CN105027222B - 用于无中子和中子聚变的旋转高密度聚变反应器 - Google Patents

Abstract

聚变设备在没有中子的情况下以“无中子聚变”方式产生中性原子和离子的聚变，因为产物在高中性粒子密度下利用强离子‑中性粒子耦合。离子和中性粒子因频繁碰撞而在圆柱形腔室内一起旋转。高磁力使得有可能达到高旋转能量；介质中的磁场因不存在磁荷而能够被设置在非常高的值处。在方位角方向上通过强磁力进行反复加速使得有可能获得非常高的离子速度。聚变主要发生在中性粒子之间。该方法也能够应用于具有中子情况下的聚变。在产生高能高密度的中性粒子时，传统聚变方案和中子源能够使用上面描述的原理来实现。

Description

用于无中子和中子聚变的旋转高密度聚变反应器

相关申请的交叉引用以及优先权要求

本申请依据35U.S.C.§119(e)要求2013年3月11日提交的共同待决的临时申请序列号No.61/776,592的优先权，该申请的全部内容通过引用合并到本申请中。

技术领域

本发明描述了利用中性粒子(neutral)进行聚变的能源技术。它涉及到通过核聚变产生能量的领域，其中两个原子聚变在一起形成第三原子从而释放能量，这是质量转换成能量的结果。

本发明提供了一种使用中性粒子而非带电粒子来产生聚变能的新方法。它描述了如何使中性粒子在一个紧凑的旋转结构中被加速，从而使它们之间实现反复的相互作用。

背景技术

自1950年以来，聚变研究已经持续了很多年，然而商用反应器的前景仍旧前路漫漫。带电粒子、不稳定性的存在和将反应系统维持在高温下所需的大量能量的约束，都使得这成为世界范围内最具挑战性的问题之一。许多方案已被提出，并试图约束用电磁装置加速的带电粒子。然而，到今天仍没有简单的低成本反应器出现。

本发明选择在中性粒子之间进行聚变，以获得非常高密度的粒子进行相互作用，例如，所获得的粒子密度与采用带电粒子所获得的可能粒子密度相比高四个数量级。本发明使用电流元件上的强磁力(几千牛顿)来通过离子-中性粒子耦合的原理驱动中性粒子。该设备的简单几何形状和紧凑性使得其成为聚变概念中的突破口。与带电粒子不同，在中性粒子彼此靠近直到它们达到亚原子尺寸时，中性粒子不会遇到库仑排斥。中性粒子-中性粒子相互作用的截面因此更高。

高密度的中性粒子使得其能够以显著速率产生能量以用于商业应用中。聚变速率正比于密度的平方。该技术不同于当今使用的带电粒子聚变，在带电粒子聚变中，因电离需要的能量和带电介质的不稳定性而很难实现高密度。

高密度的相互作用的粒子使得干净聚变(clean fusion)成为可能，在该聚变中，聚变产物中没有中子。这样的聚变反应器的优点很多，其中一个优点是可在城市地区选址。其它优点是环境因素，包括低量核废料、低成本燃料和作为燃料的碳氢化合物的替代，从而避免温室气体的排放。

发明内容

该设备在高的中性粒子密度的情况下运行，以便即使对于低截面的相互作用元素而言仍然能够增加聚变反应速率。该速率与中性粒子密度的平方成正比。在一个实施方案中，这些中性粒子由位于轴向磁场中的两个同心电极所限定的环形区域内的非机械等离子体转子驱动。这些电极之间施加直流电压以获得径向直流电流I，该径向直流电流I在方位角方向上产生力F＝IL×B，其中L是该电流沿其流动的长度L的径向向量。

环形区域中氢和硼原子之间的反复相互作用产生了足够的聚变反应来产生高能氦原子核，这些氦原子核可以被直接转换成电能或者热源以用于产生能量。低电离比率、高达几千牛顿的高驱动力F和高中性粒子密度下的反复相互作用组合起来使得其成为没有污染且放射性废物最小的系统。氢和硼都是丰富且非放射性的稳定元素。聚变产物，即高能双电荷氦原子核，使之高效地直接转换为电能。

该设备只需要一个由超导磁体和直流电源构成的简单的投资支出。取决于应用目的，它可以设计为50厘米到10米的尺寸。

另一个无中子(aneutronic)反应器使用质子锂(p-Li⁶)与He³、He⁴的产物进行反应。在某些应用中，腔室内的电极上容易涂覆Li可能是源汇(source and sink)的一个优点。

上述使用大量中性粒子的技术还可以应用到D-T、D-D聚变中，在D-T、D-D聚变中，产物包括中子。资本投资和运行费用会因屏蔽和处理放射性物质而更高。然而，在这些聚变反应中，更低能量下的更大截面从某种程度上弥补了更高的投资和运营成本。

