[发明专利]高效紧凑型聚变反应堆

说明书

技术领域

本发明涉及一种在强环形场中操作的紧凑型聚变反应堆。特别地，但非排他地，本发明涉及一种适合用作能量源或用作高效中子源的球形托卡马克反应堆。

背景技术

生产聚变能的挑战是非常复杂的。目前已经提出除托卡马克之外的许多可选设备，尽管还没有一个能够产生任何与现有运行的最好的托卡马克(如JET)可比的结果。

在开始建造有史以来最大及最昂贵(c15bn欧元)的托卡马克ITER之后，世界核聚变的研究已经进入了新的阶段。到达商业核聚变反应堆的成功路线要求长脉冲、使得发电具有经济效益的高效率和稳定运行。这三个条件特别难以同时达到，并且计划中的方案将需要对ITER和其他核聚变设施进行多年的实验研究，以及理论和技术研究。通过这一路线发展的商业核聚变反应堆预料不会在2050年之前建成。

为了获得使发电具有经济效益(即功率输出比功率输入更多)的核聚变反应堆，传统的托卡马克必须是巨大的(如ITER)，从而可以有足够多的能量约束时间(该时间大约与等离子体体积成比例)，以致等离子体足够热以发生热聚变。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用作能量源或高效中子源的紧凑型核聚变反应堆。该反应堆包括环形等离子体室和等离子体约束系统，该系统被布置成产生用于约束等离子体室中的等离子体的磁场。等离子体约束系统被配置成使得被约束的等离子体的主要半径为1.5m或更少，优选为1.0m或更少，更优选为0.5m或更少。该反应堆可以为球形托卡马克。

所述等离子体约束系统包括高温超导体(HTS)线圈，该线圈能产生环形磁场，该环形磁场在主要半径处的测量值为3T或更多，优选为5T或更多，优选为10T或更多，更优选为15T或更多。在使用中，所述HTS线圈可冷却至77K，或者可选地冷却至30K或更低，或者甚至4K或更低。

小型核聚变装置的先前的设计通常具有壁负载的问题，即通过等离子体室壁的中子通量或分散的等离子体热。可选择使用输入到等离子体的低的功率，该功率小于10MW，优选为小于6MW，更优选为小于1MW，能使该装置利用现有材料和技术变得可行。

即使在具有传统的铜磁铁的情况下，来自这样的反应堆的功率输出也可以至少为1MW。当使用HTS环形磁场磁铁时，就有可能在相当高的环形磁场中运行反应堆，并使聚变功率输出大大增加。

通过引导一个或多个中性射束进入等离子体可以增强中子生产。一个或多个中性射束可以具有至少200keV、优选至少100keV、更优选地至少130keV、更优选地至少80keV、更优选至少40keV的能量。可以从选定方向引导多个中子射束进入等离子体，以优化射束中的粒子与热的等离子体间的聚变反应，该多个中子射束可以包括碰撞束(colliding beams)。

在一个实施方式中，等离子体可以保持在稳定状态多于10秒，优选地多于100秒，更优选地多于1000秒，更优选地多于10000秒。事实上，等离子体可以在持续维持在稳定状态高达几年。由于发射的总中子数量和能量的因为使用长脉冲而增加，这将大大增加中子生产或能量的有用性。为了得到这样的长脉冲，可以在没有电感的情况下驱动等离子体电流，例如通过使用中性射束或RF电流驱动。RF电流驱动包括驱动电流的任意电磁波技术，包括电子伯恩斯坦波、低杂波、电子回旋共振及其任意组合。低能中性射束可以更有效地(每单位能量输入)传递动力以驱动电流。HTS磁铁的使用有助于将等离子体保持在稳定状态，因为，作为超导体，在磁铁中没有来自电阻的热效应，并且HTS磁铁的电流供应比电阻磁铁的功率供应更稳定。

等离子体可以使用融合-压缩、或磁场泵送来启动，其中振荡电流产生加强等离子体电流的等离子体环，或者激活位于环形室中心部分中的一个或多个螺线管，和／或通过回旋振荡管或其他适当的高频发生器产生RF电流启动。等离子体电流可以激活一个或多个螺线管、RF电流驱动和／或加热等离子体以使得需要包含增长的等离子体的极向磁场的快速增长输入几乎足够的通量，以将等离子体电流上升到要求的工作值。如果使用可收缩的螺线管，它们可以可选地为被预冷却的高温超导螺线管。可以使用RF电流驱动和／或中性射束注射来保持等离子体电流。