CN106463183B - 用于通过基于激光的核聚变生成电能的方法以及激光聚变反应堆 - Google Patents

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Abstract

一种用于生成电能的方法，其包括以下步骤：提供聚变燃料(1)，所述聚变燃料(1)被保持在圆柱形反应室(2)内的磁场中；在所述聚变燃料(1)中引发核聚变，其中聚变火焰是由具有小于10ps的脉冲持续时间和大于1拍瓦的功率的聚变激光脉冲(4)产生；以及将在所述核聚变期间从所产生的原子核释放的能量转化成发电厂电力，其中所述磁场具有大于或等于1千特斯拉的场强，并且所述核聚变对于产生所述聚变火焰的所述聚变激光脉冲(4)的每激光能量具有大于500的能量产量。本发明还描述了被配置用于生成电能的核聚变反应堆。

Description

用于通过基于激光的核聚变生成电能的方法以及激光聚变反 应堆
技术领域
本发明涉及用于生成电能的方法，所述方法是基于具有硼同位素11的质子聚变，所述质子聚变使用激光辐射和磁场并且将聚变期间释放的能量转化成电能。本发明还涉及激光聚变反应堆，其被配置来用于借助于具有硼同位素11的质子的基于激光的聚变而生成电能。本发明使用于发电领域。
现有技术
在现有技术的描述中，参考以下出版物：
[1]H.Hora,D.Pfirsch and A.Schlüter,Zeitschr.für Naturforschung 22A,278(1967)；
[2]M.S.Chu,Physics of Fluids 15,412(1972)；
[3]H.Hora,Physics of Laser Driven Plasma Wiley,New York 1981,图10.18a&b；
[4]D.Strickland and G.Mourou,Optics Communications 56,219(1985)；
[5]R.Sauerbrey,Physics of Plasmas 3,4712(1996)；
[6]H.Hora,J.Badziak等人。Physics of Plasmas 14,072701(2007)；
[7]H.Hora,Laser and Particle Beams 27,207(2009)；
[8]DE 10 2012 001 634；
[9]H.Hora等人。Laser and Particle Beams 32,63(2014)；
[10]DE 102 08 515.3；
[11]S.Fujioka等人。Scientif.Reports 3,1170(2013),公开于2013年1月30日；
[12]M.Hohenberger,P.Z.Chang等人。Physics of Plasmas 19,056306(2012)；
[13]J.Nuckolls and L.Wood,Citation 25on p.13of H.Hora and G.H.MileyEdward Teller Lectures Laser and Inertial Fusion Energy.帝国学院出版社，2005年伦敦。
[14]U.S.Pat.3444377；
[15]German Pat.DE 10 2013 016 305；
[16]K.W.Kanngiesser,D.H.Huang and H.Lips,Hochspannungsgleichstromübertragung–Systeme und ihre Planung.EV HA 7,Siemens Monographien,Munich(1994)；以及
[17]H.Hora,Laser Plasma Physics.SPIE Press Bellingham WA 2000，第130页。
