用于裂变应用的聚变中子源
阅读：586发布：2023-02-26
专利汇可以提供用于裂变应用的聚变中子源专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了一种混合反应堆、方法和装置，用于改善 核聚变 反应堆 以提供带有足够 能量 的足够通量的快 中子 ，从而嬗变来自 核裂变 的超 铀 废料并且用于改善的核 燃料 循环中，从而有效地减小放射毒性 水 平，以及核废料的处置的 风 险和成本，由此减小核能的成本和增加它作为 能源 的可接受性。，下面是用于裂变应用的聚变中子源专利的具体信息内容。
1.一种用于减少核废料的混合反应堆，包括：
围绕中心轴线由壁包围的第一室，其中所述第一室相对于所述中心轴线具有4米或以下的外半径；
所述第一室包围高功率密度中子源，所述高功率密度中子源产生横穿所述高功率密度中子源的表面的等于或高于大约每平方米每秒0.1兆瓦的总中子功率；
第二室，其包围大体邻近所述第一室的至少一部分的一层或更多层的可裂变材料，所述第二室也包围中子吸收材料和中子反射材料；
其中从所述高功率密度中子源提供给所述可裂变材料的中子促进所述可裂变材料中的核裂变反应。
2.根据权利要求1所述的混合反应堆，其中所述高功率密度中子源是环形等离子体聚变装置，该装置包括：
围绕中心轴线的环形室，其中一环形堆芯等离子体基本上由大体位于闭合环形磁面上的磁场线约束在所述环形室内，所述闭合磁面由堆芯等离子体中的电流和大体邻近所述环形室的载流导体中的电流产生，并且所述环形堆芯等离子体基本上由与一个或更多个偏滤器板交叉的开放磁场线的区域包围；
分界面，其包括分离所述堆芯等离子体和开放磁场线的所述区域的磁面，其中所述分界面与所述偏滤器板交叉，使得从堆芯等离子体横穿所述分界面流动到开放磁场线的所述区域中的粒子和能量沿着所述开放磁场线被引导到所述偏滤器板；
其中所述分界面包含离赤道面的垂直距离非零的至少一个滞点，所述赤道面垂直于所述中心轴线并且经过堆芯等离子体中的最大长半径的点，所述垂直距离大于等离子体短半径，并且所述偏滤器板具有外侧偏滤器长半径，所述外侧偏滤器长半径大于等离子体短半径与最靠近相应偏滤器板的峰值点的长半径的总和。
3.根据权利要求2所述的混合反应堆，其中任何点的长半径是该点离所述中心轴线的垂直距离，并且垂直于所述中心轴线并且经过堆芯等离子体中的最大长半径的点的所述赤道面将所述环形室分为上部区域和下部区域，
其中堆芯等离子体具有外等离子体长半径和内等离子体长半径，所述外等离子体长半径是堆芯等离子体中最远离所述中心轴线的点的长半径，并且所述内等离子体长半径是堆芯等离子体中最靠近所述中心轴线的点的长半径，
其中所述外等离子体长半径和内等离子体长半径的总和的一半是等离子体长半径，并且所述外等离子体长半径和内等离子体长半径之间的差值的一半是等离子体短半径，其中堆芯等离子体的上部区域中最远离所述赤道面的点是上峰值点并且堆芯等离子体的下部区域中最远离所述赤道面的点是下峰值点，
其中所述分界面和所述偏滤器板之间的交叉点的最大长半径是外侧偏滤器长半径，并且
其中所述分界面具有一个或更多个滞点，每个所述滞点是这样的点，在所述点处，包括所述磁面的磁场的极向分量大约为零并且在包含所述中心轴线的任何平面中的方向是极向。
4.根据权利要求1所述的混合反应堆，其中所述高功率密度中子源是包含堆芯等离子体的小型聚变中子源，其总加热功率与堆芯等离子体长半径的比率为大约5兆瓦/米或更高。
5.根据权利要求1所述的混合反应堆，其中所述高功率密度中子源是带有大约3米或更小的堆芯等离子体长半径的托卡马克。
6.根据权利要求1所述的混合反应堆，其中所述可裂变材料的至少一部分包括核废料。
7.根据权利要求1所述的混合反应堆，其中所述可裂变材料的至少一部分包括超铀(TRU)元素。
8.根据权利要求1所述的混合反应堆，其中所述可裂变材料的至少一部分包括在热谱反应堆中的包括额外燃烧循环的预燃烧用于嬗变核反应堆废料中的易裂变元素之后保留的难裂变TRU核废料。
9.根据权利要求8所述的混合反应堆，其中核反应堆废料中的所述易裂变元素包括
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PU 。
10.根据权利要求1所述的混合反应堆，其中所述可裂变材料的至少一部分包括在预燃烧将初始核废料减少到其重量与初始核废料的重量相比为大约25％或以下的难裂变TRU核废料之后保留的难裂变TRU核废料。
11.根据权利要求1所述的混合反应堆，其中所述可裂变材料的至少一部分包括制造低级反应堆燃料的难裂变TRU核废料；所述低级核燃料不适合于作为热谱反应堆的燃料或快谱裂变反应堆的稳定操作。
12.根据权利要求11所述的混合反应堆，其中所述热谱反应堆是轻水反应堆(LWR)。
13.根据权利要求1所述的混合反应堆，其中从所述高功率密度中子源提供给所述可裂变材料的中子减少所述可裂变材料的量。
14.根据权利要求1所述的混合反应堆，其中来自所述高功率密度中子源的中子增加所述可裂变材料中的核裂变反应的速率，以将所述可裂变材料嬗变为相对于所述可裂变材料更稳定的材料或具有比所述可裂变材料更短的放射性半衰期的材料。
15.根据权利要求1所述的混合反应堆，其中所述高功率密度中子源用于减小所述可裂变材料的放射毒性水平。
16.根据权利要求1所述的混合反应堆，其中所述可裂变材料具有第一放射毒性水平并且来自所述高功率密度中子源的中子增加所述可裂变材料的核裂变反应的速率并将所述可裂变材料嬗变为具有第二放射毒性水平的材料。
17.根据权利要求16所述的混合反应堆，其中第二放射毒性水平小于第一放射毒性水平。
18.一种减少核废料的方法，包括：
提供围绕中心轴线由壁包围的第一室；其中所述第一室相对于所述中心轴线具有大约
4米或以下的外半径；
在所述第一室内部包含高功率密度中子源，所述高功率密度中子源的横穿所述高功率密度中子源的表面的中子的总功率为大约每平方米每秒0.1兆瓦或更高；
将大体邻近所述第一室的至少一部分的一层或更多层可裂变材料放置在第二室中，并且将中子吸收材料和中子反射材料放置在所述第二室中，使得来自所述高功率密度中子源的中子促进所述可裂变材料中的核裂变反应。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述高功率密度中子源是小型聚变中子源，所述小型聚变中子源具有环形聚变等离子体和至少一个偏滤器板，所述偏滤器板具有外侧偏滤器长半径，所述外侧偏滤器长半径大于聚变等离子体短半径与最靠近相应偏滤器板的峰值点的长半径的总和。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述高功率密度中子源是包含堆芯等离子体的所述小型聚变中子源，其总加热功率与堆芯等离子体长半径的比率为大约5兆瓦/米或更高。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述高功率密度中子源是带有大约3米或更小的堆芯等离子体长半径的托卡马克。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述可裂变材料的至少一部分包括核废料。
23.根据权利要求18所述的方法，其中所述可裂变材料的至少一部分包括超铀(TRU)元素。
24.根据权利要求18所述的方法，其中所述可裂变材料的至少一部分包括在热谱反应堆中的包括额外燃烧循环的预燃烧用于嬗变核反应堆废料中的易裂变元素之后保留的难裂变TRU核废料。
239
25.根据权利要求24所述的方法，其中核反应堆废料中的所述易裂变元素包括PU 。
26.根据权利要求18所述的方法，其中所述可裂变材料的至少一部分包括在热谱反应堆中的包括额外燃烧循环的预燃烧将初始核废料减少到其重量与初始核废料的重量相比为大约25％或以下的难裂变TRU核废料之后保留的难裂变TRU核废料。
27.根据权利要求18所述的方法，其中所述可裂变材料的至少一部分包括制造低级反应堆燃料的难裂变TRU核废料；所述低级核燃料不适合于作为热谱反应堆的燃料或快谱裂变反应堆的稳定操作。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述热谱反应堆是轻水反应堆(LWR)。
29.根据权利要求18所述的方法，其中来自所述高功率密度中子源的中子减少所述可裂变材料的量。
30.根据权利要求18所述的方法，其中来自所述高功率密度中子源的中子增加所述可裂变材料中的核裂变反应的速率，以将所述可裂变材料嬗变为相对于所述可裂变材料更稳定的材料或具有比所述可裂变材料更短的放射性半衰期的材料。
31.根据权利要求18所述的方法，其中所述高功率密度中子源用于减小所述可裂变材料的放射毒性水平。
32.根据权利要求18所述的方法，其中所述可裂变材料具有第一放射毒性水平并且来自所述小型聚变中子源的中子增加所述可裂变材料的核裂变反应的速率并将所述可裂变材料嬗变为具有第二放射毒性水平的材料。
33.根据权利要求32所述的方法，其中第二放射毒性水平小于第一放射毒性水平。
34.一种用于减少核废料的装置，包括：
围绕中心轴线由壁包围的第一室，其中所述第一室相对于所述中心轴线具有大约4米或以下的外半径；
所述第一室包围高功率密度中子源，所述高功率密度中子源产生横穿所述高功率密度中子源的表面的等于或高于大约0.1兆瓦每平方米每秒的总中子功率；
第二室，其包围大体邻近所述第一室的至少一部分的一层或更多层的可裂变材料，所述第二室也包围中子吸收材料和中子反射材料。
31.根据权利要求34所述的装置，其中所述高功率密度中子源是小型聚变中子源，所述小型聚变中子源具有环形聚变等离子体和至少一个偏滤器板，所述偏滤器板具有外侧偏滤器长半径，所述外侧偏滤器长半径大于聚变等离子体短半径与最靠近相应偏滤器板的峰值点的长半径的总和。
35.根据权利要求34所述的装置，其中所述高功率密度中子源是带有大约3米或更小的堆芯等离子体长半径的托卡马克。
36.根据权利要求34所述的装置，其中所述可裂变材料的至少一部分包括核废料。
37.根据权利要求34所述的装置，其中所述可裂变材料的至少一部分包括超铀(TRU)元素。
38.根据权利要求34所述的装置，其中所述可裂变材料的至少一部分包括在热谱反应堆中的包括额外燃烧循环的预燃烧用于嬗变核反应堆废料中的易裂变元素之后保留的难裂变TRU核废料。
239
39.根据权利要求34所述的装置，其中核反应堆废料中的所述易裂变元素包括PU 。
