核聚变反应系统
阅读：740发布：2020-08-20
专利汇可以提供核聚变反应系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 核聚变 反应系统，包括：反应容器； 燃料 注入器，提供至少一种热核燃料；至少一对等离子生成器，邻近于所述反应容器，用于通过施加 电流 使得燃料注入器提供的热核燃料形成指向位于所述反应容器中的汇聚区域的等离子束并且使得所述等离子束箍缩成为闪电，所述等离子生成器控制电流驱动所述闪电在所述汇聚区域碰撞以发生聚变反应。，下面是核聚变反应系统专利的具体信息内容。
1.一种核聚变反应系统，包括：
反应容器；
燃料注入器，提供至少一种热核燃料；
至少两对等离子发生器，邻近于所述反应容器，用于通过施加电流使得燃料注入器提供的热核燃料形成指向位于所述反应容器中的汇聚区域的等离子束并且使得所述等离子束箍缩成为闪电，所述等离子发生器控制电流驱动所述闪电在所述汇聚区域碰撞以发生聚变反应。
2.根据权利要求1所述的核聚变反应系统，其中，
所述等离子发生器施加的电流从等离子束的一端出发，通过等离子束和汇聚区域到达等离子束的另一端形成回路。
3.根据权利要求1所述的核聚变反应系统，进一步包括：
启动导体，具有中空管道的形状，将所述等离子发生器连接到汇聚区域，用于引导等离子束到达汇聚区域，所述启动导体由汽化温度低于4000K的导电材料构成。
4.根据权利要求3所述的核聚变反应系统，其中，
所述启动导体具有的中空部分具有1毫米量级的直径，并且所述启动导体的材料包括铜或石墨。
5.根据权利要求1所述的核聚变反应系统，其中，
所述热核燃料是氘原子数量百分比至少为0.01％的普通水、提纯的海水和去除杂质的海水中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的核聚变反应系统，其中，
当热核燃料包括所述普通水或提纯的海水时，其中的氧原子用作聚变反应的催化剂；
以及
当热核燃料包括去除杂质的海水时，其中的氧原子、Na离子和Cl离子用作聚变反应的催化剂。
7.根据权利要求1所述的核聚变反应系统，进一步包括：
压力装置，与所述等离子体发生器相连接，用于控制进入所述等离子体发生器的热核燃料的流速。
8.根据权利要求2所述的核聚变反应系统，其中，至少一对等离子发生器使得所产生的闪电在所述汇聚区域正面对撞，并从与所述对撞方向不同的方向离开所述反应容器。
9.根据权利要求8所述的核聚变反应系统，其中，
所述反应容器是球形的；
所述等离子发生器包括交流电源，将所述交流电源的端子布置于邻近所述球形反应容器的外表面，使得一对等离子发生器的电源的同相端子相对于球心对称。
10.根据权利要求9所述的核聚变反应系统，其中，
进一步使得每一对等离子发生器的同相端子的连线彼此正交。
11.根据权利要求9或10所述的核聚变反应系统，其中，
调节一对等离子发生器所施加的交流电的相位差和频率，从而实现不同的碰撞效果。
12.根据权利要求2所述的核聚变反应系统，其中，
所述反应容器是球形的；
所述等离子发生器包括直流电源，将所述直流电源的正极端子和负极端子布置于邻近所述球形反应容器的外表面，使得每一个电源的正极端子和负极端子相对于球心对称。
13.根据权利要求8-10和12中任意一项所述的核聚变反应系统，其中，至少在碰撞之前，至少一个等离子束的方向与电流流动的方向相反。
14.根据权利要求13所述的核聚变反应系统，其中，至少在碰撞之前，至少一个等离子束的方向与电流流动的方向相同。
15.根据权利要求1所述 的核聚变反应系统，进一步包括激光点火装置，所述激光点火装置用于在闪电对撞时增加汇聚区域的能量密度，从而引发核聚变反应。
16.根据权利要求1-10和12中任意一项所述的核聚变反应系统，其中，所述核聚变反应系统包括2-108对等离子发生器。
17.根据权利要求16所述的核聚变反应系统，其中，所述核聚变反应系统包括2、3、7、
10、12、15、18、20、24、30、36、72或108对等离子发生器。
18.根据权利要求1所述的核聚变反应系统，其中所述等离子发生器利用直流电源、交流电源、带电粒子入射器以及感应电流方法中的至少一种方法施加电流。
19.根据权利要求1所述的核聚变反应系统，其中所述等离子发生器包括具有端子的电源，多个等离子发生器能够共用电源的端子以形成等离子束。
20.根据权利要求8-10和12中任意一项所述的核聚变反应系统，每束等离子闪电中的等离子束从电源的负极端子沿直线经过汇聚区域流向电源的正极端子并与其他闪电束在汇聚区域实现非正面碰撞，在碰撞后各闪电束继续保持原来的流动方向。
21.根据权利要求1所述的核聚变反应系统，其中所述反应容器为球形、椭球形、圆柱形或方形中的一种。
22.根据权利要求1所述的核聚变反应系统，其中所述反应容器包括至少一个不施加电流的通道，用于：(1)流入冷却液，(2)流出冷却液，(3)流出聚变产物，和/或(4)流出未燃烧的物质。
23.一种核聚变反应系统，包括：
反应容器；
燃料注入器，提供至少一种热核燃料；
至少两对等离子发生器，邻近于所述反应容器布置，所述等离子发生器提供对于所述反应容器的进入通道和离开通道；
其中所述等离子发生器施加电流使得进入的热核燃料生成等离子束，并利用电流驱动所述等离子束通过所述进入通道进入所述反应容器；
所述等离子束由通过电流所产生的磁场力箍缩成闪电，并在所述反应容器的汇聚区域碰撞发生聚变反应，碰撞后的物质携带反应能量从所述离开通道离开所述反应容器。
24.根据权利要求23所述的核聚变反应系统，其中，
所述等离子发生器施加的电流从等离子束的一端出发，通过等离子束和汇聚区域到达等离子束的另一端形成回路。
25.根据权利要求23所述的核聚变反应系统，进一步包括：
启动导体，具有中空管道的形状，所述启动导体用作所述进入通道和离开通道，所述启动导体由汽化温度低于4000K的导电材料构成。
26.根据权利要求23所述的核聚变反应系统，其中，
所述热核燃料是氘原子数量百分比至少为0.01％的普通水、提纯的海水和去除杂质的海水中的至少一种。
27.根据权利要求26所述的核聚变反应系统，其中，
当热核燃料包括所述普通水或提纯的海水时，其中的氧原子用作聚变反应的催化剂；
以及
当热核燃料包括去除杂质的海水时，其中的氧原子、Na离子和Cl离子用作聚变反应的催化剂。
28.根据权利要求23所述的核聚变反应系统，进一步包括：
压力装置，设置于核聚变反应系统的冷却容器之外，用于控制进入所述等离子体发生器的热核燃料的流速。
29.根据权利要求23所述的核聚变反应系统，其中，所述等离子发生器施加电流，使得每一对沿所述进入通道进入的闪电在所述汇聚区域正面对撞，并从与所述进入通道不同的方向沿所述离开通道离开所述反应容器。
