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等离子体约束系统及使用方法

阅读:340发布:2022-11-07

专利汇可以提供等离子体约束系统及使用方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且示例性的 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。,下面是等离子体约束系统及使用方法专利的具体信息内容。

1.一种等离子体约束系统,包括:
内部电极,其具有设置在所述等离子体约束系统的纵轴线上的圆形第一端部;和外部电极,其至少部分围绕所述内部电极,所述外部电极包括:
固体导电壳;和
导电材料,其设置在所述固体导电壳上以及在所述等离子体约束系统的所述纵轴线上,其中所述导电材料在1个大气压下的熔点在170℃至800℃的范围内。
2.根据权利要求1所述的等离子体约束系统,其中所述导电材料的熔点在180℃至550℃的范围内。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括进给机构,所述进给机构配置成沿着所述纵轴线移动所述内部电极。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括冷却系统,所述冷却系统配置成在所述等离子体约束系统的操作期间冷却所述内部电极。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括一个或多个气体端口,所述气体端口配置成将气体引导至在径向上处于所述内部电极和所述外部电极之间的加速区域中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括电源,所述电源配置成在所述内部电极和所述外部电极之间施加电压
7.根据权利要求5至6中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述加速区域具有大致环形的截面。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述内部电极包括大致圆柱形的主体。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述外部电极包括第一端部和相对的第二端部,其中所述内部电极的所述圆形第一端部在所述外部电极的所述第一端部与所述外部电极的所述第二端部之间。
10.根据权利要求9所述的等离子体约束系统,其还包括在所述外部电极内的位于所述内部电极的所述圆形第一端部与所述外部电极的所述第一端部之间的组装区域。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的等离子体约束系统,所述内部电极包括与所述内部电极的所述圆形第一端部相对的第二端部,其中所述内部电极的所述第二端部大致呈盘状。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述外部电极包括大致圆柱形的主体。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述外部电极的所述第一端部呈大致盘状。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述外部电极的所述第二端部呈大致环形。
15.根据权利要求5至14中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述一个或多个气体端口沿轴向定位在所述内部电极的所述圆形第一端部与所述内部电极的所述第二端部之间。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括:
气体源;和
一个或多个调节器,其配置成控制来自所述气体源的气流通过相应的一个或多个第一气体端口。
17.根据权利要求16所述的等离子体约束系统,其中所述气体源包含氚、氘、氦-3、氢、或硼烷中的一种或多种。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括至少部分地围绕所述内部电极和所述外部电极的真空室。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述导电材料包括锂、铅或中的一种或多种。
20.根据权利要求19所述的等离子体约束系统,其中所述导电材料包括锂、铅或锡中的一种或多种的共晶。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述等离子体约束系统配置成在所述内部电极的所述圆形第一端部与设置在所述等离子体约束系统的所述纵轴线上的所述导电材料之间维持Z箍缩等离子体。
22.根据权利要求21所述的等离子体约束系统,其中所述Z箍缩等离子体具有在径向方向上变化的轴向流。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述固体导电壳包括:
固体导电外壳;和
固体内壳,其设置在所述固体导电外壳内并与所述固体导电外壳接触
24.根据权利要求23所述的等离子体约束系统,其中所述固体内壳包括:
轴向壁,其至少部分地环绕所述等离子体约束系统的所述纵轴线;和
径向壁,其将所述轴向壁耦接至所述固体导电外壳。
25.根据权利要求24所述的等离子体约束系统,其中所述径向壁和所述外部电极的所述第一端部形成池区域,所述等离子体约束系统还包括:
热交换器;和
第一端口,其配置成将所述导电材料从所述热交换器引导至所述池区域中。
26.根据权利要求25所述的等离子体约束系统,所述等离子体约束系统还包括第二端口,所述第二端口配置成将所述导电材料从所述池区域引导至所述热交换器。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括送系统,所述泵送系统配置成当所述导电材料处于液体状态时使所述导电材料循环经过所述外部电极。
28.根据权利要求27所述的等离子体约束系统,其中所述泵送系统配置成使所述导电材料循环,使得所述导电材料的运动包括相对于所述等离子体约束系统的所述纵轴线的方位分量或轴向分量中的一者或多者。
29.根据权利要求24至26中任一项所述的等离子体约束系统,所述轴向壁包括面对所述外部电极的所述第二端部的端部,所述等离子体约束系统还包括:
第一泵,其配置成将所述导电材料从所述池区域移动到在所述轴向壁外侧并且通过所述径向壁与所述池区域分开的区域。
30.根据权利要求29所述的等离子体约束系统,所述第一泵还配置成使所述导电材料移动经过所述轴向壁的所述端部到达所述轴向壁内侧的区域。
31.根据权利要求29至30中任一项所述的等离子体约束系统,所述等离子体约束系统还包括:
第二泵,其配置成将所述导电材料从所述池区域移动到在所述轴向壁外侧并且通过所述径向壁与所述池区域分开的区域。
32.根据权利要求1至31中任一项所述的等离子体约束系统,所述内部电极的所述第一端部由石墨纤维形成。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的等离子体约束系统,所述内部电极具有涂层,所述涂层包含导电材料,所述导电材料在1个大气压下的熔点在180℃至800℃的范围内。
34.一种用于操作等离子体约束系统的方法,所述等离子体约束系统包括具有设置在所述等离子体约束系统的纵轴线上的圆形第一端部的内部电极和至少部分地围绕所述内部电极的外部电极,所述方法包括:
使气体流入所述等离子体约束系统;
经由电源在所述内部电极和所述外部电极之间施加电压,从而将至少一部分所述气体转换为Z箍缩等离子体,所述Z箍缩等离子体在(i)设置在所述外部电极的固体导电壳上以及在所述等离子体约束系统的所述纵轴线上的导电材料和(ii)所述内部电极的所述圆形第一端部之间流动,其中所述导电材料在1个大气压下的熔点在170℃至800℃的范围内;以及
将所述导电材料的第一液体部分移出所述等离子体约束系统,其中所述导电材料的所述第一液体部分经由所述Z箍缩等离子体的反应产物进行加热。
35.根据权利要求34所述的方法,其中所述导电材料的熔点在180℃至550℃的范围内。