40.根据权利要求34所述的装置，其中所述可裂变材料的至少一部分包括预燃烧将初始核废料减少到其重量与初始核废料的重量相比为大约25％或以下的难裂变TRU核废料之后保留的难裂变TRU核废料。
41.根据权利要求34所述的装置，其中所述可裂变材料的至少一部分包括制造低级反应堆燃料的难裂变TRU核废料；所述低级核燃料不适合于作为热谱反应堆的燃料或快谱裂变反应堆的稳定操作。
42.根据权利要求41所述的装置，其中所述热谱反应堆是轻水反应堆(LWR)。
用于裂变应用的聚变中子源
[0001] 致谢
[0003] 相关申请的交叉引用
[0005] 背景
[0006] 全球变暖对于人类来说是紧迫的、可能灾难性的问题。这产生了对于这样的能源的需要，所述能源不发出温室气体，并且可以在相对短的时间规模取代大部分碳基能源供应。利用现有技术在合理的时间内提供所需能量大小的核(裂变)能日益被提倡作为减轻全球变暖的一种战略。
[0007] 尽管可再生能源也被提倡，但是它们目前的发展状态和间断性质限制了它们可以提供的能量构成的份额。目前，来自核裂变的能量最有希望替代大部分燃煤、燃油和燃气发电厂-产生温室气体的最大群体。核(裂变)能存在阻碍它的发展和可接受性的挑战。这些挑战中的最大的一个是安全和核废料的有效处置。
[0008] 核裂变废料的多个挑战性元素之一是超铀(TRUs)。对核废料处置场所例如尤卡山项目(Yucca Mountain Project)的许多重大反对意见与寿命很长的(同位素具有超过100,000年的半衰期)超铀在未来数十万年释放到生物圈有关。一些废料处置可以在相对便宜的热谱反应堆中被执行。热中子的确减少核废料的总量，但是它们并不影响重要的少数派元素，包括许多长寿命超铀。这些元素对于地质处置是很大的问题。
[0009] 长寿命超铀的破坏需要不同的、成本更高的方法。在纯裂变中，二次还原发生在快裂变反应堆(即，具有快中子谱的裂变反应堆)中。然而使用快裂变反应堆仍然有缺陷，包括需要足够量的易裂变材料来维持链式反应。另外，如果用于破坏长寿命超铀，快裂变反应堆具有稳定性限制。
[0010] 尽管核裂变不能单独廉价地克服前述核废料挑战，但是核裂变与核聚变组合可以提供应对该挑战的更佳解决方案。核聚变是从轻元素核组合为重元素从而导致能量释放而获得的能源。在聚变中，两个轻核(例如氘和氚)组合为一个新核(例如氦)并且在该过程中释放大量能量和另一粒子(例如在氘和氚的聚变的情况下为中子)。核聚变是比裂变更富集中子的能量源。尽管聚变对于太阳和恒星是壮观的成功能源，但是在地球上控制聚变的实践在技术上是有挑战的，原因是为了维持聚变，等离子体(由带电离子和电子组成的气体)或电离气体必须在聚变反应堆中被约束并加热到数百万摄氏度且持续足够的时间以使聚变反应能够发生。在聚变背后的科学研究发展完善，有100年以上的核物理以及电磁和分子运动理论作为基础，但是目前的工程技术限制使核聚变的实际使用很有挑战。聚变反应堆的一种方法使用强大的磁场来约束等离子体，由此以受控方式释放聚变能量。迄今为止，获得受控聚变的最成功方法是使用被称为托卡马克的圆环形或环形磁构造。尽管托卡马克在原则上可以用作在上述两步过程的第二步骤中所需的快中子源，但是聚变反应堆的当前技术将托卡马克限制到对于该目的来说太低(五分之一或以下)的功率密度。
[0011] 对于当前的托卡马克技术，约束等离子体以产生核聚变反应可以用在聚变反应堆的真空室内部产生的磁场(即，磁瓶)实现。由于等离子体被电离，因此等离子体粒子倾向于在围绕磁场线的小轨道中回转，即，它们基本附着到磁场线，同时沿着磁场线很自由地流动。这可以用于通过使用适当设计的磁场构造(有时被称为磁瓶)在真空室中“悬浮”大量等离子体。通过驱动等离子体中的电流产生一组嵌套环形磁面并通过邻近等离子体放置载流线圈或导体，等离子体可以磁包含在室内。由于这些磁面上的磁场线并不接触任何实物，例如真空室的壁，因此很热的等离子体可以长时间理想地保持悬浮在磁瓶中(即，在包含闭合磁面的体积中)，并且粒子不与壁接触。然而实际上，由于粒子彼此碰撞或等离子体中的湍流，粒子和能量沿垂直于磁面的方向很慢地脱离磁约束。减小这种缓慢的等离子体损失使得等离子体的粒子和能量更好地被约束是等离子体约束研究的主要焦点。
[0012] 包含闭合磁面的瓷瓶的边界(即，“堆芯等离子体”)由被称为限制器(例如参考图6的610)的实体或由被称为分界面(例如参考图6的630)的环形磁面限定，在其外部磁场线是“开放的”，即，它们终止于被称为偏滤器靶板(参考图6的620)的实体。缓慢脱离堆芯等离子体的粒子和能量主要落在限制器或偏滤器靶板的小区域上并且生成杂质。由于限制器正好在等离子体边界上，而偏滤器靶板可以放置得更远，因此通过使用偏滤器，堆芯等离子体可以更好地与这样的杂质隔离。由于偏滤器的发明，因此等离子体操作的优选模式是具有分界面和偏滤器，原因是发现这样的操作允许被称为H模式的操作模式，在该模式中堆芯中的等离子体粒子和能量更好地被约束。
[0013] 由于粒子沿着磁线很快地流动但是横穿磁线很慢，因此横穿分界面脱离的任何粒子和能量在横穿它们移动很远之前沿着开放场线快速到达偏滤器靶板。这必然产生落在偏滤器板的窄区域上的带有高“删削通量”的粒子和能量的窄“删削层”。偏滤器可以处理的最大“删削通量”限制可以在瓷瓶中维持的最高功率密度。
[0014] 高“删削通量”产生许多挑战。除了热和粒子通量以外，偏滤器板也必须耐受在聚变中产生的大通量的中子。这些中子导致许多重要材料性质的退化，使偏滤器板极难在不必经常更换的情况下处理高热通量和中子通量。定期更换损坏部件是很耗时的并且需要停止聚变反应。此外，通过在它到达偏滤器板之前注射杂质以辐射能量来减小“删削通量”的尝试是不可行的，原因是来自等离子体的功率密度变得太高使得它严重降低等离子体约束，这导致堆芯等离子体中的聚变反应速率的严重减小。
[0015] 为了偏滤器上的中子和热通量并且因此减轻对偏滤器部件的损害，反应堆可以简单地被制造得较大以减小装置内的功率密度。然而，该方法将反应堆成本和因此用它产生的任何能量的成本显著增加到与用于发电或生成中子的其他方法相比不合算的水平。
[0016] 高水平的“删削”通量对于包括聚变-裂变混合应用的许多聚变应用来说是主要障碍。例如，对于其尺寸可以使它们与其他发电方法相比合算的聚变反应堆，基于目前的技术，高“删削通量”对于偏滤器设计是不能忍受的。处理高删削通量所产生的挑战并且使小型高功率密度聚变中子源成为可能的一种方式在于2008年8月25日提交的Kotschenreuther等人的美国专利申请No.12/197,736中被描述，上述申请通过引用完整地被合并在本文中并且作为它的一部分。
[0017] 所以，仍然需要一种改进的核聚变反应堆以提供带有足够能量的足够通量的快中子，从而嬗变来自核裂变的超铀废料并且用于改善的核燃料循环中，从而有效地克服当前技术中的挑战，其中的一些挑战在上面被叙述。
发明内容
[0018] 本文公开了用于容纳等离子体或聚变等离子体的装置、聚变中子源和可选地包括磁约束等离子体的托卡马克的实施例，其中可裂变材料层大体邻近所述聚变中子源的至少一部分。也公开了使用所公开实施例裂变所述可裂变材料的方法和核燃料循环。本文中描述的各种实施例可以用于需要减少可裂变材料的应用中。
[0019] 在一个方面中，公开了一种用于超铀废料的嬗变的两步方法(核燃料循环)。第一步骤在于在相对便宜的热谱反应堆中执行一定量的废料处置。热中子的确减小超铀材料的总量，但是它们并不显著影响重要的少数派的超铀材料，包括许多长寿命超铀。这些元素对于地质处置是很大的问题。被专门设计用于破坏这些成问题的长寿命超铀的第二步骤利用聚变中子源来提供快中子。在一个方面中，所述聚变中子源是高功率密度中子源，横过所述高功率密度中子源的表面的中子的总功率为大约0.1兆瓦每平方米每秒或更高。
[0020] 在一个方面中，公开了一种用于减少核废料的混合反应堆。所述混合反应堆的一个实施例包括围绕中心轴线由壁包围的第一室。第一室可以具有相对于所述中心轴线的4米或以下的外半径。第一室封闭高功率密度中子源，所述高功率密度中子源产生横过所述高功率密度中子源的表面的等于或高于大约0.1兆瓦每平方米每秒的总中子功率。第二室包围大体邻近第一室的至少一部分的一层或更多层的可裂变材料。第二室也可以包围中子吸收材料和中子反射材料。从所述高功率密度中子源提供给可裂变材料的中子促进所述可裂变材料中的核裂变反应。
[0021] 在另一个方面中，描述了一种减少核废料的方法。所述方法的一个实施例包括产生围绕中心轴线由壁包围的第一室。第一室具有相对于所述中心轴线的大约4米或以下的外半径。在第一室内部产生高功率密度中子源。所述高功率密度中子源具有横过所述高功率密度中子源的表面的大约0.1兆瓦每平方米每秒或更高的总中子功率。将大体邻近第一室的至少一部分的一层或更多层的可裂变材料放置在第二室中。也将中子吸收材料和中子反射材料放置在第二室中，使得来自所述高功率密度中子源的中子促进可裂变材料中的核裂变反应。
[0022] 在又一个方面中，描述了一种用于减少核废料的装置。所述装置的一个实施例包括围绕中心轴线由壁包围的第一室。第一室可以具有相对于所述中心轴线的大约4米或以下的外半径。第一室包围高功率密度中子源，所述高功率密度中子源产生横过所述高功率密度中子源的表面的等于或高于大约0.1兆瓦每平方米每秒的总中子功率。所述装置还包括包围大体邻近第一室的至少一部分的一层或更多层的可裂变材料的第二室。第二室也包围中子吸收材料和中子反射材料。
[0023] 附加优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可以通过实践领会。其他优点将借助于在附带权利要求中特别指出的要素和组合实现和获得。应当理解前面的概述和下面的详述仅仅是示例性的和解释性的，而不是对本发明的权利要求的限制。附图说明
[0025] 图1显示了本公开实施例的横截面图；
[0026] 图2显示了图1中所示的本公开实施例的三维视图；
[0027] 图3显示了由CORSICA TM生成的本公开实施例的横截面图；
[0028] 图4显示了围绕中心轴线的容器；
[0029] 图5A-5E显示了使用本公开实施例嬗变可裂变材料的方法的流程图；
[0030] 图6显示了包括限制器和偏滤器的现有技术的磁约束构造；
[0031] 图7显示了包括X偏滤器的(如Kotschenreuther等人在《物理等离子学》2006年第14卷72502/1-25中题为“有关热负荷、新型偏滤器和聚变反应堆的研究”所述)现有技术的磁约束构造；
