CN1075026A - 产生磁压缩-惯性约束核聚变的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明是产生磁压缩-惯性约束核聚变的方法 及其设备，涉及核聚变能制造技术。该方法是在氘氚 液体放电中，用磁场、磁压强及箍缩效应实现磁压缩 核聚变，再由磁压缩核聚变提供极高功率密度点燃放 电通道外的核聚变燃料，实现高增益的惯性约束热核 聚变自持反应。设备包括冲击电压发生器，脉冲成型 线，两个电极，液体核聚变燃料，进行液体放电。设备 在电极间的放电通道表面产生磁压缩核聚变所需的 磁场和磁压强。本发明用于制造核聚变能。

Description

本发明涉及核聚变能制造技术。

1952年，实现了用原子弹引爆的氢弹爆炸，即非可控的惯性约束热核聚变。从那时以来，人们一直探索用磁约束和惯性约束的途径来实现受控热核聚变。

磁约束热核聚变途径依靠欧姆电流加热或中性束注入与各种射频波加热。其高温高压等离子体的粒子受到磁场所施的洛仑兹力的作用而绕力线回旋，从而受到约束，使之与容器壁分隔开来。1991年11月9日，在欧州JET联合环形托卡马克装置上进行了两次成功的充氘和氚的放电，得到了每秒6.3×10¹⁷的最高中子产额，相应的聚变功率约为1.8兆瓦，2秒钟放电时间内总的聚变能量达到2.2兆焦，有效能量与消耗能量之比（Q）为0.15的最好结果。（参见《世界科学》，上海科学学研究所等主办，1992年第4期第5页）。

惯性约束聚变途径则依靠激光束、电子束或离子束等加热氘氚靶丸，利用粒子的惯性，在未严重飞散之前（以声速）的短暂时间（10^-10-10^-11秒）能进行适度的热核燃烧。惯性约束聚变需要相当高的液态密度压缩倍数（1000倍以上）和超高压（10¹⁷帕）。激光爆聚的实验结果已分别取得了将氘氚压缩至液态密度100倍（离子温度约500eV，压力约10¹⁵帕）与经氘氚热核反应产生的中子数最高达4×10¹⁰个（离子温度约10KeV）的总体结果。

在实验室里可用一束氘核（250KeV以上）去轰击固体氘靶或氚靶而发生聚变反应。由于靶中的电子与氘核或氚核没有分离，高能定向氘束与靶中电子的碰撞截面远大于核反应截面，致使氘束迅速慢化，发生的核反应很少，不可能成为有用的能源。（以上其它参考资料见《中国大百科全书·物理学》第138-141、441-443、969-973页）

由于等离子体极难被加热和约束，在磁约束和惯性约束核聚变的研究中，还存在着一系列的工程技术问题，诸如：等离子体诊断技术，波加热与中性束注入加热技术，射束技术，超导技术，第一壁材料抉择，氘处理工艺，增殖包层设计，靶丸设计和远距离控制等等。因此，现有的各种磁约束和惯性约束核聚变装置离“得失相当”的点火条件仍有相当的距离。

本发明的目的是提供一种产生核聚变能的方法，并为使用该方法设计了专门的设备。

本发明产生核聚变能的方法是：在液体放电中，由放电通道表面产生的磁场和磁压强压缩放电通道内的核聚变燃料（液氘、氘氚液体等），使核聚变燃料达到1000倍以上的液态密度压缩，首先实现高密度的磁压缩核聚变，再由磁压缩核聚变产生的高能α粒子以极高的功率密度点燃放电通道外的核聚变燃料，实现惯性约束的热核聚变自持反应。实现磁压缩-惯性约束核聚变的充分必要条件是磁压缩核聚变产生的功率密度必须大于或等于惯性约束热核聚变自持反应损失的功率密度。

为了使用上述方法，本发明设计了专门的设备，包括：冲击电压发生器，脉冲成形线，两个电极，液体核聚变燃料（液氘、氘氚液体等）。冲击电压发生器经脉冲成形线整形后输出的高压脉冲电流通过导线连接到浸于液体核聚变燃料中的两个电极，进行液体放电。液体放电时，在电极间的放电通道表面将产生脉冲磁场和磁压强。在一定的放电电流条件下，只要选择适当的放电通道半径（由电极的截面半径决定），在放电通道表面就能够产生满足磁压缩核聚变所需要的磁场和磁压强。