30.根据权利要求23所述的核聚变反应系统，其中，
所述等离子发生器包括交流电源，将所述交流电源的端子布置为邻近球形的反应容器的球面并且布置在所述进入通道与离开通道的端部处，使得一对等离子发生器的电源的同相端子相对于球心对称。
31.根据权利要求30所述的核聚变反应系统，其中，
进一步使得每一对等离子发生器的同相端子的连线彼此正交。
32.根据权利要求23所述的核聚变反应系统，其中，
所述等离子发生器包括直流电源，将所述直流电源的正极端子和负极端子布置为邻近球形的反应容器的球面并且布置在所述进入通道与离开通道的端部，使得每一个电源的正极端子和负极端子相对于球心对称。
33.根据权利要求30-32任意一项所述的核聚变反应系统，其中，至少在碰撞之前，至少一个等离子束的方向与电流流动的方向相同。
34.根据权利要求33所述的核聚变反应系统，其中，至少在碰撞之前，至少一个等离子束的方向与电流流动的方向相反。
35.根据权利要求23-32任意一项所述的核聚变反应系统，其中，所述核聚变反应系统包括2-108对等离子发生器。
36.根据权利要求35所述的核聚变反应系统，其中，所述核聚变反应系统包括2、3、7、
10、12、15、18、20、24、30、36、72或108对等离子发生器。
37.根据权利要求23所述的核聚变反应系统，其中所述等离子发生器利用直流电源、交流电源、带电粒子入射器以及感应电流方法中的一个或多个方法施加电流。
38.根据权利要求24所述的核聚变反应系统，其中所述等离子发生器包括具有端子的电源，多个等离子发生器能够共用电源的端子以形成等离子束。
39.根据权利要求38所述的核聚变反应系统，其中所述进入通道的数目不同于离开通道的数目。
40.根据权利要求23所述的核聚变反应系统，还包括非成对布置的等离子发生器，用于生成等离子束并箍缩成闪电，以在所述反应容器的公共汇聚区域与其他闪电汇聚发生聚变反应。
41.根据权利要求23所述的核聚变反应系统，其中所述反应容器为球形、椭球形、圆柱形或方形中的一种。
42.根据权利要求23所述的核聚变反应系统，其中所述反应容器包括至少一个不施加电流的通道，用于：(1)流入冷却液，(2)流出冷却液，(3)流出聚变产物，和/或(4)流出未燃烧的物质。
43.根据权利要求30-32中任意一项所述的核聚变反应系统，每束等离子闪电中的等离子束从电源的负极端子沿直线经过汇聚区域流向电源的正极端子并与其他闪电束在汇聚区域实现非正面碰撞，在碰撞后各闪电束继续保持原来的流动方向。
核聚变反应系统
技术领域
背景技术
[0002] 聚变能由原子聚变反应产生，在自然现象中我们见到的恒星燃烧就是这样的一种反应。在此类聚变反应中，两个轻量的原子核聚合形成一个更重的原子核，同时释放大量的能量。在通常意义上，这种反应可以像蒸汽机一样通过聚变燃料产生能量输出。更多此类的研究集中在如何使用聚变反应产生热能，并驱动蒸汽轮机和发电机产生电能。这个能量转化过程中除了使用热核反应材料作为反应物质外，其他部分同普通的煤电，燃油发电和燃气发电站是相同的。
[0003] 支持聚变反应的基本概念是使两个以上的原子核靠近，通过原子核之间的强相互作用力把它们聚合成一个更大的原子核。两个轻核聚合，会形成一个质量稍小于两个轻核质量之和的原子核（虽然并非总是这样），这个质量差异以能量方式被释放，释放的能量可以用爱因斯坦的质能方程E=mc2描述。如果输入的原子核质量足够重，聚变后的产物会重于反应物的原始质量，即该反应需要输入外来的能量。这个轻重的分界线是元素“铁-56”。大于该原子质量，能量的释放由裂变导致，轻于它，则能量释放通过聚变产生。
[0004] 原子核聚变的产生会受到来自聚变原子核中同性电荷的排斥，特别是原子中质子中正电荷的排斥。为克服这个作为排斥力的“库伦势垒”，必须依赖外部的能量。最简单的方法是加热原子核，此方法的一个附加作用是会让原子中的电子游离出来而让原子只剩下原子核。大部分实验中原子核和电子会同时存在于一个称为“等离子体”的流体中。克服排斥力所需能量的温度是与电荷量相关的一个函数，因此氢作为包含最少电荷的原子可以在最低的温度下发生聚变。氦的原子核有仅次于氢的最小质量，因此从能量角度是最易于产生的聚变产物。因此，大部分聚变反应使用氢的同位素（氕，氘，氚）来形成氦的同位素(氦3或氦4)。
[0005] 人工触发的聚变反应最初的实现是用于核聚变武器中。在一个氢弹中，使用一个裂变弹释放的能量来压缩和加热聚变燃料，并通过启动聚变反应释放大量中子来加强裂变反应几率。第一个基于这种“裂变-聚变-裂变”方式的核弹释放了几乎500倍于早期裂变弹的能量。
[0006] 此后人们开始了试图控制聚变反应的努力。第一个与聚变反应堆相关的专利由英国原子能局(UKAEA)在1946年申请，发明人是George Paget Thomson爵士和Moses Blackman。它第一次研究了箍缩这个概念，并在英国各地进行了箍缩的一些实验。
[0007] 早期的实验后，两个新的方法主导了后续的聚变研究。第一是苏联的托克马克装置，它结合了在普林斯顿大学建立的一种新的称为仿星器(stellarator)的装置和箍缩装置两者的特点,但获得了远超前两者的引人瞩目的结果。到今天为止磁约束的聚变研究都延续了这个方向。在1960年代，惯性约束聚变的概念通过激光装置的引入在美国被发展起来，劳伦斯-利弗莫尔实验室将他们的方向从磁镜转向了激光引发的惯性约束聚变领域。
[0008] 虽然1950年代大家对广泛使用聚变能源很乐观，但今天来看要将聚变作为一种现实可用的能源，在当前的科学理解和技术能力之间仍然有很多障碍。研究虽在稳步推进，但不断出现了新的技术困难。因此至今仍然不明确一个经济可行的聚变电站是否可能。2006年的一份《New Scientist》杂志认为“即便商用聚变是可行的，那也是100年以后的事了”。有趣的是，General Atomics在1970年代出版的一个小册子上断定“到2000年前，一些商用聚变反应堆就会投入运行”。
[0009] 虽然建立了几个采用D-T聚变的托克马克实验装置(TFTR,JET)，但他们不是为了能够从反应堆中获取比消耗的能量更多的热能而建立的。ITER项目是目前最领先的商用聚变能源项目。
[0010] 在2009年1月以及2010年10月在日内瓦举办的IAEA聚变国际会议上宣称一个小型的50MW的托克马克反应堆是可行的。
[0011] 2009年5月30日，美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室(LLNL)——主要作为一个武器实验室——宣布建立了一个高能激光系统，即“国家点火装置”(NIF)。该装置可以将氢原子加热到只有在恒星内部才存在的高温。这个激光装置第一次具备了从惯性约束聚变中获取比启动反应输入能量更多能量的能力。
