电浆压缩核融合装置

US20190295733A1

发明人:萨瓦托· 派斯
现任专利所有权人:美国海军部长

 

摘要

本专利是一种电浆压缩核融合装置。它包括一根中空导管和至少一组对立安装而且旋转方向相反的动态核融合反应炉。中空导管内有一个的真空腔。每个动态核融合反应炉有多个孔洞和带电的外层。当两种零件结合在一起之后,动态核融合反应炉组会在真空腔内产生集中的磁通能量和电磁辐射。集中的磁通能量会压缩从孔洞注入真空腔的气体混合物,从而产生一个电浆核心。电磁辐射加热电浆核心,而产生的磁场将电浆核心拘束在动态核融合反应炉之间。当额外的气体混合物透过孔洞注入到核心之后,核心输出的能量就会大于输入的能量。

 

描述

 

政府利益声明

本文所述的发明可由美利坚合众国政府基于公务用途製造和使用,而且从过去到未来都无需支付任何使用授权费。

 

 

专利背景

热核融合是将小原子序的原子核强行聚集在一起,进而形成一个较重的原子核。

根据E=mc2公式,减少的质量减少会变成能量。核融合是在极高的温度下发生的。核融合反需要的温度超过太阳的核心温度(约摄氏1500万度)。例如,重氢和超重氢融合反应需要的温度超过摄氏1.75亿度,两个重氢的核融合反应需要大约摄氏2.32亿度。气体在极高的温度和压力下会电离并形成电浆,也就是大量的电子和正离子(10的20次方公尺)组成的集合体。它们不断地相互作用,交换能量。

 

为了使正离子发生融合,目前有三种主要的电浆拘束方法:引力局限、惯性局限和磁局限。引力局限需要恒星大小的质量,因此惯性局限和磁局限是唯二实用的方法。惯性局限和磁局限混合使用也是一种可行的做法。惯性局限是利用雷射引发的内爆或电场(静电)引发核融合。磁局限则是用极强的磁感应引发核融合。托卡马克就是一种利用磁局限的核融合装置。它利用强大的磁场把电浆拘束成一个环形结构,环形电浆会在三维空间中围绕着与圆轴共面的线圈旋转。其他零部件包括磁镜、磁悬、磁针和磁化目标。

 

上述的电浆拘束方法都有严重的问题。例如:装置的体积需要非常大(跟航空母舰差不多的大小)。托卡马克装置的电浆不稳定,功率耗损大、磁镜/磁悬能达成的拘束时间短。迄今为止,这些拘束方法都不能实现融合反应的能量平衡(核融合反应输出的能量等于输入的能量),更别提达成点火(核融合反应的电浆燃烧不需要外部的能量就可以自行维持)。因此,我们需要一种有效的电浆压缩核融合装置,让输出的能量大于输入的能量。

 

 

总结

电浆压缩核融合装置包括一根中空导管和至少一组对立安装而且旋转方向相反的动态核融合反应炉。中空导管内有一个的真空腔。每个动态核融合反应炉有多个孔洞和带电的外层。当两种零件结合在一起之后,动态核融合反应炉组会在真空腔内产生集中的磁能量流和电磁辐射。集中的磁能量流会压缩从孔洞注入真空腔的气体混合物,从而产生一个电浆核心。电磁辐射加热电浆核心,而产生的磁场将电浆核心拘束在动态核融合反应炉之间。当额外的气体混合物透过孔洞注入到核心之后,装置内的能量就会增加。

 

本发明的特点是提供一种电浆压缩融合核装置,也就是透过利用压缩电浆造成的核融合反应发电,这种电浆压缩融合核装置可以把电浆的压力和拘束时间提升到最大,让反应炉内的能量提升到足以进行核融合点火。

 

这种电浆压缩核融合核装置可以产生十亿瓦到兆瓦以上的电力。初始输入电力则需要千瓦到百万瓦。

 