最常用的产生能量的方法涉及燃烧含有碳的化石燃料。200多年以来，化石燃料的燃烧已经形成了技术进步和经济繁荣的基础。然而，作为缺点，这个过程将燃烧产物二氧化碳释放进大气，其可导致不希望有的全球气候的变化。
用于产生能量的另一个方法基于核裂变，其中释放的核能首先转化成热，然后转化成电能。尽管核电厂的运行是经济的，但是其具有处理放射性废物昂贵且有风险的缺点。此外，它涉及发电厂事故可导致极端灾难性损坏的操作风险。
核能还可由核聚变释放，其中较轻的原子核聚变以形成较重的原子核，从而在每聚变反应约10MeV的极高范围中释放能量E＝mc2(m：核质量损失m，c：光速)。然而，除了发生在恒星中的自然过程之外，至今仅仅以爆裂聚变弹的形式以不受控制的方式实现了核聚变。可控聚变发电厂已经发展了数十年，然而，尽管付出了许多研究努力，但是它们仍未被成功地实施于实践中。
已全面研究的聚变反应基于重氢氘(D)与超重氢氚(T)的聚变(D-T聚变)。然而，这种聚变反应的特征在于放射性辐射的不希望有的产生，其导致无害的非放射性材料的最初无辐射原子核的中子转化成放射性同位素(例如，在反应堆容器内)。
用于受控地生成核聚变能量的所有已知方法具有小于500的产量(每激光能量消耗产生的能量)，但有一个例外情况。Nuckolls和Wood在2002年[13]提出，如利用“快速点火”方案，纳秒长度的激光脉冲将产生约1000倍固态密度氘-氚(DT)等离子体，皮秒(ps)长度的激光脉冲作用于其上，从而产生5MeV电子能量的高强度相对电子束。当这种电子束作用于至少12倍固态密度的固体DT的体积时，在这个体积中生成聚变爆震波，其中根据理论估计在没有来自实验的其他数字数据或者已知的具体实施的情况下，产生比激光能量消耗的能量多上万倍的能量。
非常高能量产出的需要导致以下事实：利用使用激光运行的聚变发电厂中的脉冲操作，出于成本的原因，如果完全可能的话，每反应每秒生成的聚变能量高达千兆焦耳范围(GJ＝278kWh)或者更高。应注意，由核反应的脉冲造成的冲击效应比化学爆炸的冲击效应低约3000倍。在此方面，感兴趣的是利用高达100kJ能量的激光脉冲以及Nuckolls和Wood[13]系统中的ps持续时间获得聚变产量。这与具有低于500产量的所有其他激光聚变布置不同。
还特别感兴趣的是氢原子核(H、质子p)与硼同位素11的聚变反应，其被称为HB11反应。每个HB11反应产生具有8.9MeV能量增益的三个氦原子核(阿尔法粒子)。这种能量可转化成热或电能。HB11反应在高能量产量方面提供独特优势，从而避免D-T聚变的辐射问题和几乎用之不竭的原料的可利用率。并且，HB11反应生成的每单位所产生能量的放射性比煤的燃烧更少，所以放射性不是问题并且可被忽略。
激光核聚变与磁场的结合是熟知的，但现有的磁场低于100特斯拉，必然期望小于100的产量。激光对使用约ps持续时间或更少的激光脉冲的固态密度聚变燃料的影响被用于生成圆柱形反应区域，其中仅仅以所述低产量获得聚变。最初引入磁场的使用以便抑制圆柱径向损失，在ps之后，通过利于延伸的平面几何形状的非线性力点火超高加速的等离子体来引发聚变火焰的激光脉冲必须限于相互作用的有限范围(与Nuckolls-Wood过程相比)，并且几何形状在相互作用的截面下的圆柱形区域中延伸，从而避免径向损失。如所公开，这些横向损失可替代地通过使用球面几何形状而除去。在那种情况下，对于硼同位素11与轻氢在固态密度下的反应(HB11)，最多仅球体中的所有燃料能够提供能量，其中，如在其他情况下，产量受到限制并且需要艾瓦(EW)激光脉冲。
