CN1229255A - 一种球形磁约束核聚变反应堆主体设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由球形超导磁体系统(1)、真空球壁(2)、能量提取系统(3)、氚增殖层(4)、中子反射层(5)、绝热层(6)、屏蔽层(7)构成的球形磁约束核聚变反应堆主体设备。它的特殊球形磁场具有强磁场约束、强绝热压缩加热、能量反射集中的优点,单靠欧姆加热即可实现氘－氚聚变反应;增强磁场强度和辅助加热后,可实现氘－氘聚变反应。它还具有造价低、运行可靠、维修方便的优点,是一种实用的、能投入商业运营的受控核聚变装置,用于发电、供热和提供动力。

Description

一种球形磁约束核聚变反应堆主体设备

本发明涉及一种由球形超导磁体系统、真空球壁、能量提取系统、氚增殖层、中子反射层、绝热层、屏蔽层构成的球形磁约束核聚变反应堆主体设备。

受控核聚变反应所用的燃料是氘，1升海水中所含的氘在聚变反应时释放的能量相当于300升汽油完全燃烧时产生的能量，地球上海水中的氘经聚变反应释放的能量，可供人类使用一千亿年，是一种“取之不尽、用之不竭”的、成本低、清洁无污染的能源。

当今世界上受控核聚变研究有两种途径：磁约束核聚变和惯性约束聚变。在磁约束核聚变研究中以“托卡马克核聚变装置”为主流，但由于“托卡马克装置”的磁场位形不是约束堆芯高温等离子体的最佳磁场位形，其磁场不能有效约束高温等离子体(本文中简称“等离子体”)，所以世界各国在花大力研究四十年后，“托卡马克装置”仍存在以下几个问题：(1)D-T等离子体在大的聚变参数  nioTioτE条件下的约束问题。(2)堆芯等离子体聚变反应产生的高能α粒子组分引起的集体不稳定性。(3)稳态运行时，等离子体粒子对偏滤器板的溅射和腐蚀问题，以及等离子体破裂不稳定性出现时，大量等离子体能量倾泄在偏滤器板上造成偏滤器板的毁坏问题。(4)破裂不稳定性的控制。而且当今的“托卡马克核聚变装置”设备庞大，造价高，只能进行脉冲式运行，要建成实用的托卡马克核聚变反应堆还有很漫长的路要走。惯性约束核聚变研究的激光聚变为主，但它需有巨大而复杂的激光系统，耗资巨大，设备易损坏，目前也只停留在脉冲运行阶段，为了实现有实用意义的激光核聚变堆，还要解决一系列科学和技术问题，科学家们仍需长期艰苦努力。

本发明的目的是提供一种球形磁约束核聚变反应堆的主体设备，它克服了托卡马克核聚变装置的所有缺点，是一种实用的、能够投入商业运营的磁约束核聚变反应堆的主体设备，能用于发电、供热和提供动力。

宇宙中最完美的受控核聚变系统是太阳等恒星，受控因素：恒星引力对等离子体的约束力，聚变燃料氢的反应速率低。这些恒星的引力能将等离子体约束在一起，产生核聚变反应。本发明就是模仿太阳的核聚变方式，它的球形超导磁体的强磁场产生的向心压缩约束力相当于太阳的向心引力，能将球心的氘氚等离子体压缩成一个高温、高密度的球体。本发明的特殊强磁场对球心等离子体的约束力比太阳引力对相同体积的等离子体的约束力大得多，而且比“托卡马克核聚变装置”的环形磁场对相同体积、密度的等离子体的约束力大32倍。本发明球心的球形氘氚等离子体就象一个超小型的太阳，并通过不断注入聚变燃料氘氚或氘(相当于太阳的受控因素：聚变燃料氢的反应速率低)，在球心持续产生核聚变反应。