附图说明

图1示出了具有同心电极的p-B¹¹聚变设备的一种配置。

图2示出一个高电流多触发放电电路，用以延长脉冲持续时间。

图3示出用于连续波放电的6千伏直流电源。

图4示出6千伏200安培直流电源电路。

图5示出一个脉冲与连续波组合的放电电路。

图6示出使用图5中的组合在中心棒上监测的典型等离子体放电。

图7示出根据本发明的聚变反应器的另一配置；以及

图8示出根据本发明的用于向聚变设备供给氢的系统的示意图。

具体实施方式

图2-4示出了脉冲电源和连续波(CW)电源的典型设计，其用于产生等离子体的预电离和持续旋转。

图1示出了具有同心电极的p-B¹¹聚变设备的配置。提供了超导磁体11，其能够产生轴向磁场。腔室5具有冷却输入(cooling input)1。腔室5还具有气体输入2。电力电源12连接到放电棒3。在腔室5内提供延伸的放电棒8。元件4是绝缘体。元件6是外部放电棒。元件7为硼板(boron disc)。元件10标示出了硼靶。元件9示出了等离子体。

多个脉冲电源被顺序触发，以产生脉冲序列来维持高旋转速度。这些脉冲被如此定时，以便在等离子体的导电性(conductivity)衰减到较低的值之前，下一个脉冲被接通以为旋转提供另一个径向电流。

在初始击穿以形成等离子体电流之后，维持该电流所需的电压被降低，如图6中所示，从而降低了功率需求。这个方案只需要低电离率(10^-5)。离子和电子之间的重组率是最小的，因为离子和电子被中性粒子包围。维持如此低电离率所需的功率比维持完全电离所需的功率要低很多倍。

中性粒子和离子的旋转使用快门速度高达10万/秒的摄像机进行检测。通过遵循给定的不均匀性(inhomogeneity)，能够估计旋转速度。另一个方法是使用“激光标记”。将激光调谐到与离子线或中性粒子线相匹配的给定波长。使用具有过滤器的快速摄像机来在空间和时间中监测不同波长处的共振散射。另外，还可以使用调谐到给定波长的分光计和光纤。

每个元素都有旋转和静止两个分布，以使旋转的硼与静止的氢碰撞，反之亦然。B¹¹的静止组分被提供在内电极和外电极处，而B¹¹的旋转组分由力J×B提供。连续流动的氢由压力箱供给，以产生1-10托的压力环境。

这些旋转硼与静止氢以及旋转氢与静止硼之间的反复相互作用产生了高速率的聚变，如以下等式中表示的：

dW/dt＝n_p n_bσv Y聚变速率/立方厘米秒

其中，n_p、n_b分别是质子和硼的密度；

σ是特定能量E处的聚变截面；

v是质子和硼之间的相对速度；

Y是每聚变反应的能量产量＝8.7MeV

应当指出的是，n_P既表示氢离子又表示中性粒子，因为对于聚变反应而言，中性粒子或离子都可参与聚变。

聚变平衡条件由每单位体积内的聚变输出大于能量输入给出：

dW/dt>V_inI_in/V

其中，

V_in＝两个同心电极之间施加的电压

I_in＝由施加的电压V_in产生的径向电流

V＝中性粒子和离子由力J×B驱动的旋转区域的体积；能量输入来源于直流电压和两个电极之间施加的电流。

工作磁场通常在0.5-3T之间。电子沿轴向磁场的初始电离可用于提供用于预电离的电子和离子。两个同心圆柱之间的等离子体阻抗被降低，使得径向电流在同心圆柱之间流动。这一横跨磁场的径向放电电流主要通过横跨强磁场的离子迁移而发生，因为离子具有比电子大许多的轨道。力J×B使离子在方位角方向旋转。在高密度的情况下，离子和中性粒子之间的频繁碰撞使它们一起旋转。在我们的实验室等离子体中，对于1千伏的电压而言，观察到0.1欧姆的电阻和10KA的径向电流。该电流在2T的场和50厘米的半径中产生了10000牛顿的力。在这种强大驱动力下，硼离子和中性粒子可以在10毫秒内达到100千电子伏的能量。这一量级的能量可以使聚变发生。

硼原子在50cm的半径下以3×10⁵转/秒旋转，使得将达到100千电子伏的能量。当向着硼的旋转环形区域喷高压氢气时，能够发生氢-硼聚变反应。中性硼和氢原子的高密度(10¹⁸/cm³)有助于维持显著的聚变产量，即使截面仅仅为3×10^-28cm²。