发明内容
[0014] 根据本公开的核聚变装置，可以实现稳定，连续，清洁，无中子辐射的核聚变，由此提供稳定、安全的能量输出。
[0015] 根据本发明的一方面，提供了一种核聚变反应系统，包括：反应容器；燃料注入器，提供至少一种热核燃料；至少一对等离子生成器，邻近于所述反应容器，用于通过施加电流使得燃料注入器提供的热核燃料形成指向位于所述反应容器中的汇聚区域的等离子束并且使得所述等离子束箍缩成为闪电，所述等离子生成器控制电流驱动所述闪电在所述汇聚区域碰撞以发生聚变反应。
[0016] 根据本发明的另一方面，提供了一种核聚变反应系统，包括：反应容器；燃料注入器，提供至少一种热核燃料；多个等离子生成器，布置在所述反应容器外，所述等离子生成器提供对于所述反应容器的进入通道和离开通道；其中所述等离子生成器施加电流使得进入的热核燃料生成等离子束，并利用电流驱动所述等离子束通过所述进入通道进入所述反应容器；所述等离子束由通过电流所产生的磁场力箍缩成闪电，并在所述反应容器的汇聚区域碰撞发生聚变反应，碰撞后的物质携带反应能量从所述离开通道离开所述反应容器。附图说明
[0017] 将参考附图描述本公开中所涉及的各种实施方式，应当理解，所附的附图仅仅是为了说明目的而给出的，其并不一定是按照比例绘制的。此外，为了不使得本公开的目的变得模糊，一些与本公开目的无关的部件仅仅被简单地示出或者被省略，其中：
[0018] 图1示出了根据本公开的核聚变反应系统的示意图；
[0019] 图2A-2H示出了根据本公开的核聚变反应系统中的等离子发生器的各种可能的实施方式；
[0020] 图3示出了根据本公开的核聚变反应系统的部分构成部件；以及
[0021] 图4示出了作为温度的函数的聚变反应速率。
具体实施方式
[0022] 人们曾经多次进行了用带电离子束汇聚进行聚变的尝试，但无一成功。本公开并不简单使用带电离子束，这是因为带同性电荷的离子之间的斥力使中心区域的汇聚难以实现。而整体中性，像粘胶一样的等离子体更适合汇聚，并能通过闭合电路中的电流直接产生和维持。结果，可以实现类似自然界闪电的微型闪电。将多个高速微型闪电导向同一个区域进行汇聚，通过强烈的热碰撞来引发连续聚变。
[0023] 可维持的连续核聚变每天都在恒星内核的极高压力、温度和密度下发生，这为在地球上设计并测试根据本公开的聚变装置提供了最有价值的信息。离地球最近的是太阳内3
核中发生的聚变。密度高达150g/cm，高过铅的10倍。高密状态下本应是固体的内部因1500万开尔文的高温而处在气态。内核的压力服从气体状态方程与密度和温度相关。核心的极高密度由引力产生，而温度则由聚变反应产生的热量维持。在根据本公开的技术方案中，核聚变的核心不依靠引力，而是通过电流产生的磁场力，迫使两条或两条以上的闪电在公共区域汇聚进行热碰撞，从而达到恒星核心的密度。极端高温则由聚变维持。
核中发生的聚变。密度高达150g/cm，高过铅的10倍。高密状态下本应是固体的内部因1500万开尔文的高温而处在气态。内核的压力服从气体状态方程与密度和温度相关。核心的极高密度由引力产生，而温度则由聚变反应产生的热量维持。在根据本公开的技术方案中，核聚变的核心不依靠引力，而是通过电流产生的磁场力，迫使两条或两条以上的闪电在公共区域汇聚进行热碰撞，从而达到恒星核心的密度。极端高温则由聚变维持。
[0024] 正如上文所述，氢同位素 和 有最小的原子电荷，因此进行聚变的所需温度最低，然而 有放射性因此不是优选的。这使地球上的第一代聚变堆可以用 和 作为理想燃料的组合，其中 是主要的能量来源。基于 和 的燃料可以认为是无穷无尽的——地球上每6400个氢原子中就有一个氘原子，而且在全球范围内都能够获得。如果可以充分利用，那么一加仑海水中的聚变能量大约与300-500加仑的汽油燃烧提供的能量相同。
[0025] 因此，本公开受到太阳中发生核聚变的启发，依据太阳中发生核聚变的原理，试图通过巧妙的方法在地球上实现类似的核聚变系统，从而能够为人类提供无尽的清洁能源。
[0027]
[0028] 第一步进行得非常缓慢，这既是因为在形成氘的过程中氕必须通过隧道效应克服库伦势垒，同时因为这是一种弱相互作用。这里，正电子立即与一个电子发生湮灭，并通过两个gamma射线光子携带出巨大的能量。
[0029] e-+e+→2γ+1.02MeV [1-2]
[0030] 然后，第一步产生的氘与另外一个氢（氕）产生一个氦的同位素氦3.[0031]
[0032] Gamma射线是高能和高频的光子。Gamma射线在从太阳的内核向外行进的过程中被大量原子吸收并重新辐射出来。当gamma射线离开原子时，光子的平均能量被衰减了而热力学第一定律（能量不能无端产生，也不能无端消亡）决定了光子的数量将增加。每个从太阳内核释放的高能gamma射线将变为大量的低能光子被最终从太阳发射出来。
[0033] 当温度处于10-14MK(兆开尔文)时，下面的反应路径会产生氦4：
[0034]
[0035] 结合上面两个反应式并消除其中间产物氕和氦3，导致下面反应式[1-5]：
[0036]
[0037] 太阳中，上述聚变反应路径占86%的频率，剩下的14%是由于温度超过14MK时的其他反应路径。
[0038] 值得注意的是，在太阳中的核聚变反应是不存在中子辐射的。因此，模拟太阳中的核聚变反应的另一个重大的优点在于，将大大减小中子核辐射的概率（中子核辐射是主要对环境和人类造成伤害的核辐射），这将极大地提升核聚变系统的安全性。考虑到近年来的多次核反应系统的泄露事故以及造成的严重后果，根据本公开所提出的核聚变反应无疑在安全性方面也具有极高的价值。
[0039] 由上述式[1-1]至[1-5]可知，在太阳中发生的聚变反应的原料主要是普通氢，而重要的中间产物是氢的同位素氘。因此，在本公开中，提供的反应原料也主要包括普通氢和氘，其中氘在海水与淡水中天然存在，不需要人工合成。当模拟太阳中的环境条件，例如压力、密度、温度时，我们认为提供类似的原料就可以导致太阳中发生的聚变反应。根据本公开的一方面，为了模拟太阳中的环境条件，在反应容器中输入等离子束，通过施加电流使得等离子束坍塌（箍缩）形成闪电。进一步的，控制施加的电流使得闪电的能量密度升高，最终使得至少一对闪电在反应容器中的汇聚区域碰撞，使得碰撞处的能量密度满足发生核聚变反应的条件，进而发生核聚变。核聚变发生后，反应温度由产生的热量维持，进而持续发生聚变反应。由此，本公开提供了一种新的核聚变反应系统，为研究核聚变反应提供了客观条件。