一种球形磁约束核聚变反应堆主体设备，它是由球形超导磁体系统(1)、真空球壁(2)、能量提取系统(3)、氚增殖层(4)、中子反射层(5)、绝热层(6)、屏蔽层(7)构成。球形超导磁体系统(1)位于该装置的最外层，由线圈(8)、杜瓦(9)、轭铁(10)三部分组成，线圈绕线方式有两种：(1)、用多个环向线圈(12)套装在球体(11)外，环向线圈(12)内的超导电缆(13)平行排列，每个环向线圈(12)之间的排列成一定角度，形成强约束力的剪切磁场。(2)以球心的线圈绕线的中心点，用超导电缆(14)沿着球体(11)的最大直径进行绕线。杜瓦(9)是一种球形多层薄壁容器，内层为双相氦(15)，往外依次为液氦(16)，真空室(17)及热绝缘材料(18)，球壁状的轭铁(10)位于最外层。超导磁体系统的低温剂还可采用液氮。真空球壁(2)是面对球心等离子体(19)的最内层壁，真空球壁(2)外是能量提取系统(3)，是由第二层球壁(20)与真空球壁(2)构成一个可注入冷却剂的冷却容器(21)，真空球壁(2)与第二层球壁(20)之间有固定肋条(22)作支撑，并将冷却容器(21)分割成多个互通的舱室(23)使冷却剂能流经每个舱室，冷却容器(21)与冷却剂注入管(24)、冷却剂输出管(25)相通。第二层球壁(20)外是球壁状的氚增殖层(4)，以锂、铍为氚增殖材料，氚增殖层(4)外面是用高纯度石墨制成的球壁状中子反射层(5)，中子反射层(5)外面是用隔热材料制成的球壁状绝热层(6)，绝热层(6)外面是球壁状的屏蔽层(7)和超导磁体系统(1)。

本发明与“托卡马克核聚变装置”相比，具有以下优点：

(1)本发明的球形强磁场对球心等离子体的约束力比“托卡马克装置”的环形磁场对相同体积、密度的等离子体的约束力大32倍。本发明将磁场的压缩约束力集中于球心的一点上，而“托卡马克装置”的磁场作用力却相对很分散，因为它需要约束一个环形大面积的等离子体。在相同体积、密度的两个等离子体中，球形等离子体比环形等离子体的表面积要小得多。

(2)这种球形特殊磁场具有很强的绝热压缩加热作用，能将等离子体压缩到极高密度(与托卡马克装置相比)，同时起到加热等离子体的作用。

(3)本发明的球形结构将大部分中子和未提取的热能反射回球体中心点即等离子体中，这很利于球心等离子体的维持氘氚或氘氘聚变的高温，使反应堆能持续运行。在任何形状的物体中，球形的能量反射是最集中的，能将从球心发出的波全部反射回球心。

(4)由于本发明的磁场有很强的压缩约束等离子体的作用，能将等离子体(19)压缩成一个高密度的小球体，使它与真空球壁(2)的距离增大(与“托卡马克装置”相比)，能最大程度地减少等离子体对真空球壁的腐蚀和破坏。

(5)由于本发明具有强磁场约束、强绝热压缩加热、能量反射集中的优点，在氘氚或氘氘聚变反应中能很好的控制球心等离子体，克服了前述的“托卡马克装置”存在的几个大问题。而且单靠欧姆加热就可将等离子体的温度提高到氘氚聚变点火温度，而不需要耗电量大的辅助加热系统。本发明的输出总功率与设备运行输入功率之比能达到5-7，而当今最先进的托卡马克核聚变试验堆只能达到0.11-0.8，所以本发明能使核聚变能的利用进入实用阶段。

(6)本发明在连续氘-氚聚变反应的基础上，提高磁场强度，并用辅助加热系统对球心等离子体进行加热，可实现氘-氘聚变反应。

(7)本发明与托卡马克装置相比还具有造价低、运行可靠、维修方便的优点。造价低是因为本发明结构简单、体积小，各部件制造成本低，而且不需要辅助加热系统。运行可靠是因为本发明的超导磁体系统能将等离子体压缩约束在球心，不仅可连续进行聚变反应，而且也最大程度减少等离子体对主体设备的破坏。便于维修是因为本发明的整个球形设备可分成两个半球，可对球体内的各部件进行便捷维修。

