用于可控聚变反应的方法和装置与流程

本公开涉及核反应和反应堆。具体而言，本公开涉及用于引发和维持聚变反应的紧凑型聚变反应堆。

背景技术：

1、随着发展中国家人口的增加、城市化的发展和电力供应的扩大，能源需求预计将成倍增长。此外，近年来，由于传统能源资源的储量日益枯竭以及传统能源资源释放的温室气体对环境的严重影响，确保在能源生产过程中减少温室气体排放至关重要。因此，有必要探索大规模的、可持续的、无碳的替代能源资源。

2、由于无碳基负荷发电、无长寿命放射性废物、可持续燃料和减少的安全威胁，聚变能已被确定为理想的未来能源。因此，聚变能可以对能源部门和环境做出积极的贡献。核聚变是两个原子结合形成一个更大的原子并产生能量的过程。可控聚变反应已经进行了几十年，然而，当前目标是使聚变反应堆产生比所吸收的更多的能量，即高净增益。

3、以前的大规模聚变研究主要集中在两种创造聚变点火条件的方法上：惯性约束聚变(icf)和磁约束聚变。icf试图通过压缩和加热小球形式的聚变反应物，例如氘(2h)和氚(3h)的混合物并通过向燃料输送诸如激光、电子或离子的高能束来激励燃料，从而引发聚变反应。然而，这种icf聚变的持续时间非常短，并且在不干扰燃料靶和驱动束的情况下必须从反应室中移除多余的热量，从而使icf成为不可持续的反应。磁约束试图通过使用磁场以等离子体的形式约束热聚变燃料来引发聚变。磁聚变装置以向心力的方式对带电粒子施加磁力，使粒子在等离子体中以圆形或螺旋形路径运动。磁约束方面的大多数研究都是基于例如托卡马克设计，其中热等离子体被限制在环形磁场内。然而，为了将聚变反应用作可持续的能源资源，这种托卡马克反应堆也不能在输出能量和输入能量方面实现高的净能量增益。为此，所有可信的现有方法都面临约束和工程问题。

4、实际上，聚变反应堆的输出聚变能只有一部分能转化为有用的形式。传统观点认为，只有不含大量中性粒子的强电离的等离子体才可能是有利的。强电离的等离子体限制了聚变反应堆中可以实现的粒子密度和能量约束时间。因此，在某些实验装置中，劳森标准被用作可控聚变反应的基准。

5、劳森标准的一个常见公式被称为三重积，如下：

6、

7、特别地，劳森标准指出，为了达到点火条件，粒子密度(n)、温度(t)和约束时间(τe)的乘积必须大于取决于带电聚变产物的能量(ech)、玻尔兹曼常数(kb)、聚变截面(σ)、相对速度(υ)和温度的数值。对于氘-氚反应，在kbt＝14kev时出现三重积的最小值，三重积的数值约为3×1021kev s/m3。为了满足劳森标准，大型、复杂、难以管理、昂贵且经济上不可行的聚变反应堆被建造。在实践中，使用d-t聚变反应需要超过150，000，000摄氏度的温度来实现正能量平衡。对于基于质子-硼的聚变反应，劳森标准表明所需温度必须显著更高。由于传统观点认为，可持续的聚变反应需要高温和强电离的等离子体，因此用于聚变反应的原子的廉价物理容器是很难的。因此，基于劳森准则的聚变反应堆的设计也许是不可行的。

8、如今已经提出了多种方法来捕获核聚变反应产生的能量。其中一种方法是使用质子和硼的无中子聚变。最近，质子-硼(p-11b)核聚变反应变得有吸引力是因为硼在自然界中更丰富且易于处理。此外，来自质子-硼(p-11b)核聚变反应的聚变能释放主要是以带电α粒子而不是中子的形式，因此，质子-硼核聚变反应也被称为无中子反应。无中子质子-硼核聚变反应可写成：

9、p + 11b → 3 4he + 8.68 mev (1)

10、如上所示，无中子质子-硼核聚变反应可以产生三个4he并释放8.68mev的能量，并且不产生中子。由于是无中子反应或基本上是无中子反应，这种能源是清洁的。

11、在核聚变反应中，聚变反应速率r可由下式估计：

12、r ＝ n1n2〈σu〉 (2)

13、其中n1和n2为反应物密度，σ为聚变截面，u为速度。平均项〈σu〉被称为反应性。在某些常规聚变技术中，超热等离子体旨在提高反应速率，例如通过提高等离子体的温度来提高反应速率。为此，找到一种既经济、安全、可靠又环保的方式来维持核聚变反应一直是一项挑战。

14、因此，需要克服与常规聚变反应，尤其是常规基于质子-硼聚变反应相关的缺点，例如，需要提高反应速率、更高的功率增益和更低的温度要求。特别地，有需要开发一种聚变反应堆，产生更多的聚变能量，使聚变能成为一种商业上可行的能源。

技术实现思路

1、本公开提供了一种用于执行可控聚变反应的方法和设备。在一个方面，进行所述可控聚变反应的方法包括在气室内提供中性气体，所述气室包括阳极和阴极和分散在所述气室内的所述中性气体。根据一实施例，所述方法包括向所述气室供应能量。这种能量的供应至少会引起：所述阴极的加热，并使所述中性气体电离成质子和电子。根据一实施例，所述方法包括由于电离的所述中性气体而导致导电通道的形成。根据一实施例，所述方法包括基于被加热的所述阴极的一组热发射电子，导致在所述阴极的外表面外侧形成电子层。根据一实施例，所述方法包括由于与所述电子层相关联的电势而导致所述电子从电离的所述中性气体朝向所述阴极加速，从而导致被加热的所述阴极发射一组二次电子。所述一组二次电子增强所述电子层的强度。根据一实施例，所述方法包括由于电子-离子双流不稳定性而导致在所述导电通道内形成静电电势分布。所述静电电势分布包括多个低谷(dip)和多个高峰。来自电离的所述中性气体的质子在多个电位峰处朝向阴极加速，并且加速的所述质子轰击入所述阴极以实现所述可控聚变反应。