[0032] 图8显示了包括本公开偏滤器的一个实施例的托卡马克的改进示意图；
[0033] 图9A显示了用于示例性实施例的CORSICA TM平衡的上部区域；
[0034] 图9B显示了用于示例性实施例的CORSICA TM平衡的上部区域，其中偏滤器线圈被分为两个不同的偏滤器线圈；
[0035] 图9C显示了用于示例性实施例的CORSICA TM平衡的上部区域，其中偏滤器线圈被分为四个不同的偏滤器线圈；
[0036] 图10显示了用于所公开的聚变开发设施(FDF)基反应堆的一个FDF基实施例的示例性图示；
[0037] 图11显示了用于带有Cu线圈的部件试验设施(CTF)的一个示例性实施例的CORSICA TM平衡的上部区域；
[0038] 图12显示了用于带有超导线圈的Slim-CS、减小尺寸中心螺线管(CS)基反应堆的一个示例性实施例的CORSICA TM平衡的上部区域；
[0039] 图13显示了用于ARIES(先进反应堆创新和评价研究)基反应堆(使用安装在由虚线包围的可提取段内部的模块化线圈)的一个示例性实施例的CORSICA TM平衡的上部区域；
[0040] 图14A和14B显示了(a)国家高功率先进环面实验(NHTX)基实施例的图示和(b)用于所公开的NHTX基反应堆的CORSICATM平衡；
[0041] 图15A显示了标准NHTX构造(现有技术)；
[0042] 图15B显示了用于包括所公开的偏滤器构造的一个实施例的NHTX基反应堆的SOLPS(删削层等离子体模拟)计算；
[0043] 图15C显示了用于所公开的NHTX基实施例的CORSICA TM平衡的上部区域；
[0044] 图16显示了ITER(国际热核实验反应堆)等离子体尺寸与使用本文所述的实施例可获得的高功率密度等离子体尺寸的比较的横截面图；以及
[0045] 图17是显示等离子体运动对所公开的偏滤器的偏滤器撞击点位置的减小影响与相同等离子体运动对等离子体X点的更大影响的比较的图形。
具体实施方式
[0046] 可以通过参考以下详细描述和包括在其中的例子以及参考附图和它们的先前和以下描述更容易地理解本文中所述的装置、系统和方法。
[0047] 在公开和描述本系统、物品、装置和/或方法之前，应当理解本发明并不限于特定系统、特定装置或特定方法，因而当然可以变化。也应当理解本文中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的而不是旨在限制。
[0048] 本发明的以下描述在其最佳的、当前已知的实施例中作为本发明的启发教导。为此，相关领域的技术人员将认识到和理解可以对本文中所述的发明的各个方面进行许多变化，同时仍然获得本发明的有益结果。也将显而易见可以通过选择本发明的实施例的一些特征而不利用其他特征获得本发明的一些预期益处。因此，本领域的技术人员将认识到对本发明的许多修改和调整是可能的，甚至在某些情况下是期望的，并且是本发明的一部分。因此，提供以下描述作为本发明的原理的示例而不是它的限制。
[0049] 尽管与本文中所述的那些类似或等效的任何方法和材料可以用于本发明的实践或试验中，但是现在描述示例性的方法和材料。
[0050] 在整个本申请中参考各种出版物。除非另外指出，这些出版物的公开通过引用整体合并于本申请中以便更完整地描述本发明所属领域的状态。所公开的参考文献也通过引用单独地和具体地被合并在本文中以获得包含在这些文献中的在所引用的句子中论述的材料。在本文中没有任何内容应当被理解为承认本发明没有资格依靠现有发明早于这样的出版物。此外，本文中提供的出版日期可能不同于实际出版日期，这可能需要单独确认。
[0051] 当在说明书和附带权利要求中使用时，单数形式“一(a和an)”和“所述(the)”包括多个指代物，除非上下文清楚地另外指出。因此，例如“一偏滤器板”，“一反应堆”或“一粒子”的提及包括两个或以上这样的偏滤器板、反应堆或粒子的组合等。
[0052] 范围在本文中可以被表达为从“大约”一个特定值和/或到“大约”另一个特定值。当表达这样的范围时，另一个实施例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当通过使用在前面的“大约”将值表达为近似值时，应当理解特定值形成另一个实施例。还应当理解每个范围的端点关于另一个端点并且独立于另一个端点都是有意义的。也应当理解在本文中公开了许多值，并且每个值在本文中也作为除了该值本身以外的“大约”该特定值被公开。例如，如果值“10”被公开，则“大约10”也被公开。也应当理解当值被公开时“小于或等于”该值、“大于或等于”该值和在值之间的可能范围也被公开，这是熟练技术人员能够适当理解的。例如，如果值“10”被公开，则“小于或等于10”以及“大于或等于10”也被公开。也应当理解在整个申请中，以许多不同的格式提供数据并且该数据表示端点和起点以及用于数据点的任何组合的范围。例如，如果特定数据点“10”和特定数据点15被公开，则应当理解大于、大于或等于、小于、小于或等于和等于10和15以及在10和15之间被视为公开。也应当理解在两个特定整数之间的每个整数也被公开。例如，如果10和15被公开，则11、12、13和14也被公开。
[0053] 当在本文中使用时，术语“可选的”或“可选地”表示随后描述的方面可以存在或不存在或者随后描述的事件或情况可以发生或不发生，并且描述包括所述事件或情况发生的实例和它不发生的实例。例如，所公开实施例可以可选地包括聚变等离子体，即，聚变等离子体可以存在或不存在。
[0054] 当在本文中使用时，“示例性的”表示“......的例子”并且并非旨在表达优选的或理想的实施例。此外，当在本文中使用时短语“例如”并非旨在表示任何限制意义，而是仅仅是解释性的，并且用于指示所列举的项目仅仅是由这种提供涵盖的例子。
[0055] 公开了将用于制备组成物的组分以及将用于本文中公开的方法中的组成物本身。这些和其他材料在本文中被公开，并且应当理解当这些材料的组合、子集、相互作用、群组等被公开时，尽管这些化合物的各种单独和总体组合和排列的每一个的具体提及可能未明确被公开，但是每一个在本文中具体地被预料和描述。例如，如果特定化合物被公开和论述并且论述了可以对包括该化合物的许多分子进行的许多修改，则可以具体地预料化合物和修改的每一个可能的组合和排列，除非具体地相反指出。因此，如果一类分子A、B和C以及一类分子D、E和F被公开并且组合分子A-D的一个例子被公开，则即使未单独地叙述预料到的单独和总体有意义组合的每一个，也认为A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E和C-F被公开。类似地，这些的任何子集或组合也被公开。因此，例如A-E、B-F和C-E的子组可以被认为公开。该概念适用于本申请的所有方面，包括但不限于制造和使用组成物的方法中的步骤。因此，如果有可以被执行的各种附加步骤，则应当理解这些附加步骤的每一个可以在方法的特定实施例或实施例的组合中被执行。
[0056] 应当理解本文中公开的组成物具有某些功能。在本文中公开了用于执行所公开功能的某些结构要求，并且应当理解有与所公开结构相关的各种结构可以执行相同功能，并且这些结构将示例性地获得相同结果。
[0057] 公开了用于包含等离子体或聚变等离子体的容器、聚变中子源和托卡马克，其中反应等离子体可以可选地存在于其中；并且其中可裂变材料层大体邻近所述等离子体或用于约束所述等离子体的室的至少一部分。也公开了使用所公开实施例裂变可裂变材料的方法，其中存在反应等离子体。也公开了使用所公开方法裂变可裂变材料的核燃料循环。
[0058] 作为一个例子，所公开实施例可以具有如图1和图2中所示的一般构造，该图是所公开反应堆100的一半的横截面图。如图1中所示，所公开实施例可以包括围绕中心轴线250基本上由壁170包围的环形室。室壁具有最接近中心轴线250的内半径240和最远离中心轴线250的外半径230。环形室可以可选地包括堆芯等离子体160，当存在时，所述堆芯等离子体可以由相对于堆芯等离子体闭合的磁面180和开放的磁场线260包含在所述环形室内。堆芯等离子体可以通过聚变反应产生快(大约14兆电子伏特)中子，由于不带电，因此所述快中子可以在指定轨道上移动离开堆芯等离子体。当存在时，中子可以轰击大体邻近所述堆芯等离子体160的至少一部分的可裂变材料层150。为了使反应堆与中子隔离，反应堆的一些部分可以包括铅段290。另外，铅护罩110可以基本围绕可裂变材料层150。
开放的磁场线260和闭合的磁场线180可以由载流导体所感生的电流产生，所述载流导体包括但不限于环形场(TF)线圈280和220以及极向场(PF)线圈120、140、190和210。主边界或分界面270可以存在于开放的磁场线260和闭合的磁场线180之间，即，开放的和闭合的磁漂移轨道之间的边界。横穿闭合磁面180的粒子、热和/或能量(即，交叉场通量)可以由开放磁场线260引导到一个或更多个偏滤器板130和200。
开放的磁场线260和闭合的磁场线180可以由载流导体所感生的电流产生，所述载流导体包括但不限于环形场(TF)线圈280和220以及极向场(PF)线圈120、140、190和210。主边界或分界面270可以存在于开放的磁场线260和闭合的磁场线180之间，即，开放的和闭合的磁漂移轨道之间的边界。横穿闭合磁面180的粒子、热和/或能量(即，交叉场通量)可以由开放磁场线260引导到一个或更多个偏滤器板130和200。
[0059] 在一个方面中，堆芯等离子体可以是聚变等离子体，其从聚变等离子体发射中子，使得一个或更多个核裂变反应发生在可裂变材料层中。在一个方面中，这样的可裂变材料的反应可以将所述可裂变材料嬗变为相对于可裂变材料更稳定的材料或具有比可裂变材料更短的放射性半衰期的材料。
[0060] 在另一个方面中，包括可裂变材料层的所公开实施例可以在可裂变材料层内包括核废料。一般而言，核废料可以是能够经历裂变的任何废料。在一个方面中，核废料可以是放射线的。在另一个方面中，核废料可以是可以另外储存在核处置库(例如尤卡山)中的核反应堆废料。应当理解的是，将核废料储存在地质处置库中估计花费大约$960亿；因此，在一个方面中，所公开实施例可以通过减少核废料量而减小地质处置库的成本。