36.根据权利要求34至35中任一项所述的方法,其还包括操作进给机构以使所述内部电极沿着所述纵轴线移动。
37.根据权利要求34至36中任一项所述的方法,其还包括在所述等离子体约束系统的操作期间操作冷却系统以冷却所述内部电极。
38.根据权利要求34所述的方法,其中所述气体包括氚、氘、氦-3、氢、硼或硼烷中的一种或多种。
39.根据权利要求34至38中任一项所述的方法,其中所述导电材料包括锂、铅或锡中的一种或多种。
40.根据权利要求34至39中任一项所述的方法,其中所述导电材料包括锂、铅或锡中的一种或多种的共晶。
41.根据权利要求34至40中任一项所述的方法,其中所述固体导电壳包括:
固体导电外壳;和
固体内壳,其设置在所述固体导电外壳内并与所述固体导电外壳接触。
42.根据权利要求41所述的方法,其中所述固体内壳包括:
轴向壁,其至少部分地环绕所述等离子体约束系统的所述纵轴线;和
径向壁,其将所述轴向壁耦接至所述固体导电外壳。
43.根据权利要求42所述的方法,其中所述径向壁和所述外部电极的第一端部形成池区域,所述方法还包括:
经由所述等离子体约束系统的第一端口将所述导电材料的第二液体部分从热交换器移动至所述池区域中。
44.根据权利要求43所述的方法,其中将所述导电材料的所述第一液体部分移出所述等离子体约束系统包括:
经由所述等离子体约束系统的第二端口将所述导电材料的所述第一液体部分从所述池区域移动至所述热交换器。
45.根据权利要求34至44中任一项所述的方法,其还包括使所述导电材料移动经过所述外部电极,其中移动经过所述外部电极的所述导电材料处于液体状态。
46.根据权利要求45所述的方法,其中使所述导电材料移动经过所述外部电极包括:移动所述导电材料,使得所述导电材料的运动包括相对于所述等离子体约束系统的所述纵轴线的方位角分量或轴向分量中的一者或多者。
47.根据权利要求42至46中任一项所述的方法,所述轴向壁包括面对所述外部电极的第二端部的端部,所述方法还包括:
经由第一泵将所述导电材料从所述池区域移动到在所述轴向壁外侧并且通过所述径向壁与所述池区域分开的区域。
48.根据权利要求47所述的方法,其还包括使所述导电材料移动经过所述轴向壁的所述端部到达所述轴向壁内侧的区域。
49.根据权利要求34至48中任一项所述的方法,其还包括:
经由第二泵将所述导电材料从所述池区域移动到在所述轴向壁外侧并且通过所述径向壁与所述池区域分开的所述区域。
50.根据权利要求34至49中任一项所述的方法,所述内部电极的所述第一端部由石墨或碳纤维形成。
51.根据权利要求34至50中任一项所述的方法,所述内部电极具有涂层,所述涂层包含导电材料,所述导电材料在1个大气压下的熔点在180℃至800℃的范围内。
52.根据权利要求51所述的方法,其中使所述气体流动包括使所述气体流动通过一个或多个气体端口进入在径向上处于所述内部电极和所述外部电极之间的加速区域中。
53.根据权利要求34至52中任一项所述的方法,其中所述内部电极包括大致圆柱形的主体。
54.根据权利要求34至53中任一项所述的方法,所述内部电极的所述圆形第一端部在所述外部电极的第一端部和所述外部电极的第二相对端部之间。
55.根据权利要求34至54中任一项所述的方法,其中所述外部电极的所述第一端部呈大致盘状。
56.根据权利要求34至55中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体在所述外部电极内的位于所述内部电极的所述圆形第一端部与所述外部电极的所述第一端部之间的组装区域中流动。
57.根据权利要求34至56中任一项所述的方法,其中所述外部电极包括大致圆柱形的主体。
58.根据权利要求52至57中任一项所述的方法,其中所述一个或多个气体端口轴向地定位在所述内部电极的所述第一端部与所述内部电极的所述第二端部之间。
59.根据权利要求34至58中任一项所述的方法,其中在经由所述电源在所述内部电极和所述外部电极之间施加电压之前,使所述气体流动导致与所述一个或多个第一气体端口相邻的气体压在1000托至5800托的范围内。
60.根据权利要求59所述的方法,其中与所述一个或多个第一气体端口相邻的所述气体压力在5450托至5550托的范围内。
61.根据权利要求52至60中任一项所述的方法,其中在经由所述电源在所述内部电极与所述外部电极之间施加所述电压之前,所述加速区域内的气体压力在1000托至5800托的范围内。
62.根据权利要求61所述的方法,其中所述加速区域内的所述气体压力在5450托至
5550托的范围内。
63.根据权利要求34至62中任一项所述的方法,其中施加在所述内部电极与所述外部电极之间的所述电压在2kV至30kV的范围内。
64.根据权利要求34至63中任一项所述的方法,其中施加在所述内部电极与所述外部电极之间的所述电压导致在30kV/m至500kV/m的范围内的径向电场
65.根据权利要求34至64中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体具有0.1mm与
5mm之间的半径。
66.根据权利要求34至65中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体具有900eV与
50,000eV之间的离子温度和高于500eV的电子温度。
67.根据权利要求34至60中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体具有大于1×
1023离子/m3的离子数密度或大于1×1023电子/m3的电子数密度。
68.根据权利要求34至67中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体表现出剪切流动。
69.根据权利要求34至68中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体表现出超过8T的磁场
70.根据权利要求34至69中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体表现出至少10μs的稳定性
71.根据权利要求34至70中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体的所述反应产物包括中子
72.根据权利要求34至71中任一项所述的方法,其还包括消耗所述反应产物和一部分所述导电材料以产生氚。
73.根据权利要求72所述的方法,其还包括从所述导电材料中回收所产生的氚。
74.根据权利要求34至73中任一项所述的方法,其还包括经由所述导电材料捕获所述等离子体约束系统内的蒸气。
75.根据权利要求43至74中任一项所述的方法,其还包括通过调节其中所述导电材料从所述热交换器移动到所述池区域的速率或通过调节其中所述导电材料从所述池区域移动到所述热交换器的速率来控制所述固体导电壳上的所述导电材料的厚度。
76.一种等离子体约束系统,其包括:
内部电极;
中间电极,其至少部分地围绕所述内部电极;和
外部电极,其至少部分地围绕所述中间电极,所述外部电极包括:
固体导电壳;和
导电材料,其设置在所述固体导电壳上,其中所述导电材料在1个大气压下的熔点在
180℃至800℃的范围内。
77.根据权利要求76所述的等离子体约束系统,其中所述导电材料的熔点在180℃至
550℃的范围内。
78.根据权利要求76至77中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括进给机构,所述进给机构配置成沿着所述纵轴线移动所述内部电极。
79.根据权利要求76至78中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括冷却系统,所述冷却系统配置成在所述等离子体约束系统的操作期间冷却所述内部电极。
80.根据权利要求76所述的等离子体约束系统,其还包括一个或多个气体端口,所述气体端口配置成将气体引导至在所述内部电极和所述中间电极之间的加速区域中。
81.根据权利要求76至80中任一项所述的等离子体约束系统,所述内部电极具有第一端部,所述第一端部至少部分地被所述外部电极围绕。
82.根据权利要求81所述的等离子体约束系统,其中所述内部电极的所述第一端部是圆形的。