下面是本发明的设计依据和原理。因为D-D核反应需要满足的条件高于D-T核反应，所以只要能满足D-D核反应的条件，就能够满足D-T核反应的条件。以下着重说明本发明如何满足D-D核反应的条件。

液体放电时，在电极间的放电通道的周围将产生脉冲磁场。根据毕-萨-拉定律，放电通道表面产生的磁感应强度B为：

B= (μ_oI)/(2πR) （特斯拉） （1）

上式中μ₀为真空磁导率，I为放电通道中流过的电流，R为放电通道的半径。放电通道的初始半径由电极的截面半径所决定。

由B产生的从放电通道表面指向放电通道轴方向的磁压强P为：

P= (B²)/(2μ_O) （帕） （2）

于是有：

P= (μ_OI²)/(8π²R²) （帕） （3）

放电电压V加到电极的两端，形成电场。氘、氚离子和电子在电场中作加速运动，获得动能1/2mv²＝eV。电场力

＝e

和磁场力

＝ev

互相垂直。本发明使用的磁场力可比电场力大100倍以上（详见实施例），根据洛仑兹力公式

＝e

+ev

，放电通道外层的带电粒子将以接近90°角折向轴方向运动，使放电通道的半径缩小。放电通道半径的缩小，又增大了磁感应强度B，使放电通道的半径更为缩小。这就形成了箍缩效应，使放电通道内的核聚变燃料受到了径向压缩。当放电通道的半径缩小到原来的 $\sqrt{\mathrm{1000}}$ 分之一时，就能使放电通道内的核聚变燃料获得1000倍以上的液态密度压缩。由于电子的速度大于原子核的速度，电子比原子核更快地趋于轴心，造成电子和原子核的分离。电子集中分布于轴心，原子核成为裸核，集中分布于放电通道轴心以外的地方。因为原子核不会被电子所屏蔽，所以可以不考虑电子和原子核的碰撞。这是实现磁压缩核聚变的一个相当有利的条件，也是磁压缩核聚变不需要高温的主要原因之一。

放电通道外层的氘、氚核以接近90°角折向轴方向运动，就有机会与放电通道内层的氘、氚核碰撞。用反应截面σ表征核聚变的几率，每个射来的核在单位时间内发生反应的次数为nσv，n为靶中原子核的数密度，v为相对速度。在磁压缩核聚变中，脉冲电流的脉冲宽度为t，则燃耗为nσvt。在后面的实施例中还要说明，在磁压缩核聚变中，由放电通道外层折向轴心运动的每个氘核或氚核发生D-D或D-T核反应的次数等于或大于一次，也就是说，燃耗几乎等于100%，即放电通道内的核聚变燃料能够几乎全部发生D-D或D-T核聚变反应。

磁压缩核聚变发生后，产生了大量的α粒子，这些α粒子沿径向冲出磁场，把能量迅速传给了放电通道外的核聚变燃料。D-D核反应产生的聚变功率密度为：

P_DD＝3.35×10^-13n² _D＜σv＞_DD（瓦/米³） （4）

这里<>表示按粒子速度分布取平均。

由电子碰撞离子变速而产生的轫致辐射功率密度（瓦/米³）为：

P_ei=5.35×10^-37 $P_{\mathrm{ei}}=5.35\&times;{10}^{-37}\sqrt{\mathrm{Te}}{n}_e\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}\left(Z_j^2{n}_j\right)---\left(5\right)$

其中T_e为电子的温度，以Kev计，j指不同原子序数Z的各种离子。

由于氘氚液体可以做得很纯，杂质离子的辐射损失很小，又由于放电通道内的核聚变燃料受到了高密度的压缩，而放电通道外的核聚变燃料没有受到压缩，形成相当大的密度差，造成P_DD远远大于P_ei。这是实现本发明的又一个极为有利的条件。在后面的实施例中还要说明，磁压缩核聚变提供的功率密度大大超过D-D热核聚变自持反应损失的轫致辐射功率密度，所以由磁压缩核聚变提供的极高功率密度能够点燃放电通道外的核聚变燃料，实现高增益的惯性约束热核聚变自持反应。