[0061] 在一个方面中，源自核反应堆的核废料在被放置到所公开实施例中之前可以被引导通过一个或更多个轻水反应堆(LWRs)或其他反应堆。因此，在一个方面中，核废料在用于所公开实施例之前可以部分被嬗变。“嬗变”旨在表示一种过程，其中一个化学元素或同位素通过核反应转变为另一个化学元素或同位素。
[0062] 在一个方面中，可裂变材料层可以包括超铀元素。也被称为铀后元素的超铀元素是具有高于92的原子量的元素。超铀元素的例子包括镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、锔(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、镄(Fm)、钔(Md)、锘(No)、铹(Lr)、鈩(Rf)、钅杜(Db)、钅喜(Sg)、钅波(Bh)、钅黑(Hs)、钅麦(Mt)、钅达(Ds)、錀(Rg)、112号元素、113号元素、114号元素、115号元素、116号元素、118号元素。这些元素可以被称为难裂变TRU核废料，并且剩余可裂变元素可以被称为易裂变元素。
[0063] 在另一个方面中，所公开聚变中子源可以用于减小可裂变材料(例如超铀元素)的放射毒性水平。当在本文中使用时，“放射毒性”表示将放射线物质吸收到生命体中之后的潜在毒性。一般而言，具有较短半衰期的元素是有放射毒性的，例如包括超铀元素的核材2
料。放射性衰变导致剩余质量的总和减小，其根据公式E＝mc 转变为能量(衰变能)。在一些方面中，所述能量是有放射毒性的。
料。放射性衰变导致剩余质量的总和减小，其根据公式E＝mc 转变为能量(衰变能)。在一些方面中，所述能量是有放射毒性的。
[0064] 在其中所公开实施例包括可裂变材料层的一个方面中，本公开实施例可以用于减少可裂变材料层中的可裂变材料(例如超铀元素)的量。在一个方面中，所公开聚变中子可以用于减少可裂变材料层中的核废料产物的量。因此，在一个方面中，聚变中子源可以用于减小所述核废料产物的放射毒性水平。所述可裂变材料的核裂变反应可以将所述可裂变材料嬗变为相对于可裂变材料更稳定的材料或具有比可裂变材料更短的放射性半衰期的材料。
[0065] 所公开实施例可以具有例如如图3中所示的磁几何形状以及线圈和偏滤器构造，图3是由CORSICA TM计算机程序生成的环形反应堆的一段的横截面图。CORSICA TM是由加利福尼亚州利沃莫尔市的Lawrence Livermore国家实验室开发用于模拟磁聚变反应堆中的物理学过程的软件。在该实施例中，堆芯等离子体310可以主要由闭合磁面340约束，其中删削层(SOL)300存在于所述闭合磁面之外。围绕等离子体310的闭合磁面340(即，环形场)由基本穿过环面的中心(由此通过互感器作用在等离子体310中感生电流)的环形场(TF)线圈或导体(未显示)在等离子体310中感生的电流导致，这在本领域中是已知的。SOL 300可以包括开放磁场线(相对于堆芯等离子体的闭合磁面340)。真空室345可以基本上由壁350包围。附加磁场线370可以存在于所述真空室外部。在壁350中或附近的线圈320或载流导体可以用于产生导致开放磁场线的磁场(即，极向场(PF))。如果需要成形和/或控制磁场线，所述线圈320或载流导体可以成形和/或控制所述线，并且产生开放磁场线以用于偏转交叉场通量(或删削通量)，即，从堆芯等离子体310横穿闭合场线340迁移到开放磁场线的粒子。删削通量可以由开放磁场线偏转到偏滤器板330，所述偏滤器板如图3中所示可以可选地相对于从聚变等离子体310发射的中子被屏蔽。由于偏滤器板330离堆芯等离子体310的距离(直线距离)和磁距离(沿着磁场线从堆芯等离子体到偏滤器板的距离)大于在本领域中发现的其他聚变反应堆，因此开放磁场线可以在偏滤器板处进一步扩展，由此减小偏滤器板330上的热集中，并且允许粒子从它离开聚变时直到它到达偏滤器板330的辐射冷却。在该实施例中，可裂变材料层(未显示)可以大体邻近所述等离子体310和/或用于约束所述等离子体的所述真空室345的至少一部分。从本公开将显而易见，可以对该实施例进行各种修改。
[0066] 当在本文中使用时，“用于包含等离子体的容器”可以是与聚变兼容的任何容器，并且不一定限于已知的容器设计。如果存在反应等离子体，用于包含等离子体的容器可以是聚变中子源。用于包含等离子体的容器也可以是托卡马克。应当理解任何所公开部件或实施例可以用于任何用于包含等离子体、聚变等离子体的所公开容器、聚变中子源或托卡马克或从其排热的方法，除非上下文另外清楚地指出。
[0067] 在一个方面中，所公开实施例可以包括围绕中心轴线基本上由壁封闭的环形室，其中所述环形室具有相对于所述中心轴线的内半径和外半径；用于接收来自基本上由磁场包含在所述环形室内的聚变等离子体的废热的偏滤器板，所述偏滤器板具有相对于所述中心轴线的偏滤器半径，并且所述偏滤器半径至少大于或等于环形室的内半径。可裂变材料层可以大体邻近聚变等离子体。
[0068] 当在本文中使用时，“中心轴线”指的是位于一个平面内并且穿过本公开实施例的形心的轴线。在图4中显示了例如围绕中心轴线的容器的一部分。容器410的一部分围绕中心轴线420。向外并且基本垂直于所述中心轴线延伸的空间中的点具有相对于所述中心轴线的半径。例如，所述容器可以具有最靠近所述中心轴线420的内半径430和最远离所述中心轴线420的外半径440。在一个方面中，所述内半径和外半径可以被定义为从基本垂直于所述中心轴线420的假想线延伸并且沿着与所述容器的直径相同的x-y-z平面定位的点。
[0069] 所公开的室可以是适于约束聚变等离子体的任何形状。在一些方面中，所公开的室的至少一部分可以为环形。“环形”表示围绕中心轴线上的点的旋转将是环形旋转。因此，在一个方面中，所公开的室不一定作为整体是环形，而是当围绕中心轴线旋转时所述室内或上的点可以产生环形形状。
[0071] 在一个方面中，所公开的实施例包括改进的偏滤器。当在本文中使用时，“偏滤器”意味着指的是实施例中将来自堆芯等离子体的热、能量和/或粒子偏转到远离堆芯等离子体的期望位置的所有方面。偏滤器的各方面的例子包括但不限于删削层、在其中包含删削通量的开放磁场线和一个或更多个偏滤器板(或偏滤器靶板)和一个或更多个分界面。
[0072] 在一个方面中，所述偏滤器板可以包括适合用于聚变反应堆的任何材料。可以使用已知的现有偏滤器组成物，例如在铜或碳复合材料上的钨或钨复合材料。可以使用的其他材料包括在高热导衬底上的钢合金。
[0073] 在另一个方面中，偏滤器板可以具有相对于中心轴线的偏滤器半径并且所述偏滤器半径可以相对于所公开的实施例中的另一个部件或点位于一个位置。本领域的技术人员将理解，偏滤器半径相对于其他部件(例如等离子体或室壁等)的比率应当包含任何合适的单个半径，并且因此所公开的任何实际偏滤器半径仅仅表示是示例性的并且因而是非限定的。
[0074] 当在本文中使用并且由Rdiv表示时，术语“偏滤器半径”意味着指的是偏滤器板离中心轴线的最远半径距离。
[0075] 在一个方面中，偏滤器板可以具有大于或等于大约环形室的外半径的偏滤器半径。在另一个方面中，偏滤器板可以具有小于或等于大约环形室的外半径的偏滤器半径。在又一个方面中，偏滤器板可以具有大于或等于大约环形室的内半径的偏滤器半径。
[0076] 在一个方面中，偏滤器半径Rdiv与环形室的外半径Rc的比率可以从大约0.2到大约10，或者从大约0.5到大约8，或者从大约1到大约6，或者从大约1到大约5，或者从大约1到大约3，或者从大约1到大约2，或者从大约1到大约1.5。
[0077] 一般而言，可以预见可以使用任何尺寸的实施例。但是，例如所述偏滤器板可以具有大约0.2m、0.5m、1m、1.5m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m或大约10m的半径。在另一个方面中，偏滤器半径可以为大约1.9mm、3.3mm、4m、7.3mm或7.5mm。
[0078] 在一个方面中，偏滤器板可以具有相对于分界面上的X点的偏滤器半径。当在本文中使用时，术语“分界面”指的是开放磁场线和闭合磁面之间的边界，并且X点指的是分界面上极向磁场为零的点。在一个方面中，多个X点存在于所公开的实施例中，并且主等离子体X点指的是邻近所述堆芯等离子体的X点。例如，返回参考图3，主X点被显示为360。主X点的半径通常取决于磁场线的构造。在一个方面中，偏滤器板可以具有大于或等于主X点的半径的长半径。
[0079] 在一个方面中，偏滤器板半径与X点半径的比率Rdiv/RX可以从大约1到大约5，或者从大约1到大约4，或者从大约1到大约3.5，或者从大约1.5到大约3.5。例如，所公开的偏滤器板和所公开的分界面可以具有如表1中列出的半径以及相应比率。
[0080] 表1Rdiv和RX的例子
[0081]
[0082] 在又一个方面中，偏滤器板具有相对于等离子体长半径的偏滤器半径，所述等离子体长半径被定义为从所述中心轴线到所述等离子体中心的距离。例如，偏滤器半径与等离子体长半径(R)的比率Rdiv/R可以从大约0.5到大约10，或者从大约1到大约8，或者从大约1到大约6，或者从大约1到大约5，或者从大约2到大约5，例如包括0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。作为具体的非限定例子，如果等离子体长半径为1m，并且偏滤器半径为2m，则Rdiv/R＝2。
[0083] 在一个方面中，所述偏滤器板可以相对于从堆芯等离子体发射的中子至少部分被屏蔽。在另一个方面中，所述室壁使偏滤器板相对于从所述堆芯等离子体发射的中子至少部分地屏蔽，例如如图3中所示。
[0084] 中子通量被定义为以中子数/cm2-sec计的中子辐射强度的量度。中子通量是在1秒钟内穿过1平方厘米的指定靶的中子的数量。使用本文中所述的偏滤器板的实施例，计算表明与其他偏滤器板设计相比中子通量减小到十分之一以下。
[0085] 不对应于本文中公开的半径的额外的偏滤器板也可以与所公开的偏滤器板组合使用。具体地，已知反应堆设计可以包括偏滤器板，其中偏滤器半径小于室、等离子体长半径、分界面或用于包含聚变等离子体的容器内的另一个部件或点的外半径。这些已知设计在一些方面中可以简单地增加附加的所公开的偏滤器设计。这样的偏滤器的例子包括如本文中所述的标准偏滤器和如Kotschenreuther等人在《物理等离子学》2006年第14卷72502/1-25中题为“有关热负荷、新型偏滤器和聚变反应堆的研究”所述的X偏滤器，该文献由此通过引用完整地合并在本说明书中(在下文中被称为Kotschenreuther)。在图8中显示了X偏滤器的一个示例性实施例，其中大体邻近偏滤器板放置的四个极向场线圈靠近偏滤器板的磁通量膨胀使得从堆芯等离子体流入SOL中的热和等离子体粒子通量落在偏滤器板的较大区域上。