83.根据权利要求76至82中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述导电材料设置在所述等离子体约束系统的纵轴线上。
84.根据权利要求76至83中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括:
第一电源,其配置成在所述内部电极与所述中间电极之间施加电压;和
第二电源,其配置成在所述内部电极与所述外部电极之间施加电压。
85.根据权利要求84所述的等离子体约束系统,其中所述加速区域具有大致环形的截面。
86.根据权利要求76至85中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述内部电极包括大致圆柱形的主体。
87.根据权利要求76至77中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述外部电极包括第一端部和相对的第二端部。
88.根据权利要求87所述的等离子体约束系统,其中所述内部电极的所述第一端部在所述外部电极的所述第一端部与所述外部电极的所述第二端部之间,并且所述内部电极还包括与所述内部电极的所述第一端部相对的第二端部。
89.根据权利要求87至88中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述中间电极包括(a)在所述外部电极的所述第一端部与所述外部电极的所述第二端部之间的第一端部以及(b)相对的第二端部。
90.根据权利要求76至89中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述中间电极的所述第一端部呈大致环形。
91.根据权利要求76至90中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括在所述外部电极内的在所述内部电极的所述第一端部与所述外部电极的所述第一端部之间的组装区域。
92.根据权利要求88至90中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述内部电极的所述第二端部呈大致盘状。
93.根据权利要求89至92中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述中间电极的所述第二端部呈大致环形。
94.根据权利要求76至93中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述外部电极包括大致圆柱形的主体。
95.根据权利要求76至85中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述中间电极包括大致圆柱形的主体。
96.根据权利要求87至95中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述外部电极的所述第一端部呈大致盘状。
97.根据权利要求87至96中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述外部电极的所述第二端部呈大致环形。
98.根据权利要求80至97中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述一个或多个气体端口沿轴向定位在所述内部电极的所述第一端部与所述内部电极的所述第二端部之间。
99.根据权利要求76至98中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括:
气体源;和
一个或多个调节器,其配置成控制来自所述气体源的气流通过相应的一个或多个气体端口。
100.根据权利要求99所述的等离子体约束系统,其中所述气体源包含氚、氘、氦-3、氢、硼或硼烷中的一种或多种。
101.根据权利要求76至100中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括在所述外部电极的所述第二端部与所述中间电极之间的绝缘体。
102.根据权利要求101所述的等离子体约束系统,其中所述绝缘体具有环形截面。
103.根据权利要求89至102中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括在所述中间电极的所述第二端部与所述内部电极之间的第二绝缘体。
104.根据权利要求103所述的等离子体约束系统,其中所述第二绝缘体具有环形截面。
105.根据权利要求76至104中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括至少部分地围绕所述内部电极、所述中间电极和所述外部电极的真空室。
106.根据权利要求76至105中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述导电材料包括锂、铅或锡中的一种或多种。
107.根据权利要求106所述的等离子体约束系统,其中所述导电材料包括锂、铅或锡中的一种或多种的共晶。
108.根据权利要求81至107中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述等离子体约束系统配置成在所述内部电极的所述第一端部与所述导电材料之间维持Z箍缩等离子体。
109.根据权利要求108所述的等离子体约束系统,其中所述等离子体约束系统配置成在所述内部电极的所述第一端部与在所述等离子体约束系统的纵轴线上的所述导电材料之间维持所述Z箍缩等离子体。
110.根据权利要求109所述的等离子体约束系统,其中所述Z箍缩等离子体具有在径向方向上变化的轴向流。
111.根据权利要求76至110中任一项所述的等离子体约束系统,其中所述固体导电壳包括:
固体导电外壳;和
固体内壳,其设置在所述固体导电外壳内并与所述固体导电外壳接触。
112.根据权利要求111所述的等离子体约束系统,其中所述固体内壳包括:
轴向壁,其至少部分地环绕所述等离子体约束系统的所述纵轴线;和
径向壁,其将所述轴向壁耦接至所述固体导电外壳。
113.根据权利要求112所述的等离子体约束系统,其中所述径向壁和所述外部电极的所述第一端部形成池区域,所述等离子体约束系统还包括:
热交换器;和
第一端口,其配置成将所述导电材料从所述热交换器引导至所述池区域中。
114.根据权利要求113所述的等离子体约束系统,所述等离子体约束系统还包括第二端口,所述第二端口配置成将所述导电材料从所述池区域引导至所述热交换器。
115.根据权利要求76至114中任一项所述的等离子体约束系统,其还包括泵送系统,所述泵送系统配置成当所述导电材料处于液体状态时在所述外部电极上循环所述导电材料。
116.根据权利要求115所述的等离子体约束系统,其中所述泵送系统配置成使所述导电材料循环,使得所述导电材料的运动包括相对于所述等离子体约束系统的所述纵轴线的方位角分量或轴向分量中的一者或多者。
117.根据权利要求76至116中任一项所述的等离子体约束系统,所述轴向壁包括面对所述外部电极的所述第二端部的端部,所述等离子体约束系统还包括:
第一泵,其配置成将所述导电材料从所述池区域移动至在所述轴向壁外侧并且通过所述径向壁与所述池区域分开的区域。
118.根据权利要求117所述的等离子体约束系统,所述第一泵还配置成使所述导电材料移动经过所述轴向壁的所述端部到达所述轴向壁内侧的区域。
119.根据权利要求117至118中任一项所述的等离子体约束系统,所述等离子体约束系统还包括:
第二泵,其配置成将所述导电材料从所述池区域移动至在所述轴向壁外侧并且通过所述径向壁与所述池区域分开的区域。
120.根据权利要求76至119中任一项所述的等离子体约束系统,所述内部电极的所述第一端部由石墨或碳纤维形成。
121.根据权利要求76至120中任一项所述的等离子体约束系统,所述内部电极具有涂层,所述涂层包含导电材料,所述导电材料在1个大气压下的熔点在180℃至800℃的范围内。
122.一种用于操作等离子体约束系统的方法,所述等离子体约束系统包括内部电极,至少部分地围绕所述内部电极的中间电极,以及至少部分地围绕所述中间电极的外部电极,所述方法包括:
使气体流入所述内部电极和所述中间电极之间的加速区域;