译注:目前全世界发电量最大的核电站是日本的柏崎刈羽核电站。7台核电机组的总发电量是821万2000千瓦,相当于82亿又1200万瓦。福特号航空母舰的两座A1B反应炉发电量是7亿瓦。中国运行的核电机组共47台,总运行装机容量约为487亿5千1百万瓦。

 

 

 

图纸说明

本发明的特点、原理和优点将会透过下列的描述、附加的专利申请范围和图纸进行更详细的解说:

 

 

图1是电浆压缩核融合装置当中十字导管配置的侧剖面图

图2是电浆压缩核融合装置当中线性导管配置的侧剖面图

图3是锥台形动态核融合反应炉的侧剖面图

 

 

 

描述

图1-3可以用来解说本发明的较佳实施例。如图1所示,在其中一个实施例中(十字导管结构),电浆压缩核融合装置包括中空十字导管和至少两组位置对立、平滑弯头的旋转方向相反的锥形结构(动态核融合反应炉)。中空十字导管包括布置在中空十字导管内的真空腔。两组安装位置相反、平滑弯头的、旋转方向相反的锥形结构具有多个孔洞和带电的外表层。两组旋转方向相反的锥形结构在真空腔内产生集中的磁通能量和电磁辐射。集中的磁通能量压缩通过孔洞注入到真空腔内的混合气体(核融合燃料),然后形成电浆核心。核心基本上是球形的、均匀的电子和正离子的集合体。电磁辐射加热电浆核心。动态核融合反应炉产生的磁场把电浆核心拘束在两组旋转方向相反的锥形结构之间。当额外的混和气体透过孔洞注入电浆核心之后,核心的输出能量就会大于输入能量。

 

本发明可以在太空、海洋以及陆地环境当中使用。然而,本发明适用于任何需要能源的使用环境。

 

如图2所示,在本发明的另一实施例(线性导管结构),电浆压缩核融合装置可以只使用一组安装方向相反、平滑弯头的、旋转方向相反的锥形结构并且以线性结构安装在中空线性导管内。本发明利用平滑且快速的瞬间加速振动/旋转控制带电物质的运动,进而产生极高的能量/高强度的电磁场。高能量/高强度的电磁场可以拘束并且大幅压缩电浆,从而产生高功率密度的电浆燃烧;最后引发点火并且让输出的能量大于输入的能量。

 

如图1所示,本发明的较佳实施例包括两组安装位置相反、平滑弯头的、旋转方向相反的锥形结构;然而,本装置可以利用两组以上的锥形结构。锥形结构的通称是动态核融合反应炉。反应炉的製造材料可以具有高电容的钨合金(例如氮化钨)或任何其他类型的金属、合金或可行的材料。 每一个锥形结构的安装位置相反而且有平滑弯曲的尖端截面以及输电线路和环形磁线圈。每一个环形磁线圈需要安装在至少两组输电线路之间并且排放在每个锥形结构之内。十字导管包括一个环绕在电浆核心的内层。导管内层需要带电和振动,避免电浆粒子撞击十字导管的管壁(特别是导管内层并且诱发电浆焠火。作为核融合燃料的混和气体(建议使用重氢) 透过旋转方向相反的锥形结构上的孔洞注入到电浆核心。锥形结构各自连结一根中空轴。加压过的核融合混和气体燃料从气体储存槽(未画在图纸中)透过中空轴注入到装置。

 

在一个变化的实施例当中,动态核融核反应炉也也可以是圆顶状或球状。如图3所示,动态核融核反应炉可以是共面的圆台或有一个等腰梯形截面的圆台。共面圆台的内部也包括好几个孔洞和好几组输电线路(至少三组) 以及至少一个环形磁线圈。基本上,输电线路内部会有好几个孔洞。 在其他动态核融合反应炉的实施例中。每一个锥形圆台都有一个带电的外层。每一个环形磁线圈必须安装在两条输电线路之间。输电线路用来电离重氢气(或其他气态的核融合燃料)。输电线路按照一条正电压,一条负电压的方式组装。电位差可以让电子或离子加速进入电浆核心。加速电子或离子根据使用者想要的物理效果而定。粒子加速的方式类似于离子推进器。

