專利名稱:用于裂變應(yīng)用的聚變中子源的制作方法
用于裂變應(yīng)用的聚變中子源
致謝
本發(fā)明得到美國政府支持，在由美國能源局提供的資助編號DE-FG02-04ER54742 和DE-FG02-04ER547M下完成。政府在本發(fā)明中享有某些權(quán)利。
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求于2008年9月11日提交的、序列號為No. 12/208，532的美國專利申請的優(yōu)先權(quán)，上述申請通過引用完整地被合并在本文中。
背景
全球變暖對于人類來說是緊迫的、可能災(zāi)難性的問題。這產(chǎn)生了對于這樣的能源的需要，所述能源不發(fā)出溫室氣體，并且可以在相對短的時(shí)間規(guī)模取代大部分碳基能源供應(yīng)。利用現(xiàn)有技術(shù)在合理的時(shí)間內(nèi)提供所需能量大小的核(裂變)能日益被提倡作為減輕全球變暖的一種戰(zhàn)略。
盡管可再生能源也被提倡，但是它們目前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)和間斷性質(zhì)限制了它們可以提供的能量構(gòu)成的份額。目前，來自核裂變的能量最有希望替代大部分燃煤、燃油和燃?xì)獍l(fā)電廠-產(chǎn)生溫室氣體的最大群體。核(裂變)能存在阻礙它的發(fā)展和可接受性的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)中的最大的一個是安全和核廢料的有效處置。
核裂變廢料的多個挑戰(zhàn)性元素之一是超鈾(TRUs)。對核廢料處置場所例如尤卡山項(xiàng)目(Yucca Mountain Project)的許多重大反對意見與壽命很長的(同位素具有超過 100，000年的半衰期)超鈾在未來數(shù)十萬年釋放到生物圈有關(guān)。一些廢料處置可以在相對便宜的熱譜反應(yīng)堆中被執(zhí)行。熱中子的確減少核廢料的總量，但是它們并不影響重要的少數(shù)派元素，包括許多長壽命超鈾。這些元素對于地質(zhì)處置是很大的問題。
長壽命超鈾的破壞需要不同的、成本更高的方法。在純裂變中，二次還原發(fā)生在快裂變反應(yīng)堆(即，具有快中子譜的裂變反應(yīng)堆)中。然而使用快裂變反應(yīng)堆仍然有缺陷，包括需要足夠量的易裂變材料來維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。另外，如果用于破壞長壽命超鈾，快裂變反應(yīng)堆具有穩(wěn)定性限制。
盡管核裂變不能單獨(dú)廉價(jià)地克服前述核廢料挑戰(zhàn)，但是核裂變與核聚變組合可以提供應(yīng)對該挑戰(zhàn)的更佳解決方案。核聚變是從輕元素核組合為重元素從而導(dǎo)致能量釋放而獲得的能源。在聚變中，兩個輕核(例如氘和氚)組合為一個新核(例如氦)并且在該過程中釋放大量能量和另一粒子(例如在氘和氚的聚變的情況下為中子)。核聚變是比裂變更富集中子的能量源。盡管聚變對于太陽和恒星是壯觀的成功能源，但是在地球上控制聚變的實(shí)踐在技術(shù)上是有挑戰(zhàn)的，原因是為了維持聚變，等離子體(由帶電離子和電子組成的氣體)或電離氣體必須在聚變反應(yīng)堆中被約束并加熱到數(shù)百萬攝氏度且持續(xù)足夠的時(shí)間以使聚變反應(yīng)能夠發(fā)生。