经由第一电源在所述内部电极和所述中间电极之间施加电压,从而将至少一部分所述气体转换成具有大致环形截面的等离子体,所述等离子体在所述加速区域内轴向地流向所述内部电极的第一端部和所述外部电极的第一端部;
经由第二电源在所述内部电极和所述外部电极之间施加电压以建立Z箍缩等离子体,所述Z箍缩等离子体在(i)设置在所述外部电极的固体导电壳上的导电材料和(ii)所述内部电极的所述第一端部之间流动,其中所述导电材料在1个大气压下的熔点在180℃至800℃的范围内;以及
将所述导电材料的第一液体部分移出所述等离子体约束系统,其中所述导电材料的所述第一液体部分经由所述Z箍缩等离子体的反应产物进行加热。
123.根据权利要求122所述的方法,其中所述导电材料的熔点在180℃至550℃的范围内。
124.根据权利要求122至123中任一项所述的方法,其还包括进给机构,所述进给机构配置成沿着所述纵轴线移动所述内部电极。
125.根据权利要求122至124中任一项所述的方法,其还包括冷却系统,所述冷却系统配置成在所述等离子体约束系统的操作期间冷却所述内部电极。
126.根据权利要求122所述的方法,其中所述内部电极的所述第一端部是圆形的。
127.根据权利要求122至126中任一项所述的方法,其中至少一部分所述导电材料设置在所述等离子体约束系统的纵轴线上。
128.根据权利要求122至127中任一项所述的方法,其中所述加速区域具有大致环形的截面。
129.根据权利要求122至128中任一项所述的方法,其中所述内部电极包括大致圆柱形的主体。
130.根据权利要求122至129中任一项所述的方法,其中所述外部电极包括与所述外部电极的所述第一端部相对的第二端部。
131.根据权利要求130所述的方法,其中所述内部电极包括与所述内部电极的第一端部相对的第二端部。
132.根据权利要求130至131中任一项所述的方法,其中所述中间电极包括(a)在所述外部电极的所述第一端部与所述外部电极的所述第二端部之间的第一端部和(b)相对的第二端部。
133.根据权利要求122至132中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体在所述外部电极内的在所述内部电极的所述第一端部与所述外部电极的所述第一端部之间的组装区域中流动。
134.根据权利要求132至133中任一项所述的方法,其中所述中间电极的所述第一端部呈大致环形。
135.根据权利要求131至134中任一项所述的方法,其中所述内部电极的所述第二端部呈大致盘状。
136.根据权利要求132至135中任一项所述的方法,其中所述中间电极的所述第二端部呈大致环形。
137.根据权利要求122至136中任一项所述的方法,其中所述外部电极包括大致圆柱形的主体。
138.根据权利要求122至137中任一项所述的方法,其中所述中间电极包括大致圆柱形的主体。
139.根据权利要求122至138中任一项所述的方法,其中所述外部电极的所述第一端部呈大致盘状。
140.根据权利要求130至139中任一项所述的方法,其中所述外部电极的所述第二端部呈大致环形。
141.根据权利要求122至140中任一项所述的方法,其中使所述气体流入所述加速区域包括使所述气体流动通过一个或多个第一气体端口,所述第一气体端口沿轴向定位在所述内部电极的所述第一端部与所述内部电极的所述第二端部之间。
142.根据权利要求122至141中任一项所述的方法,其中在经由所述第一电源在所述内部电极和所述中间电极之间施加电压之前,使所述气体流动进入所述加速区域导致与所述一个或多个第一气体端口相邻的气体压力在1000托至5800托的范围内。
143.根据权利要求142所述的方法,其中与所述一个或多个第一气体端口相邻的所述气体压力在5450托至5550托的范围内。
144.根据权利要求122至143中任一项所述的方法,其中在通过所述第一电源在所述内部电极与所述中间电极之间施加所述电压之前,所述加速区域内的气体压力在1000托至
5800托的范围内。
145.根据权利要求144所述的方法,其中所述加速区域内的所述气体压力在5450托至
5550托的范围内。
146.根据权利要求122至145中任一项所述的方法,其中施加在所述内部电极与所述中间电极之间的所述电压在2kV至30kV的范围内。
147.根据权利要求122至146中任一项所述的方法,其中施加在所述内部电极与所述中间电极之间的所述电压导致在30kV/m至500kV/m的范围内的径向电场。
148.根据权利要求122至147中任一项所述的方法,其中施加在所述内部电极与所述外部电极之间的所述电压在2kV至30kV的范围内。
149.根据权利要求122至148中任一项所述的方法,其中施加在所述内部电极与所述外部电极之间的所述电压导致在30kV/m至500kV/m的范围内的径向电场。
150.根据权利要求122至149中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体具有0.1mm与5mm之间的半径。
151.根据权利要求122至150中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体具有900eV与50,000eV之间的离子温度和高于500eV的电子温度。
152.根据权利要求122至151中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体具有大于1×1023离子/m3的离子数密度或大于1×1023电子/m3的电子数密度。
153.根据权利要求122至152中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体表现出剪切流动。
154.根据权利要求122至153中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体表现出超过8T的磁场。
155.根据权利要求122至154中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体表现出至少10μs的稳定性。
156.根据权利要求122至143中任一项所述的方法,其中所述气体包括氚、氘、氦-3、氢、硼或硼烷中的一种或多种。
157.根据权利要求122至156中任一项所述的方法,其中所述导电材料包括锂、铅或锡中的一种或多种。
158.根据权利要求122至157中任一项所述的方法,其中所述导电材料包括锂、铅或锡中的一种或多种的共晶。
159.根据权利要求122至158中任一项所述的方法,其中所述固体导电壳包括:
固体导电外壳;和
固体内壳,其设置在所述固体导电外壳内并与所述固体导电外壳接触。
160.根据权利要求159所述的方法,其中所述固体内壳包括:
轴向壁,其至少部分地环绕所述等离子体约束系统的所述纵轴线;和
径向壁,其将所述轴向壁耦接至所述固体导电外壳。
161.根据权利要求160所述的方法,其中所述径向壁和所述外部电极的第一端部形成池区域,所述方法还包括:
经由所述等离子体约束系统的第一端口将所述导电材料的第二液体部分从热交换器移动至所述池区域中。
162.根据权利要求161所述的方法,其中将所述导电材料的所述第一液体部分移出所述等离子体约束系统包括:
经由所述等离子体约束系统的第二端口将所述导电材料的所述第一液体部分从所述池区域移动至所述热交换器。
163.根据权利要求122至162中任一项所述的方法,其还包括使所述导电材料移动经过所述外部电极,其中移动经过所述外部电极的所述导电材料处于液体状态。
164.根据权利要求163所述的方法,其中使所述导电材料移动经过所述外部电极包括:
移动所述导电材料,使得所述导电材料的运动包括相对于所述等离子体约束系统的所述纵轴线的方位角分量或轴向分量中的一者或多者。
165.根据权利要求160至164中任一项所述的方法,所述轴向壁包括面对所述外部电极的第二端部的端部,所述方法还包括:
经由第一泵将所述导电材料从所述池区域移动到在所述轴向壁外侧并且通过所述径向壁与所述池区域分开的区域。
166.根据权利要求165所述的方法,其还包括使所述导电材料移动经过所述轴向壁的所述端部到达所述轴向壁内侧的区域。
167.根据权利要求122至166中任一项所述的方法,其还包括:
经由第二泵将所述导电材料从所述池区域移动到在所述轴向壁外侧并且通过所述径向壁与所述池区域分开的所述区域。