 

所有动态核融合反应炉的实施例都可以按照线性、十字或其他可行的结构组装。在动态核融合反应炉的实施例当中,动态核融合反应炉的旋转方向会产生保持方向朝电浆核心的磁通量动态核融合反应炉像是粒子加速器一样,让环形磁线圈以及动态核融合反应炉周围的电子加速移动。这些电子会透过一个带正电,另一个带负电的输电线路加速。这两个输电线路都可以变换电荷。通往电浆核心的电位差会形成一个深(高能)负电位阱。负电位阱可以加速吸引正电的离子。随着离子持续在电位阱周围反覆循环,它们就会开始进行核融合反应。电子和带正电的离子在激烈碰撞后使得燃料气体变成羽状云。羽状云在漩涡中碰撞会形成高温、高压、高黏滞加热的电浆核心为了用极高的温度加热电浆核心并且达成核融合反应,表面带电的动态核融合反应炉会透过加速旋转形成高强度的电磁辐射。动态核融合反应炉的内层经过良好的绝缘处理,以承受电荷移动。内层的材料可以是但不限于碳化矽、氮化硼或炭化硼丝。动态核融合反应炉的製造材料建议使用钨合金(例如但不限于氮化钨) 之类可以承受至少1库仑的高电容材料。每一个动态核融合反应炉要安装在中空轴的上方。中空轴是用来注入核融合燃料的导管。这个中空燃料导管连结着一台直流变速马达(未画在图纸中)。中空轴可以在旋转过程中透过数位调速器(未画在图纸中)加速和减速。

 

为了让核融合反应发生,我们必须遵守劳森准则;

nTτ E≥3×1021KeV s/m 3  (公式 1)

 

n代表电浆密度。 T代表电浆温度。 τE 代表能量拘束时间。公式1说明:电浆压力越大,拘束时间越长,核融合产生的能量就越大。公式1当中的等号代表能量达成平衡的条件。若能量增长值为1,代表反应炉输出的能量等于输入的能量。值得注意的是,如果磁场的强度加倍(单位是特斯拉)加倍而其他达成核融合的其他参数设为常数,装置的线性尺寸就可以减半。因此,高电磁感应(磁通密度)是可携式核融合装置的核心研究重点。

 

电浆磁局限需要高强度的磁场才能达成核融合反应。下列有两条公式可以表达高强度磁场的重要性:

能量增加级数˜B 3 (公式2) 和核融合功率密度P2 ˜B 4  (公式3)

 

P 代表电浆密度。B代表电磁感应或磁通密度,前提是电浆压力比值和磁场压力比值保持一致。,

 

目前已经有人在构想小型的可携式核融合反应炉/装置(直径30公分至2公尺)。通常他们使用不同版本的电浆磁局限技术。三种小型可携式核融合装置包括洛马公司臭鼬工厂的可携式核融合反应炉(LM-CFR)、质能互换波利威尔核融合概念机(EMC2 Polywell fusion concept)以及普林斯顿磁场反转位形机( Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) machine.)

 

洛马公司臭鼬工厂的可携式核融合反应炉使用磁镜结构。反应炉本身是一个的环形线圈。它利用可变电流形成可以加热拘束电浆的磁振盪场。波利威尔装置采用复合式的电浆拘束和加热技术。 它在多面体的双椎磁镜悬结构内同时采用惯性静电局限和磁局限。普林斯顿磁场反转位形机利用独特的电波频率加热技术形成一个用来拘束电浆的旋转磁场。这些装置的电浆拘束时间都不长。装置体积越大,电浆的稳定程度就越低。这三种装置是否能达成能量平衡都是未知数,更别提利用自行维持的电浆燃烧达成点火状态。

 