具体地说，已知通过聚变燃料的激光照射来引发HB11反应。在基于激光核聚变的情况下，提出了涉及针对聚变反应热点火的在非常高的热压下极快地加热目标的初始热过程。使用世界上最大功效的激光，诸如Livermore(美国，加利福利亚)，具有纳秒(ns)持续时间的激光脉冲实现接近突破利用DT的聚变反应堆的产量。
此外，除了热方法，已发现激光能量可直接转化成机械等离子体运动，从而避免复杂的加热过程、辐射、不稳定性以及电子到压力生成等离子体离子(块式点火)的热传输延迟。这种概念来自由Kelvin发现的有质动力(ponderomotiveforce)，通过所述有质动力，不带电主体可借助于电场而移动，并且其限定为基于生成高频电场的非线性力，其中必须借助于麦克斯韦的应力张量[3]来概括等离子体的光学性能。
基于激光-等离子体相互作用的测量，在应用于常规以及相对自聚焦和等离子体运动[1]的情况下，根据在照射材料时由激光生成的高温等离子体的光学特性引入非线性力。然而，已确定[2]为了点火氚和氘的聚变反应，在1皮秒(ps)的时间内每平方厘米将需要1亿焦耳的能通量密度，使用20世纪70年代期间可用于实际用途的激光源不可实现所述能通量密度。
1978年，等离子体流体动力模拟展示1.5ps持续时间的激光脉冲和那时的1018W/cm2实际强度如何能够将氘等离子体的20个波长厚层加速到109cm/s的速度[3]。这些是大于1020cm/s2的超高加速度，诸如在[2]中描述的点火过程所需的那些加速度。仅仅在引入用于生成超短激光脉冲的CPA方法(啁啾脉冲放大)[4]之后才可能通过实验证实这些超高加速度。从那时起，激光强度(没有自聚焦)增加了1千万倍。在ps激光脉冲或甚至更短的激光脉冲中，所测量的功率达到10PW(拍瓦)。在超短激光脉冲的情况下，利用频谱线的多普勒频移[5](其对应于理论模拟[3]、[6])直接可见地测量2×1020cm/s2范围中的等离子体块的加速度。总结这些结果[7]，发现当氢-硼(HB11)被用作替代D-T的聚变燃料时，激光点火的阈值大致相同。与利用ns激光脉冲实现的热压缩点火相比，那像是一个大惊喜并且仅因为ps激光脉冲(根据[4]，假设激光能量非热式直接转化为聚变)而成为可能。
针对HB11的这些计算仅考虑如针对D-T反应的计算中的双反应。然而，HB11反应在初始反应之后通过所得阿尔法粒子与硼原子核的弹性碰撞而产生次级反应，从而致使崩坍过程具有比D-T高得多的反应产量。此外，在根据Chu[2]的所提及过程中，预期在平面几何形状中的反应。然而，对于聚变反应堆，必须考虑横向损失。最简单的解决方案是使用球面几何形状。然而，如果使用了固态密度聚变燃料，那么发现对于DT和HB11两者，能量产量皆高达100，照射的激光脉冲的所需功率不在拍瓦的范围中而在高数千倍的艾瓦范围中[8]，其可使用当前高性能激光源来实现。在[8]中，提出了一种核聚变反应堆，其具有固态密度的激光驱动的等离子体块式点火或适度压缩的燃料的可忽略的放射性，其中反应的横向限制是通过使用磁场和/或具有高原子量的覆层实现。
对于利用ps-PW激光脉冲的核聚变的块式点火[4]来说，已知在1978年计算的由非线性力[3]实现的超高等离子体加速以精确一致性[6]由Sauerbrey[5]测量，并且用于引发聚变火焰[2]的那些以与用于D-T聚变的能通量密度相同的阈值而重现。对于HB11聚变[7]，仅对于如针对DT的双反应获得相同高能通量密度。发现具有高达近100特斯拉[8]的圆柱几何形状的经典磁场的使用不足以减少来自反应的横向损失。对于球面几何形状，即使当除了双反应之外，还包含雪崩式倍增([9]、[10])时，也发现针对使用至少艾瓦激光脉冲的HB11反应实现了仅约100的产量。
在[12]中，描述了基于激光的核聚变反应，其中以350特斯拉的磁场强度保持胶囊形式的聚变燃料。核聚变反应是热式的，其中使用了具有ns范围持续时间的激光脉冲。
发明目的