168.根据权利要求122至167中任一项所述的方法,所述内部电极的所述第一端部由石墨或碳纤维形成。
169.根据权利要求122至156中任一项所述的方法,所述内部电极具有涂层,所述涂层包含导电材料,所述导电材料在1个大气压下的熔点在180℃至800℃的范围内。
170.根据权利要求122至169中任一项所述的方法,其中所述Z箍缩等离子体的所述反应产物包括中子。
171.根据权利要求122至170中任一项所述的方法,其还包括消耗所述反应产物和一部分所述导电材料以产生氚。
172.根据权利要求171所述的方法,其还包括从所述导电材料中回收所产生的氚。
173.根据权利要求122至172中任一项所述的方法,其还包括经由所述导电材料捕获在所述等离子体约束系统内的蒸气。
174.根据权利要求122至173中任一项所述的方法,其还包括通过调节其中所述导电材料从所述热交换器移动到所述池区域的速率或通过调节其中所述导电材料从所述池区域移动到所述热交换器的速率来控制所述固体导电壳上的所述导电材料的厚度。

说明书全文

等离子体约束系统及使用方法

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 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。
[0003] 关于联邦政府赞助的研究或开发的声明
[0004] 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

[0005] 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现有技术,并且不因包括在本部分中而被承认为现有技术。
[0006] 核聚变是组合两个核的过程。当原子序数小于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的强的核力克服反应物核之间的排斥静电力。
[0007] 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。
[0008] 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

[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 当在本文使用术语“大致”或“约”时,意指所述特征、参数或值不需要精确地实现,而是可以以不排除特征旨在提供的效果的量发生偏差或变化,包括例如公差、测量误差、测量精度限制和本领域技术人员已知的其它因素。在本文公开的一些实例中,“大致”或“约”意指在所述值的+/-5%内。
[0014] 通过阅读以下详细描述参考适当的附图,这些以及其它方面、优点和替代方案对于本领域普通技术人员将变得显而易见。此外,应该理解的是,本发明内容以及本文提供的其它描述和附图旨在仅通过实例的方式说明本发明,并且因此可以有许多变化。

附图说明

[0015] 图1是根据示例性实施方式的等离子体约束系统的示意性截面图。
[0016] 图2是根据示例性实施方式的等离子体约束系统的示意性截面图。
[0017] 图3是根据示例性实施方式的用于操作等离子体约束系统的方法的框图
[0018] 图4示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。
[0019] 图5示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。
[0020] 图6示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。
[0021] 图7示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。
[0022] 图8示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。
[0023] 图9示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。
[0024] 图10是根据示例性实施方式的用于操作等离子体约束系统的方法的框图。
[0025] 图11示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。
[0026] 图12示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。
[0027] 图13示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。
[0028] 图14示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。
[0029] 图15示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。
[0030] 图16示出了根据示例性实施方式的等离子体约束系统和操作方法的一些方面。

具体实施方式

[0031] 本文公开了等离子体约束系统及其使用方法的各种实施方式。当与现有系统和方法相比时,所公开的实施方式可以促进增加的等离子体稳定性、更强的剪切等离子体流动、更小的Z箍缩等离子体半径、更高的磁场和/或更高的等离子体温度。一些公开的实施方式也表现出对等离子体加速和等离子体压缩的独立控制。
[0032] 一些所公开的实施方式的附加特征包括一个或多个电极,其上设置有液体电极材料(例如,设置在等离子体约束系统的纵轴线上)。液体电极材料可以吸收和传递来自等离子体放电的热量,提供中子屏蔽,产生附加的氚,提供额外的真空送,以及提供氚回收介质。液体电极材料的使用可以帮助减轻诸如由于等离子体放电的热量引起的(固体)电极损坏的问题。液体电极材料还可以在真空室内循环(例如,经过堰壁),使得液体电极材料使其在真空室内的流动具有方位分量和/或轴向分量。
[0033] 图1是等离子体约束系统100的示意性截面图。等离子体约束系统100包括内部电极102,内部电极具有圆形的第一端部104,该第一端部设置在等离子体约束系统100的纵轴线106(例如,圆柱对称的轴)上。等离子体约束系统100还包括至少部分地围绕内部电极102的外部电极。外部电极包括固体导电壳108和设置在固体导电壳108上以及在等离子体约束系统100的纵轴线106上的导电材料110。导电材料110在1个大气压下的熔点在170℃至800℃(例如180℃至550℃)的范围内。在各种实施例中,导电材料110可以采用共晶形式,合金形式或锂、铅或中的一种或多种的混合物的形式。
[0034] 内部电极102通常采用具有基本圆柱形主体的导电壳的形式(例如,由不锈、钼、钨或中的一种或多种形成)。内部电极102包括第一端部104(例如,圆形端部)和相对的第二端部126(例如,大致圆盘形的端部)。第一端部104可以由基材料诸如石墨或碳纤维形成,或者由例如不锈钢、钼、钨或铜中的一种或多种形成。在一些实施方式中,内部电极102在其外表面上具有涂层,该涂层包括导电材料,该导电材料在1个大气压下的熔点在180℃至800℃(例如180℃至550℃)的范围内。在各种实施例中,导电材料可以采用共晶形式,合金形式或锂、铅或锡中的一种或多种的混合物的形式。替代地,导电材料可以采用元素锂、铅或锡的形式。
[0035] 等离子体约束系统100还包括进给机构112(例如,机电系统),该进给机构配置成使内部电极102沿着纵轴线106移入或移出等离子体约束系统100。在操作期间,内部电极102可能被等离子体放电侵蚀,并且进给机构112可以被操作以馈入内部电极102,从而维持内部电极102与等离子体约束系统100的其它组件之间的相对间隔。
[0036] 等离子体约束系统100还包括冷却系统114(例如,热交换器),该冷却系统配置成在等离子体约束系统100的操作期间冷却内部电极102。
[0037] 外部电极104通常采用导电(例如,不锈钢)壳的形式,其具有基本圆柱形主体。外部电极的固体导电壳108包括固体导电外壳132和固体内壳134(例如,由导电材料或高电阻率材料诸如碳化形成),固体内壳设置在固体导电外壳132内并与固体导电外壳132接触。更具体地,固体内壳134包括轴向壁136和径向壁138,轴向壁至少部分地环绕等离子体约束系统100的纵轴线106(例如,部分围绕内部电极102),径向壁将轴向壁136耦接至固体导电外壳132。