在所有粒子以相同速率旋转的旋转区域中，假设固体自转(solid bodyrotation)，则如下面解释的，除非电子屏蔽降低了库仑势垒，否则用于聚变的元素之间将会有低的相对速度。但是，如果没有这种降低，旋转的硼和周围氢原子之间的相对速度将需要足够高以使聚变发生。反应速度取决于B¹¹和氢气的能量。该设备可在高中性粒子密度的氢和硼的情况下运行，这是由于不存在因空间电荷导致的不稳定性。以脉冲或稳态或脉冲与稳态电压的组合的方式来施加高电压，从而在用作电极的放电棒8与放电棒6之间产生径向电流。该径向电流产生用于在方位角方向上推动离子的强扭矩，从而引起中性粒子与离子的碰撞以及共同旋转。此电源还产生连续脉冲链，使得径向电流被维持从而产生用于旋转离子和中性粒子的连续驱动力。脉冲和CW电压的组合用于使得旋转能量和输入电能之间的效率最大化；脉冲用于维持系统中的离子数量，CW电压用于保持旋转。聚变反应产生高能α粒子(He⁴)，这些高能α粒子用于直接转换为电能；这些α粒子的减速在电源中产生充电电流。

如果令n_p、n_b＝10¹⁸/cm³，σ＝3×10^-28cm²(假设对于硼而言是100千电子伏的能量)，氢和硼之间的相对速度v＝10⁸cm/s，则我们得到：

dW/dt＝3×10¹⁶/s cm³×8.7MeV＝5×10³J/s cm³

我们的原理证明实验在3×10³cm³的体积中持续了1毫秒，释放的功率估计为15KJ。

输入的能量为2.5千伏和4000A或10兆瓦0.1毫秒，其等于1KJ。

如果我们能够将硼加速到200千电子伏，则截面可被增加到1.5×10^-26cm²或将截面增加30倍。如果能量输入加倍，则能量增益估计大约为200。

将被检测到的He原子核的数量

在1毫秒中、在3×10³cm³的体积中的总反应数目等于9×10¹⁶。He原子核中的反应产物是2.7×10¹⁷。

He粒子的密度为0.9×10¹⁴/cm³或10^-3托/毫秒的脉冲。这种密度的He可由具有RGA(残留气体分析仪)的四极质谱仪检测。当该体积没有被泵吸(pump)时，He粒子的数量随着脉冲数而增加。

对在由力J×B或ILB加速期间获得的最大中性粒子旋转速度进行评估的方法如下所述，其中I是径向电流、L是电流的长度、B是垂直于I的场强：

我们目前的利用光学观测氦的脉冲实验中，使用下列参数：I＝10⁴A，L＝0.5M，B＝3T，F＝1.5×10⁴N。

加速度为F/M＝0.5×10⁹米/秒²，其中m是硼和氢在10¹⁸/cm³密度下的质量且等于3.3×10^-5千克。

对于2毫秒的加速度，v＝1/2at＝10⁶米/秒。这证明了上面我们计算聚变事件时的假设V＝10⁸厘米/秒。这个速度相当于100千电子伏的硼能量。

对于氢-硼聚变，截面“σ”是：

在200千电子伏下，σ为1.6×10^-2靶

在100千电子伏下，σ是3×10^-4靶

在50千电子伏下，σ是10^-6靶

1靶是10^-24cm²。

对于DD反应，聚变截面是：

在50千电子伏下，σ是10⁴靶、

对于DT反应，聚变截面为：

在10千电子伏下，σ是10⁵靶

其他实施方案

可应用的聚变反应

上述实施例主要考虑p-B¹¹聚变反应，涉及氢原子核(质子)和硼原子核，如由以下等式描述的：

P+B¹¹→3He⁴+8.68MeV

反应物(例如，氢和硼)可以是固态(粉末、纳米颗粒或其他)、液态或气态，可以混合到具有水或任何其它溶剂的溶液中，并且可以以元素状态或任何化学化合物形式存在。例如，硼通常在硼酸矿物(包括硼砂、四水硼砂、钠硼解石、硬硼钙石和方硼石)中找到，上述任何一种均可用于为上述聚变反应器(以下称为“阿尔法单元”)提供硼燃料。此外，非硼酸矿物的其它硼化合物(包括但不限于单质硼、六硼化镧和氮化硼)也可以使用。

另外，阿尔法单元适合与所有其他聚变反应(包括中子和无中子聚变反应)一起使用，包括(但不限于)：

D+T→He⁴+n+17.59MeV

D+D→T+p+4.04MeV

D+D→He³+n+3.27MeV

D+D→He⁴+γ+23.85MeV

T+T→He⁴+2n+11.33MeV

D+He³→He⁴+p+18.35MeV

p+Li⁶→He⁴+He³+4.02MeV

p+Li⁷→2He⁴+17.35MeV

p+p→D+e⁺+ν+1.44MeV

D+p→He³+γ+5.49MeV

He³+He³→He⁴+2p+12.86MeV

p+C¹²→N¹³+γ+1.94MeV

[N¹³→C¹³+e⁺+ν+γ+2.22MeV]

p+C¹³→N¹⁴+γ+7.55MeV

p+N¹⁴→O¹⁵+γ+7.29MeV

[O¹⁵→N¹⁵+e⁺+ν+γ+2.76MeV]