本发明的目标是提供用于通过核聚变生成电能的改善的方法，所述方法避免了常规方法的缺点和限制，并且其特征具体在于增加的能量产量和实践中简化的具体实施。本发明的另一个目标是提供改善的核聚变反应堆，其中可避免常规技术的缺点和限制，并且其特征具体在于简化的、实际可实施的结构。
发明内容
这些目标由具有独立权利要求的特征的用于生成电能的方法和核聚变反应堆实现。本发明的有利实施方案和使用由从属权利要求产生。
根据本发明的第一个广泛的方面，以上目标由用于借助于惰性核聚变(惰性约束聚变)生成电能的方法实现，其中优选地包括氢气和硼11的聚变燃料保持在圆柱形反应室的磁场内，并且核聚变反应通过使用聚变激光脉冲(也称为块式聚变激光脉冲)在聚变燃料中引发，脉冲持续时间小于10ps并且其功率大于1拍瓦。将在核聚变期间从所产生的原子核释放的能量转化成电能。根据本发明，磁场具有大于或等于1千特斯拉的场强。核聚变优选地对于用于引发聚变火焰的聚变激光脉冲的每激光能量产生大于500的能量产量，具体地说，大于1000。术语聚变火焰是指通过利用块式点火(如区别于热聚变爆震)的皮秒引发的聚变反应。
根据本发明的第二个总体方面，以上目标由以下各项实现：核聚变反应堆，其被配置成用于生成电能；以及磁场装置，其被配置用于保持聚变燃料并且用于在圆柱形反应室中生成磁场；聚变激光脉冲源，其被配置用于发射具有小于10ps的脉冲持续时间和大于1拍瓦的功率的聚变激光脉冲并且用于在聚变燃料中引发核聚变；以及能量转化装置，其被提供用于将在核聚变反应中从所产生的原子核释放的能量转化成发电厂电力。磁场装置优选地被配置来借助于电绝缘纤维(例如由石英制成)保持聚变燃料。根据本发明，磁场装置被配置用于生成具有大于或等于1kT的场强的磁场。
根据本发明，优选地使用具有等于或大于千特斯拉场强的磁场，所述磁场更优选地由激光控制的放电控制。有利的是，利用根据本发明使用的磁场，首先防止了来自利用连续反应的HB11的磁性圆柱形反应室的径向损失，使得实现了具体地说大于1000以及更大的高产量，其中ps激光脉冲具有至少10PW的特别优选的功率。发明人已经发现，磁场适用于可靠地适应核聚变点火期间的反应体积膨胀。
本发明的优点在于首先提供基于聚变的实际且经济可行的、实际上取之不尽且廉价的能源。根据本发明的核聚变反应堆是用于实际用途的聚变发电厂。本发明提供具有磁性引导的高效激光核聚变，其中通过施加极高磁场而以大于500的产量实现激光供能的核聚变。
有利的是，使用了先前只在一种情况下知道的大于1千特斯拉的超高磁场[11]，然而，当与用于生成比磁场高三十倍的常规方法相比时，代替以纳秒热驱动的聚变，使用了利用皮秒脉冲实现的非热块式点火。在与所有先前方法和配置的显著对比之下，这种方法允许实现能量产量，其导致经济运行的发电厂实现整体可忽略不计的核辐射。
根据本发明优选的实施方案，聚变燃料具有以下特征中的至少一个。根据第一变化，聚变燃料优选地具有当与未压缩的燃料相比时高达20倍压缩的固体密度，类似于根据Nuckolls等人[13]的“快速点火”的情况。根据另一变化，聚变燃料优选地由在化学计量方面高达15％轻氢偏差的11B同位素组成。根据另一变化，聚变燃料优选地由各自具有至少20％原子浓度的轻氢与硼的混合物组成。
根据本发明的另一有利实施方案，如果所生成的原子核的能量由静电场俘获，那么实现在能量产量方面的其他优点。聚变能量可直接转化成电能。优选地，所产生的阿尔法粒子的动能直接转化成电能。
为了生成静电场，反应室，更具体地说，用于形成反应室的磁场装置，优选地由能量转化装置包围，反应室相对于能量转化装置具有负高压。为了这个目的，反应室，具体地说，磁场装置，优选地连接到用于相对于能量转化装置生成负高压的高压源。特别优选地，负高压为至少1MV。