达成核融合反应的关键在于达成极强的磁场,强度可能要超过30特斯拉。这是目前连稀土钡铜氧高温超导磁铁都不一定能稳定形成的强磁场。然而,我们可以利用快速的瞬间旋转和振动控制带电物质的运动,进而产生极强的磁场。

 

电浆压缩核融合装置利用平顺但是快速的瞬间加/减速的旋转和振动控制带电物质的运动,进而形成超高能量/超高强度的电磁场。这些电磁场可以拘束并且透过製造高能负电位阱大幅度压缩电浆核心。电浆核心因而进行高功率密度的燃烧,进而进入点火状态。高强度的电磁辐射会加热电浆核心,电磁场则把核心拘束在动态核融合反应炉之间。导管内层需要带电并且振动,以避免电浆粒子撞击导管内层并且啟动电浆焠火。振动可以透过朝锆钛酸铅之类的压电薄膜通电来达成。压电薄膜要嵌入在电浆压缩核融合装置的内层电浆压缩核融合装置应该放置在法拉第笼内,以确保使用者的安全。 一个10-15公分厚的碳化物(或钨合金)可以用来製作法拉第笼,也可以用来安装热能转换循环用的冷却管道。 碳化物或钨合金也可以提供装置必要的结构支撑,抵挡核融合产生的中子轰击装置。 核融合装置需要减少或尽可能压制动态核融合反应炉产生的剪流。 剪流会破坏涡流,影响电浆内部的扰动。剪流是导致电浆在核融合过程中发生不稳定的的主要原因。

 

核融合产生的输出电能可以透过与电浆压缩核融合装置外壁(可以是导管的外层)齐平的共形热交换器(未画在图纸中)汲取并且透过水或聚α-烯烃等 冷却液将中子产生的热能带到热核发电机。 啟动用的混和气体和后续添加的混和气体(两种都要是核融合燃料,建议使用重氢)透过动态核融合反应炉的孔洞注入电浆核心我们可以从海水中提炼几乎无穷无尽的氘 (重氢)。这对本发明来说是一个极大的利多。

 

核融合燃料 (混和气体和后续添加的混和气体)可以是中子核融合或气动核融合燃料。中子核融核燃料可以是重氢-超重氢、重氢-重氢、重氢- 氙的混合气体或任何可行的混和气体。啟动用的的混和气体以及后续添加的混和气体应该是同样的化学成份。重氢- 氙的混合气体可以产生氙-129并且释放两个快(高能)中子,进而大幅增加装置的能量输出。然而,快中子会损耗装置材料内壁而且增加辐射的生成量。使用者需要从实用层面和安全层面考量是否要使用重氢- 氙的燃料组合。

 

气融核融合燃料可以采用质子- 硼11(硼的同位素)或其他形式的组合。 (气动核融合需要的融合温度是中子燃料的10倍) 气动核融合不会释放中子,因此没有辐射相关的安全风险。氢-硼燃料产生伽马射线的机率是千分之一,可是在装置全力运转的情况下要多加注意。电浆压缩核融合装置产生的能量可以进行直接的能量转换。使用气动核融合燃料进行核融合之后可以从装置进行直接能量转换,因为气动核融合燃料的产物是3个α粒子(氦-4)。 我们可以使用高科技的变压器对带电粒子进行直接的能量转化。使用气动核融合燃料的主要问题是它需要摄氏20亿度以上的超高温才能进行融合反应。这种温度要求几乎是中子燃料(例如重氢)的10倍。

 

当使用重氢当作核融合燃料的时候,会发生以下的化学反应:

2H+2H→3H(1.01 MeV)+p+(3.02 MeV)[50%]  (公式4) 和

2H+2H→+3He(0.82 MeV)+n 0(2.45 MeV)[50%]  (公式5).