p+N¹⁵→C¹²+He⁴+4.97MeV

C¹²+C¹²→Na²³+p+2.24MeV

C¹²+C¹²→Na²⁰+He⁴+4.62MeV

C¹²+C¹²→Mg²⁴+γ+13.93MeV

连续与批处理操作

因为所有聚变反应涉及燃料的消耗，所以为了能够无限期地继续进行操作，阿尔法单元必须对其燃料供应进行补充。实现这一目标的方法有两种：

1)可连续操作，由此，燃料被添加且聚变产物被连续移除。在这种操作模式中，阿尔法单元将只在维护时需要关闭，或在操作失败时需要关闭。

2)批量操作，由此，燃料在运行之前被加入，阿尔法单元运行，并且操作在一定比例的燃料(高达100％)已经被消耗时停止。一旦设备已经停止运行，将移除聚变产物、增加新燃料并根据需要进行维护。这种操作模式比连续操作模式需要更多的操作中断，但将会简化装料和聚变产物移除过程。

脉冲与连续电压

在过去的操作中，内电极上的一系列短持续时间电压脉冲已经推动了阿尔法单位内的反应，以在内外电极之间感应等离子体电流并促使阿尔法单元内的流体旋转。然而，作为一种替代方案，阿尔法单元能够在向内电极连续供应电压的情况下运行。

聚变/裂变混合

一些裂变反应，例如钍裂变周期依赖于大的高能粒子(如，中子、质子、α粒子)流来驱动反应。这样的反应可能比传统核裂变燃料周期更有优势，因为它们仅涉及不足以驱动核链式反应的痕量放射性物质。

阿尔法单元可通过提供高能粒子供应来驱动这些裂变反应。例如，在使用p-B¹¹反应时，双电荷He⁴(α粒子)与带电和中性硼和氢核的混合可以被引导出阿尔法单元并被引导到含有裂变燃料的单独反应器中。由裂变反应产生的能量可与从阿尔法单元提取的能量单独或者组合使用(用于发电、工业用热或其他使用用途)。

结构材料

阿尔法单元的关键组件是磁体，该磁体可以是超导磁体(包括使用来自翻新MRI设备的磁体)、永磁体、电磁体或其它适当类型的磁体。其它组件包括腔室壁和外电极和内电极。还可以存在辅助组件，诸如电源、燃料输入杆和冷却系统。

一般来说，结构完整性和耐高温是选择结构材料的重要标准。就电极而言，高导电性也是一个关键因素。其结果是，金属可能是部分或所有组件的理想材料。然而，如复合材料、陶瓷或塑料等替代品也可能在某些情况下使用。阿尔法单元的设计不局限于任何特定一组材料。

组件的消除

上述阿尔法单元的设计包括内电极和外电极来传导等离子体电流，以及超导磁体来产生轴向磁场。然而，也可能通过使用电流驱动来消除其中一个或多个组件。例如，可以通过使用旋转电流产生交流磁场来诱导旋转，从而使离子经由谐振耦合进行旋转并消除了对磁体和内电极的需求。

几何形状和规模

上述实施方案中，阿尔法单元为圆柱体。虽然这可能是最佳设计，但是阿尔法单元也可以用其它几何形状来实现，诸如椭圆形截面或圆环面，只要粒子能够在该设备周围旋转即可。

由于聚变反应发生在原子核级(～10-15米)，因此几乎不存在对阿尔法单元实施规模(大小)的基本限制。例如，阿尔法单元可能在纳米级上被应用，以便它可以用来给电子电路提供功率或用于其他用途；或在非常大规模上被实施，例如，通过使用一个或多个阿尔法单元来满足整个城市、地区或国家的电力需求。规模的变化可以通过增加或减少阿尔法单元的长度、增加或减少阿尔法单元的直径、增加或减小阿尔法单元的长度和直径这两者或(在扩大的情况下)通过使用多个模块来实现。可以对非圆柱形几何形状的阿尔法单元的变体做出类似的调整。

能量提取

直接能量转换

许多聚变反应产生高能带电粒子，这些高能带电粒子可以使用电磁装置(例如，通过在附近导线中感生电流)直接转化成有用的电能。聚变产生的带电粒子具有在MeV范围内的能量并与周围介质有低碰撞频率，因此经受由周围电场和磁场支配的运动，即使在常规碰撞环境中也是如此。由Lawrence Livermore国家实验室的研究人员开发的一个显著概念涉及带电粒子被有选择地除去、通过使用磁场被引导远离正在其中发生聚变反应的等离子体并通过延迟电场减速。减速期间粒子放弃的能量被转换为电流。这样的概念可与阿尔法单元一起使用，例如单独使用或与其它直接能量转换技术和/或热能转换技术组合使用。直接能量转换产生电能的效率比热能转换技术的最大效率明显更高。进行直接能量转换的阿尔法单元的几个新的改进方案在这里提出，并在下面列出和描述。