本发明应用新的带电粒子加速技术，使用了超强磁场、超高磁压强、极高功率密度等极端技术，综合采用了实验室法、磁约束和惯性约束方案的优点，因而具有以下一些特点：

1、本发明中，磁压缩核聚变是在低温和原子核与电子得到完全分离的条件下，依靠磁场和原子核的动能进行核反应的过程，这对传统观念是一个重大的突破。用磁压缩核聚变提供的极高功率密度点燃惯性约束热核聚变，类似用原子弹引爆氢弹，磁压缩核聚变的作用相当于原子弹的引爆作用。众所周知，核聚变释放的能量大于核裂变释放的能量，所以磁压缩核聚变提供的极高功率密度能够点燃惯性约束热核聚变自持反应。

2、高效率。本发明采用电场来加速氘，氚核，并用带电粒子在运动过程中产生的自身磁场及箍缩效应自行压缩氘氚核。在磁压缩核聚变过程中，电能直接转换为氘、氚核的功能，能量转换效率可达30%以上。磁压缩核聚变的燃耗接近100%，其中的氘氚核经核反应还能获得一倍以上的能量增益，并且产生极高的功率密度，目前的磁约束或惯性约束核聚变方案还达不到这样高的能量转换效率。

3、结构简单，造价低廉。本发明使用的磁感应强度可达10⁴特斯拉以上，使用的磁压强可达10¹⁷帕以上。磁压强具有良好的轴对称压缩特性，因而能对核聚变燃料进行有效的压缩，并且不存在惯性约束方案中复杂的靶丸设计问题。目前的磁约束方案使用的磁感应强度小于10特斯拉，只能依靠各种磁场位形成约束等离子体，结果使磁约束装置的结构越来越复杂，造价越来越昂贵。

4、容易控制，本发明可以方便地用控制液体核聚变燃料的容量来控制每次核聚变反应的规模，盛放氘氚液体不需要特殊的容器。氘氚液体容易提纯，大大减少了杂质离子的影响，浸于液体核聚变燃料中的电极可以通过导线连接到相当长距离外的冲击电压发生器，脉冲成形线等设备上，便于进行较远距离的控制。冲击电压发生器，脉冲成形线等主要设备可以多次重复使用，使产生每次核聚变反应的成本相当低。

5、本发明所用的主要设备都是现有技术，存在的技术困难很小。本发明不存在困扰磁约束装置的相当高的第一壁中子通量密度，等离子体不稳定性以及危及托卡马克堆生存的破裂不稳定性等难题。

附图是本发明为使用磁压缩-惯性约束核聚变方法而设计的专用设备的电路和结构示意图。以下结合附图对这个专用设备的结构和各部份的作用作详细的描述。

（1）是冲击电压发生器，也称脉冲倍压发生器。由多个电容器并联充电再串联起来放电。必须尽可能减少电容器上的电感，以提高脉冲性能。

（2）是脉冲成形线，其作用是提高脉冲性能，形成数十纳秒级的脉冲电流。由冲击电压发生器经脉冲成形线输出的高压脉冲电流，其输出功率可达3×10¹³W，放电电压600万伏，相当于电流强度500万安培，脉冲宽度24纳秒。（参见《中国大百科全书·物理学》第792-793，854-855页）。

（3）是电极。可采用直径为微米或亚微米的电子束或离子束导线加工技术。两个电极布置在一直线的两端，彼此相隔一段距离。电极截面的半径决定了放电通道的初始半径。在保证电流强度不变的情况下，两个电极的距离应尽可能大一些。

（4）是氘氚液体、液氘等液体核聚变燃料。

（5）是盛放氘氚液体、液氘等的容器。

下面通过三个实施例对本发明作进一步的阐述：

实施例1：

设备的主要参数为：V＝6×10⁶伏，I＝5×10⁶安培，t＝2.4×10^-8秒，R＝2.5×10^-5米，电极间的距离L＝0.01米。每个电极的长度大于2R。核聚变燃料为液氘。