 

我们可以直接从重氢的核融合反应汲取电能和热能。这一点在实用层面是一个非常理想的能量来源。

 

电浆压缩核融合装置内部必须保持真空,核融合反应才能有效地产生能量。理想的真空条件是维持 105 托尔。如装置的密封材质无法保持 105 托尔,也可以使用品质差一点的真空环境。

 

关于带电物体/系统的加速振动或旋转条件,下列公式可以帮助我们求得最大的电磁通量(电磁能量传输过每单位表面区域的改变速率) is:

S max =f G20)[(R v v 2)t op]  (公式6)

 

 fG 是带电系统的形状因数 (碟状结构的数值等于1)。 σ 代表表面带电密度。 Co代表自由空间的电容率。 Rv 代表振动 (谐振) 振幅。 v代表赫兹振动的角频率。在绕轴心旋转的情况下,Rv 代表有效的系统半径。v 代表旋转的角频率。 top 代表带电系统在最大加速条件 (Rvv2)下的运行时间。这条封闭等式是结合古典电磁场理论和简谐运动物理学所得出的结果。如果带电系统快速地改变振动频率/转速(快速的瞬间加速),且加速的时间差不等于0,我们可以得出下列公式:

S max =f G20)[(R v v 3)t 2 op]  (公式7)

 

公式7表示即便中等速度的振动/旋转频率在快速加速之后,电磁通量也会大幅增强。此外,这个公式也体现出高能/高频电磁产生器用来加热电浆压缩核融合装置内部的拘束电浆所展现的广泛用途。

 

我们带入简谐运动公式,并且令(bv)代表能量/动能-泵动(负阻尼),也就是系统加速的局部性;b是一个常数。v等于 (dx/dt),也就是振动质量 (m)的速度。振动系统的最大总能量 (ET) 可以用下列公式表达:

: E T mR v 2Ω2[exp(2Ωt)]  (公式8),

在[(b/2 m)>>Ω0 (自然的振动频率)]的条件下,Ω代表振动的角频率。t代表时间。由于电磁通量和ET成正比,我们观察到振动加速可以让电磁通量呈指数增加,在快速瞬间加速的条件下更是如此。

 

如果我们要用劳仑兹力表达牛顿第二运动定律,可以把振动的质量 (m) 和它的振动电荷(Q)连繫在一起。 m和两者比率 (Q/Ω)的平方成正比 。将这个关係套入公式8可以得出:

S max≈(Q 20)(R v 2 /R s 5)Ω[exp(2Ωt)] (公式9).

 

公式9 代表我们可以透过按照上述的条件加快振动,进而达成最大电磁通量。电磁场会通过相同电荷 (Q)的振动质量 (m)的球形结构 (半径1R) 。带电装置(十字或线性导管) 内壁振动必须进行监测,不能让它的振动远超过材料原本的振动频率 。过大的振动会导致电磁通量呈指数增加,进而损害电浆核心、核融合装置的结构完整性和操作上的安全。由于动态核融合反应炉的锥形结构,电浆液体和形成跟漩涡结构一样的形状。考量 (curl v=Avv)的无外力漩涡表达式,v 代表电浆液体的速度。  Av 是一个常数,在某些条件下会远大于1。根据公式4的物理原理,我们可以得出下列公式:

B/R v˜curl B=A v B  (公式10)

 

Rv 代表有效的漩涡半径。如果 RR归于0,作为磁场放大因数的 Av 在数学上就会趋近无穷大。 在物理学上,这代表电浆漩涡结构在电浆核心内的磁场强度被大幅放大。

每一个动态核融合反应炉的最大电磁感应量 (B) 和动态核融合反应炉旋转角频率之间的关係可以用下列公式表达:

B MAX≈μ0 σR ωω3 t op 2  (公式11)

 

 μ0 代表自由空间 (˜O(106))的磁导率。 σ 代表锥形结构的表面通电密度。 Rω 代表动态核融合反应炉的有效旋转半径。top 代表最大旋转加速的运行时间。在 μ0σRωtop 2˜O(1)的一致条件下,我们可以得出 BMAX˜ω3。 换句话说,最大磁通密度等于锥形结构的角旋转频率的三次方。