[0040] 在本公开的一些实施例中，根据输入能量与输出能量的关系，可以提供多对闪电，从而增加在汇聚区域处碰撞的能量密度，进而促进核聚变的发生。随着闪电数量的增加，输出能量逐渐将会大于输入能量，此时，根据本公开的核聚变反应系统可以提供净输出能量。
[0041] 在根据本公开的另一些实施例中，可以采用多种等离子发生器的布置方案，从而实现多种闪电碰撞的方式。
[0042] 以下结合附图1讲述根据本公开的具体实施方式。
[0043] 参见附图1，示出了根据本公开实施例的核聚变反应系统100的示意图。核聚变反应系统100包括燃料注入器101、等离子发生器102、可选的激光点火器103、聚变容器104、冷却系统105、发电系统106。需要注意的是，出于清楚和突出本公开要点的目的，在附图1中仅仅是示意性地示出了100的一部分部件，本领域技术人员将会理解，附图1并不是排他性的，图1所示的系统还可以包括其他部件。
[0044] 正如上文所述，燃料注入器101提供用作聚变反应的热核燃料给等离子发生器102。根据本公开的实施例，热核燃料可以是包含原子数量比（即氘原子数量占所有原子数量的比例）为0.01%的氘原子的普通水，其在聚变腔中将变为氧和氢同位素混合的等离子体。在其他具体实施例中，加入重水（D2O）的普通水可用于增强聚变能量。根据上述式[1-1]至[1-5]，尤其是[1-5]，可知重水（氘）的浓度决定了聚变能量产生的程度，越高浓度的重水，意味着越高浓度的氘原子，因此产生越高的能量输出。
[0045] 本领域技术人员知道，在地球上，半重水（HDO），在自然界的海洋中每3200个水分子中就存在1个半重水分子。这意味着6400个氢原子中就有一个氘原子，即，原子质量比为3200分之1。因此，在本公开中，海水即可用作核燃料。当然，为了满足根据本公开的核聚变反应系统的要求，需要对海水进行一定的处理。例如，如下文所述，为了使海水变为等离子束，需要去除海水中的杂质，例如沙粒等大的颗粒，以避免海水堵塞管道或者损伤反应系统。另一方面，如果使用了金属管道，则海水中的盐会腐蚀管道。此时，需要去除海水中的盐。可以使用现有技术中的海水提纯方案。
[0046] 使用普通水或者海水作为聚变原料还具有如下的优点。将应该意识到，氧原子核比氢原子核大得多，因此，当发生聚变时，氢原子核受到能量的激发将会以高速运动，而大体积的氧原子核将会起到阻挡氢原子核逸出的作用，促使氢原子核继续在小的范围内高速运动以与其他氢原子核相互碰撞、发生聚变反应。另一方面，氧原子核的质量远大于氢原子核（是 原子核的16倍， 原子核的8倍），因此，氢原子核和氧原子核的碰撞使得氢原子核被“高速弹开”，这将有助于保持氢原子核的高速热碰撞。换言之，氧原子核将作为阻隔墙约束氢原子核散逸运动，从而起到了聚变反应催化剂的作用。类似的，在使用对海水中的盐具有抗腐蚀性材料制造根据本发明的核聚变系统中的相关部件（例如管道）时，可以仅过滤除去海水中的杂质（例如沙粒等），从而直接使用处理后的海水作为核聚变燃料。此时，海水中广泛存在的Na离子和Cl离子也将起到与氧原子类似的催化剂作用。
[0047] 很显然，本公开并不仅限于上述核燃料。本领域技术人员将会理解，如前文所述，其他各种核燃料或者各种燃料的组合都是可用的，例如，纯重水，重水与普通水的混合水，氘氚混合气体或者氦气。然而，包含氘原子的水和普通海水都是最容易获得的原料，广泛存在于地球上。因此，使用它们作为核燃料是有利的。
[0048] 冷却系统105、发电系统106都可以使用现有技术中的解决方案。例如，冷却系统105可以采用水冷的方式，而发电系统106则可利用核聚变所产生的能量，例如热能，通过水蒸汽推动涡轮发电机转化成电能。这些系统都是现有技术中广泛应用的，加拿大设计生产的CANDU核裂变反应堆便是这样。CANDU核裂变反应堆如今遍布加拿大，韩国，中国（浙江秦山三期工程），罗马尼亚，阿根廷等国家。
[0049] 以下将要参考附图2A-2F详细讲述等离子发生器102。
[0050] 首先讲述等离子发生器102的工作原理。当热核燃料通过燃料注入器进入等离子发生器102时，等离子发生器102可以对其施加足够的电压击穿并将液体形态的水加热转变为高速等离子束。在一些具体实施例中，等离子束在室温条件下启动，如大约300K的温度。由于电力与可选的压力装置110（附图3）的驱动作用，所产生的等离子束的流动具有指向性。例如如图2Ａ所示，箭头Ｐ所示的等离子束随着电力与压力装置的驱动从电源的一个端子喷射到电源的另一个端子。所产生的等离子束具有指向性，使其指向位于反应容器中的汇聚区域。另一方面，等离子生成器施加的电流从等离子束的一端出发，通过等离子束和汇聚区域到达等离子束的另一端形成回路。
[0051] 在闭合电流稳定形成后，即可以较低电压维持。因为焦耳热的产生，等离子束在离开等离子生成器后快速被加热并形成等离子体的闪电。通过沿等离子束中心轴的电流，会形成环绕以闪电形式存在的等离子束的磁场。与自然界中的“瞬间”闪电不同,由于电流可以持续供应,上述核聚变反应容器中等离子束箍缩成为的闪电可以是连续不断的。根据楞次定律，该磁场会形成一个使等离子体向内塌陷的力，使等离子体的密度增加。密度高的等离子体产生更高强度的电磁场，更高的电磁场产生更大的塌陷力，形成一个连锁的反应。这个连锁反应的结果是在等离子体发射器中心线的小区域周围产生一个高速闪电，闪电流向汇聚区域汇聚并最终形成碰撞和穿透。
[0052] 此后，为了使得多个等离子束在汇聚区域的碰撞达到核聚变反应的条件，需要进一步增加电流，以增加汇聚区域碰撞的温度和能量密度，以实现稳定、连续的核聚变反应。关于上述施加电流形成闪电，以及控制电流增加碰撞区域的能量密度的各种相关参数，请参见下文的计算机仿真计算和结果。
[0053] 请参见附图2A，其中示出了等离子发生器102的一种实施方式的示意图。等离子发生器102可以包括电源107，用于对来自燃料注入器101（图2中未示出）的热核燃料施加电流。电源107的端子被布置为邻近于聚变容器104的表面。图2A中示出了6束闪电（L1-L6）在公共汇聚区汇聚、碰撞的情形。然而，如下文所述，只要能够达到足够的能量密度，即使一对闪电相互碰撞，也可以实现聚变反应。附图中的箭头Ｐ代表了等离子束的流动方向，而箭头Ｉ则示意性地表示了施加电流的方向。
[0054] 以闪电L4为例，等离子发生器102在9点钟至3点钟的方向上喷射等离子束。当等离子束从反应容器的一侧到达另一侧（例如如图2A中9点钟方向到3点钟方向所示的）时，电流Ｉ将流过该等离子束，从而形成电流回路。如上所述，所施加的电流将使得等离子束箍缩形成闪电L4，并通过球心附近的汇聚区域。在一个实施例中，电源107是直流电源，并且该直流电源的正极端子和负极端子布置为在反应容器外部并邻近于反应容器，为了使得闪电在位于中心附近的汇聚区域碰撞，使得该直流电源的正极端子和负极端子相对于反应容器（例如球形的反应容器）的中心对称。尽管附图中仅仅示出了一个电源107，然而应当理解，可以对每一个等离子束提供能量以使其形成闪电。在一个实施例中，对每一个等离子束都提供电源，从而使其能够形成闪电。