除了由阿尔法单元中的磁场和等离子体电流引起的高速方位角旋转之外，作为高能量的结果，带电粒子(例如，双电荷He⁴(α粒子))还轴向移动。作为聚变反应产物的带电粒子具有的能量比不是由聚变反应产生的其它带电粒子或中性粒子的能量高得多。因此，这些高能带电粒子(例如，p-B¹¹反应情况中的α粒子)以比阿尔法单元中的其他粒子的速度更高的平均速度进行轴向移动。带电粒子的这种轴向运动可以直接转换为电能，例如通过创建与从电极向外流动的电荷流方向相反的电场。

此外，在方位角上旋转的带电粒子的动能也可通过类似的手段来捕获。例如，上面提到的电池或电场可用于产生与带电粒子的旋转相反的电场。这些电池可以放置在阿尔法单元的含电极的截面周围和/或不具有电极的截面周围。这可与上面描述的系统分开进行或结合进行。

为了优化直接能量转换，最好能控制带电聚变产物(例如，α粒子)的路径。一种实现方式是在内电极的直流电压上重叠α粒子的回旋频率，从而以回旋频率产生电磁波。通过以回旋频率来调谐该电磁波的相位，有可能调谐带电聚变产物的路径以便它们以受控方式进行选择，从而允许直接能量转换被最优化。

同样地，与燃料或产物原子核(例如，p-B¹¹反应情况下的氢、硼和氦)的固有核自旋的共振可以用于增加或减少聚变反应的数量或控制粒子的路径，以提高能量回收的效率。

腔室到电极任一侧的半径可以与含有电极的截面中的半径相同，或者其可以更大或更小。例如，腔室的半径可以在轴向远离包含电极的截面的方向上增加，并且聚变产物(例如，p-B¹¹反应中的α粒子)的谐振频率可用于激励它们在越来越大的轨道中旋转，因为它们移动的方向是轴向远离电极。这能够导致直接能量转换的效率和效能的提高。

在任何直接能量转换方案中，使带电聚变产物附近的中性粒子密度最小化是可取的(例如，在p-B¹¹反应中，使带电α粒子周围的中性粒子密度最小化)，以减少带电粒子能量向中性粒子的转移(因为减少的带电粒子能量将减少以更高效率通过直接能量转换方式而非通过热过程以更低效率进行回收的能量)。然而，增加带电燃料粒子周围的中性粒子密度是可取的(例如，在p-B¹¹反应中的氢/质子)，以便首先引发反应。下面列出的几种配置可以用于独立地或彼此组合地优化这种情况。

在运行期间，受控量的燃料(例如氢)可被直接引入到两个电极之间的环形空间中。在离开阿尔法单元的含有电极的截面之前，大部分的该燃料将被消耗掉，或者能够进入外电极与腔室壁之间的环形空间中。进入阿尔法单元的这些部分中的带电聚变产物(如α粒子)将会因此遇到少量燃料粒子(其中绝大多数是中性的)。

燃料(例如氢)可用很短的、可控的猝发引入到阿尔法单元中，有可能在径向方向上被注入。能够抽取真空，有可能从内电极和外电极之间的环形空间中抽取，以除去粒子。因为高电荷聚变产物(例如，α粒子)与其他低能燃料粒子相比更可能离开此环形空间，所以该真空将抽出不成比例的少部分聚变产物。结果，残留在阿尔法单元中的聚变产物将会遇到少量中性粒子，从而允许更大的能量直接转换。

图7示出了可能阿尔法单元配置的示意图，包括具有上述可变半径的腔室。该附图假定使用p-B¹¹反应，虽然其它反应也可以使用。该图还包括位于腔室每一侧上的真空泵和安全阀，它们可用来避免阿尔法单元内不安全的压力累积。

由于两个电极之间的环形空间内带电聚变产物相对于中性粒子的比例有可能不同于阿尔法单元内其他空间中的比例，因此可以改变内电极、外电极和腔室壁的尺寸，以改变这些空间相对于彼此的体积并减少带电聚变产物与中性粒子碰撞的发生率。可以最优化控制系统和外部环形空间几何尺寸以促进气体排出，以便最小化带电粒子与中性粒子的碰撞从而最小化以其他方式可避免的能量传递。

热能转换

聚变反应期间产生的但通过直接能量转换没有被捕获到的能量将变成热能。此热能可以独立捕获，或可与直接能量转换组合执行。热能捕获是商业应用中的普遍做法(例如，化石燃料点火发电厂)，并且能够采用非常相同的方式对阿尔法单元执行热能捕获。工作流体(如，水、氦、钠)可以流过位于阿尔法单元内或周围的热线圈、热量套或其他传热设备以吸收热能。传递出阿尔法单元的热工作流体之后可以与任意数量的设备一起使用以将其热能直接或通过次级回路(secondary loop)的方式转化为机械运动。这些设备的机械运动可以被直接利用(例如，用以转动车轮)，或被间接利用(例如，用于转动常规发电机以产生电力)。这些设备包括但不限于以下所述：