 

在实验室内进行的测试当中,直径10公分的碟形物体接受每分钟100,000 转的结构测试。离心力并没有对结构造成明显的损伤。因此用钨製造的动态核融合反应炉一定可以承受104弧度每秒(每分钟1000转)的转速。这代表我们可以透过加速旋转表面带电的锥形结构达到106特斯拉的BMAX 值,前提是加速的时间差不等于0 (平稳但是快速的加速。不需要突然/猛烈的加速)。 根据本发明人发表并且通过同行评审的技术论文,这种高强度的磁场数值是可行的(技术论文 AIAA 2017-5343 和技术论文 SAE 2017-01-2040)。

 

按照公式2,核融合反应产生的能量倍增了10的18次方,代表电浆核心在上述的条件之下非常可能进入点火状态,达成自行维持的电浆燃烧。按照这个简单的分析,本发明利用千瓦到百万瓦的输入电力产生十亿瓦到兆瓦以上的输出电力,而且还可能达成点火状态。点火状态代表本发明具有可行性。

 

在本发明的较佳实施例当中, “a,” “an,” “the,” and “said” 代表发明有一种以上的组件。”组成”、”包括”、”有”代表可能有额外的组件。

 

虽然本发明透过某些较佳实施例的大量细节进行说明,其他的实施例也是可能的。因此,附加的专利申请范围应该不限于申请书当中描述的较佳实施例。

 

 

专利申请范围

 

1.一台电浆压缩核融合装置包括下列零组件:

一根内部有真空腔的线性导管;两个一组的、平滑弯头的,旋转方向相反并且安装在中空线性导管内的锥形结构。锥形结构上有许多孔洞和一个带电的外层。这一组锥形结构会在真空腔内形成集中的磁通能量和电磁辐射。真空腔内会形成电浆核心。电磁辐射会加热电浆核心,磁场则会把电浆核心拘束在旋转方向相反的锥形结构之间。当额外的混和气体透过孔洞注入到电浆核心,装置输出的能量就会大于输入的能量。

 

2.一台电浆压缩核融合装置包括下列零组件:

一根内部有真空腔的中空十字导管;中空十字导管导管内至少有两组安装方向相反,平滑弯头的,旋转方向相反的圆锥结构。每一个锥形结构有许多孔洞和带电的外层。所有的锥形结构会在真空腔内共同形成一个集中的磁通能量和电磁辐射。集中的磁通能量会压缩透过孔洞注入到真空腔的混和气体,从而形成电浆核心。电磁辐射会加入电浆核心,磁场则会把电浆核心拘束在旋转方向相反的锥形结构之间。当额外的混和气体透过孔洞注入到电浆核心,装置输出的能量就会大于输入的能量。

 

3.在申请范围2的电浆压缩核融合装置当当中,电浆压缩核融合装置还包括连结锥形结构的中空轴。 混和气体从气体储存槽从中空轴注入到装置。

 

4.一台电浆压缩核融合装置包括下列零组件:

一根内部有真空腔的中空十字导管;中空十字导管内至少有两组锥形圆台。每一个锥形圆台有许多孔洞和一个带电的外层。 锥形圆台会共同形成一个会在真空腔内共同形成一个集中的磁通能量和电磁辐射。集中的磁通能量会压缩透过孔洞注入到真空腔的混和气体,从而形成电浆核心。电磁辐射会加入电浆核心,磁场则会把电浆核心拘束在旋转方向相反的锥形圆台之间。当额外的混和气体透过孔洞注入到电浆核心,装置输出的能量就会大于输入的能量。,

 

5.在申请范围4当中的电浆压缩核融合装置ㄉ中,每一个锥形圆台内部包括好几组输电线路和至少一个环形磁线圈。环形磁线圈要安装在两条输电线路之间。

 

 

 

原文:

https://patents.google.com/patent/US20190295733A1/en?inventor=Salvatore+Pais

 

翻译:Patrick Shih

 

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