[0086] 参考图3和图4，在一个方面中所公开实施例包括围绕中心轴线420的环形室410。任何点的长半径表示它离中心轴线420的垂直距离。垂直于中心轴线420的方向是径向，并且在包含中心轴线420的任何平面中的方向是极向。环形堆芯等离子体310基本上由大体位于闭合环形磁面上的闭合磁面340约束在环形室145内。环形堆芯等离子体340基本上由与一个或更多个偏滤器板330交叉的开放磁场线300的区域封闭(该区域可以被称为SOL(即，删削层))。被称为分界面的磁面分离堆芯等离子体和SOL并且分界面与偏滤器板330交叉。从堆芯等离子体340横穿分界面流入SOL中的粒子和能量沿着开放磁场线300被引导到偏滤器板330。堆芯等离子体310中的闭合磁面340和SOL中的开放磁场线300都由环形堆芯等离子体310中的电流并由大体邻近环形室145的导体320中的电流产生。堆芯等离子体310和SOL区域一起基本上由壁350包围。垂直于中心轴线420并且穿过堆芯等离子体340中的最大长半径的点的赤道面将环形室145分为上部区域和下部区域。当如图3和4中仅仅显示上部区域时，下部区域基本上关于赤道面是上部区域的镜像。
任何点的长半径是该点离中心轴线的垂直距离。堆芯等离子体340中的离中心轴线420最远(或最近)的点的长半径是外等离子体长半径(或内等离子体长半径)。外等离子体长半径和内等离子体长半径的总和的一半是等离子体长半径，并且外等离子体长半径和内等离子体长半径之间的差值的一半是等离子体短半径。堆芯等离子体340的上部(或下部)区域中最远离赤道面的点是上(或下)峰值点。分界面和偏滤器板330之间的交叉点的最大长半径是外侧偏滤器长半径并且相应偏滤器板是外侧偏滤器板330。沿着开放磁场线从赤道面中分界面外部大约0.5厘米处的点到外侧偏滤器板330的长度是SOL长度，也被称为磁连接长度。
任何点的长半径是该点离中心轴线的垂直距离。堆芯等离子体340中的离中心轴线420最远(或最近)的点的长半径是外等离子体长半径(或内等离子体长半径)。外等离子体长半径和内等离子体长半径的总和的一半是等离子体长半径，并且外等离子体长半径和内等离子体长半径之间的差值的一半是等离子体短半径。堆芯等离子体340的上部(或下部)区域中最远离赤道面的点是上(或下)峰值点。分界面和偏滤器板330之间的交叉点的最大长半径是外侧偏滤器长半径并且相应偏滤器板是外侧偏滤器板330。沿着开放磁场线从赤道面中分界面外部大约0.5厘米处的点到外侧偏滤器板330的长度是SOL长度，也被称为磁连接长度。
[0087] 可裂变材料层可以大体邻近堆芯等离子体310(当存在时)和/或环形室410。可以垂直于中心轴线420并且穿过堆芯等离子体310中的最大长半径的点的赤道面将环形室145分为上部区域和下部区域。堆芯等离子体310中的离中心轴线420最远(或最近)的点的长半径是外等离子体长半径(或内等离子体长半径)。外等离子体长半径和内等离子体长半径的总和的一半是等离子体长半径，并且外等离子体长半径和内等离子体长半径之间的差值的一半是等离子体短半径。堆芯等离子体310的上部(或下部)区域中最远离赤道面的点是上(或下)峰值点。分界面和偏滤器板330之间的交叉点的最大长半径是外侧偏滤器长半径并且相应偏滤器板是外侧偏滤器板330。沿着开放磁场线从赤道面中分界面外部大约0.5厘米处的点到外侧偏滤器板330的长度是SOL长度。
[0088] 滞点被定义为磁场的极向分量为零的任何点。在一个方面中，分界面包含至少一个滞点，所述滞点离赤道面的垂直距离大于等离子体短半径，并且对于至少一个偏滤器板330，外侧偏滤器长半径大于或等于等离子体短半径与最靠近相应偏滤器板330的峰值点的长半径的总和。在一个方面中，该偏滤器板330可以被称为超级X偏滤器或超X偏滤器(SXD)。
[0089] 在一个方面中，大体邻近环形室的载流导体或线圈使偏滤器板处的所述开放磁场线之间的距离相对于在环形室的外半径处的开放磁场线之间的距离扩大，使得通过所述粒子撞击偏滤器板传递到所述偏滤器板的热分布在偏滤器板的扩大区域上。大体邻近环形室145的载流导体320可以在SOL中产生磁通量膨胀，即，减小SOL中的磁场的极向分量。所以，转移到偏滤器板330的能量和粒子可以分布在偏滤器板330的扩大区域上，因此减小入射在偏滤器板330上的能量和粒子的平均和峰值通量，并且可以可选地增加SOL长度。在一个方面中，SOL长度比这样的实例下的SOL长度大两倍，在所述实例中偏滤器板位于相应滞点处并且在垂直于中心轴线的平面中。在另一个方面中，到偏滤器板的SOL长度足够长使得从堆芯等离子体出来的电子在到达所述偏滤器板之前冷却到小于大约40电子伏特(eV)能量的温度。
[0090] 在又一个方面中，靠近偏滤器板330的低等离子体温度允许来自偏滤器板330附近的等离子体的能量辐射增加。在再一个方面中，到偏滤器板330的SOL长度足够长以保持脱靶的等离子体，即，在偏滤器板330和等离子体之间维持温度小于大约5eV的等离子体稳定区域。
[0091] 在一个方面中，泵送能力(即，泵送来自聚变反应的氦灰)可以通过如本文中所述的偏滤器板的实施例增强，原因是偏滤器板的长半径比最近峰值点的长半径大出的量大于等离子体长半径。尽管不希望受到理论限制，该增强可以导致a)偏滤器板附近的中性压力增加，b)从偏滤器到泵的泵送通道长度减小，和/或c)由于所公开偏滤器的更大长半径，泵送管道的最大面积增加。
[0092] 由于如本文中所述的偏滤器板的实施例的更大长半径，诸如锂的液态金属可以在所公开偏滤器上存在或流动，并且在一些方面中可以有效地用于偏滤器板上，原因是在更大长半径处的更低磁场减小了对液态金属的磁流体动力学影响。
[0093] 在一个方面中，堆芯等离子体的纯度可以通过本文中所述的偏滤器板的实施例增加。在不希望受到理论限制的情况下，这可能产生于a)由于更低等离子体温度导致的来自偏滤器板的溅射的减小，b)靠近板的等离子体密度的增加，这可以减小到达堆芯等离子体的溅射物质的量，和/或c)与标准偏滤器相比本公开的偏滤器的长度的增加，这导致溅射更远离堆芯等离子体发生并且在偏滤器板处的溅射可以由环形室的壁或偏滤器板和堆芯等离子体之间的更长SOL距离与堆芯等离子体屏蔽开。
[0094] 应当理解在另一个方面中，偏滤器中的SOL的更长线长度与带有标准偏滤器的装置相比可以允许以下改进中的一个或更多个：a)允许偏滤器板附近的更低等离子体温度，b)允许偏滤器板附近的更高等离子体和中性密度，c)通过SOL中的等离子体生成的或外部驱动的湍流增强热扩散，而且也不会显著增加堆芯等离子体中的湍流，和/或d)以足够快的速率扫掠SXD板上的最高热或粒子通量的区域，使得所产生的热通量的空间和时间再分布减小偏滤器板的峰值温度。
[0095] 在一个方面中，本文中所述的偏滤器板的实施例的使用允许堆芯等离子体中的功率密度显著高于已知的环形等离子体装置。在另一个方面中，堆芯等离子体中的聚变功率密度显著高于已知的环形等离子体装置。例如，如果功率密度被定义为以兆瓦计的堆芯加热功率除以以米计的等离子体长半径(在本文中更详细地描述)的商，则本文中所述的实施例可以产生大约5兆瓦每米或更大的功率密度。当然，在所述实施例的范围内也可以预见更低的功率密度。该高功率密度可以导致足够的热和密集的堆芯等离子体以从等离子体粒子的聚变反应产生大量的中子。
[0096] 应当理解，所公开实施例内对于部件的各种所公开半径可以由工作实施例的实际测量确定。或者备选地，所公开半径可以通过模型确定，例如由CORSICA TM生成的模型确定。因此，在一个方面中，实际实施例可以被推导得到模型，并且各种参数可以由模型确定。
[0097] 在一个方面中，所公开实施例包括等离子体或聚变等离子体，其由相对于聚变等离子体的闭合磁面和开放磁场线基本磁包含在用于包含等离子体的容器、聚变中子源或托卡马克内。所公开堆芯等离子体可以具有长半径和短半径。等离子体的长半径可以是作为整体的等离子体的半径(从中心轴线到等离子体的中心)。短半径可以是等离子体自身的半径，即，从等离子体的中心延伸到所述等离子体的周边的距离。
[0098] 用作等离子体的燃料至少在原则上包括靠近周期表的下端的多数核同位素的组2
合。这样的例子包括但不限于硼、锂、氦和氢以及它们的同位素(例如 H或氘)。下面列出了例如可以在核聚变等离子体内发生的氘和氦的非限制性反应。
合。这样的例子包括但不限于硼、锂、氦和氢以及它们的同位素(例如 H或氘)。下面列出了例如可以在核聚变等离子体内发生的氘和氦的非限制性反应。
[0099] D+D →p+T(氚)+～3MeV，其中p是质子；
[0100] D+D →n+3He+～4MeV，其中n是中子；
[0101] D+T →n+4He+～17MeV；
[0102] D+3He →p+4He+～18MeV；
[0103] 加热燃料以产生所述聚变等离子体和将所述聚变等离子体加热到发生聚变所需的温度的任何已知手段可以与所公开实施例(包括所公开方法)组合。等离子体可以以各种方式生成，其中包括直流放电、射频(RF)放电、微波放电、激光放电或它们的组合。例如可以通过欧姆加热生成和加热等离子体，其中通过使电流通过等离子体来加热等离子体。另一个例子是磁压缩，由此通过依靠约束场的强度的增加来压缩等离子体使它绝热加热，或者通过快速升高磁场使它冲击加热，或者它们的组合。又一个例子是中性束加热，其中高能中性原子的强束可以从位于约束区域外部的中性束源被聚焦和引导到等离子体。
[0104] 可以使用前述加热方案的组合以及其他加热方法。例如，中性束加热可以用于增加磁约束装置(例如托卡马克)中的欧姆加热。其他加热方法包括但不限于通过射频、微波和激光加热。
[0105] 可以使用与本公开实施例兼容的任何尺寸的任何适当形状的等离子体。等离子体形状的论述可以在“ITER”，核聚变的特殊事项(special issue of Nucl Fusion)47(2007)中找到，该文献由此通过引用完整地合并在本说明书。在一个方面中，聚变等离子体的形状可以确定用于包含所述聚变等离子体的容器的期望特定形状。
