益〜B 3（公式2）

和

聚變功率密度〜P2〜B 4（公式3），

[0022]

給定等離子壓力與磁場壓力之比為1的條件，其中P為等離子壓力，B為磁感應強度或磁通密度。

[0023]

目前，很少有設想的聚變反應堆/裝置採用小巧緊湊的包裝（直徑範圍為0.3至2米），並且通常使用不同版本的等離子磁約束。 三個這樣的設備是洛克希德·馬丁（LM）臭鼬工廠緊湊型聚變反應堆（LM-CFR），EMC2保利韋爾聚變概念和普林斯頓逆向配置（PFRC）機器。

[0024]

LM-CFR使用磁鏡結構，其中具有可變電流的環形電磁線圈會產生磁場振蕩，從而加熱受限的等離子體。 Polywell裝置通過在多面體雙圓錐鏡面尖端幾何形狀內同時使用慣性靜電約束和磁約束，使用混合等離子體約束和加熱方案。 PFRC機器使用獨特的射頻加熱方案來感應旋轉磁場，以限制等離子體。 這些設備的特點是等離子限制時間短，等離子不穩定性隨尺寸的變化而變化，並且它們是否具有達到收支平衡熔合條件的能力值得懷疑，更不用說自我維持的等離子燃燒導致著火了。

[0025]

融合的關鍵在於獲得極高的磁場（可能超過30特斯拉），目前甚至還不能輕易產生高溫的稀土鋇銅氧化物（REBCO）型超導磁體。 但是，通過帶電物質的受控運動，經過加速的自旋和/或加速的振動，會產生極高的B場，從而受到快速的加速瞬變。

[0026]

等離子壓縮聚變裝置10利用加速的振動和/或加速的自旋，通過帶電物質的受控運動，使其經受平穩而迅速的加速-減速-加速瞬變，從而產生極高的能量/高強度電磁場。 這些場不僅限制了等離子芯75，而且還極大地壓縮了等離子芯（通過誘導高能負電勢），從而產生了高功率密度的等離子燃燒，從而導致著火。 產生的高強度電磁輻射加熱等離子芯75，產生的磁場將其限制在動態熔斷器200、230之間。如前所述，管道內表面115帶電並振動，以防止等離子粒子撞擊磁芯。 壁（管道內表面115）並引發等離子體淬火。 可以通過使電流流過壓電膜（例如鋯酸鈦酸鉛（PZT））來實現振動，該壓電膜嵌入等離子壓縮聚變裝置10中，尤其是內表面115中。出於某些原因，等離子壓縮聚變裝置10可能被容納在法拉第籠中 人員安全。 用作法拉第籠的厚度為10-15釐米的碳化硼（或鎢合金）屏蔽層也可以包含用於熱轉化循環的冷卻通道，並提供所需的結構支撐和完整性，以承受聚變引起的中子轟擊 。 等離子體不穩定性將被動態熔斷器200、230產生的剪切流最小化並可能被抑制。流動剪切將撕裂引起等離子體內部湍流的渦流，渦流被認為是等離子體不穩定性的主要來源 在聚變反應中

[0027]

聚變功率輸出可通過保形熱交換器（未顯示）提取，該保形熱交換器與等離子壓縮聚變裝置10的外壁（可以是導管的外表面116）齊平，並將中子產生的熱量通過冷卻傳遞給熱電發生器 流體，例如水或聚α-烯烴（PAO）。 氣體混合物和其他氣體混合物（均為聚變燃料），最好是氘氣，通過動態熔斷器200、230引入等離子芯75，即通過孔205、235注入。氘（重氫） 可以從海水中大量提取； 因此，「幾乎無限的」燃料來源的想法，使本發明極為有益。

[0028]

聚變燃料（氣體混合物和其他氣體混合物）可以是中子或中子。 中子聚變燃料可以是氘-rit，氘-氘，氘-氙混合物或任何可行的氣態混合物。 氣體混合物和其他氣體混合物應具有相同的化學組成。 氘-氙混合物可以產生Xenon-129並釋放兩個快速（高能）中子，這將大大放大功率輸出，但是，在運行和運行過程中都需要考慮設備壁的退化和增強的放射性效應 安全的角度。

[0029]

中子聚變燃料可以是但不限於質子-硼11（用於以超過中子燃料聚變溫度的10倍的聚變）。 在這種情況下，不會釋放中子，因此不會產生放射性危險。 對於氫硼燃料，有千分之一的機會形成伽馬射線通道，如果該設備處於完全運行狀態，則需要格外小心。 直接能量轉換用於從等離子壓縮聚變裝置10提取聚變功率，因為​​這種航空電子燃料的產物是三個α粒子（3個Helium-4粒子）; 因此，使這些帶電粒子通過高科技變壓器直接轉換成為可能。 使用航空電子燃料的主要問題是，它需要20億攝氏度（或更高）的聚變溫度，比諸如首選的氘氣之類的航空電子燃料幾乎高出10倍。

[0030]

當使用氘（2H）氣體作為選擇的聚變燃料時，會發生以下化學反應：

2H + 2H→3H（1.01 MeV）+ p +（3.02 MeV）[50％]（公式4）和

2H + 2H→+ 3He（0.82 MeV）+ n 0（2.45 MeV）[50％]（式5）。

[0031]

因此，通過使用氘氣同時使用直接（電）和間接（熱）能量轉換是可行的，這從操作角度來看是非常期望的。

[0032]

等離子壓縮裝置10必須抽真空才能有效產生聚變功率。 要求10−5 rr的超高真空度，但考慮到設備的操作限制，也可以使用較低質量的真空度。

[0033]