放电时，氘核获得动能：

1/2mv²＝6MeV

氘核平均速度：

<V>＝10⁷米/秒

电极间的电场强度：

E= (V)/(L) = (6×10⁶)/0.01 =6×10⁸伏／米

放电通道表面的磁感应强度：

B= (μ_OI)/(2πR) = (4π×10^-7×5×10⁶)/(2π×2.5×10^-5) =4×10⁴特斯拉

放电通道表面的初始磁压强：

P= (B²)/(2μ_O) = (4²×10^4×2)/(2×4π×10^-7) =6.37×10¹⁴帕

磁场力和电场力之比：

(evB)/(eE) = (10⁷×4×10⁴)/(6×10⁸) =667

根据洛仑兹力公式，放电通道外层的带电粒子将以接近90°角折向轴方向运动，并产生箍缩效应。由放电通道表面的氘核到达轴心的时间 (R)/(<V>) ＝2.5×10^-12秒＜＜t，可知放电通道内的粒子数密度能够达到1000倍以上液态密度的压缩。

当n＝10³¹个/米³，σ＝10^-30米²时，放电通道内磁压缩核聚变反应的燃耗为：

nσvt＝10³¹×10^-30×10⁷×2.4×10^-8＝2.4＞1

上式表明，在磁压缩核聚变中，放电通道内的核聚变燃料能够几乎全部发生D-D核聚变反应。

本例中，磁压缩D-D核反应产生的聚变功率密度为：

P_DD＝3.35×10^-13n 2_D〈σv〉_DD

＝3.35×10^-13×10^31×2×10^-30×10⁷

＝3.35×10²⁶瓦/米³

放电通道外的液氘不受压缩，n_e＝n_i＝10²⁸个/米³，当Te＝Ti＝100KeV时，忽略杂质离子的影响，由式（5）：

$P_{\mathrm{ei}}=5.35\&times;{10}^{-37}\sqrt{\mathrm{Te}}{n}_e\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}\left({Z^2}_j{n}_j\right)$

=5.35×10^-37 $\sqrt{\mathrm{100}}$ ×10^28×2

=5.35×10²⁰瓦／米3

可见本例中的P_DD远大于P_ei，所以由磁压缩核聚变提供的极高功率密度能够点燃放电通道外的核聚变燃料，实现高增益的惯性约束热核聚变自持反应。

这个方案的优点是有较多的核聚变燃料参与磁压缩的核聚变，电极较为容易制造。

实施例2：

设备的主要参数为：V＝6×10⁶伏，I＝10⁵安培，t＝10⁶秒，R＝0.5×10^-6米，L＝0.01米。每个电极的长度大于2R。电极用电子束或离子束导线加工技术制造，用液氘作核聚变燃料。本例中各项参数的计算方法和指标同实施例1。

这个方案的优点是能使用较低的放电电流，可以省去脉冲成形线。

实施例3：

设备的主要参数为：V＝6×10⁶伏，I＝5×10⁶安培，t＝2.4×10^-8秒，R＝0.5×10^-6米，L＝0.01米。每个电极的长度大于2R。电极的制造方法同实施例2。用液氘作核聚变燃料。本例中各项参数的计算方法同实施例1。

由式（3），本例中放电通道表面产生的初始磁压强可达1.59×10¹⁸帕。

这个方案的优点是保证有足够的磁压强来实现磁压缩核聚变，保证本发明顺利实施。

Claims (1)

1. 一种产生核聚变能的方法，该方法是在液体放电中，由放电通道表面产生的磁场和磁压强压缩放电通道内的核聚变燃料(液氘、氘氚液体等)，使核聚变燃料达到1000倍以上的液态密度压缩，实现高密度的磁压缩核聚变，再由磁压缩核聚变产生的高能粒子以极高的功率密度点燃放电通道外的核聚变燃料，实现惯性约束的热核聚变自持反应，其特征是磁压缩核聚变产生的功率密度大于或等于惯性约束热核聚变自持反应损失的功度密度。

   一种为使用上述方法而专门设计的设备，该设备包括冲击电压发生器，脉冲成形线，两个电极，液体核聚变燃料(液氘、氘氚液体等)进行液体放电，其特征是电极间的放电通道表面能够产生满足磁压缩核聚变所需要的磁场和磁压强。