2、根据一些示例性实施例，所述方法还包括使初始放电电流加热所述阴极并电离所述中性气体，并且由于被加热的所述阴极发射的所述一组热发射电子而导致多个电势低谷中的第一电势低谷的形成。

3、根据一些示例性实施例，所述方法还包括使与所述第一电势低谷相关联的区域和所述阴极之间的所述电子加速以轰击所述阴极。所述区域位于所述阳极和所述阴极之间。根据一实施例，所述方法还包括由于所述被加速的电子轰击所述阴极而导致所述一组二次电子的发射。根据一实施例，所述方法还包括由于所述阴极发射的所述一组二次电子，在所述多个电势低谷中的所述第一电势低谷处导致所述电子层的增强。根据一实施例，所述方法还包括由于所述增强的电子层，导致在所述导电通道内所述静电电势分布的形成，具有所述静电电势分布的所述导电通道与增强的所述第一电势低谷和增强的所述电子层的形成相关联。

4、根据一些示例性实施例，所述方法还包括由于所述阴极的加热而导致所述一组热发射电子的发射。所述一组热发射电子从所述阴极的表面发射到与第一电势低谷相关联的区域中。根据一实施例，所述方法还包括导致在所述阴极的表面外侧局部地形成具有负电荷密度的所述电子层。

5、根据一些示例性实施例，所述方法还包括向所述气室供应能量以部分电离所述中性气体以产生等离子体。所述等离子体包括所述质子、所述电子、正离子和负离子。根据一实施例，所述方法还包括导致所述电子和所述负离子朝向所述阴极加速，从而导致被轰击的所述阴极发射所述一组二次电子。

6、根据一些示例性实施例，所述方法还包括由于所述电子层的强度增强，导致所述气室的所述阴极外侧的第一电势低谷区域的形成。所述第一电势低谷区域在所述电子层的中心具有最小电势值。第一电场从所述阴极指向所述电子层的中心，并且第二电场从所述阳极指向所述电子层的中心。

7、根据一些示例性实施例，所述方法还包括导致负电荷和正电荷的加速。所述负电荷包括所述电子和所述负离子，所述正电荷包括所述质子和所述正离子。所述负电荷从所述阴极朝向所述阳极加速，并且所述正电荷从所述阳极朝向所述阴极加速。所述正电荷和所述负电荷沿相反方向加速并具有速度差。根据一实施例，所述方法还包括由于所述正电荷和所述负电荷之间的所述速度差而导致所述气室内的电子-离子双流不稳定性。

8、根据一些示例性实施例，所述方法还包括使所述负电荷在多个所述低谷中的每个低谷处朝向所述阴极加速，以使所述阴极发射所述一组二次电子。根据一实施例，所述方法还包括使所述正电荷在多个所述高峰中的每个所述高峰处朝向所述阴极加速，以轰击到所述阴极中，其中加速的所述质子和所述正离子轰击到所述阴极是通过动能发生的。

9、根据一些示例性实施例，轰击到所述阴极中的每个带电粒子的动能在1kev到100kev的范围内。

10、根据一些示例性实施例，所述方法还包括在所述气室上应用加热源，以至少执行：加热所述阴极并使所述中性气体电离成质子和电子。根据一实施例，所述加热源包括超导磁体源、永磁体源、电磁体源、射频(rf)源、微波源、电场源、电极源、激光源、离子枪源或其组合中的至少一个。

11、根据一些示例性实施例，所述导电通道的直径在0.01毫米至1毫米的范围内。

12、根据一些示例性实施例，所述中性气体的密度在1×1020至1×1025m-3的范围内。

13、根据一些示例性实施例，所述中性气体至少包括氢气(h2)。

14、根据一些示例性实施例，所述气室通过外部施加10伏至1000伏范围内的电压来通电。

15、根据一些示例性实施例，所述阴极包括富硼材料。所述富硼材料包括六硼化镧(lab6)、六硼化铈(ceb6)、硼化锂、纯硼或氮化硼中的至少一种。根据一实施例，所述阴极为所述可控聚变反应提供硼。

16、本公开所公开的实施例提供一种用于执行可控聚变反应的装置。所述装置包括气室和分布在所述气室中的中性气体，所述气室包括包封在所述气室内的阳极和阴极。所述装置还包括被配置为向所述气室供应能量的能源。根据一实施例，能量的供应导致至少引起：所述阴极的加热和使所述中性气体电离成质子和电子。根据一实施例，由于电离的所述中性气体，所述能量的供应导致形成导电通道。根据一实施例，基于被加热的所述阴极发射的一组热发射电子，能量的供应导致在所述阴极的外表面外侧形成电子层。根据一实施例，由于与所述电子层相关联的电势，能量的供应导致所述电子从电离的所述中性气体向所述阴极加速，从而导致被加热的所述阴极发射一组二次电子。所述一组二次电子增强所述电子层的强度。根据一实施例，由于电子-离子双流不稳定性，能量的供应导致在所述导电通道中形成静电电势分布。所述静电电势分布具有多个低谷和多个高峰。来自电离的所述中性气体的所述质子在多个电势高峰处向所述阴极加速，并且被加速的所述质子轰击所述阴极以实现所述可控聚变反应。

17、上述内容仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。除了上述的说明性方面、实施例和特征之外，通过参考附图和以下详细描述，进一步的方面、实施例和特征将变得显而易见。