[发明专利]等离子体约束系统及使用方法

说明书

示例性的等离子体约束系统包括内部电极和外部电极，所述内部电极具有设置在等离子体约束系统的纵轴线上的圆形的第一端部，所述外部电极至少部分地围绕内部电极。外部电极包括固体导电壳和设置在固体导电壳上以及在等离子体约束系统的纵轴线上的导电材料。导电材料在1个大气压下的熔点在170℃至800℃的范围内。本文还公开相关的等离子体约束系统和方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年6月7日提交的美国临时专利申请No.62/516,508的权益，该专利申请的内容通过引用方式以其整体并入本文中。

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

本发明是在能源部[DOE]授予的批准号DE-AR0000571的政府支持下完成的。政府在本发明中拥有某些权利。

背景技术

除非本文另有说明，否则本部分中描述的材料在本申请中不是权利要求的现有技术，并且不因包括在本部分中而被承认为现有技术。

核聚变是组合两个核的过程。当原子序数小于铁的原子序数的元素的两个核融合时，释放能量。能量的释放是由于反应物与聚变反应产物之间的质量的微小差异，并且由ΔE＝Δmc²决定。能量的释放还取决于反应物核之间的有吸引力的强的核力克服反应物核之间的排斥静电力。

需要最低等离子体温度的聚变反应发生在氘(具有一个质子和一个中子的氢核)与氚(具有一个质子和两个中子的氢核)之间。此反应产生氦-4核和中子。

实现核聚变的一种方法是在反应室内激发含有聚变反应物的气体。通电的气体通过电离变成等离子体。为了实现具有足够温度和密度以进行聚变的条件，需要约束等离子体。

发明内容

本公开的第一方面是一种等离子体约束系统，其包括内部电极和外部电极，内部电极具有设置在等离子体约束系统的纵轴线上的圆形的第一端部，外部电极至少部分地围绕内部电极。外部电极包括固体导电壳和设置在固体导电壳上以及在等离子体约束系统的纵轴线上的导电材料。导电材料在1个大气压下的熔点在170℃至800℃的范围内。

本公开的第二方面是一种用于操作等离子体约束系统的方法。等离子体约束系统包括内部电极和外部电极，内部电极具有设置在等离子体约束系统的纵轴线上的圆形的第一端部，外部电极至少部分地围绕内部电极。方法包括使气体流入等离子体约束系统，并经由电源在内部电极和外部电极之间施加电压，从而将至少一部分气体转换为Z箍缩等离子体，Z箍缩等离子体在(i)设置在外部电极的固体导电壳上以及在等离子体约束系统的纵轴线上的导电材料和(ii)内部电极的圆形第一端部之间流动。导电材料在1个大气压下的熔点在170℃至800℃的范围内。方法还包括将导电材料的第一液体部分移出等离子体约束系统。导电材料的第一液体部分经由Z箍缩等离子体的反应产物进行加热。

本公开的第三方面是一种等离子体约束系统，其包括内部电极，至少部分地围绕内部电极的中间电极，以及至少部分地围绕中间电极的外部电极。外部电极包括固体导电壳和设置在固体导电壳上的导电材料。导电材料在1个大气压下的熔点在180℃至800℃的范围内。

本公开的第四方面是一种用于操作等离子体约束系统的方法。等离子体约束系统包括内部电极，至少部分地围绕内部电极的中间电极，以及至少部分地围绕中间电极的外部电极。方法包括使气体流入在内部电极和中间电极之间的加速区域，经由第一电源在内部电极和中间电极之间施加电压，从而将至少一部分气体转换成具有大致环形截面的等离子体，该等离子体在加速区域内轴向地流向内部电极的第一端部和外部电极的第一端部。方法还包括经由第二电源在内部电极和外部电极之间施加电压以建立Z箍缩等离子体，Z箍缩等离子体在(i)设置在外部电极的固体导电壳上的导电材料和(ii)内部电极的第一端部之间流动。导电材料在1个大气压下的熔点在180℃至800℃的范围内。方法还包括将导电材料的第一液体部分移出等离子体约束系统。导电材料的第一液体部分经由Z箍缩等离子体的反应产物进行加热。