[0055] 如图2A所示，6束输入闪电在聚变容器104的中心区域（公共汇聚区）碰撞，形成了极高的能量密度。足够的闪电的能量密度将点燃核聚变，一旦聚变发生，则聚变反应的温度由聚变反应所产生的热量维持。而在汇聚碰撞之后，输出闪电L1’-L6’将在电源与输入端可选压力装置的驱动之下离开反应容器。应当理解，经过在中心区域碰撞、聚变反应之后，输出闪电L1’-L6’的能量、密度等都可以不同于相应的输入闪电L1-L6。然而，由于电源与压力装置的驱动作用，输出闪电的方向将由电源与压力装置的布置决定，因此此处仍然以相应的L1’-L6’表示输出闪电。
[0056] 应当理解，可以通过设计等离子体的流动方向和提供电流的方向来实现不同的闪电碰撞方式。
[0057] 在图2A中，等离子束Ｐ的流动方向和电流Ｉ的方向是相同的，这类似于自然界中的正闪电的情形。而图2B示出了另一种实施方式。其中可以看出，电流Ｉ与等离子束Ｐ流动的方向是相反的，相当于自然界中的负闪电的情形。在这种情况下，电子的流动与等离子束流的方向相同。由于负闪电在自然界中产生的几率远高于正闪电，因此相对于附图2A中的实施方式，在有的实施例中图2B中的方案可以更容易地实现。
[0058] 附图2C示出了多对正负闪电汇聚的情况。如图所示，闪电L1是负输入闪电，而闪电L4是正输入闪电。由于正负电荷相吸的原因（例如闪电L1和L4），可以进一步促进正负闪电的碰撞，并且使得聚变反应更加稳定。因此，在本公开的一些实施例中，图2C中的方案可以更容易地实现聚变反应。
[0059] 本公开还提供了不同的闪电碰撞方式。如附图2D所示，其中输入闪电L1与L6正面对撞，输入闪电L2与L5正面对撞以及输入闪电L 3与L4正面对撞，而碰撞后的输出闪电将在电源与可选压力装置的驱动作用下离开反应容器。在一个实施例中，根据电源与可选的压力装置的驱动作用，使得相应两个电源的同相端子的连线彼此正交。在附图2D中，以输入闪电L2与L5为例，相应的两个电源的正端子的连线与负端子的连线彼此正交。这样，当闪电L2与L5分别从3点钟方向和9点钟方向在反应区域正面对撞之后，在电源与压力装置的驱动下，一部分闪电将从12点钟方向离开反应容器，而另一部分将从6点钟方向离开。在该实施例中，两束闪电将正面对撞，并且从与对撞方向正交的方向离开反应容器，在一些实施例中，这将最大程度地利用闪电所携带的动能、最大化碰撞的能量密度，从而使得能够以更低的输入能量达到聚变反应所需要的条件。应当理解，尽管附图中示出了一对闪电正面对撞并且从与对撞方向正交的方向离开，然而本公开并不仅限于此，根据电源与压力装置的布置，输入闪电可以以一定的角度对撞。或者，输入闪电可以正面对撞，并且从与对撞方向不同的方向离开反应容器。例如，从3点和9点对撞的输入闪电可以从1点和7方向离开。在有的实施例中，离开的输出闪电将携带聚变反应所产生的巨大能量并随后被用于产生能量，例如用于发电。
[0060] 附图2E则示出了负闪电正面碰撞的情形，其中等离子方向与电流方向相反。
[0061] 附图2F示出了正闪电与负闪电正面碰撞的情形。在附图2F中，示意性地示出了L2为负闪电而L5为正闪电。由于正负电荷相吸的原因，这可以促进正闪电与负闪电的碰撞，从而使得聚变反应更加稳定、高效。此时，可以理解，由于正负闪电中和，在不施加额外的电流的情况下，在碰撞之后可以不再存在输出闪电，而是产生电中性的输出物质。在有的实施例中，两束正负闪电对撞即可导致聚变反应。
[0062] 本领域技术人员可以自由地设计其他的组合，例如在一个反应系统中同时存在正闪电与正闪电的碰撞，负闪电与负闪电的碰撞以及正闪电与负闪电的碰撞，或者其他任意的组合。另一方面，碰撞的角度可以依据聚变反应的特性而被优化。例如，在一些实施例中，可以采用正面对撞并且从与对撞方向不同的方向离开，如图2D所示。在另一些实施例中，可以从不同角度输入闪电，并在反应容器的中心区域汇聚碰撞，如图2A所示。
[0063] 应当理解，反应容器是三维的。例如，反应容器可以是球形的。然而，为了清楚起见，在附图2A-2F中是以剖面图的形式示出了多对闪电的碰撞。应当理解，当反应容器是球形并且使用n对闪电（在对撞实施例中对应于2n个等离子束，其中n≥1）时，在对撞的情况下，可以将对撞的一对闪电布置为相对于公共汇聚区对称。通常，公共汇聚区位于该球形反应容器的球心处附近，因此可以将一对等离子发生器的相应端子（正/负极端子对应于相应的正/负极端子）布置为在反应容器的外表面上且相对于球心对称，例如如图2D所示。在另外一些实施例中，可以将该2n个等离子束均匀地分布在球体表面上，以使得所形成的闪电在位于球心附近的公共汇聚区汇聚。
[0064] 附图2A-2F所示的各种闪电碰撞的例子可以被视为在通过球形反应容器的球心的一个剖面上、沿着球形反应容器的外面表面布置等离子发生器而实现的，例如在该通过球心的剖面上布置如图2A-2F所示的6束输入闪电（在附图2D-2F中是成对布置的3对输入闪电）。实际上，在工艺允许的范围内，可以在多个通过球心的剖面上在反应容器外表面上如此布置等离子发生器。例如，附图2A-2F各示出了6束输入闪电。可以想象，在球形中可以使用三个通过球心的彼此成60°的剖面，并且在每个剖面上如附图2A-2F所示的均匀布置等离子发生器，由此总共布置3x6=18束等离子束（在相对碰撞的情况下构成9对闪电）。本领域技术人员很容易想到，可以使用数量更多的剖面来布置更多的等离子发生器。例如当使用10个剖面时，每个通过球心的剖面彼此相距18°角。此时，如果在一个剖面上布置6个等离子发生器，如果没有重叠点，那么则有10x6=60个等离子束。可以在每个剖面上布置更多的等离子发生器。如上所述，尽管在附图中为了叙述清楚起见，以均匀的布置讲述了本公开的实施例，然而，本领域技术人员应当理解，不均匀的布置也是可以的，只要能够实现闪电的碰撞并且能够点燃并稳定地维持聚变反应即可。
[0065] 本领域技术人员可以理解，其他数量的剖面和每个剖面布置的等离子发生器都是可以依据实际需求和其他反应参数而改变。例如，这样的布置可能受到工艺条件的约束。例如，当形成闪电时需要施加相当大的电流，因此，各剖面之间的间距和等离子发生器之间的间距应当被合理地设置，以避免大电流/高电压击穿而在相邻等离子发生器之间形成短路。发明人认为，对于直径约为1m的反应容器，在优化结构和绝缘良好的情况下，可以布置600对闪电或者更多。在根据本发明的一些实施例中，可以根据使用目的灵活地设置等离子发生器的数目，例如2-108对。在一些具体实施例中，核聚变反应系统可以包括2、3、7、10、12、