核聚变能是人类取之不尽、用之不竭的、清洁无污染、成本低的能源。本发明能使受控核聚变能的利用进入实用阶段，它对人类具有重大意义，能永远的解决人类的能源问题，而且能部分直至完全取代石油、煤等化石燃料和核裂变能为人类提供电力、动力和热能。能大大减少全球的二氧化碳及其它有害物质的排放量，本发明对地球的环境保护同样具有重大意义。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1、球形磁约束核聚变反应堆主体设备纵剖面图

图2、球形磁约束核聚变反应堆主体设备内部结构放大图

图3、超导磁体系统的一种线圈绕组示意图

图4、超导磁体系统的另一种线圈绕组示意图

图5、上半球与下半球的超导磁体系统接合示意图

图6、上半球与下半球线圈接合示意图

图7、凹槽、密封垫片、凸密封圈结构示意图

一种球形磁约束核聚变反应堆主体设备，它是由球形超导磁体系统(1)、真空球壁(2)、能量提取系统(3)、氚增殖层(4)、中子反射层(5)、绝热层(6)、屏蔽层(7)构成。参见图1.2。

球形超导磁体系统(1)位于该装置的最外层，由线圈(8)、杜瓦(9)、轭铁(10)三部分组成。线圈绕线方式有两种：1.用多个环向线圈(12)套装在球体(11)外，环向线圈(12)内的超导电缆(13)平行排列，每个环向线圈之间的排列成一定角度，形成强约束力的剪切磁场。图3中所见有8个环向线圈(12)以Q点为交叉点即图中心黑色区，每个环向线圈(12)成一定角度排列在球体上，这是第一层线圈。还可以B.Y.D.N.R.A.H.U.为线圈交叉点，再套装3-12层线圈，见图3.5。每层线圈其实都有两个交叉点，图中可见的与N点对应的是S点，与B点对应的是W点，与Y点对应的是P点，与R点对应的是T点，由于该装置是个球形体，所以其它交叉点在球体反面，未绘出。线圈的第二种绕线方式是：以球心为线圈绕线的中心点，用超导电缆(14)沿着球体(11)最大直径进行绕线，见图4。在绕过数十圈后球体上会出现电缆交叉点L，然后再选择其它交叉点如X.C.G.V，这些交叉点需在球体上均匀分布。线圈可选择圆电缆和扁电缆，扁电缆的横截面是扁的。线圈(8)用铌钛化合物或其他超导材料镶在铜基体里，拉制成线，再编织成电缆后绕制。超导材料还可采用铌铝、铌三锡和钒三镓等。杜瓦(9)用以维持超导所需的低温，它是一种多层薄壁容器，内层为双相氦(15)，往外依次为液氦(16)、真空室(17)及热绝缘材料(18)。球壁状的轭铁(10)是用来屏蔽漏磁和提高工作区场强，位于最外层。超导磁体系统的低温剂还可采用液氮。

真空球壁(2)是面对球心等离子体(19)的最内层壁，可用高温结构陶瓷、不锈钢、高温合金钢、铌、锆制成。真空球壁(2)上有一些绝缘段或高阻抗的波纹段，以保证磁场能渗入真空球室内感生等离子体电流。面朝等离子体的真空球壁(2)上覆盖一层低Z物质，如铍、碳、氧化铍、碳化硼，碳化硅等。真空球壁(2)外是能量提取系统(3)，是由第二层球壁(20)与真空球壁(2)构成一个可注入冷却剂的冷却容器(21)，真空球壁(2)与第二层球壁(20)之间有固定肋条(22)作支撑，并将冷却容器(21)分割成多个互通的舱室(23)，使冷却剂能流经每个舱室，冷却容器(21)与冷却剂注入管(24)和冷却剂输出管(25)相通。第二层球壁(20)外是球壁状的氚增殖层(4)，以锂、铍为氚增殖材料，氚增殖层(4)外面是用高纯度石墨制成的球壁状中子反射层(5)，中子反射层(5)外面是用隔热材料制成的球壁状绝热层(6)，绝热层(6)外面是球壁状的屏蔽层(7)和超导磁体系统(1)。氚增殖层材料：用锂盐类、氧化锂、液态锂等含锂材料来增殖氚，用铍增殖中子。绝缘层材料：无机类有陶瓷、云母、玻璃丝布等，有机类有环氧树脂、聚脂薄膜、聚酰亚胺和纤维增强的无机复合材料。屏蔽层材料：重混凝土、铁和铅(用以衰减高能中子和吸收γ射线)、含氢物、石蜡和水(用以慢化中子)、硼(用以吸收中子)。冷却剂材料：轻水、重水、气体(如二氧化碳、氦)、液态金属、有机液体。