[0038] 外部电极包括第一端部120和相对的第二端部122。内部电极102的圆形第一端部104在外部电极的第一端部120(例如,大致圆盘形的端部)和外部电极的第二端部122(例如,大致环形端部)之间。径向壁138和外部电极的第一端部120在等离子体约束室100内形成池区域140。池区域140用作在等离子体约束室100中的大量(例如液体)导电材料110的储存器。如图所示,导电材料110还可以通过泵150和/或泵156在轴向壁136的端部148上循环,如下面更详细地讨论的。
[0039] 外部电极(即,固体导电壳108和导电材料110)围绕内部电极102的大部分。内部电极102和外部电极可以是同心的并且相对于纵轴线106具有径向对称性。
[0040] 等离子体约束系统100还包括热交换器142,配置成将导电材料110从热交换器142引导到池区域140中的第一端口144,以及配置成将导电材料110从池区域140引导到热交换器142中的第二端口146。热交换器142配置成经由第二端口146接收在等离子体约束系统100内被加热的导电材料110,从导电材料110提取热量,并将导电材料110经由第一端口144移动(例如,泵送)返回到池区域140中,以通过在等离子体约束系统100中发生的聚变反应再次被加热。在图1中,第一端口144示出为在第二端口146上方,但是,在其它实施例中,第二端口146可以在第一端口144上方。本领域技术人员将认识到,在各种实施例中,端口144和146可以具有各种相对位置
[0041] 如上所述,轴向壁136包括面对外部电极的第二端部122的端部148。等离子体约束系统100还包括第一泵150,该第一泵配置成将导电材料110从池区域140移动到区域152,该区域在轴向壁136外侧并且通过径向壁138与池区域140分开。第一泵150配置成使导电材料110移动经过轴向壁136的端部148到达轴向壁136内部的区域154。
[0042] 等离子体约束系统100还包括第二泵156,该第二泵配置成将导电材料110从池区域140移动到区域152,该区域152在轴向壁136外部并且通过径向壁138与池区域140分开。
[0043] 等离子体约束系统100还包括泵170(例如,涡轮分子泵),该泵配置成将空气泵送出等离子体约束系统100,以使得等离子体约束系统100内的基准压力在10-5至10-8托的范围内。
[0044] 等离子体约束系统100还包括一个或多个气体端口116,该气体端口配置成将来自气体源128(例如,压缩气体罐)的气体(例如,氚、氘、氦-3、氢、含气体或硼烷)引导到加速区域121,该加速区域在径向上处于内部电极102和外部电极之间。加速区域121具有由内部电极102和固体导电壳108的形状限定的大致环形的截面。如图1所示,一个或多个气体端口116沿轴向定位在内部电极102的第一端部104与内部电极102的第二端部126之间。
[0045] 等离子体约束系统100还包括电源118,其配置成在内部电极102与外部电极(例如,固体导电壳108)之间施加电压。例如,电源118通常采用能够存储高达500kJ或高达3-4MJ的电容器组的形式。电源118的正端子可以耦接到内部电极102或者可选地耦接到外部电极(例如,固体导电壳108)。
[0046] 等离子体约束系统100包括外部电极内的位于内部电极102的第一端部104与外部电极的第一端部120之间的组装区域124。如下所述,等离子体约束系统100被配置成在组装区域124内维持Z箍缩等离子体。
[0047] 等离子体约束系统100还包括位于外部电极(例如,固体导电壳108)的第二端部122与内部电极102之间的绝缘体117,以保持内部电极102与外部电极之间的电绝缘。绝缘体117(例如,陶瓷材料)通常具有环形截面。
[0048] 图2是等离子体约束系统200的示意性截面图。等离子体约束系统200可以具有等离子体约束系统100的任何特征,其区别如下描述。等离子体约束系统100与等离子体约束系统200之间的一个区别在于存在中间电极205作为等离子体约束系统200的一部分,如下所述。
[0049] 等离子体约束系统200包括内部电极202,至少部分地围绕内部电极202的中间电极205(例如,大致环形的电极)以及至少部分地围绕中间电极205的外部电极。外部电极包括固体导电壳208和设置在固体导电壳208上(例如,在纵轴线206上)的导电材料210。导电材料210在1个大气压下的熔点在180℃至800℃(例如180℃至550℃)的范围内。在各种实施例中,导电材料210可以采用共晶形式,合金形式或锂、铅或锡中的一种或多种的混合物的形式。
[0050] 内部电极202通常采取具有基本圆柱形主体的导电壳的形式(例如,由不锈钢、钼、钨或铜中的一种或多种形成)。内部电极202包括第一端部204(例如,圆形端部)和相对的第二端部226(例如,大致圆盘形的端部)。第一端部204可以由碳基材料诸如石墨或碳纤维形成,或者由例如不锈钢、钼、钨或铜中的一种或多种形成。在一些实施方式中,内部电极202在其外表面上具有涂层,该涂层包括导电材料,该导电材料在1个大气压下的熔点在180℃至800℃(例如180℃至550℃)的范围内。在各种实施例中,导电材料可以采用共晶形式,合金形式或锂、铅或锡中的一种或多种的混合物的形式。
[0051] 中间电极205包括在外部电极的第一端部220和外部电极的第二端部222之间的第一端部227(例如,大致环形的端部)。中间电极205还包括大致环形的相对的第二端部223。
[0052] 等离子体约束系统200还包括进给机构212(例如,机电系统),该进给机构配置成使内部电极202沿着纵轴线206移入或移出等离子体约束系统200。在操作期间,内部电极202可能被等离子体放电侵蚀,并且进给机构212可以被操作以馈入内部电极202,从而维持内部电极202与等离子体约束系统200的其它组件之间的相对间隔。
[0053] 等离子体约束系统200还包括冷却系统214(例如,热交换器),该冷却系统配置成在等离子体约束系统200的操作期间冷却内部电极202。
[0054] 外部电极104通常采用导电(例如,不锈钢)壳的形式,其具有基本圆柱形主体。外部电极的固体导电壳208包括固体导电外壳232和固体内壳234(例如,由导电材料或高电阻率材料诸如碳化硅形成),固体内壳设置在固体导电外壳232内并与固体导电外壳232接触。更具体地,固体内壳234包括轴向壁236和径向壁238,轴向壁至少部分地环绕等离子体约束系统200的纵轴线206(例如,部分围绕内部电极202),径向壁将轴向壁236耦接至固体导电外壳232。
[0055] 外部电极包括第一端部220和相对的第二端部222。内部电极202的圆形第一端部204在外部电极的第一端部220(例如,大致圆盘形的端部)和外部电极的第二端部222(例如,大致圆形或环形端部)之间。径向壁238和外部电极的第一端部220在等离子体约束室
200内形成池区域240。池区域240用作在等离子体约束室200中的大量(例如液体)导电材料
210的储存器。如图所示,导电材料210还可以通过泵250和/或泵256循环经过轴向壁236的端部248,如下面更详细讨论。
[0056] 外部电极(即,固体导电壳208和导电材料210)围绕内部电极202的很大部分。内部电极202和外部电极可以是同心的并且相对于纵轴线206具有径向对称性。
[0057] 等离子体约束系统200还包括热交换器242,配置成将导电材料210从热交换器242引导到池区域240中的第一端口244,以及配置成将导电材料210从池区域240引导到热交换器242的第二端口246。热交换器242配置成经由第二端口246接收在等离子体约束系统200内被加热的导电材料210,从导电材料210提取热量,并将导电材料210经由第一端口244移动(例如,泵送)返回到池区域240中,以通过在等离子体约束系统200中发生的聚变反应再次被加热。在图2中,第一端口244示出为在第二端口246上方,但是,在其它实施例中,第二端口246可以在第一端口244上方。本领域技术人员将认识到,在各种实施例中,端口244和246可以具有各种相对位置。