15、18、20、24、30、36、72或108对等离子发生器（或相应数目的等离子束）。尽管在上述附图中分别示出了汇聚和成对碰撞的情况，然而本公开并不仅限于此，可以组合上述汇聚和成对碰撞的情况。例如，在附图2D中可以使用两对闪电碰撞（例如L2和L5以及L3和L4），而闪电L1和L6并不正面对撞，而是汇聚于反应区域（例如通过改变L1和L6的电源布置）。本领域技术人员还可以容易地想到其他的组合方式。此外，尽管上文中结合直流电的情形讲述了形成闪电的实施例，然而，施加交流电也是可行的。例如，如图2E所示，当施加交流电时，可以使得电源的9点钟方向端子与对应电源的3点钟方向端子保持同相，类似的，使得电源的另外两个端子保持同相。这样，在使用交流电并且频率相同的情况下，对撞的闪电将同时实现正负转换。应当理解，上述实施例仅仅是为了说明而举出的例子，实际上，驱动相应闪电的交流电的频率和相位都是可以调节的，例如，可以使得两个电源具有相同的频率以及恒定的相位差。使用交流电可以实现有益的动态冲击效应。在有的实施例中，通过使用频率与相位相同的多对交流电源，可以产生冲击波在汇聚区汇聚碰撞实现聚变燃烧。如果交流电频率为例如60赫兹，这样的聚变燃烧每秒钟可产生60次，形成准连续聚变燃烧。
15、18、20、24、30、36、72或108对等离子发生器（或相应数目的等离子束）。尽管在上述附图中分别示出了汇聚和成对碰撞的情况，然而本公开并不仅限于此，可以组合上述汇聚和成对碰撞的情况。例如，在附图2D中可以使用两对闪电碰撞（例如L2和L5以及L3和L4），而闪电L1和L6并不正面对撞，而是汇聚于反应区域（例如通过改变L1和L6的电源布置）。本领域技术人员还可以容易地想到其他的组合方式。此外，尽管上文中结合直流电的情形讲述了形成闪电的实施例，然而，施加交流电也是可行的。例如，如图2E所示，当施加交流电时，可以使得电源的9点钟方向端子与对应电源的3点钟方向端子保持同相，类似的，使得电源的另外两个端子保持同相。这样，在使用交流电并且频率相同的情况下，对撞的闪电将同时实现正负转换。应当理解，上述实施例仅仅是为了说明而举出的例子，实际上，驱动相应闪电的交流电的频率和相位都是可以调节的，例如，可以使得两个电源具有相同的频率以及恒定的相位差。使用交流电可以实现有益的动态冲击效应。在有的实施例中，通过使用频率与相位相同的多对交流电源，可以产生冲击波在汇聚区汇聚碰撞实现聚变燃烧。如果交流电频率为例如60赫兹，这样的聚变燃烧每秒钟可产生60次，形成准连续聚变燃烧。
[0066] 此外，在一个实施例中，还可以使得多个等离子发生器共享一个电源。图2G示出了图2C中的实施方式的一个变型。这里，示例性地示出了输入闪电L3、L4以及输出闪电L3’和L4’共用一个电源。换言之，在本实施例中，多个等离子发生器所使用的电源可以并联布置。这样的布置可以有效地减少电源的数目。
[0067] 附图2H示出了本公开的另一个变型。在该实施例中，输入闪电的数目可以不同于输出闪电的数目。在附图2H中，输入闪电L3和L4共用一个电源的正极（或者两个电源的正极），而相应的输出闪电只有一个。另一方面，可以使用一个输入闪电，而使得该输入闪电对应于多个输出闪电。在该实施例中，通过使得多个等离子发生器共用的电源的正极或负极端子，可以使得输入闪电的数目不同于输出闪电的数目，例如，输入闪电可以多于或者少于输出闪电的数目。
[0068] 在本公开中，电源107可以是用于提供期望电流的普通直流或交流电源。然而，本公开并不仅限于此。在一个可选实施例中，电源107可以被替换为带电粒子入射器。当等离子发生器注入热核燃料时，带电粒子入射器同时将喷射带电粒子（质子或电子），使得热核燃料（例如水）被迅速加温并随之坍塌形成等离子束。在另一个实施例中，电源107可以采用感应电流的方式施加电流。例如，如图3所示，等离子发生器可以包括导管引导注入的热核燃料，并且可以在导管上施加交流电流，从而使得在导管中流动的导电燃料中产生感应电流，而该感应电流将使得燃料形成等离子束并进而汇聚于聚变容器中心附近发生聚变反应。
[0069] 以下结合附图讲述聚变容器104。在一个实施例中，聚变容器可以是直径约为1米的球形容器，可以由金属材料（比如钢材）制成。如上所述，可以在聚变容器104的表面上开孔，用作热核燃料的进入通道和离开通道。孔的直径例如可以为1mm至10mm，经受电流与压力装置驱动的等离子束通过这些孔进入和离开聚变容器104。开孔后的聚变容器表面可镀上一层非金属绝缘材料（比如陶瓷）。除了绝缘之外，非金属镀层还可具备耐高温，抗腐蚀的性能。
[0070] 聚变容器104可以是球形的。然而，本公开并不局限于此，聚变容器104也可以是椭球形、圆柱形或方形。对于圆柱形或方形的聚变容器104来说，需要考虑等离子发生器102的布置。在一些实施例中，为了聚变反应考虑，希望各闪电与位于中心的反应区域的距离大体上一致，这样的等距布置可保持各对电源的维持电压基本相同。而对于圆柱形或者方形的聚变容器104来说，可以相应地设计等离子发生器102的布置以满足上述条件。
[0071] 另一方面，可以在聚变容器104中布置启动导体108。如图3所示，示意性地示出了一对启动导体108。启动导体108可以具有中空的管道形状，用于将等离子发生器102连接到汇聚区域，并用于将形成的等离子束引导至汇聚区域。在一个实施例中，启动导体从聚变容器104的内表面连接至汇聚区域。启动导体108可以由汽化温度低于4000K的导电材料构成，例如铜或者石墨。
[0072] 这些启动导体用作建立形成等离子束在公共汇聚区域碰撞的初始及边界条件。更具体的，在这些导体上施加电压和电流后，导体可以从汇聚点开始被焦耳热迅速融化和汽化。这使得燃料形成的等离子束迅速变为可以导电的闪电并在公共汇聚区域碰撞和穿透。此外，使用启动导体108的另一个优点在于可以方便地利用中空管道的直径和形状来限定等离子束的初始直径和形状，例如启动导体108可以具有中空圆形的形状，并且具有大约1毫米量级的直径。由于启动导体108的汽化温度低于4000K，因此，当施加足够电流和电压之后，启动导体迅速汽化，因此，在聚变反应发生时，在等离子发生器102中已经不再存在启动导体108。
[0073] 附图3示出了根据本公开的核聚变系统的更多的细节。如图所示，等离子生成器102布置为邻近于聚变反应容器104，用于生成适于发生聚变反应的等离子束。在一个实施例中，可以可选地在冷却剂容器109外布置压力装置110，例如泵。压力装置110用于给热核燃料加压，使其具有一定的初速度并且可以起到防止热核燃料回流的作用。压力装置110也可以决定等离子束的流动方向。热核燃料的初速度可以与施加形成闪电的电流一起作用，用于提供发生核聚变反应的条件。压力装置110的存在可以帮助稳定地提供热核燃料到等离子发生器102。
