[发明专利]等离子体发电系统

说明书

本申请是申请号为200680007428.2、申请日为2006年3月7日、发明名称为“等离子体发电系统”的申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及等离体物理领域，特别涉及用于约束等离子体使核聚变能成为可能和用于把来自聚变产物的能量转换成电能的方法和设备。

背景技术

聚变是两个轻核组合形成一个较重核的过程。聚变过程以快速运动的粒子的形式释放巨大能量。因为原子核是带正电的-由于包含在其中的质子造成的-所以在它们之间有排斥的静电即库仑力。对于两个聚变的核来说，这个排斥力势垒必须被克服。在两个核充分靠近在一起时，这种情况发生，此时短距离的核力变得强到足以克服库仑力并聚变核。核克服库仑势垒需要的能量由它们的热能提供，这个热能必须是非常高。例如，如果温度至少是10⁴ eV量级-大致对应10⁸开氏温度，聚变速率可以是可观的。聚变反应的速率是温度的函数，用称为反应率的量表征。例如，D-T反应的反应率具有在30 keV和100 keV之间的很宽的峰。

典型的聚变反应包括：

其中，D表示氘；T表示氚；表示氦核；n表示中子；p表示质子； He表示氦；B¹¹表示硼-11。每个方程中的括号中的数字表示聚变产物的动能。

上面列出的前两个反应—D-D和D-T反应—是中子的，这意味着，聚变产物的大部分能量是由快速中子携带。中子反应的缺点是：（1）快速中子流产生许多问题，包括反应堆壁的结构损坏和对于大多数制造材料而言高水平的放射性；以及（2）通过将快速中子的热能转换成电能收集它们的能量，这是效率非常低的（小于30%）。中子反应的优点是：（1）它们的反应率峰在相对低的温度；以及（2）它们由于辐射造成的损耗是相对低的，因为氘和氚的原子序数是1。

其他两个方程中的反应—D- He³ 和p-B¹¹—称为高级燃料。不是如在中子反应中那样产生快速中子，它们的聚变产物是带电粒子。高级燃料的一个优点是，它们产生少得多的中子，因此不太有与它们有关的缺点。在D- He³的情况下，由二次反应产生一些快速中子，但这些中子只占聚变产物能量的约百分之十。p-B¹¹反应是无快速中子的，虽然它的确产生一些由二次反应造成的慢速中子，却产生少得多的问题。高级燃料的另一个优点是，它们的聚变产物包括其动能可以直接转换成电能的带电粒子。用适当的能量转换过程，高级燃料聚变产物的能量可以以高效率收集，可能超过百分之九十。

高级燃料也具有缺点。例如，高级燃料的原子序数较高（对于He³是2，而对于B¹¹是5）。因此，它们的辐射损耗比在中子反应中的大。还有，使高级燃料聚变困难得多。它们的峰值反应率出现在高得多的温度，并且达不到如D-T的反应率那样高。于是，用高级燃料引起聚变反应要求：使它们达到较高的能量状态，该状态下它们的反应率是非常大的。因此，必须把高级燃料封闭(containment)较长的时期，其间它们可达到适当的聚变条件。

对于等离子体的封闭时间是，其中，r是最小等离体尺寸，D是扩散系数。扩散系数的经典值是，其中，是离子回转半径，以及是离子-电子碰撞时间。按照经典扩散系数的扩散称为经典迁移。起因于短波长不稳定性的玻姆（Bohm）扩散系数是，其中是离子回转频率。按照这个关系的扩散称为反常迁移。对于聚变条件，10⁸，反常迁移导致比经典迁移短得多的封闭时间。按给定数量的等离子体的封闭时间必须比等离子体核聚变反应的时间长的要求，这个关系确定在聚变反应堆中等离子体必须多大。所以，考虑到较小的初始等离子体，经典迁移条件在聚变反应堆中是更理想的。