[0058] 如上所述,轴向壁236包括面对外部电极的第二端部222的端部248。等离子体约束系统200还包括第一泵250,该第一泵配置成将导电材料210从池区域240移动到区域252,该区域252在轴向壁236外部并且通过径向壁238与池区域240分开。第一泵250配置成使导电材料210循环经过轴向壁236的端部248到达轴向壁236内部的区域254。
[0059] 等离子体约束系统200还包括第二泵256,该第二泵配置成将导电材料210从池区域240移动到区域252,该区域252在轴向壁236外部并且通过径向壁238与池区域240分开。
[0060] 等离子体约束系统200还包括泵270(例如,涡轮分子泵),该泵配置成将空气泵送出等离子体约束系统200,以使得等离子体约束系统200内的基准压力在10-5至10-8托的范围内。
[0061] 等离子体约束系统200还包括一个或多个气体端口216,该气体端口配置成将来自气体源228(例如,压缩气体罐)的气体(例如,氚、氘、氦-3、氢、含硼气体或硼烷)引导到加速区域218中,该加速区域在在径向上位于内部电极202和中间电极205之间。加速区域218具有由内部电极202和中间电极205的形状限定的大致环形的截面。如图2所示,一个或多个第一气体端口216沿轴向定位在内部电极202的第一端部204与内部电极102的第二端部226之间。
[0062] 等离子体约束系统200还包括电源218,其配置成在内部电极102与中间电极205之间施加电压。例如,电源218通常采用能够存储高达500kJ或高达3-4MJ的电容器组的形式。电源218的正端子可以耦接到内部电极102或者可选地耦接到中间电极205。
[0063] 等离子体约束系统200还包括电源219,其配置成在内部电极102与外部电极(例如,固体导电壳208)之间施加电压。例如,电源219通常采用能够存储高达500kJ或高达3-4MJ的电容器组的形式。电源219的正端子可以耦接到内部电极102或者可选地耦接到外部电极(例如,固体导电壳208)。
[0064] 等离子体约束系统200包括外部电极204内的位于内部电极202的第一端部204与外部电极的第一端部220之间的组装区域224。如下所述,等离子体约束系统200配置成在组装区域224内维持Z箍缩等离子体。
[0065] 等离子体约束系统200还包括位于中间电极205的第二端部223与内部电极202之间的绝缘体217,以保持内部电极202与中间电极205之间的电绝缘。绝缘体217(例如,陶瓷材料)通常具有环形截面。
[0066] 等离子体约束系统200还包括位于固体导电壳208与中间电极205之间的绝缘体229,以保持固体导电壳208与中间电极205之间的电绝缘。绝缘体229(例如,陶瓷材料)通常具有环形截面。
[0067] 图3是用于操作等离子体约束系统(例如,等离子体约束系统100)的方法300的框图。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。图4至图9示出了如下所述的方法300的一些方面。尽管图4至图9示出了平对齐的等离子体约束系统100的纵轴线106,但实际上纵轴线106通常将会垂直对齐。
[0068] 在框302中,方法300包括使气体流入等离子体约束系统。
[0069] 例如,如图4所示,一个或多个气体端口116可以将气体310(例如,氚、氘、氦-3、氢,含硼气体或硼烷中的一种或多种)引导到内部电极102和外部电极(例如,固体导电壳108)之间的加速区域121中,外部电极大致围绕内部电极102。图4示出了初始量的气体310进入加速区域121,并且图5示出了额外量的气体310在之后进入加速区域121。
[0070] 在使气体310流动之后,在经由电源118施加内部电极102和外部电极(例如,固体导电壳108)之间的电压之前,在加速区域121内与一个或多个气体端口116相邻的气体压力可能在1000至5800托(例如,5450至5550托)的范围内。
[0071] 在框304中,方法300包括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℃(例如180℃至550℃)的范围内。
[0072] 例如,参考图6至图9,电源118可以在内部电极102和外部电极(例如,固体导电壳108)之间施加电压,从而将至少一部分气体310转化为Z箍缩等离子体318(见图8至图9),Z箍缩等离子体在(i)设置在外部电极的固体导电壳108上以及在等离子体约束系统100的纵轴线106上的导电材料110和(ii)内部电极102的圆形第一端部104之间流动。
[0073] 例如,电源118可以在内部电极102与固体导电壳108之间施加电压,从而将至少一部分气体310转换成具有大致环形截面的等离子体316(参见图6至图9)。由于由其自身电流产生的磁场,等离子体316可以在加速区域121内轴向地流向内部电极102的第一端部104和外部电极的第一端部120,如图6至图9顺序地示出的。
[0074] 如图8和图9所示,当等离子体316移动超过加速区域121时,Z箍缩等离子体318建立在外部电极内的组装区域124中,其在(i)设置在外部电极的固体导电壳108上以及在等离子体约束系统100的纵轴线106上的导电材料110和(ii)内部电极102的圆形第一端部104之间。
[0075] Z箍缩等离子体318可以表现出剪切的轴向流动,并且半径在0.1mm与5mm之间,离子温度在900eV与50,000eV之间,电子温度高于500eV(例如,高达50,000eV),离子数密度大于1×1023离子/m3,电子数密度大于1×1023电子/m3,磁场超过8T,和/或可以稳定至少10μs。
[0076] 在框306处,方法300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(例如,中子和其它高能粒子)进行加热。
[0077] 热交换器142可以经由第二端口146接收(例如,泵送)在等离子体约束系统100内被加热的一部分导电材料110,从导电材料110提取热量,并将导电材料110经由第一端口144移动(例如,泵送)返回到池区域140中,以通过在等离子体约束系统100中发生的聚变反应再次被加热。在等离子体约束系统100内形成等离子体放电之前,通常使用设置在等离子体约束系统100内的(例如电的)加热元件将导电材料110加热(例如熔化)成液体状态。
[0078] 等离子体约束系统100包括进给机构112(例如,机电系统),该进给机构可以使内部电极102沿着纵轴线106移入或移出等离子体约束系统100。在操作期间,内部电极102可能被等离子体放电侵蚀,并且进给机构112可以被操作以馈入内部电极102,从而维持内部电极102与等离子体约束系统100的其它组件之间的相对间隔。
[0079] 另外,泵150和156可以使导电材料110移动或循环经过外部电极(例如,经过固体导电壳108),从而可以使用导电材料110的不同部分来随时间(例如,在纵轴线106处)吸收来自Z箍缩等离子体的电流和/或热量。在等离子体约束系统100的操作期间,很大部分或全部导电材料110通常将会处于液体状态。
[0080] 在一些实施方式中,泵150和156移动该导电材料110,使得移动经过外部电极(例如,经过固体导电壳108)的导电材料110相对于等离子体约束系统100的纵轴线106在方位角方向(例如,移入和/或移出页面)和/或轴向方向上移动。
[0081] 更具体地,泵150或156可以将导电材料110从池区域140移动到区域152,该区域152在轴向壁136外部并且通过径向壁138与池区域140分开。附加地,泵150或156可以使导电材料110移动经过轴向壁136的端部148到达轴向壁136内侧的区域154,并向着池区域140返回。
[0082] 在各个实施方式中,施加在内部电极102和外部电极(例如,固体导电壳108)之间的电压在2kV至30kV的范围内。在内部电极和外部电极(例如,固体导电壳108)之间施加的电压可以导致在30kV/m至500kV/m范围内的径向电场
[0083] 在一些实施方式中,Z箍缩等离子体318的半径在0.1mm与5mm之间,离子温度在900eV与50,000eV之间,并且电子温度高于500eV(例如,高达50,000eV)。Z箍缩等离子体318可以具有大于1×1023离子/m3的离子数密度或大于1×1023电子/m3的电子数密度,并且可以表现出剪切流动,其中磁场超过8T。Z箍缩等离子体318可以表现出至少10μs的稳定。