[0074] 可以在聚变容器104的表面上开孔（未示出），并将启动导体108连接至孔，使得等离子发生器102产生的等离子束通过这些孔作为通道进入或离开聚变容器104。这些进入或离开通道可以用于输入闪电或输出闪电，也可以在一部分通道中不施加电流，用于流入冷却液，流出冷却液，流出聚变产物和/或流出未燃烧的物质。例如，通道还可以用于使得碰撞后的物质（包括闪电或不包括闪电）携带能量离开反应容器。在如图2H所示的实施例中，输入通道的数目可以不同于输出通道的数目，以与相应的等离子发生器的布置相匹配。尽管上文中参考反应区域位于中心区域来讲述了本公开的实施例，然而，本公开并不局限于此。本领域技术人员可以想到，反应区域的位置可以根据等离子发生器的布置、反应容器形状的不同而有所变化，并且在一个反应容器中可以存在发生聚变反应的多个汇聚区域。例如，在反应容器是圆柱形时，可以沿着圆柱形的轴心布置一束闪电，沿着该轴心取多个剖面（与圆柱形的两端平行），并沿着该多个剖面布置多个径向闪电，从而实现多个汇聚区域。
[0075] 附图3中还示意性地示出了核反应系统的其他一些部件。例如包括蒸汽发生器、压力调控器、涡轮等。这些部件可以使用现有技术中已有的技术实现，比如加拿大的CANDU技术，因此本发明在此省略了对它们的详细描述。
[0076] 对于模拟在太阳中发生的核聚变反应，发明人示范性地进行了初步计算机仿真，以对闪电形式的高速等离子体进行模拟。专利实施方可根据自己的具体情况，参照下面的模拟，进行更精确的计算。以下的简化计算机仿真希望达成以下目标：
[0077] 1.确定碰撞中心的温度，压力，密度条件；
[0078] 2.比较这些计算结果与太阳中心的数据；
[0079] 3.计算所需要输入的电能以及输出的聚变能量。
[0080] 一些自然界观察到的闪电的数据被用于这些仿真的输入。下面的数据信息作为计算机仿真的输入：
[0081] 等离子体发射器的内半径R0=0.36mm
[0082] 进入端的水流速度Uwater=1.6m/s
[0083] 进入端的水温Twater=300K
[0084] 进入端的水压p0=0.4053MPa(4ATM)
[0085] 自然界闪电的半径Rlightning in nature=5mm
[0086] 自然界闪电的电流Ilightning in nature=100,000A
[0087] 自然界闪电的速度Vlightning=137km/s
[0088] 闪电初始温度Tinitial=25,000K
[0089] 闪电结束的温度Tf=3,000,000K
[0090] 超级闪电的半径Rf=0.36μm
[0091] 上面假设的等离子体发射器的内半径与一般汽车修理厂使用的等离子体切割器的喷口半径是一致的。闪电的初始温度和闪电半径来自于自然界中观测到的闪电的数据。闪电电流在自然界中通常在30,000-300,000安培之间。普通闪电速度则在自然界观察中处于60-150km/s之间。根据托克马克装置实验的经验，等离子体在百万度高温之上的导电性非常好，只有极少焦耳热引起的电阻。这意味着通过焦耳热增加聚变反应等离子体温度的方法越来越低效。因此闪电的最终温度3,000,000K与该实验是一致的。
[0092] 假设当闪电半径被箍缩到最终的0.36μm后，聚变会在碰撞区域发生。该假设会在以下计算机仿真中验证。
[0094]
[0095] 其中r是与等离子体柱轴心的距离，每单位长度洛仑兹力FA可以如下计算：
[0096]
[0097] 另一方面，每单位长度的压力计算为：
[0098] PL=2πR0p0 [2-3]
[0099] 洛仑兹力与内部压力形成平衡，即：
[0100]
[0101] 解上述方程得到需要的电流：
[0102]
[0103] 即需要1817A的电流将气态/等离子体柱箍缩到一束闪电。
[0104] 参考等式[2-4],闪电形成后的半径大小Rbolt是正比于所施加的电流。因此闪电半径Rbolt可以从自然界闪电数据按比例计算得到。
[0105]
[0106] 沿用等式[2-4]的推导，为形成后的闪电建立类似的等式：
[0107]
[0108] 求解等式[2-7]中的闪电的压力pbolt,我们有：
[0109]
[0110] 闪电的密度可以使用气体状态方程计算获得，即：
[0111]
[0112] R’是理想气体常数，M是水汽形成的等离子体的摩尔质量。求解等式[2-9]得到闪电密度：
[0113]
[0114] 普通水在等离子态的摩尔质量为0.006kg/mol，而重水为0.00667kg/mol。我们在这里使用0.006kg/mol作为普通水，重水或它们混合水的近似。
[0115] 电流产生的磁场力促使气态/等离子体坍塌而形成闪电，这类似于星体演化中的引力坍塌。在引力坍塌的过程中，引力和反向进行平衡的压力随着密度的增加一起增加，最终在温度无法升高的情况下恒星体积不可避免的收缩坍塌。引力坍塌最后由恒星内部发生的聚变反应产生的辐射热维持。
[0116] 闪电的箍缩最终由焦耳热形成的压力抗衡，焦耳热分解水，水汽并使他们瞬间成为等离子态，同时将等离子体的温度迅速增加到25000K。
[0117] 普通闪电的形成对产生连续稳定的聚变反应是必要的但却不够充分。最终，需要更强的电流（远大于1817A）以产生闪电的进一步箍缩。
[0118] 考虑将普通闪电温度从25,000K增加100倍以上到3,000,000K左右形成超强闪电。随着等离子体的压力增加，根据理想气态方程，对应的磁场力也需要增加，根据[2-7]，相应的电流需要从1817A增加到约20000A。
[0119] 现在，维持进口水的速度，如1.6m/s，并假设闪电形成后的速度不会超过假设的137km/s。入口速度1.6m/s到闪电速度137km/s快速变化主要是因为水从液态相变到气态后产生2000倍的体积增加并最终到等离子态的3倍的体积增加导致。相变在闪电达到25,000K下完成。因此，等离子体快速箍缩并导致密度大增，而由于闪电的密度变得越来越高，要加速闪电超过137km/s也变得越来越困难。
[0120] 考虑质量守恒和137km/s作为一束闪电速度的常量，最终闪电的密度计算如下：
[0121]
[0122] 参考等式[2-9],闪电的最终压力计算如下：
[0123]
[0124] 现在，考虑在碰撞中心闪电速度从137km/s变为0而这些动能都转化为温度。因氧原子占据了水分子中的主要质量，137km/s的闪电速度可以作为水形成的等离子混合体中氧原子核平均速度的近似。考虑氢氧原子的热平衡，普通氢原子核的速度可以计算如下：