根据本发明的另一变化，如果能量转化装置处于接地电位，那么实现了关于核聚变反应堆的配置以及对其馈送聚变燃料的优点。能量转化装置优选地为在反应室(具体地说，磁场)周围呈球形的导电封闭体(外壳)的形式。有利的是，能量转化装置从而最佳地适于聚变几何形状。
特别优选地，能量转化装置与反应室之间提供有法拉第笼以用于屏蔽来自反应过程的静态高压场，从而阻止高压场到聚变反应体积的任何渗透。
具有大于或等于1千特斯拉的场强的磁场可由用于生成强磁场的任何可用方法来实现。根据本发明的特别优选的实施方案，磁场借助于电极中的放电电流与放电激光辐射的相互作用而生成，所述电极通过至少一个线圈(具体地说，单线圈绕组)耦合。核聚变反应堆的磁场装置优选地具有一对电极、两个线圈和磁场脉冲激光源，所述磁场脉冲激光源被提供用于利用放电激光辐射照射电极。优选地，磁场装置被配置来借助于电绝缘纤维、由石英制成的z.B.来将聚变燃料保持在磁场装置的线圈或其他支撑元件上。特别优选地，利用由S.Fujioka等人在[11]中描述的配置实施磁场装置。放电激光辐射优选地包括具有小于20ns的脉冲持续时间和大于100J的能量的激光脉冲(在下文中：磁场生成激光脉冲或磁场激光脉冲)。
有利的是，根据本发明的另一实施方案，磁场可通过设计用于生成磁场的包括彼此间隔的两个板的电极来增强，在所述两个板之间布置了磁场激光脉冲吸收材料，其形式适于所生成的等离子体的瑞利轮廓。所述材料特别优选地包括泡沫材料，诸如聚乙烯，并且选择了根据[3]的图10.17的电子密度的双瑞利轮廓。
根据本发明的另一特别有利的实施方案，块式点火由聚变激光脉冲引发。为了这个目的，聚变激光脉冲优选地具有小于5ps的持续时间和/或至少1拍瓦的功率。用于生成具有小于5ps持续时间的聚变激光脉冲的聚变脉冲激光源优选地包括与从大阪大学的激光工程研究所得知的10PW-ps激光组件相同类型的激光源。
聚变激光脉冲优选地具有至少106的对比率。为了实现这一点，推进脉冲特别优选地抑制在(主要)聚变激光脉冲到达聚变燃料之前小于5皮秒的时间。此外，当聚变激光脉冲具有到达聚变燃料之后每平方厘米至少1017瓦的强度时，形成触发聚变反应方面的益处。
根据本发明的另一有利实施方案，聚变燃料部分或全部由覆盖层囊封，尤其在激光等离子体相互作用侧上，覆盖层由具有大于100的原子量的材料制成。结果，有利地增加了用于在反应燃料中生成聚变火焰的脉冲传输。覆盖层优选地具有等于或小于5微米的厚度，和/或其可由气相沉积形成。
附图说明
本发明的其他细节和优点将参考附图在下文详细解释。示出为：
图1：本发明的核聚变反应堆的一个实施方案的示意图；
图2：利用磁场脉冲和聚变激光脉冲的磁场装置的照射的示意图；以及
图3：本发明的核聚变反应堆的一个实施方案的其他细节。
具体实施方式
主要参考用于保持聚变燃料的磁场的生成和能量转化装置的设计在下文描述了本发明的优选实施方案的特征。未描述具体用于准备并传递聚变燃料、用于控制聚变反应堆、用于保护环境免受热效应和/或电场影响的本发明的细节(诸如激光脉冲源、HB11反应的物理原理、聚变反应堆到发电厂的其他部件的连接的细节)，因为取决于本发明使用的具体条件，本领域技术人员可基于他/她已知的聚变和等离子体物理以及常规发电厂工程知识认识到这些细节。作为实例参考具有单个反应室的聚变反应堆。然而，本发明不限于这种设计。相反，聚变反应堆可配置有多个反应室，每个具有用于保持聚变燃料的磁场装置。反应堆可以按顺序交替运行，从而允许连续地或者伪连续地生成电力。
图1示出本发明的核聚变反应堆100的一个实施方案的示意图，其包括用于在圆柱形反应室2中利用磁场保持聚变燃料1的磁场装置10、用于发射磁场激光脉冲3(或者：磁场生成激光脉冲)的磁场脉冲激光源20、用于发射聚变激光脉冲4(或者：块式聚变激光脉冲)的聚变脉冲激光源30以及用于转化在核聚变期间从所产生的原子核释放的能量的能量转化装置40。
