[發明專利]單程重離子聚變系統和方法

無效

• 申請號: 200980127138.5
• 申請日: 2009-06-15
• 公開（公告）號: CN102089830A
• 公開（公告）日: 2011-06-08
• 發明（設計）人: R·J·伯克;A·T·伯克
• 申請（專利權）人: 阿爾卡塔系統公司
• 主分類號: G21B1/00
• 分類號: G21B1/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 陸勍

技術領域

一般意義上，本發明涉及聚變電力系統。更具體來說，本發明涉及單程重離子聚變系統和方法。

背景技術

由R.L.Martin和A.W.Maschke于1975年定義的重離子驅動器使用高能RF(射頻)加速器系統的已知能力來存儲兆焦耳量級的離子束能量并且將所存儲的能量聚焦到十分小的斑點上。他們發現具有高原子序數(Z)的原子核在一半光速下的較短停止距離意味著能夠在含有聚變燃料的小靶中產生引發較小的清潔聚變爆炸和生產聚變電力所需的能量密度。而且他們表示，連續存儲的束可重新布置成多根聚流，長度上受到壓縮，并且以聚變點火和燃燒過程的動力所需的短持續時間脈沖輸送到靶。

因為質子抵抗致使它們從其受控路徑上偏離的過程，諸如撞擊或多次散射，并且其電荷改變至0(中性)或負(H-)的概率較低，所以質子束可經歷較長時段的累積和存儲。另一方面，即使在高度真空中仍存在與殘留原子碰撞改變重離子電荷狀態的概率，因此需要在轉瞬間產生點火脈沖。這與ICF(慣性約束聚變)發電站需要頻繁脈沖相一致，并且對于加速器系統來說常規的是每秒脈沖許多次。然而，對在有限時間內產生點火脈沖的需要對去除了緩慢脈沖機器(如同步加速器)的加速器技術來說是個約束。

因此，在重離子聚變(HIF)一開始，確立一些原則：

●在每個離子中提供若干GeV的能量意味著產生束脈沖以引發ICF燃燒，所述燃燒具有：很高的總束能量、嚴格的聚焦特性和明確過程所需的束流；

●技術性問題在于將用于點火器脈沖的總流重新布置到燃料壓縮和點火過程所需的較短持續時間內；

●經濟上的問題在于粒子加速器的成本較高，從而與傳統觀念的發電不符；

●一個加速器具有傳統發電站許多倍的輸出能力，從而使得每單位能量的成本較低；

●利用這一點，通過在高溫下使用高等級熱量來產生氫并且合成液態燃料以及降低諸如鋼和鋁之類其他能源密集型工業的成本，而獲得有利的經濟意義。

用于產生重離子聚變點火脈沖的電流放大過程

重離子加速解決了在小聚變靶中沉積數兆焦耳束能量的問題。還必須用較短的持續時間以脈沖來將束能量輸送到靶，例如以大約10納秒的持續時間，這與通過迅速壓縮和加熱至點火來點燃較小的聚變爆炸以便在壓縮和加熱的燃料能夠飛離之前實現聚變燃燒的時間段一致。使用能通過相同分析工具驗證的方法，以所有成功加速器(Martin，Maschke)和其他定義的系統實例的設計為基礎，重構束并且在該時間段上將其輸送到靶。

可重復、可靠且有效產生可嚴格聚焦的高能離子束的關鍵在于物理“守恒定律”，以及同樣可靠的更為熟知的關系式E＝mc2或F＝ma。源自與熟知的熱力學領域相同基礎的這些物理學約束在陳述中有所概述，其中束的最終聚焦性不可能比通過在束產生過程開始時所定義的“6D相空間”的體積來定義的聚焦性更好。該“空間”的六個維度中的四個維度為兩類傳統的歐幾里得維度，其垂直于束方向，結合相對于在軸上且平行于其移動的標稱離子的軌道角度。其他兩個維度為粒子能量與標稱(理想)能量之差和時間軸上相空間橢圓的寬度。

帶電粒子束的“彈道”聚焦類似于聚焦光束：斑點尺寸取決于進入電磁透鏡的粒子路徑平行性、透鏡孔徑和象差。聚焦每個粒子具有動量范圍的粒子束的效果類似于聚焦具有各種波長(或光子能量或“顏色”)的光的“色”差(其圖解示出于棱鏡光譜中)，并且術語“色差”還用在“粒子束光學”中。

個別電流放大方法和所提出的HIF“點”設計在1975年至1980年期間受到激烈探討。對束壓緊方法的驗證使得通過以下方程式簡便地概述其個別影響，所述方程式示出輸送到靶的總束流是如何從單離子源產生的電流開始進行積累：

I_靶＝I_源×N_源×N_注入×N_壓縮×N_{beams_on_target}????????(1)

在所述靶上的束功率為粒子的電流與每個粒子能量的乘積。點火需要約1PW(一千萬億瓦或十億兆瓦)的點火器脈沖功率。這可以通過(例如)具有50kA(千安培)總電流(等分在一定數量的束中)的20GeV離子來提供。