[0084] 在一些实施方式中,Z箍缩等离子体318的反应产物包括中子。如此,在等离子体约束系统100的操作期间,可以消耗中子和一部分导电材料110以产生在热交换器142处回收的附加的氚燃料。导电材料110的反应性质还可以用于通过捕获蒸气颗粒来降低等离子体约束系统100内的基准压力。
[0085] 一些实施方式包括通过调节其中热交换器142将导电材料110从热交换器142移动到池区域140中的速率或通过调节其中导电材料110从池区域140移动到热交换器142的速率来控制在固体导电壳108上的导电材料110的厚度。增加其中导电材料110流入池区域140的速率通常将增加在固体导电壳108上的导电材料110的厚度。增加其中导电材料110从池区域140流出到热交换器142的速率通常将减小在固体导电壳108上的导电材料110的厚度。
[0086] 图10是用于操作等离子体约束系统(例如,等离子体约束系统200)的方法1000的框图。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。图11至图16示出了如下所述的方法1000的一些方面。尽管图11至图16示出了水平对齐的等离子体约束系统200的纵轴线206,但实际上纵轴线206通常将会垂直对齐。
[0087] 在框1002处,方法1000包括使气体流入内部电极和中间电极之间的加速区域。
[0088] 例如,如图11所示,一个或多个气体端口216可以将气体310(例如,氚、氘、氦-3、氢、含硼气体或硼烷中的一种或多种)引导到内部电极202和中间电极205之间的加速区域221,中间电极部分围绕内部电极202。图11示出了初始量的气体310进入加速区域221,并且图12示出了额外量的气体310在之后进入加速区域221。
[0089] 在使气体310流动之后,在经由电源218施加内部电极202和中间电极205之间的电压之前,在加速区域221内与一个或多个气体端口216相邻的气体压力可能在1000至5800托(例如,5450至5550托)的范围内。
[0090] 在框1004处,方法1000包括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。
[0091] 例如,参考图11至图14,电源218可以在内部电极202与中间电极205之间施加电压,从而将至少一部分气体310转换成具有大致环形截面的等离子体316。等离子体316可以在加速区域221内轴向流向内部电极202的第一端部204和外部电极的第一端部220。由于由其自身电流产生的磁场,等离子体316可以在加速区域121内轴向地流向内部电极202的第一端部204和外部电极的第一端部220,如图11至图14顺序地示出的。
[0092] 在框1006处,方法1000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℃(例如180℃至550℃)的范围内。
[0093] 例如,参考图15和图16,电源219可以在内部电极202和外部电极(例如,固体导电壳208)之间施加电压以建立Z箍缩等离子体318,Z箍缩等离子体在(i)设置在外部电极的固体导电壳208上的导电材料210和(ii)内部电极202的第一端部204之间流动。导电材料210在1个大气压下的熔点在180℃至800℃(例如180℃至550℃)的范围内。
[0094] 如图15和图16所示,当等离子体316移动超过加速区域221时,Z箍缩等离子体318建立在外部电极内的组装区域224中,其在(i)设置在外部电极的固体导电壳208上以及在等离子体约束系统200的纵轴线206上的导电材料210和(ii)内部电极202的圆形第一端部204之间。
[0095] Z箍缩等离子体318可以表现出剪切的轴向流动,并且半径在0.1mm与5mm之间,离子温度在900eV与50,000eV之间,电子温度高于500eV(例如,高达50,000eV),离子数密度大于1×1023离子/m3,电子数密度大于1×1023电子/m3,磁场超过8T,和/或可以稳定至少10μs。
[0096] 在框1008处,方法1000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。
[0097] 例如,参考图2,热交换器242可以经由第二端口246接收(例如,泵送)在等离子体约束系统200内被加热的一部分导电材料210,从导电材料210提取热量,以及将导电材料210经由第一端口244移动(例如,泵送)返回到池区域240中,以通过在等离子体约束系统
200中发生的聚变反应再次被加热。在等离子体约束系统200内形成等离子体放电之前,通常使用设置在等离子体约束系统200内的(例如电的)加热元件将导电材料210加热(例如熔化)成液体状态。
[0098] 等离子体约束系统200包括进给机构212(例如,机电系统),该进给机构可以使内部电极202沿着纵轴线206移入或移出等离子体约束系统200。在操作期间,内部电极202可能被等离子体放电侵蚀,并且进给机构212可以被操作以馈入内部电极202,从而维持内部电极202与等离子体约束系统200的其它组件之间的相对间隔。
[0099] 另外,泵250和256可以使导电材料210移动或循环经过外部电极(例如,经过固体导电壳208),从而可以使用导电材料210的不同部分来随时间(例如,在纵轴线206处)吸收来自Z箍缩等离子体电流和/或热量。在等离子体约束系统200的操作期间,很大部分或全部导电材料210通常将会处于液体状态。
[0100] 在一些实施方式中,泵250和256移动导电材料210,使得移动经过外部电极(例如,经过固体导电壳208)的导电材料210相对于等离子体约束系统100的纵轴线206在方位角方向(例如,移入和/或移出页面)和/或轴向方向上移动。
[0101] 更具体地,泵250或256可以将导电材料210从池区域240移动到区域252,该区域252在轴向壁236外侧并且通过径向壁238与池区域240分开。附加地,泵250或256可以使导电材料210移动经过轴向壁236的端部248到达轴向壁236内侧的区域254,并向着池区域240返回。
[0102] 在各个实施方式中,施加在内部电极202和外部电极(例如,固体导电壳108)之间或者施加在内部电极202和中间电极205之间的电压在2kV至30kV的范围内。施加的电压可能导致电场在30kV/m至500kV/m的范围内。
[0103] 在一些实施方式中,Z箍缩等离子体318的半径在0.1mm与5mm之间,离子温度在900eV与50,000eV之间,并且电子温度高于500eV(例如,高达50,000eV)。Z箍缩等离子体318可以具有大于1×1023离子/m3的离子数密度或大于1×1023电子/m3的电子数密度,并且可以表现出剪切流动,其中磁场超过8T。Z箍缩等离子体318可以表现出至少10μs的稳定性。
[0104] 在一些实施方式中,Z箍缩等离子体318的反应产物包括中子。如此,在等离子体约束系统200的操作期间,可以消耗中子和一部分导电材料210以产生在热交换器242处回收的附加的氚燃料。导电材料210的反应性质还可以用于通过捕获蒸气颗粒来降低等离子体约束系统200内的基准压力。
[0105] 一些实施方式包括通过调节其中热交换器242将导电材料210从热交换器242移动到池区域240中的速率或通过调节其中导电材料210从池区域240移动到热交换器242的速率来控制在固体导电壳208上的导电材料210的厚度。增加其中导电材料210流入池区域240的速率通常将增加在固体导电壳208上的导电材料210的厚度。增加其中导电材料210从池区域240流出到热交换器242的速率通常将减小在固体导电壳208上的导电材料210的厚度。
[0106] 虽然本文已公开各种示例性方面和示例性实施方式,但对于本领域技术人员来说,其它方面和实施方式将是显而易见的。本文公开的各种示例性方面和示例性实施方式是为了说明的目的,而且并不旨在进行限制,其中真实的范围以及精神是由以下权利要求书指示的。
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