在反应室2中用于生成具有例如4.5kT强度的磁场的磁场装置10包括两个由例如镍制成的平行金属板11、12，并且具有例如2mm的厚度以及例如3cm的特征展开度。金属板11、12通过导电体连接到彼此，所述导电体形成线圈的两个绕组13。金属板11中的一个具有开口14，通过所述开口14，磁场激光脉冲3被照射例如1ns至2ns的持续时间以及例如10kJ的能量。由磁场激光脉冲3产生的等离子体利用磁场在绕组13中生成电流涌流，所述磁场具有若干立方厘米的体积和若干纳秒的持续时间。
开口14是图1中的上部金属板11中的圆形开口。开口14的直径以及任选地还有几何形状是基于磁场激光脉冲3的性质(具体地说强度、直径和轮廓)来选择。例如，开口14的直径是5mm。除了圆形之外，还可提供椭圆形。可从最大化磁场以最大化聚变产量的角度来优化开口14。
面向开口14的第二金属板12可提供有吸收层，其可用来减少磁场激光脉冲3的光反射并且增加由金属板11形成的电容器的介电性质。吸收层(未示出)优选地设置在金属板12的整个表面上方，并且更优选地由泡沫材料(例如聚乙烯)制成。选择泡沫材料以使得在激光照射之后，电子密度分布形成为双瑞利轮廓。
磁场激光脉冲3由示意性示出的磁场脉冲激光源20生成，所述磁场脉冲激光源20包含例如用于引导磁场激光脉冲3朝向磁场装置10的Nd-YAG激光和其他光学部件(未示出)。磁场激光脉冲3的持续时间可任选地通过使用具有100ps的脉冲长度的碘激光器和/或在CPA功率增加之后的更短的激光脉冲而缩短纳秒范围的时间。可由此有利地增强由磁场装置10生成的磁场。
聚变脉冲激光源30被配置来生成具有小于5ps的持续时间和超过1019W/cm2的强度的聚变激光脉冲4。在聚变激光脉冲4到达聚变燃料1之前的小于5ps的持续时间内，聚变激光脉冲4优选地具有至少106的对比率。此外，聚变激光脉冲4优选地具有跨过束流截面的小于5％波动的强度分布，束流截面的外部5％较宽区域除外。从而有利地优化聚变燃料1中的聚变反应的块式点火。例如通过具有光纤束放大器的聚变脉冲激光源30实现这一强度分布，每个单独的光纤具有单模式发射。聚变脉冲激光源30还含有用于生成ps激光脉冲的脉冲激光，诸如固态脉冲激光。
磁场脉冲激光源20和聚变脉冲激光源30耦合到控制单元50。控制单元50被配置成使得磁场激光脉冲3与聚变聚光脉冲4彼此同步。在反应室2中，就在每个聚变激光脉冲4到达聚变燃料1之前生成最大的磁场。
例如，聚变燃料1是基于HB11的固态圆柱体并且具有1cm的长度和0.2mm的直径。聚变燃料1的表面具有在激光相互作用表面上方的覆盖层，其具有三个激光真空波长的厚度。顶部覆盖层由具有大于100的原子量的元素(例如，银)组成。覆盖层改善脉冲传输以用于在聚变燃料1中生成聚变火焰。聚变燃料1借助于石英纤维保持在磁场装置中。
能量转化装置40大体上包括导电部件(由图1中的虚线示意性指示；也可参见图3)，其在各个侧面围绕磁场装置10。磁场装置10被支撑在能量转化装置40的内部(图1中未示出支撑；例如参见图3中的支撑杆44)。能量转化装置40优选地连接到接地电位，同时负高压(例如-1.4MV)借助于电压源施加到磁场装置10。能量转化装置40被配置来俘获在聚变燃料1的聚变反应期间释放的高能量He原子核(阿尔法粒子)，并且借助于高压直流输电(HVDC)[16]转化成放电电流。所述放电电流供应在聚变反应中释放的能量所转化成的电能。