本发明可加装空气芯变压器，变压器的初级绕组(30)置于超导磁体系统(1)内，变压器的线圈绕线方式与超导磁体线圈(8)相同。变压器有两种作用：1.在运行初期，通过变压器中磁通的变化在真空球室气体中产生感应电场，它将工作气体(氢或氘)进一步电离，并形成等离子体电流，等离子体电流相当于变压器的单匝次级线圈，等离子体电流逐渐上升，由于欧姆效应，等离子体中电子温度逐渐上升，因此变压器初级绕组线圈又称加热场线圈。2.由于变压器只能产生脉冲式的等离子体电流，所以本发明在运行中还需用其它方法进行电流驱动，如靴带电流驱动，低混杂波电流驱动，中性注入电流驱动。此时，变压器的初级绕组产生的磁场与超导磁体系统作用相同，用于压缩约束球心等离子体。

下面对“靴带电流驱动”、“低混杂波电流驱动”、“中性注入电流驱动”作简要说明。

1.“靴带电流驱动”：球心等离子体密度不均匀，在香蕉区空间一点附近，捕获粒子就会产生扩散现象，在磁力线方向形成电流，捕获电子通过和通行电子相互碰撞，将动量交给电子，最后由通行电子形成环球的电流，它又称扩散驱动电流。即使在没有外电场产生电流的情况下，这种电流也能独立存在，故又称自举电流。靴带电流值占总等离子体电流值的70-80％。

2.“低混杂波电流驱动”：将低混杂波或阿尔芬波注入到等离子体内，通过波与粒子(电子或离子)间进行动量和能量的交换，粒子被波加速，形成环球电流。

3.“中性注入电流驱动”：中性粒子束是朝着球状等离子体的球心注入，它们和背景等离子体碰撞后变成带正电的离子束，形成环球电流。

为了便于维修，该装置可分成两个对称的半球，上半球(31)与下半球(32)之间用凹槽(33)、密封垫片(34)、凸密封圈(35)来连接和密封，见图1.5.7.上半球(31)和下半球(32)的杜瓦(9)为两个独立的密封体。上半球线圈(8)和下半球线圈(8)在两半球合并时连通，线圈与线圈之间通过电缆插头(43)和电缆插座(44)连接，参见图5.6.图5中(8)表示线圈、(9)杜瓦、(15)双相氦、(17)真空室、(18)热绝缘材料、(10)轭铁、(43)电缆插头、(33)凹槽、(35)凸密封圈。图6中(43)表示电缆插头、(44)电缆插座、(8)线圈、(16)液氦。上半球(31)和下半球(32)上分别有一个固定架(36)，固定架(36)与球体(60)相连，用于分离和合并两半球，合并时起到固定和施压作用，见图1。

本发明中的冷却容器(21)可制成一个独立的密封体，即将上半球(31)和下半球(32)的冷却容器(21)联通并焊接。也可将冷却容器(21)制成两个独立的密封体，分上冷却容器(37)和下冷却容器(38)，两个冷却容器分别有独立的冷却剂注入管和冷却剂输出管。

本发明上可加装偏滤器，它是一种把等离子体球外部的磁力线“拉”到装在真空球室(39)外部的偏滤室内的设备，使外层的等离子体沿着偏滤器磁力线进入偏滤室，通过撞击靶子、与中性气体磁撞或辐射等过程失去能量而冷却，进而复合成中性气体，最后被抽气系统抽走。该偏滤器与“托卡马克装置”上的相同，但在本发明中属非必需技术。