對於帶電對象/系統的加速振動或加速旋轉的條件，最大EM能量通量（每單位表面積EM能量傳遞的時間變化率）為：

S max = f G（σ2/ε0）[（Rvvv2）t op]（等式6），

[0034]

其中fG是帶電系統的幾何形狀因子（對於圓盤配置，等於1），σ是表面電荷密度，Co是自由空間的介電常數，Rv是振動（諧波振蕩）幅度，v是角頻率 以赫茲為單位的振動頻率，類似地在軸向旋轉時，Rv是有效的系統半徑，而v表示旋轉的角頻率，而top是帶電系統以最大加速度（Rvv2）運行的運行時間。 這種閉合形式的公式是經典電磁場理論與簡單諧波運動物理學的綜合結果。 此外，對於帶電系統的加速振動/自旋（快速加速瞬變）的快速時間變化率，鑑於加速時間差不為零，我們得到：

S max = f G（σ2/ε0）[（R v v 3）t 2 op]（等式7）。

[0035]

公式7表明，即使在快速加速模式下具有適度的振動/自旋頻率，EM能量通量也會大大放大。 而且，當用於在等離子體壓縮聚變裝置的範圍內加熱等離子體時，這顯示了高能量/高頻電磁場發生器的廣泛能力。

[0036]

當將表示簡單諧波運動的方程式添加到「能量/動量泵」（負阻尼）項（bv）時，即系統加速度的地方性，其中b是常數，v是（dx / dt），即a的速度 振動質量（m），可以證明振動系統的總能量（ET）的最大值可以寫為：

ET≈mRv2Ω2[exp（2Ωt）]（公式8），

其中Ω是振動的角頻率，在[[b / 2 m）>>Ω0（振動固有頻率）]的條件下，t是時間。 由於EM能量通量與ET成正比，因此我們觀察到，隨著振動的加劇，能量通量將呈指數增長，特別是在快速加速瞬變條件下。

[0037]

考慮使用洛倫茲（EM）力的經典牛頓第二定律表達式，我們可以將振動質量（m）與它的振動電荷（Q）關聯起來，因為m與比例（Q /Ω）的平方成正比。 將該關係與方程式8耦合，得出：

Smax≈（Q 2 /ε0）（R v 2 / R s 5）Ω[exp（2Ωt）]（公式9）。

[0038]

公式9表示在上述條件下通過加速振動可以達到的最大EM通量，並適用於相應電荷（Q）的振動質量（m）的球形幾何形狀（半徑1R）。 請注意，必須監控帶電設備（交叉管道或線性導管）內壁的振動，以使其不會大大超過其組成材料的固有振動頻率，因為這會產生EM磁通量的指數增長。 可能會對等離子芯以及設備的結構完整性和操作安全性產生有害影響10.此外，由於動態熔斷器200、230的錐形幾何形狀，等離子流體將呈現渦旋結構形狀 。 考慮（curl v = Avv）的無力渦流表達式，其中v是等離子流體速度，Av是一個常數，在某些條件下，從等式4的物理學來看，它可以遠遠大於1，我們可以這樣寫：

B / R v〜curl B = A v B（公式10），

其中Rv是有效渦旋半徑，因此當RR變為零時，Av成為B場放大因子，在數學上可以達到無窮大。 從物理上講，這表示等離子芯75中渦旋等離子結構的磁感應B場大大增強。

[0039]

對於每個動態熔斷器200、230之一，最大的磁場感應強度（B）作為自旋角頻率（c）的函數可表示為：

B≈≈μ0σRωω3top 2（式11），

[0040]

其中μ0是自由空間的磁導率（〜O（10−6）），σ是圓錐結構200的表面電荷密度，Rω是動角的有效自旋半徑，top是最大工作時間 加速旋轉。 對於μ0σRωtop2〜O（1）的條件，即為1的階數，我們獲得BMAX〜ω3，換句話說，最大磁通密度與圓錐結構200的角自旋頻率的立方成比例。

[0041]

由於實驗室實驗取了直徑為10 cm的圓盤狀物體，並以10,000 rad / sec（100,000 RPM）的速度旋轉，沒有明顯的離心載荷造成的破壞，因此可以得出結論：給定鎢的硬度，每個動熔絲都來自於鎢 製造了200、230，可能具有104 rad / s數量級的w值。 這意味著可以通過表面帶電圓錐結構200的加速自旋來獲得BMAX的值約為106特斯拉，而加速度的時差不等於零（平穩而快速的自旋加速度-不需要突然/猛烈的運動） ）。 如此高的磁場感應值（B）是可行的，正如發明人在同行評審的發表論文中所指出的那樣（技術論文AIAA 2017-5343和技術論文SAE 2017-01-2040）。

[0042]

考慮方程式2，聚變反應的能量增益約為1018，這意味著在上述條件下聚變點火的可能性，即自持等離子體燃燒，是高度可行的。 作為這種簡單分析的結果，重要的是要注意，本發明可以在千兆瓦至兆瓦範圍內（以及更高）產生輸入功率在千瓦至兆瓦範圍內的功率，並且可能導致點火等離子體燃燒，即 無需外部輸入功率即可自我維持的等離子燃燒，表明本發明的實現。

[0043]

當介紹本發明或其優選實施例的元件時，冠詞「一」，「一個」，「該」和「所述」旨在表示存在一個或多個元件。 術語「包括」，「包含」和「具有」旨在是包括性的，並且意味著除所列要素之外，可能還有其他要素。

[0044]

儘管已經參考某些優選實施例相當詳細地描述了本發明，但是其他實施例也是可能的。 因此，所附權利要求書的精神和範圍不應限於本文所包含的優選實施方案的描述。