在图2中还示出磁场激光脉冲3和聚变激光脉冲4到达由磁场装置10形成的反应单元处。如上文参考图1所述而配置磁场装置10。例如，磁场生成激光脉冲3生成具有10kT场强的磁场。聚变材料1放置在(并且由石英纤维保持在适当的位置)反应室2的轴1内，所述轴1与磁场的轴相同，并且通过在纳秒范围内的时间的磁场起作用。在生成磁场的周期期间，借助于聚变激光脉冲4在聚变燃料1中生成块式点火。例如，聚变激光脉冲4具有30kJ的能量(相当于30PW功率)，以使得核聚变的产物(氦原子核)具有约1GJ的能量输出。在低热损失的情况下，通过能量转化装置40将这种能量以静电方式转化成电功率(1GJ相当于约280kWh)。这有利地使得聚变反应堆100能够经济地提供高电流，即使在每秒一次反应的低反应率下也是如此。聚变反应通过聚变产物的作用破坏磁场装置10，以使得对于随后的聚变反应，必须供应负载有聚变燃料的另一个磁场装置10。
与图1和图2中的图相比，磁场生成激光脉冲3的入射方向可在由入射的垂直方向所跨过的平面中的垂直入射与磁场的法向平面之间旋转高达80°的角度，其中在定向成平行于线圈13的平面中发生旋转。
图3中示出了根据本发明的核聚变反应堆100的实施方案的其他细节。在本发明的这个实施方案中，能量转化装置40包括导电球体，在所述导电球体的中心布置了图1和图2的磁场装置10。例如，能量转化装置40由具有10mm的厚度和至少1m的直径的不锈钢制成。反应堆的球形外部容器必须足够大，并且其壁必须足够厚以耐受聚变反应的机械冲击。这导致机械压力相当于核反应的能量的平方根除以化学反应中产生的能量(其是约3000的因数)的优点。由所生成的全部阿尔法粒子的脉冲传递的对球体壁的冲击由此等于约5克TNT的爆炸。
在本发明的实际实施方案中，聚变反应堆100的所有部件形成有圆形表面，其没有拐角和边缘。从而有利地避免了电子的场致发射和无光放电的形成。整个组件位于由真空泵(未示出)生成的高真空下。
能量转化装置40的球形表面具有多个窗口，其包括用于在磁场激光脉冲3中照射的第一窗口41，用于在聚变激光脉冲4中照射的第二窗口42以及用于利用磁场装置10和聚变燃料1负载能量转化装置40的第三窗口43。由于能量转化装置40的内部被排空，因此第一窗口41和第二窗口42是由密闭的透明窗格(例如，玻璃)形成。第三窗口43是打开的，并且经耦合而密闭地连接到相邻容器，并且用于供应并支撑中心磁场装置10(反应单元)。这提供在杆状的燃料载体44上，所述燃料载体44在能量转化装置40的外部负载有聚变燃料1，并且插入并定位在球体的中心，具体地说，自由地浮动。燃料载体44和磁场装置10相对于接地电位下的能量转化装置40处于-1.4MV的电位。燃料载体44处于例如具有能量转化装置40的至少一半直径的长度的杆的形式。
在能量转化装置40的内部，提供了球形或其他形状(例如，不规则形状)的法拉第笼45，其围封磁场装置10。法拉第笼45(例如，成网孔或网格形式)被设计以防止静态高电流场影响磁场装置生成磁场所涉及的过程。能量转化装置40通过法拉第笼45在所有侧面上被屏蔽。磁场装置10以及聚变燃料1处于1.4MV电位处的燃料载体44来自相邻的容器，其电绝缘地位于与球形能量转化装置40的内部相同的真空中，以使得在每次反应之后，额外反应堆单元被带进相同电位下的能量转化装置40的中心。通过气闸提供了用于负载反应单元的进入内部的通道。
在持续运行期间，负载有聚变燃料1的磁场装置10被重复连续地引入到能量转化装置40中，暴露于用于生成磁场的磁场生成激光脉冲，并且在磁场生成期间暴露于用于块式聚变的块式聚变激光脉冲，并且然后由负载有聚变燃料1的新磁场装置10代替。
每次聚变反应所生成的相同能量的双倍电荷阿尔法粒子(氦原子核)通过法拉第笼45的网孔到达球形能量转化装置40，并且将它们的动能释放到能量转化装置40。在-1.4MV的电位下，阿尔法粒子的能量是可用的，并且在电荷-1.4MV下，借助于根据[16]所知的高压直流传输技术将所述能量供应为几秒长的714安培的放电电流。以已知方式(如HVDC技术[16])将高压直流电转化成常规的三相位交流电。