磁约束核聚变反应堆是一种大型综合性的装置，除本发明球形磁约束核聚变反应堆主体设备外，还需要有供电系统、大体积超高真空系统、辅助加热系统(用于氘-氘聚变反应)、加料系统、大容量致冷系统、氚处理系统、远距离操作系统以及排热、热电等系统，本发明的外围设备与“托卡马克装置”的外围设备相同。

本发明最适合的辅助加热方法有：(1)中性粒子束注入加热、(2)低混杂共振加热(LHRH)、(3)阿尔芬波加热(AWH)，因为上述加热方式既能加热等离子体，又能产生等离子体电流。

上述外围设备与本发明有不同的接口，辅助加热系统或电流驱动装置与本发明之间有加热(驱动)注入管(40)连接，大体积超高真空系统与本发明有真空泵管(41)连接，大容量致冷系统与超导磁体系统(1)连接，加料系统与本发明之间有燃料注入管(42)连接，能量提取系统(3)的冷却剂注入管(24)和输出管(25)与蒸汽发生器连接。

控制等离子体杂质的措施有：放电清洗真空球室，真空球壁采用低Z材料和吸气剂涂层，气体包层概念-注入燃料把等离子体与球壁隔开，使用抽气孔阑和偏滤器。

大体积超高真空系统采用大抽速的涡轮分子泵，将真空球室(39)抽到10-6Pa以上的超高真空，以减少杂质污染，此外还有大抽速的钛吸附泵，使真空球室(39)经常维持超高真空状态。

本发明可用的辅助加热方法还有：电子回旋共振加热(ECRH)、离子回旋共振加热(ICRH)、激波加热，磁泵加热。

研究发现，本发明的特殊球形磁场具有强磁场约束、强绝热压缩加热、能量反射集中的特点，单靠欧姆加热就可将等离子体的温度提高到氘-氚聚变点火温度。

在“托卡马克”装置上使用绝热压缩加热方法有一定限制，因为它的环形等离子体柱的某些长波宏观不稳定性要靠导体壁中的镜象电流(即涡流)来稳定的，如果等离子体的边界离导体壁太远，稳定效应就要削弱，便可能出现不稳定性，因此只能将等离子体的体积压缩到一个折衷值，使其既能被加热，又不会出现不稳定性。而本发明却没有这种弊端，因为它是一个球形磁场，球心等离子体被压缩约束成一个球状体，等离子体电流绕着球体流动，产生强大的向心箍缩效应(收缩效应)，不会出现“托卡马克”环形等离子体的各种不稳定性，可将球形等离子体任意压缩加热。本发明的等离子体电流产生的箍缩力对等离子体的约束力比“托卡马克”装置强得多。

以本发明为主体设备的磁约束核聚变反应堆的运行与“托卡马克”核聚变反应堆相似，先将真空球室抽真空，再放电清洗杂质，充入工作气体(氢或氘)，预电离，磁体线圈各回路放电，形成等离子体，用“靴带电流驱动”产生稳态等离子体电流，或用“低混杂波电流驱动”、“阿尔芬波电流驱动”、“中性注入电流驱动”，或用变压器的感应电场形成等离子体电流。经欧姆加热，球心等离子体可达到氘-氚聚变点火温度，产生氘-氚核聚变反应，然后用加料系统连续不断地补充聚变燃料，聚变堆就可连续稳定地运行。在连续氘-氚聚变反应的基础上，提高球形磁场强度并用辅助加热系统对球心等离子体进行加热，可达到氘-氚聚变点火温度，实现氘-氘聚变反应。

能首先在本发明上实现的是氘-氚(D-T)聚变反应，第二步可实现氘-氘(D-D)聚变反应。它们的核反应方式如下：

      聚变反应                   释放的能量(MeV)

              17.59               (2.4)

                         3.27     (2.5)4.03     (2.6)

              18.3              (2.8)(2.11)