[0106] 各种因素可以确定期望等离子体尺寸，其中的一个因素是包含时间Δt＝r2/D，其中r是最小等离子体尺度并且D是扩散系数。扩散系数的经典值是 其中ai是离子回转半径并且τie是离子-电子碰撞时间。根据经典扩散系数的扩散被称为经典输送。
[0107] 造成短波长不稳定性的玻姆(Bohm)扩散系数是 其中Ωi是离子回转频率。根据该关系的扩散被称为异常输送。在一些方面中，用于等离子体的玻姆扩散系数可以确定如果希望指定量的等离子体的包含时间长于进行核聚变反应的等离子体的时间，多大的等离子体可以在聚变反应堆中。相反地，提出了这样的反应堆设计，其中经典输送现象至少在理论上是可能的。因此，在一个方面中，一个或更多个所公开实施例可以与包括异常输送和/或经典输送的等离子体兼容。
[0108] 在等离子体的磁约束期间，电离粒子可以由特定形状的磁场约束以保持在限定区域内。这样的约束可以被看作可以使热等离子体与室壁隔离的非物质炉衬。
[0109] 在一个实施例中，可以产生磁场以形成环形或圆环形图，其中磁场线形成嵌套闭合面。因此，在该几何结构中，允许等离子体粒子仅仅通过横穿磁面偏离。在理论上，该扩散是很缓慢的过程，预测其时间以等离子体短半径的平方变化，尽管在实验中已经观察到快得多的交叉扩散图案。
[0110] 为了远离等离子体地引导异常和/或经典交叉磁场粒子输送，横穿所述分界面的来自聚变等离子体的粒子可以通过在所述分界面外部的所述删削层中的所述开放磁场线引导到所述偏滤器板上的等离子体润湿区域。
[0111] 在另一个方面中，所公开实施例可以提供至少一个偏滤器板，其中在至少一个偏滤器板上的等离子体润湿区域Aw增加超过目前已知的聚变中子源设计。在不希望受到理论限制的情况下，在包括一个或更多个偏滤器板的实施例中，偏滤器板上的Aw可以通过B＝0的散度方程限定为
[0112]
[0113] 其中Rsol，Wsol和Asol＝2πRsolWsol是在相应偏滤器板的(外或内)中平面处的删削层(SOL)的半径、宽度和面积，其中θ是偏滤器板和总磁场Bdiv之间的角度，并且下标p(t)表示极向(环形)方向。对于在中平面处的给定Wsol和Bp/Bt，在一个方面中可以通过减小θ来增大Aw。然而，显然工程技术约束会在一些方面中对最小θ作出大约1度的限制，如在“ITER”，核聚变的特殊事项(special issue of Nucl Fusion)47(2007)中概述的ITER设计中所确定的，该文献由此通过引用完整地合并在本说明书中。然而，一些公开的设计包括带有小于大约1度(例如0.9°)的θ的偏滤器板。
[0114] 在一个方面中，所公开实施例可以包括增加偏滤器半径(相对于中心轴线)Rdiv以实现Aw的增加。应当理解增加Rdiv在一个方面中增加了偏滤器板和等离子体中的电流之间的距离，这会使偏滤器对等离子体波动的敏感性低于标准偏滤器。例如，如图17中所示，通过改变等离子体压力(或电流)±5％(同时保持线圈电流和通过壁的通量固定以模拟突然变化)，这使所公开偏滤器板上的外撞击点移动大约±0.05cm(参见图17中标示为dSXD的曲线)，这远远小于在标准偏滤器中产生的大约±2.5cm移动(参见图17中标示为dX的曲线)，这样的小移动是示例性等离子体润湿区域的宽度(大约20cm)的小分数。
[0115] 在一个方面中，来自所述聚变等离子体的粒子可以沿着开放磁场线移动从聚变等离子体到偏滤器板的磁距离，该磁距离大于从聚变等离子体到偏滤器板的径向距离。在又一方面中，粒子在沿着开放磁场线移动所述磁距离到达偏滤器板时冷却。
[0116] 显然Rdiv/Rsol的增加可以在R处通过增加完全沿着偏滤器腿部的极向场来增加删削通量粒子的磁连接长度L。一方面，延长的L可以增加删削层(SOL)中的最大允许功率(Psol)。最大偏滤器辐射分数和交叉场扩散都可以被增强。所公开偏滤器中的更长的L甚至可以在高q11(每单位质量传递的热)恢复显著辐射的能力，相对于标准偏滤器使psol增加大约2倍。更长的线长度可以在相关高上游q11降低板处的等离子体温度。这些结果例如可以使用例如(如Kotschenreuther中所述的)CORSICA TM通过1D-code获得。当等离子体粒子沿着延长的场线流动到偏滤器时，交叉场扩散有效地加宽SOL，导致偏滤器板上的更大等离子体占地面积。在一个方面中，例如可以预期SOL宽度相对于标准偏滤器增加大约1.7。
[0117] 所公开实施例可以用于改善聚变中子源、用于包含聚变等离子体的容器或托卡马克的能力以管理排热问题。在核聚变反应堆的操作期间发生的排热可以与加热功率相关，Ph＝辅助加热功率Paux加上聚变功率Pf的大约20％。例如，目前最大的托卡马克中的两个，欧盟的带有长半径R＝3m的欧洲联合环形加速器(JET)和日本的带有R＝3.4m的JT-60托卡马克，均具有Ph＝120MW，比Pf小大约400-500MW。作为比较，ITER(法国)，一项旨在揭示聚变能量的科学和技术可行性的国际联合研究和开发计划，被设计为Ph～400-720MW，并且Pf～2000-3600MW。在一些方面中，热通量问题的严重性的量度可以作为Ph/R被估计，其中R是等离子体长半径。
[0118] Kotschenreuther等人在通过引用完全合并于的在《物理等离子学》2006年第14卷72502/1-25中题为“有关热负荷、新型偏滤器和聚变反应堆的研究”中详细论述了热通量问题的严重性。具体参考Kotschenreuther的表1和其中提供的数据论述，原因是它适用于本文，其中列出了已知反应堆(包括未来反应堆)的各种Ph/R值。
[0119] 在一个方面中，所公开实施例可以是托卡马克。当在本文中使用时，术语“托卡马克”指的是用于约束等离子体的磁装置。尽管托卡马克通常包括基本轴对称(即，在围绕中心轴线的环形旋转下大致不变)的环形磁场，但是如本文中公开的“托卡马克”并不限于轴对称环形。已知和未知的其他环形设计和形状很可能将与本文中公开的各种实施例兼容。传统托卡马克反应堆的已知环形替换选择是仿星器、球面环形加速器(即，带核苹果形托卡马克)、反向场箍缩反应堆和球形马克。
[0120] 在一个方面中，托卡马克还可以包括大体邻近用于约束堆芯等离子体的室的可裂变材料层。另外，中子反射材料(例如Pb)的护罩可以基本围绕托卡马克，或至少围绕托卡马克的内室。
[0121] 应当理解，在各种实施例中如本文中所述的偏滤器板的几何构造可以适合多数(即使不是全部)已知托卡马克设计，包括预言的未来托卡马克设计。作为一个例子，偏滤器板可以在常常不使用的角部或部分中安装在环形场线圈内部，并且在偏滤器板处出现的任何环形场波纹(磁场线的有害弯曲)可以通过使用例如感生电流使偏滤器板略微变形进行处理。
[0122] 在一个方面中，所公开实施例可以是托卡马克基高功率密度(HPD)装置。例如可以通过减小装置的尺寸，由此增加功率密度来获得所公开装置的高功率密度。在一个方面中，所公开高功率密度实施例可以具有从大约1m到大约5m，或者从大约1m到大约4m，或者从大约1m到大约3m的长半径R。在表2中列出了用于高功率密度装置的参数。参考表1，示例性装置可以具有大约2.2m的长半径和大约2.5的纵横比，其中纵横比被定义为在水平赤道面处的等离子体环面的长/短尺度(等离子体长半径/等离子体短半径＝纵横比)。
[0123] 诸如<>的尖括号表示参数在堆芯等离子体体积上平均的平均值。例如表示堆芯等离子体中的粒子的平均密度。
[0124] 在托卡马克基高功率密度(HPD)装置的所公开实施例中被约束的等离子体的伸长率可以从大约1.5到大约4，或者从大约2到大约3。伸长率测量等离子体短横截面的竖直高度与水平短横截面的比较。该参数示例性地在分界面(即，将闭合等离子体嵌套通量面从横截实体壁的开放面分开的磁面)以及在分界面处在通量的95％处进行测量(在等离子体中心处它可以为零)，其提供等离子体的有用部分的良好量度-最后的5％在某种程度上受到有时在分界面外部而有时在内部的粒子影响。参考表1，示例性高功率密度装置可以具有大约2.4到大约2.7的伸长率。
[0125] 托卡马克基高功率密度(HPD)装置的所公开实施例可以具有从大约10到大约20MA，或者从大约10到大约15MA的环形等离子体总电流(Ip)。应当理解，在实施例的操作期间Ip可以变化。参考表2，例如示例性实施例的Ip可以从12到大约14MA。所公开HPD装置可以具有大约30到大约90％，或者从大约30到大约80％的自生成约束磁场(自举电流分数)。示例性装置例如可以具有从大约40到大约70％的自举分数(表2)。这样的装置中的电流驱动功率例如可以从大约20到大约90MW(例如从大约25到大约60MW，参见表
2)。尽管不希望受到理论限制，在一个方面中，用于D-D聚变和/或离子回旋加速器共振加热(ICRH)的附加功率可以从大约20到大约50MW。例如，用于这些过程的加热可以为大约
40MW(表2)。
2)。尽管不希望受到理论限制，在一个方面中，用于D-D聚变和/或离子回旋加速器共振加热(ICRH)的附加功率可以从大约20到大约50MW。例如，用于这些过程的加热可以为大约
40MW(表2)。
[0126] 如果铜线圈(例如带有大约60％铜的线圈)用于HPD装置，对于示例性装置，线圈相关损耗可以为大约160MW。为这些线圈提供电力的CD电输入例如可以从大约50到大约120MW。普遍认为，在示例性铜线圈处的BT将为大约7T(表2)。
[0127] Ip和其他感生电流(如果存在的话)可以在等离子体中心产生磁场BT，从大约2T(特斯拉)到大约10T，或者从大约2T到大约5T。例如，所公开HPD装置在等离子体中心可以具有大约4.2T的磁通量密度(表2)。体积平均温度可以从大约10到大约20keV，或者从大约10到大约18keV。例如，HPD装置可以具有大约15keV的体积平均温度(表
2)。
2)。
[0128] 所公开HPD装置中的归一化β(βN)可以从大约2到大约8，或者从大约2到大约5。如表中列出的示例性装置可以具有大约3-4.5的βN。当在本文中使用时，归一化β(βN)是等离子体β乘以a·B/I(a＝短半径，B＝中心轴线上的环形磁场，并且I＝等离子体电流)。等离子体β是等离子体压力(所有等离子体粒子上的密度和温度的乘积的总和)与
2
磁场压力(B/2μ0)的比率，并且示例性地为百分之几(％)，所述磁场压力是测量磁场约束等离子体的品质如何的体积积分参数。
2
磁场压力(B/2μ0)的比率，并且示例性地为百分之几(％)，所述磁场压力是测量磁场约束等离子体的品质如何的体积积分参数。