[0125]
[0126] 将产生的热能与动能建立等式：
[0127]
[0128] 其中k是玻尔兹曼常数，解方程[2-14]得到Tvelocity,
[0129]
[0130] 由于温度代表了等离子体的平均动能，具有可叠加性。此时，将等式[2-15]所计算的超强闪电动能转化的温度与闪电结束的温度Tf相加，可以得到碰撞中心的温度如下：
[0131] Tcenter=Tvelocity+Tf=12×106+3,000,000=15,000,000(°K)[2-16]
[0132] 在由普通水或重水形成的二元等离子体的绝热过程中，从超强闪电到碰撞中心，碰撞中心的压力和密度可以如下计算：
[0133]
[0134]
[0135] 将碰撞中心的温度、压力和密度的计算值与太阳核心的相应数值进行如下对比。该对比显示在碰撞中心的温度，密度和压力条件已经超过了太阳中心发生聚变的条件。即聚变反应可如预计在碰撞中心发生。
[0136]
[0137] 一旦聚变反应启动，可以预计碰撞中心的温度和压力会因聚变产生的热量和辐射而增加，同时，因热膨胀过程而导致在碰撞中心的密度减小。
[0138] 假设通过三对正交，非相干的高速闪电碰撞，在连续稳定聚变产生的热量支持下，碰撞区域的平均温度为100,000,000K。
[0139] 在使用重水情况下，因为有更多电子被释放到氘和氧的混合等离子体中，氧会产生一个增强辐射的副作用。因此，这里假设的100,000,000K小于在托克马克中达到的温度（150,000,000K）。注意此处1.5倍的最大温度差会产生5倍的辐射量的差异（因为辐射量与温度的4次幂成正比）。
[0140] 由于等离子束中氧原子核的质量远大于氢原子核，它们将作为阻隔墙起到约束氢原子核运动，加速聚变反应的催化剂作用。由于氧的催化剂作用，根据本公开的核反应系统可以以更低的温度实现聚变反应并且可以大幅度降低辐射量。
[0141] 每对闪电输入的电能是电压和电流之积。以最高20000A电流以及60V的维持电压，我们得到每对闪电输入的电能：
[0142] Pinput＝3.IfV＝3×20,000×60＝3,600,000(W) [2-19][0143] 碰撞区域的形状近似为一个0.36μm球，根据式[2-11]的结果，该区域的平均密度可以计算得到：
[0144] ρplasmaball=2×3.ρf=6×11,700=70,200(kg/m3) [2-20][0145] 考虑重水，氘核的平均密度可以计算如下：
[0146]
[0147] 而氘核的浓度可以计算如下：
[0148]
[0149] 这样使用聚变反应率公式来计算聚变反应率f：
[0150]
[0151] 其中σ表示聚变反应截面，是对两个原子发生核聚变反应几率的一个度量，是两个原子核相对运动速度v的函数。如果参加反应的原子核有一个速度的分布，例如等离子体中原子核群所服从的热分布，我们可以使用反应截面和速度乘积的分布均值<σv>。此时反应发生率(单位体积，单位时间内发生的聚变反应)是反应物密度的<σv>倍。
[0152] 本领域技术人员所使用的作为温度的函数的聚变反应速率如附图4所示，<σv>在方程[2-23]中在100,000,000K时取10-24。则每秒氘核聚变为氦核的数量等于式[2-23]中计算出的反应率f乘以碰撞核心的体积Vol，其中假定为球形的碰撞核心的体积Vol可以根据超级闪电的半径Rf=0.36μm计算，于是每秒氘核聚变为氦核的数量可以计算如下：
[0153]
[0154] 两个氘原子聚变为一个氦原子释放23.84MeV能量，方程[1-5]。本领域技术人员清楚的是，一个电子伏特（eV）等于1.602×10-19焦耳热量。因此，两个氘原子聚变为一个氦原子释放的能量为：
[0155] Efusion=23.84×106×1.602×10-19=3.82×10-12(J) [2-25][0156] 组合等式[2-24]和[2-25]，使用重水作为聚变燃料形成的聚变能量输出，在3对正交闪电碰撞的情况下，输出功率等于每秒氘核聚变为氦核的数量乘以每个氘原子聚变释放的能量，由于式[2-25]中计算的是两个氘原子聚变为一个氦原子释放的能量，因此此处应当乘以1/2，也即，3对正交闪电碰撞的输出功率可以计算如下：
[0157]
[0158] 使用相同的计算过程，在不同闪电对数的情况下，得到输入的电能和产生聚变能量输出如下表。输入的电能与参与碰撞的闪电对数成线性正比增加，而聚变能量输出则以闪电数量平方的比例增加。这是因为聚变反应率与等离子数量密度的非线性关系决定，而等离子数量密度与汇聚闪电对数是成线性关系的。
[0159]
[0160] 表1
[0161] 假设典型的能量转换效率为30%，使用600对闪电，净能量输出为：
[0162] Pnet=(720+37490.79)×30%-720=10740(MW) [2-27][0163] 该净能量输出差不多等于18个典型的CANDU裂变堆(每个600MW)的输出。
[0164] 从上述表1可以看出，考虑到30%的能量转换效率，在输入闪电达到36对时，计算机仿真的结果给出了正能量输出。换言之，当使用36对输入闪电时，根据本公开的核聚变反应系统给出了大于输入能量的输出能量，从而实现了正输入。
[0165] 本领域技术人员应当理解，计算机仿真仅仅是对真实世界的模拟，其必定与真实发生的核聚变反应存在一定的偏差，例如计算机仿真通常会合理的保守。比如，在上述计算机仿真中并没有考虑等离子束中氧原子的有益的催化剂作用，实际上，发明人认为，实现能量正输出所需的闪电对数可以远低于36对。故此，本公开并不意在以上述计算机仿真所得到的数据来约束基于本公开所得到的任何权利。
[0166] 由此可见，本公开的核聚变系统不仅仅提供了一种新的核聚变反应的方式，为研究核聚变反应提供了良好的试验对象，而且还具有光明的商业前景。如上所述，根据本公开的核聚变系统，具有安全性高、原料易于获得且制备方便等显著的优点。
[0167] 尽管参考附图公开了多个实施例，然而这些实施例中所包含的特征在不违背本发明精神和主旨的情况下可以合理的相互组合。限于篇幅，本发明无法详尽地公开所有实施例的所有可能的组合方式，然而，根据上述详细的说明并且结合本公开所教导的精神，本领域技术人员能够实现各种实施例的组合。例如，附图2A-2H中的等离子发生器的布置方式均可以与压力装置组合和/或激光点火装置组合等等。
[0168] 以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
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