                     (2.12)

                               (2.13)

(2.4)式中，D-T的核反应几率(有时称反应截面)在相同的温度条件下比其他几个核反应几率都大。氚通过中子和锂的核反应来制取，见(2.11)、(2.12)。

D-D反应可以以几乎相同的几率产生(2.5)式或(2.6)式的核反应。(2.6)式核反应产生的 正好是(2.4)式核反应的原料，而(2.5)式核反应的产物

又恰好是(2.8)式核反应的原料，将这四个核反应式相加，便得到(2.13)式。这表明，只要消耗6个

便放出43.2MeV的能量，平均每个氘核放出能量7.2MeV，单位质量的氘放出能量3.6MeV，由于D-T反应几率较高，故D-T反应在总的D-D反应中起到了催化剂的作用。

以本发明为主体设备的核聚变反应堆能用于发电、供热和作为动力源。除反应堆外，核聚变发电站、核聚变动力装置、核聚变供热装置的其它设备与核裂变发电站、核裂变动力装置、核裂变供热装置相同。

Claims (6)

1.一种球形磁约束核聚变反应堆主体设备，其特征在于它是由球形超导磁体系统(1)、真空球壁(2)、能量提取系统(3)、氚增殖层(4)、中子反射层(5)、绝热层(6)、屏蔽层(7)构成；球形超导磁体系统(1)位于该装置的最外层，由线圈(8)、杜瓦(9)、轭铁(10)三部分组成，线圈绕线方式有两种，1).用多个环向线圈(12)套装在球体(11)外，环向线圈(12)内的超导电缆(13)平行排列，每个环向线圈(12)之间的排列成一定角度，形成强约束力的剪切磁场；2).以球心为线圈绕线的中心点，用超导电缆(14)沿着球体(11)的最大直径进行绕线；杜瓦(9)是一种球形多层薄壁容器，内层为双相氦(15)，往外依次为液氦(16)、真空室(17)及热绝缘材料(18)，球壁状的轭铁(10)位于最外层；超导磁体系统的低温剂还可采用液氮；真空球壁(2)是面对球心等离子体(19)的最内层壁，真空球壁(2)外是能量提取系统(3)，是由第二层球壁(20)与真空球壁(2)构成一个可注入冷却剂的冷却容器(21)，真空球壁(2)与第二层球壁(20)之间有固定肋条(22)作条撑，并将冷却容器(21)分割成多个互通的舱室(23)，使冷却剂能流经每个舱室，冷却容器(21)与冷却剂注入管(24)、冷却剂输出管(25)相通；第二层球壁(20)外是球壁状的氚增殖层(4)，以锂、铍为氚增殖材料，氚增殖层(4)外面是用高纯度石墨制成球壁状中子反射层(5)，中子反射层(5)外面是用隔热材料制成的球壁状绝热层(6)，绝热层(6)外面是球壁状的屏蔽层(7)和超导磁体系统(1)。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于该装置可分成两个对称的半球，上半球(31)与下半球(32)之间用凹槽(33)、密封垫片(34)凸密封圈(35)来连接和密封；上半球(31)和下半球(32)的杜瓦(9)为两个独立的密封体；上半球线圈(8)和下半球线圈(8)之间通过电缆插头(43)和电缆插座(44)连接。

3、根据权利要求1.2所述的装置，其特征在于该装置冷却容器(21)可制成两个独立的密封体，分上冷却容器(37)和下冷却容器(38)，两个冷却容器分别有独立的冷却剂注入管和冷却剂输出管。

4、根据权利要求1.2所述的装置，其特征在于该装置的上半球(31)和下半球(32)上分别有一个固定架(36)，固定架(36)与球体(60)相连。

5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于该装置可加装空气芯变压器，变压器的初级绕组(30)置于超导磁体系统(1)内，变压器的线圈绕线方式与超导磁体线圈(8)相同。

6、根据权利要求1所述的装置，其特征在于该装置的真空球壁(2)上覆盖一层低Z物质，如铍、碳、氧化铍、碳化硼、碳化硅。

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