在聚变过程中生成的所有阿尔法粒子的为2.9MeV的相同能量通过二次雪崩反应而被加宽到较高和较低能量两者的能谱，从而有利地增加了能量转化的能量产量几个百分比。
然后可在仅几秒内完成用于在-140万伏特的电位下的随后反应的再填充，其中激光脉冲朝向图2的中心反应单元的调整被固定就绪。在将其引入反应堆球体(能量转化装置40)之前，可移除来自先前反应的残余物。包含HB11聚变燃料的每个新单元的成本可保持为所生成电能的杂项成本的一小部分。
在前面的描述、附图和权利要求书中公开的本发明的特征以单独地、组合或子组合的方式被认为对执行本发明的各种实施方案是至关重要的。

Claims (12)

1.一种被配置用于生成电能的核聚变反应堆，其包括磁场装置(10)，其被配置来保持聚变燃料(1)并且在圆柱形反应室(2)中生成磁场，以及聚变脉冲激光源(30)，其被配置来通过生成聚变火焰来在所述聚变燃料(1)中引发核聚变反应，其中能量转化装置(40)被提供用于将在所述核聚变期间从所产生的原子核释放的能量转化成发电厂电力，其特征在于，所述磁场装置(10)被配置用于生成处于大于或等于1kT的场强下的所述磁场，并且所述聚变脉冲激光源被配置成用于通过发射聚变激光脉冲(4)以生成所述聚变火焰来引发所述核聚变反应，所述聚变激光脉冲具有小于10ps的脉冲持续时间和大于1拍瓦的功率。
2.根据权利要求1所述的核聚变反应堆，其中具有所述反应室(2)的所述磁场装置(10)由所述能量转化装置(40)包围，其中所述磁场装置(10)连接到电压源(15)以用于生成相对于所述能量转化装置(40)的负高压。
3.根据权利要求2所述的核聚变反应堆，其中所述能量转化装置(40)处于接地电位。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的核聚变反应堆，其中所述能量转化装置(40)形成用于所述磁场装置(10)的球形导电封闭体。
5.根据权利要求2所述的核聚变反应堆，其中在所述能量转化装置(40)与所述反应室(2)之间，提供法拉第笼以用于屏蔽来自反应过程的静态高压场。
6.根据权利要求2所述的核聚变反应堆，其中所述电压源被配置用于生成至少1MV量的所述负高压。
7.根据权利要求1所述的核聚变反应堆，其中所述磁场装置(10)包括耦合到线圈(13)的一对电极(11、12)，以及磁场脉冲激光源(20)，其被定位成用于利用磁场激光脉冲(3)照射所述电极，其中所述磁场可借助于与所述磁场激光脉冲(3)相互作用而由所述电极(11、12)和线圈(13)中的放电电流生成。
8.根据权利要求7所述的核聚变反应堆，其中所述磁场脉冲激光源(20)被配置用于以具有小于20ns的脉冲持续时间和大于100J的能量的激光脉冲形式生成所述磁场激光脉冲(3)。
9.根据权利要求7或8所述的核聚变反应堆，其中所述磁场脉冲激光源(20)被定位成使得所述磁场激光脉冲(3)具有相对于磁场生成组件的入射方向，其中所述入射方向从定向为平行于所述线圈(13)的平面内的垂线偏离高达80°。
10.根据权利要求7所述的核聚变反应堆，其中所述磁场装置(10)的所述电极包括彼此间隔的两个板(11、12)，在所述两个板之间以适于所生成的等离子体的瑞利轮廓的形状布置场强化材料。
11.根据权利要求7所述的核聚变反应堆，其中所述聚变脉冲激光源(30)被配置用于生成所述聚变激光脉冲(4)，所述聚变激光脉冲(4)的持续时间小于5ps。
12.根据权利要求7所述的核聚变反应堆，其中所述聚变脉冲激光源(30)被定位成使得所述聚变激光脉冲(4)具有至少106的对比率，和/或所述聚变激光脉冲(4)具有每平方厘米至少1017瓦的强度。
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