·汽轮机

·斯特林发动机(用于驱动单独的发电机，或者用于使斯特林发动机中的活塞用作磁体以通过磁体的运动来发电)

·自由活塞式发动机

·热电偶

上面列出的单个设备可以被使用，或者一个或多个设备能够彼此组合使用。一个或多个设备也可以利用其它设备的废热进行二次、三次等热能回收。另外，能够直接利用热能来为工业处理、为建筑物中的空间加热或海水淡化供热。

阿尔法单元也可与单独的热输送设备组合使用，以用于提供辅助热量。例如，可以通过将阿尔法单元布置到燃气轮机的进口部分中或通过使用工作流体来传热，而将来自阿尔法单元的热能添加到燃烧室或者燃气轮机的进口部分中。同样地，阿尔法单元可以用作常规热电厂的辅助热源，以预热进入锅炉的蒸汽或其他工作流体，或者直接向锅炉加热。

燃料供应

可以用购买的材料(例如，在p-B¹¹反应的情况下，与其他选择相比，使用加压氢气瓶和固体硼化合物)向阿尔法单元中供给聚变燃料。或者，也可以集成一个或多个设备以提供燃料。例如：

·用于p-B¹¹反应的氢可由与阿尔法单元集成并由该阿尔法单元或由更小的辅助阿尔法单元或由分离的电力源供电的电解系统或热离解系统提供。

·用于p-B¹¹反应的氢可以使用集成自旋系统提供(如在美国专利号8298318和美国专利公开号2013/0047783中描述，这两个专利均通过引用合并到本申请中)，藉此，水或其他含有氢的化合物将以足以将氢与该化合物中的其它元素分离的速率进行旋转。示出该概念的示意图在图8中示出。如图所示，水被供给到电磁自旋系统(EMSS–“318”和“783”等文献中详细描述)，该电磁自旋系统产生了氢的供给。氢和硼一起被供给给阿尔法单元，它们在聚变反应中使用以用于产生电能。所产生的部分电力用来运行EMSS。

·也可以通过使用诸如硼氢化钠的化合物来供给用于p-B¹¹反应的氢，在诸如硼氢化钠的化合物与水混合时产生了氢。

·通过由附属于阿尔法单元的系统来产生氢，阿尔法单元的燃料供给将不依赖于氢燃料罐，也不依赖于氢燃料供给基础设施的开发。类似的技术可用于将非氢聚变燃料的产生与阿尔法单元集成，从而也不需要开发针对那些化合物的专用燃料供给基础设施。

正反馈机制

空间电荷效应

在p-B¹¹反应的情况下运行阿尔法单元的结果表明该设备的运行由空间电荷效应所增强。许多硼化合物(以及不含有硼的材料)将在被加热时发射电子。该设备内存在的强离心力使这些电子在外电极的壁周围形成“云”。此电子云--空间电荷--吸引离子，其中在阿尔法单元的运行期间所述离子包括硼和氢离子。结果，硼和氢离子在该“负电势阱”中被吸引而紧密接触。此阱内原子核的紧密接触增加了量子隧穿的概率，从而有效地降低了库仑势垒并加强了聚变反应的速率。这些聚变反应产生的热能进一步加热硼化合物，使其发射更多的电子并进一步增加反应的速率。

燃料粒子的电离

除了空间电荷效应外，p-B¹¹反应情况下阿尔法单元的运行也已经揭示了这样的现象：聚变产物的产生加强了该设备的运行。例如，当通过p-硼聚变事件产生α粒子时，它们趋向于电离氢原子。位于阿尔法单元的环面的外壁附近的更高离子密度降低了气态混合物的电阻率，从而增大了等离子体电流的幅度而不需消耗额外能量来增加内电极的电压。更大的等离子体电流继而增大了该设备中的洛伦兹力，从而增加了旋转速度并导致更多的聚变事件。

正反馈

空间电荷效应及燃料粒子的电离一起产生了正反馈，以加强阿尔法单元的运行。在p-B¹¹反应中，当硼化合物被加热时，它释放出在外电极周围形成空间电荷的电子。此空间电荷产生的负电势阱使硼和氢紧密接触，从而增加了量子隧道的发生，有效地降低了库仑位垒并增加聚变反应的速率。由该反应产生的带电粒子(例如，p-B¹¹情况下的α粒子)电离燃料原子(例如，p-B¹¹中的氢)，从而减少了电阻率，增加了等离子体电流和洛伦兹力，并在无需增加能量输入的情况下进一步提高了聚变反应的速率。聚变反应的速率增加继而放大了空间电荷效应及燃料粒子电离，这导致进一步的聚变。