[0129] 参数的峰值是堆芯等离子体中它的最大值与它的体积平均值的比率。
[0130] 所公开HPD装置可以具有高达500MW，或者从大约0MW到大约500MW的聚变功率。如表2中列出的示例性装置可以具有高达大约400MW，或者从大约0MW到大约400MW的聚变功率。当在本文中使用时，聚变功率是由等离子体中的聚变反应生成的总功率(即，不考虑可以通过周围结构中的反应发生的任何能量倍增)。其他功率参数包括α粒子功率，其是聚变核所携带的聚变功率的部分。α功率加上外部加热功率减去辐射功率是等离子体的净加热功率。对于生成高达500MW的聚变功率的等离子体，示例性装置可以具有从大约2到
2
大约3MW/m 的中子壁负荷(表2)。在一个方面中，取决于组成物，等离子体中的杂质可以包括He(例如10％的He)和/或Ar(例如0.25％的Ar)。
2
大约3MW/m 的中子壁负荷(表2)。在一个方面中，取决于组成物，等离子体中的杂质可以包括He(例如10％的He)和/或Ar(例如0.25％的Ar)。
[0131] 参考表2，所公开HPD装置可以具有H89P，其中H89P与ITER89-P相比是从大约2.6到大约2的能量约束提高因数(对于DIII-D反应)。很明显，这样的装置可以具有大约0.1到大约1.9的Q值，该值被定义为聚变功率/输入功率。
[0132] 表2用于示例性托卡马克高功率密度装置的参数
[0133]R长 2.2
纵横比 2.5
伸长率 2.4-2.7
Ip 12-14MA
BT(等离子体中心) 4.2T
1.6×1020
15kev
βN 3-4.5(DIII-D)
峰值p(0)/，n(0)/ 2-2.5，0-1.6
聚变功率 高达400MW
自举分数 40％-70％(DIII-D)
电流驱动功率 25-60MW
用于DD(ICRH？)的其他功率 40MW
H89P因数 2.6-2(DIII-D)
CD η(从反应堆研究标度为n/R) .15
杂质 10％He.25％Ar
聚变功率 300-400MW
线圈相关损耗 160MW
CD电输入 50-120MW
在铜TF线圈处的BT 7T
线圈中的铜分数 60％
电流驱动插座-等离子体效率 50％
中子壁负荷 2-3MW/m2
QXT 1.-1.9
纵横比 2.5
伸长率 2.4-2.7
Ip 12-14MA
BT(等离子体中心) 4.2T
βN 3-4.5(DIII-D)
峰值p(0)/
聚变功率 高达400MW
自举分数 40％-70％(DIII-D)
电流驱动功率 25-60MW
用于DD(ICRH？)的其他功率 40MW
H89P因数 2.6-2(DIII-D)
CD η(从反应堆研究标度为n/R) .15
杂质 10％He.25％Ar
聚变功率 300-400MW
线圈相关损耗 160MW
CD电输入 50-120MW
在铜TF线圈处的BT 7T
线圈中的铜分数 60％
电流驱动插座-等离子体效率 50％
中子壁负荷 2-3MW/m2
QXT 1.-1.9
[0134]
[0135] 应当理解，所公开的托卡马克可以与所公开部件(例如偏滤器板等)、方法、装置和系统组合使用。
[0136] 也公开了嬗变可裂变材料(例如核废料)的方法。在一个方面中，如图5A中的部分流程图所示，一种使用所公开实施例嬗变可裂变材料的方法包括以下步骤：围绕中心轴线在环形室中产生聚变等离子体，所述环形室基本上由壁包围并且具有内半径和外半径，其中聚变等离子体基本上由相对于聚变等离子体的闭合磁场线和开放磁场线包含在所述环形室内，所述磁场线由所述聚变等离子体中感生的电流以及由大体邻近所述环形室的载流导体产生；和将来自聚变等离子体的横穿所述闭合磁面到达所述开放磁场线的粒子引导到偏滤器板，所述滤器板具有大于或等于环形室的外半径的相对于中心轴线的偏滤器半径，所述粒子由所述开放磁场线引导到所述偏滤器板；和将中子从所述堆芯等离子体提供给大体邻近所述堆芯等离子体的至少一部分的核废料可裂变材料层，使得所述核废料可裂变材料经历核裂变反应。
[0137] 如图5B的示例性部分流程图中所示的使用所公开实施例嬗变可裂变材料的另一个方面包括以下步骤：围绕中心轴线在环形室中产生聚变等离子体，所述环形室基本上由壁包围并且具有内半径和外半径，其中聚变等离子体基本上由相对于聚变等离子体的闭合磁场线和开放磁场线包含在所述环形室内，所述磁场线由所述堆芯等离子体中感生的电流以及由大体邻近所述环形室的载流导体产生；和将来自聚变等离子体的横穿所述闭合磁面到达所述开放磁场线的粒子引导到偏滤器板，其中所述滤器板至少部分地相对于从聚变等离子体发射的中子被屏蔽；和将中子从所述堆芯等离子体提供给大体邻近所述堆芯等离子体的至少一部分的核废料可裂变材料层，使得所述核废料可裂变材料经历核裂变反应。
[0138] 在图5C中描述了使用所公开实施例嬗变可裂变材料的另一个方面。在该过程中，围绕中心轴线在环形室中产生环形堆芯等离子体。环形堆芯等离子体基本上由大体位于闭合环形磁面上的磁场线约束在环形室内。磁场线由堆芯等离子体中的电流和大体邻近环形室的载流导体中的电流产生。环形堆芯等离子体基本上由与一个或更多个偏滤器板交叉的开放磁场线的区域封闭。横穿闭合磁面到达所述开放磁场线的粒子从环形堆芯等离子体被引导到一个或更多个偏滤器板。所述一个或更多个偏滤器板中的至少一个被放置在外侧偏滤器长半径处，所述外侧偏滤器长半径大于或等于等离子体短半径与最靠近相应偏滤器板的峰值点的长半径的总和。中子从所述堆芯等离子体被提供给大体邻近所述堆芯等离子体的至少一部分的核废料可裂变材料层，使得所述核废料可裂变材料经历核裂变反应。
[0139] 图5D示出了用于超铀废料的嬗变的两步方法(核燃料循环)。第一步骤在于在相对便宜的热谱反应堆中执行一定量的废料处置。热中子的确减小超铀材料的总量，但是它们并不显著影响重要的少数派超铀材料，包括许多长寿命超铀这些元素对于地质处置是很大的问题。被专门设计用于破坏这些成问题的长寿命超铀的第二步骤利用聚变中子源来提供用于裂变超铀的快中子。在一个方面中，所述聚变中子源是高功率密度中子源，横穿所述高功率密度中子源的表面的中子总功率为大约0.1兆瓦每平方米每秒或更高。在另一个方面中，在执行第二步骤(聚变中子源的使用)之前，第一步骤(涉及热谱反应堆)可以被执行两次或更多次。
[0140] 图5E示出了减少核废料的方法的一个实施例。所述实施例包括步骤502：提供围绕中心轴线由壁包围的第一室。第一室具有相对于所述中心轴线的4米或以下的外半径。在步骤504，将高功率密度中子源包含在第一室内。在一个方面中，高功率密度源是包含堆芯等离子体并且包括至少一个偏滤器板的小型聚变中子源，所述偏滤器板具有的外侧偏滤器长半径大于或等于聚变等离子体短半径与最靠近相应偏滤器板的峰值点的长半径的总和。在一个方面中，小型聚变中子源具有大约5兆瓦/米或更高的总加热功率与堆芯等离子体长半径的比率。此外，在一个方面中高功率密度中子源是带有大约3米或更小的堆芯等离子体长半径的托卡马克。高功率密度中子源的横穿高功率密度中子源的表面的中子的总功率为大约0.1兆瓦每平方米每秒或更高。在步骤506，将一层或更多层的可裂变材料放置在大体邻近第一室的至少一部分的第二室中。也将中子吸收材料和中子反射材料放置在第二室中，使得在步骤508，来自高功率密度中子源的中子促进可裂变材料中的核裂变反应。
[0141] 在一个方面中，可裂变材料的所述至少一部分包括超铀(TRU)元素。
[0142] 在另一个方面中，可裂变材料的至少一部分包括在热谱反应堆中的包括额外燃烧239
循环的预燃烧用于嬗变核反应堆废料中的易裂变元素(例如pU )之后保留的难裂变TRU核废料。关于图5D描述了涉及预燃烧的这种核循环。
循环的预燃烧用于嬗变核反应堆废料中的易裂变元素(例如pU )之后保留的难裂变TRU核废料。关于图5D描述了涉及预燃烧的这种核循环。
[0143] 在又一个方面中，可裂变材料的至少一部分包括在预燃烧将初始核废料减少到其重量与初始核废料的重量相比为大约25％或以下的难裂变TRU核废料之后保留的难裂变TRU核废料。
[0144] 在另一个方面中，可裂变材料的所述至少一部分包括制造低级反应堆燃料的难裂变TRU核废料。低级核燃料不适合于作为诸如轻水反应堆(LWR)的热谱反应堆的燃料或快谱裂变反应堆的稳定操作。
[0145] 从所述高功率密度中子源提供的中子可以减少可裂变材料的量。来自所述高功率密度中子源的中子可以促进可裂变材料中的核裂变反应的速率，以将可裂变材料嬗变为相对于可裂变材料更稳定的材料或具有比初始可裂变材料更短的放射性半衰期的材料。来自高功率密度中子源的中子也可以用于减小可裂变材料的放射毒性水平。
[0146] 在一个方面中，可裂变材料具有第一放射毒性水平并且来自小型聚变中子源的中子增加可裂变材料的核裂变反应的速率，由此将可裂变材料嬗变为具有第二放射毒性水平的材料。通常，第二放射毒性水平将小于第一放射毒性水平。
[0147] 应当理解，所公开方法可以与任何所公开实施例的任何方面组合使用，包括用于包含等离子体的容器、聚变中子源和托卡马克。因此，例如包括所公开步骤的排热的方法可以应用于用于包含聚变等离子体的容器、聚变中子源或托卡马克。
[0148] 例子
[0149] 阐述以下例子从而为本领域的普通技术人员提供如何制造和评价本文中请求保护的化合物、组成物、物品、装置和/或方法的完整公开和描述，并且其应当仅仅是示例性的而不是旨在限制公开。努力保证关于数字(例如量、温度等)的精度，但是允许一些误差和偏差。除非另外指出，部分是以重量计的部分，温度以℃表示或者处于环境温度，并且压力处于或接近大气压。
[0150] 1.稳态超导托卡马克的改进设计
[0151] 图 8 是 基 于 Bora 等 人，Brazilian Journal of Physics Vol.32，no.1，pg.193-216，March 2002的改进，显示了稳态超导托卡马克(SST)的示例性改进设计，上述文献的内容通过引用合并于此。用于SST实施例的各种参数在表3中列出。SST装置可以包括环形室，其中环形室的至少一部分包括石墨固定瓦(graphited-bolted tiles)。稳定器材料也可以用于这样的装置并且例如可以包括铜合金(例如铜锌合金)。示例性SST设计可以具有大约1.1m的等离子体长半径R(其被定义为从中心轴线到等离子体的中心的距离)，和大约0.2m的等离子体短半径a(其被定义为从等离子体的中心到等离子体最厚的等离子体的周边的距离)。如上文中定义的等离子体电流Ip可以为大约220kA，并且由在等离子体中心处的磁场定义的开始环形场BT为大约3特斯拉。这样的装置可以包括大体邻近环形室的可裂变材料层。