增强正反馈

由于正反馈机制有助于推动阿尔法单元的性能，因此增强反馈是十分期望的。虽然我们已经使用的一些硼化合物(例如，氮化硼、六硼化镧)是良好的电子发射体，但仍有更好的电子发射体存在，并且这些化合物可用于增加空间电荷效应。极好的电子发射体(包括但不限于石墨)可与燃料靶(例如，氮化硼)化学组合，或者可以被制造为具有燃料靶的复合材料(即，燃料和电子发射体被物理结合，并未被化学结合)。此外，这种材料(燃料靶，具有或不具有电子发射体)可被粘附到外电极的壁上(如我们过去的操作)，或外电极本身可以由该材料制造(以便该电极将由聚变反应逐渐消耗)。在该设备的替代配置中，阿尔法单元的内电极、腔室壁或者其他组件可以由消耗性聚变燃料或含有聚变燃料和其他材料的复合材料或化合物组成。同样地，可以优化阿尔法单元的设计(例如，通过燃料化合物的选择、燃料的放置、电极和腔室的几何设计)以提高燃料粒子电离，从而进一步提高正反馈。

反应产物分离/去除

在许多情况下，一旦聚变反应产生的物质的能量已经通过直接和/或热能转换被移除到期望程度，聚变反应产生的物质就将不再有用，并且实际上或许会抑制所述设备的运行。例如，在p-B¹¹反应中，此反应产生的氦可能不希望用于任何其他反应，并且其存在可能会降低p-硼反应发生的数量。结果，可能期望有选择地从阿尔法单元中去除聚变产物以保持反应物的高局部压力。

这种去除可以采取许多形式，并且可能依赖于阿尔法单元中使用的具体反应。例如，存在商用氢过滤器，其选择性地渗透氢但不渗透更大的原子核。这种过滤器能够应用在阿尔法单元内以在该过滤器的两侧上产生聚变产物与非聚变产物的不同比例，从而允许富含聚变产物的流从所述设备中移除。这种过滤器也可以增强直接能量转换(由于中性粒子与带电聚变产物的存在降低了转换效率)，和/或可用于将富含燃料的混合物再循环到阿尔法单元的电极部分处以用于消耗。被设计成选择性地渗透不同原子或分子的类似过滤器能够用于p-B¹¹反应和其他聚变反应情况下的阿尔法单元的运行。针对一个或多个原子/分子而设计的多个滤波器也可彼此组合使用。

此外，在许多反应中，聚变产物(如p-B¹¹反应中的氦)将是该系统中的某些最轻原子，尤其是一旦许多反应已发生的时候(例如，在p-B¹¹反应中当大部分氢已经被消耗时)。结果，这些聚变产物将趋向于集中在内电极周围，在这里可以容易地除去它们。此外，在聚变产物趋向于是该系统中的最重原子的反应中，它们将趋向于集中在外电极附近，而且同样可以在这里将它们容易地移除。在这两种情况下，阿尔法单元的分离效率将协助去除大部分聚变产物同时不除去大量聚变燃料。

监测和控制系统

阿尔法单元的有效运行将需要监测和控制该设备的能力。可使用许多不同的技术，包括：

·MRI/NMR。例如，质子NMR可以用来测量氢原子在该设备内的三维实时移动。在诸如使用氢作为燃料的p-B¹¹的情况下，这可用来监视质子的消失(从而指示聚变反应中的消耗)及用于其他目的。

·光学传感器，如超高速摄像机。例如，在阿尔法单元运行期间，我们使用具有一个或多个氦过滤器的超高速摄像机来记录p-B¹¹反应，该摄像机以氦的光谱频率选择性地使光通过。该摄像机视野内的光强与特定点处存在的氦核数量(其与聚变反应发生的数量、产生的能量等等有关)相对应。

·热/温度传感器，其可以用于监测材料完整性、能量产生速率、冷却系统性能等。

·与MRI/NMR、光学传感器、热/温度传感器或其他传感器集成以控制操作参数(例如，燃料输入的速度、聚变产物消除率、用于热能捕获的工作流体的流动、施加到内电极上的脉冲的幅度和持续时间)的控制系统。

应用

发电

阿尔法单元的最显然的应用是静止发电应用，包括：

·新建电厂，无论是中央(公用事业规模)或分布式(例如，建筑规模)的电厂。这些电厂可以位于陆地上的农村、郊区、市区中，或可以应用在海底环境中。在分布式发电应用中，依赖于一个或多个阿尔法单元的电力的建筑物可选择避免连接到电网中，这是因为阿尔法单元将能够满足建筑物的100％电力需求。

·现有核、燃煤、燃气和其他传统发电厂的改造。在这种情况下，现有发电厂的开关场(switchyard)、传输互连、发电机和其它组件可能继续使用，仅仅移除锅炉并用一个或多个阿尔法单元取代。