[0152] 用于这样的SST设计的等离子体可以具有≤大约1.9的伸长率，和≤大约0.8的三角率，其中三角率指的是从椭圆形等离子体横截面朝着D形等离子体短横截面的扭曲程度的量度。用于约束在SST装置内的等离子体的燃料例如可以包括氢气。等离子体可以由上文中所述的欧姆加热产生和/或加热。可以在SST装置的操作的过程中使用的附加电流包括LHCD或低混合电流驱动，其可以是源自在磁约束等离子体中传播的准静态电波的电流。欧姆加热加上LHCD例如在3.7GHz下可以为1MW。离子回旋加速器共振加热(ICRH)和中子束注射加热(NBI)均可以为大约1MW，其中每个的总和为大约2MW。
[0153] 示例性SST装置可以具有如本文中限定的偏滤器构造，其中偏滤器板相对于装置的部件或方面定位。偏滤器构造可以是双零式的(DN构造)。这样的偏滤器系统例如可以2 2
与大约0.5MW/m 的平均热负荷和大约1MW/m 的峰值热负荷兼容。
与大约0.5MW/m 的平均热负荷和大约1MW/m 的峰值热负荷兼容。
[0154] 对于脉冲实验，放电持续时间(即，外部电流每脉冲施加到装置的时间量)例如可以为大约1000秒。
[0155] 表3用于改进SST设计的参数
[0156]
[0157] 2.包括延长的单一滤器线圈和分离偏滤器线圈的偏滤器设计
[0158] 在图9A中显示了用于示例性设计的CORSICA TM平衡。参考图9A，示例性设计可以包括一个额外极向场(PF)线圈或载流导体710，其可以在环形场(TF)角部中(即，靠近环形场线圈的区域中，在该区域中中子通量显著低于装置的未屏蔽部分)被屏蔽。这样的装置可以包括大体邻近环形室的可裂变材料层。
[0159] 用于该装置的各种参数在表4中列出。表4中列出的B角度是偏滤器板715和总磁场Bdiv之间的角度或θ。B长度是如上文中所述的磁距离或磁线长度。Rdiv是偏滤器半径。最大区域是如上文中所述的偏滤器板上的等离子体润湿区域。体积平均温度由以eV为单位的T表示。表4中列出的T的值是关于峰值操作体积平均温度。也提供了从删削层等离子体模拟计算(SOLPS)得到的结果。
[0160] 参考表4和图9A，用于该实施例的各种参数如下：Rdiv＝4.01m，1°湿润区域＝5.6m2，B长度＝61.8m，B长度增益＝4.0，MA-m比率＝1.62。如图9A中所示，标准偏滤器(SD)(Rdiv＝2.3m)和X偏滤器(XD)(Rdiv＝2.5m)(参见Kotschenreuther)都具有比所公开偏滤器板715(SXD)更小的Rdiv。对于比较例子，表4列出了用于包括当前公开的设计的三种前述偏滤器设计的各种参数。
[0161] 表4用于反应堆设计的标准偏滤器(SD)、
[0162] X偏滤器(XD)和本公开偏滤器(SXD)的实施例的参数
[0163]
[0164] 对于5mm wSOL在z＝0
[0165] 在图9B中显示了用于又一示例性设计的CORSICA TM平衡，其中该设计包括带有两个附加PF线圈(720和730)的偏滤器板。在该例子中，可以通过将单一偏滤器线圈分为两个独立偏滤器线圈获得更多的通量膨胀和更大的线长度。这样的装置可以包括大体邻近环形室的可裂变材料层。
[0166] 用于该装置的各种参数在表5中列出。表5中列出的B角度是偏滤器板740和总磁场Bdiv之间的角度或θ。B长度是如上文中所述的磁距离或磁线长度。Rdiv是偏滤器半径。最大区域是如上文中所述的偏滤器板上的等离子体润湿区域。体积平均温度由以eV为单位的T表示。表中列出的T的值是关于峰值操作体积平均温度。也提供了从删削层等离子体模拟计算(SOLPS)得到的结果。
[0167] 参考表5和图9B，用于该设计的参数如下：Rdiv＝4.04m，1°湿润区域＝5.73m2，B长度＝66.6m，B长度增益＝4.24，MA-m比率＝1.89。与标准偏滤器(SD)和X偏滤器(XD)(参见Kotschenreuther)比较，表5列出了用于该示例性分离式设计的参数。
[0168] 表5用于反应堆设计的标准偏滤器(SD)、
[0169] X偏滤器(XD)和所公开偏滤器740(SXD)的实施例的参数
[0170]
[0171] 对于5mm wSOL在z＝0
[0172] 在图9C中显示了用于另一示例性设计的CORSICA TM平衡，其中有四个额外PF线圈810、820、830和840(其中1个线圈分为4个线圈)。这样的装置可以包括大体邻近环形室的可裂变材料层。
[0173] 用于该装置的各种参数在表4中列出。表4中列出的B角度是偏滤器板850和总磁场Bdiv之间的角度或θ。B长度是如上文中所述的磁距离或磁线长度。Rdiv是偏滤器半径。最大区域是如上文中所述的偏滤器板上的等离子体润湿区域。体积平均温度由以eV为单位的T表示。表4中列出的T的值是关于峰值操作体积平均温度。也提供了从删削层等离子体模拟计算(SOLPS)得到的结果。
[0174] 参考表6和图9C，用于该设计的参数如下：Rdiv＝3.95m 850，1°湿润区域＝2
5.57m，B长度＝73.6m，B长度增益＝4.69，MA-m比率＝1.72。也显而易见，可以通过改变线圈位置获得更大的B长度。也将显而易见，PF线圈的位置可以将SOL引导和/或成形至偏滤器板，并且由此膨胀或减小从SOL出来的粒子通量(热通量)。
5.57m，B长度＝73.6m，B长度增益＝4.69，MA-m比率＝1.72。也显而易见，可以通过改变线圈位置获得更大的B长度。也将显而易见，PF线圈的位置可以将SOL引导和/或成形至偏滤器板，并且由此膨胀或减小从SOL出来的粒子通量(热通量)。
[0175] 表6用于反应堆设计的标准偏滤器(SD)，
[0176] X偏滤器(XD)和公开偏滤器(分为四个偏滤器)的参数
[0177]
[0178] 对于5mm wSOL在z＝0
[0179] 图10显示了例如具有大约7.15m的竖直高度(1030)的示例性聚变反应堆855的横截面，所述聚变反应堆包括可以用于所公开实施例中的部件。这样的装置可以包括大体邻近环形室的可裂变材料层。
[0180] 在该例子中，欧姆加热线圈(OHCs)945用于产生和/或加热被约束等离子体，所述被约束等离子体具有大约2.49m的等离子体长半径920和大约1.42m的等离子体短半径。具有大约1.78m的半径(930)的覆盖层(即，室壁)940从中心轴线延伸，基本封闭等离子体。所示的覆盖层厚度为大约0.5m。
[0181] 环形场(TF)中心柱860邻近中心轴线，具有大约1.2m的半径(1000)，其与TF楔880物理关联，所述TF楔的延伸大约4.35m的最远半径(1020)连接到TF外垂线890，所述TF外垂线的最远半径延伸大约5.72m(1010)。在环形场的周边内部的示例性极向场(PF)线圈870、900和910大体邻近聚变等离子体定位。两个最外层(即，最远离中心轴线)PF线圈之间的距离1040为大约1.0m。
[0182] 在该实施例中，所公开偏滤器板895被显示为大体邻近极向场线圈900。在图10的示例性聚变反应堆中，本领域中已知的标准偏滤器板(SD)950被显示为与本公开的偏滤器(SXD)895比较。如图10中所示的标准偏滤器板950构造可以与本公开的偏滤器板895构造组合使用。应当注意的是，图10中所示的尺度本质上是示例性的并且可以预料，聚变反应堆的尺度或设计的变化也在本发明的各种实施例的范围内。
[0183] 3.未来机器的改进设计
[0184] 使用CORSICA TM(J.A.Crotinger，L.L.LoDestro，L.D.Pearlstein，A.Tarditi，T.A.Casper，E.B.Hooper，LLNL ReportUCRLID-126284，1997，可从NTIS PB2005-102154获得)，可以生成如本文中提供的各种未来机器类型的MHD(磁流体动力学)平衡。在图11中显示了用于铜高功率密度反应堆的计算结果。在图12中显示了用于带有针对TF的小半径构造(具有遥控能力)的超导(SC)SLIM-CS反应堆的计算结果。在图13中显示了用于带有径向大TF线圈的ARIES-AT反应堆(也是SC)的计算结果。对于ARIES设计，显而易见可以使用本公开的偏滤器设计的实施例，其中极向场(PF)线圈在环形场(TF)线圈外部。然而图13中所示的设计使用安装在反应堆中的未使用体积内部的模块化SC(超导)偏滤器线圈，由此允许更大半径偏滤器延伸度。对于图11、10和11中的构造，Rdiv/Rsol的增益分别为2、1.7和2，而线长度分别上升(超过在Kotschenreuther中更详细论述的标准偏滤器)5、3和4倍。这样的装置可以包括大体邻近环形室的可裂变材料层。
[0185] 应当理解的是，通过利用CORSICA TM平衡进行的实验，多种多样的等离子体形状(如上文中定义的纵横比、伸长率、三角率等)可以适合于所公开的实施例。在一些方面中，可以从标准偏滤器设计出发将现有或未来反应堆的设计修改成线圈的数量和净施加功率变化很小的本公开的偏滤器设计，同时保持堆芯等离子体几何形状基本不受影响。因此，在一个方面中，本公开的偏滤器设计可以应用于已知反应堆构造。
[0186] 尽管在特定的法定类别(例如系统法定类别)中描述和要求了本发明的各方面，但是这仅仅是为了方便并且本领域的技术人员将理解，可以在任何法定类别中描述和要求本发明的每个方面。除非另外清楚地指出，本文中阐述的任何方法决不应当被理解为要求以特定顺序执行所述步骤。因此，在方法权利要求在权利要求书或说明书中未具体规定那些步骤应当被限制到特定顺序的情况下，决不应当在任何方面推断顺序。这适用于用于解释的任何可能的非表达基础，包括关于步骤的排列或操作流程的逻辑问题，从语法组织或标点导出的明显含义或说明书中所述的方面的数量或类型。
[0187] 尽管在说明书中公开了本发明的若干方面，但是本发明所属领域的技术人员应当理解，利用前面的描述和附图中提供的教导，将想到本发明的许多修改和其他方面。因此应当理解本发明并不限于上文中公开的特定方面，而是许多修改和其他方面应当包括在附带权利要求的范围内。而且，尽管在本文中以及在下面的权利要求中利用特定术语，但是它们仅仅在普遍和描述意义上被使用，而不是为了限制所述的发明。
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