由于其灵活的尺寸和相对简单的结构，阿尔法单元也可用于非固定场所中的发电。例如：

·移动电子设备(例如，手机、笔记本电脑、平板电脑)

·运输设备/车辆(汽车、公共汽车、火车、飞机、轻于空气的航空器、直升机、舰船、潜艇、卫星、飞船、空间站等)

·作为泵的替代(如用于管道的自动推进清管器(pig))

推进设备

阿尔法单元主要被设计为封闭设备，由此聚变反应产生的能量通过使用直接能量转换或热能转换而从阿尔法单元中提取。另外，阿尔法单元可以用作通过引导粒子流出阿尔法单元来推动附着在阿尔法单元上的物体(例如，地面或空间运载工具)的设备。阿尔法单元内的高粒子速度将在那些粒子被向外引导时产生大的反作用力，从而以高速度速率推进阿尔法单元和附着到阿尔法单元上的物体。

Claims (15)

1.一种促使粒子之间发生聚变的反应器，该反应器包括：

超导磁体，被配置成产生轴向磁场；

腔室，该腔室位于所述磁场中以便被供给氢气；

靶，该靶位于所述腔室中；

放电电极，所述放电电极位于所述腔室中，而且所述放电电极被提供电功率以产生垂直于所述磁场的电场以便在所述腔室中从所述氢气中产生具有离子和中性粒子的等离子体，而且通过所述电场和磁场使得所述等离子体在所述腔室中旋转；以及

电子发射体，用于在所述腔室内发射带负电的电子，以降低所述等离子体中两个正在靠近的原子核内的带正电的质子之间的库仑势垒，其中所述腔室内氢原子和质子的旋转产生了离心力，该离心力使所述氢原子和质子贴向所述电子发射体，从而促使所述等离子体中的粒子与所述靶之间发生聚变反应。

2.根据权利要求1所述的反应器，其中所述电子发射体包括六硼化镧LaB6。

3.根据权利要求1所述的反应器，其中所述电子发射体接地。

4.根据权利要求1所述的反应器，其中所述靶在所述腔室内是静止的。

5.根据权利要求1所述的反应器，其中所述靶在所述腔室内是旋转的。

6.根据权利要求1所述的反应器，其中，中性粒子和离子被所述腔室内氢原子的旋转推向所述放电电极的内表面，由此所述中性粒子和离子的密度能够依赖于旋转速率而增加，从而得到相应更高的聚变速率，所述聚变速率正比于反应物密度的乘积。

7.根据权利要求2所述的反应器，该反应器还包括：

通过旋转氢原子和离子与静止LaB6发射体之间的碰撞提供正反馈，导致所述靶的温度增加，增加附加发射的电子，从而进一步降低库仑势垒并促使附加的聚变反应，从而释放具有兆电子伏能量的高能带电粒子；所述带电粒子在所述LaB6靶内消耗它们的能量，从而产生更高的温度；以及

继续该循环，从而产生正反馈。

8.根据权利要求1所述的反应器，该反应器还包括：

通过聚变产生的带电粒子对氢进行电离来提供正反馈，其中离子数量增加降低了氢介质的电阻率，从而在所述腔室内的所述放电电极与外电极之间产生更大的电流，其中该更大离子电流在所述外电极上撞击以使得电子数目增加从而降低所述库仑势垒，使得低能离子能够通过量子隧道藉由互相靠近而聚变。

9.根据权利要求1所述的反应器，该反应器还包括：

永磁体，用于建立轴向磁场，所述轴向磁场促使包括质子、氘核、氦-3、锂、铍、硼、碳、氮和氧的聚变反应物进行旋转，其中该磁场从旋转反应物产生元素和同位素。

10.根据权利要求1所述的反应器，该反应器还包括通过向原子核中注入预选数量的质子和中子来形成元素和同位素。

11.根据权利要求1所述的反应器，该反应器还包括通过所述聚变反应产生高能α粒子(He⁴)；以及

使用所述高能α粒子进行向电能的直接转换。

12.根据权利要求1所述的反应器，该反应器还包括通过所述聚变反应产生高能α粒子(He⁴)；以及

通过对所述α粒子减速而在电源内产生充电电流。

13.根据权利要求1所述的反应器，其中所述靶包括具有占优势的同位素B¹¹的元素硼。

14.根据权利要求13所述的反应器，其中所述腔室中离子和中性粒子的旋转促使等离子体粒子因B¹¹和氢中性粒子或质子之间的反复碰撞而遭受以下聚变反应：

P+B¹¹→3He⁴+8.7MeV的能量。

15.一种促使粒子之间进行聚变的反应器，该反应器包括：

在外电极和内电极的圆周上提供一系列交流场，

通过振荡电场驱动正负离子旋转；

通过与所述正负离子的碰撞，驱动中性粒子围绕所述电极的轴旋转；且

增加所述交流场的频率，从而通过共振波粒子相互作用增加所述离子和中性粒子的速度，从而引起聚变反应。