在聚變背后的科學(xué)研究發(fā)展完善，有100年以上的核物理以及電磁和分子運(yùn)動理論作為基礎(chǔ)，但是目前的工程技術(shù)限制使核聚變的實(shí)際使用很有挑戰(zhàn)。聚變反應(yīng)堆的一種方法使用強(qiáng)大的磁場來約束等離子體，由此以受控方式釋放聚變能量。迄今為止，獲得受控聚變的最成功方法是使用被稱為托卡馬克的圓環(huán)形或環(huán)形磁構(gòu)造。盡管托卡馬克在原則上可以用作在上述兩步過程的第二步驟中所需的快中子源，但是聚變反應(yīng)堆的當(dāng)前技術(shù)將托卡馬克限制到對于該目的來說太低(五分之一或以下)的功率密度。
對于當(dāng)前的托卡馬克技術(shù)，約束等離子體以產(chǎn)生核聚變反應(yīng)可以用在聚變反應(yīng)堆的真空室內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(即，磁瓶)實(shí)現(xiàn)。由于等離子體被電離，因此等離子體粒子傾向于在圍繞磁場線的小軌道中回轉(zhuǎn)，即，它們基本附著到磁場線，同時(shí)沿著磁場線很自由地流動。這可以用于通過使用適當(dāng)設(shè)計(jì)的磁場構(gòu)造(有時(shí)被稱為磁瓶)在真空室中“懸浮”大量等離子體。通過驅(qū)動等離子體中的電流產(chǎn)生一組嵌套環(huán)形磁面并通過鄰近等離子體放置載流線圈或?qū)w，等離子體可以磁包含在室內(nèi)。由于這些磁面上的磁場線并不接觸任何實(shí)物，例如真空室的壁，因此很熱的等離子體可以長時(shí)間理想地保持懸浮在磁瓶中(即，在包含閉合磁面的體積中)，并且粒子不與壁接觸。然而實(shí)際上，由于粒子彼此碰撞或等離子體中的湍流，粒子和能量沿垂直于磁面的方向很慢地脫離磁約束。減小這種緩慢的等離子體損失使得等離子體的粒子和能量更好地被約束是等離子體約束研究的主要焦點(diǎn)。
包含閉合磁面的瓷瓶的邊界(即，“堆芯等離子體”)由被稱為限制器(例如參考圖6的610)的實(shí)體或由被稱為分界面(例如參考圖6的630)的環(huán)形磁面限定，在其外部磁場線是“開放的”，即，它們終止于被稱為偏濾器靶板(參考圖6的620)的實(shí)體。緩慢脫離堆芯等離子體的粒子和能量主要落在限制器或偏濾器靶板的小區(qū)域上并且生成雜質(zhì)。由于限制器正好在等離子體邊界上，而偏濾器靶板可以放置得更遠(yuǎn)，因此通過使用偏濾器，堆芯等離子體可以更好地與這樣的雜質(zhì)隔離。由于偏濾器的發(fā)明，因此等離子體操作的優(yōu)選模式是具有分界面和偏濾器，原因是發(fā)現(xiàn)這樣的操作允許被稱為H模式的操作模式，在該模式中堆芯中的等離子體粒子和能量更好地被約束。
由于粒子沿著磁線很快地流動但是橫穿磁線很慢，因此橫穿分界面脫離的任何粒子和能量在橫穿它們移動很遠(yuǎn)之前沿著開放場線快速到達(dá)偏濾器靶板。這必然產(chǎn)生落在偏濾器板的窄區(qū)域上的帶有高“刪削通量”的粒子和能量的窄“刪削層”。偏濾器可以處理的最大“刪削通量”限制可以在瓷瓶中維持的最高功率密度。
高“刪削通量”產(chǎn)生許多挑戰(zhàn)。除了熱和粒子通量以外，偏濾器板也必須耐受在聚變中產(chǎn)生的大通量的中子。這些中子導(dǎo)致許多重要材料性質(zhì)的退化，使偏濾器板極難在不必經(jīng)常更換的情況下處理高熱通量和中子通量。定期更換損壞部件是很耗時(shí)的并且需要停止聚變反應(yīng)。此外，通過在它到達(dá)偏濾器板之前注射雜質(zhì)以輻射能量來減小“刪削通量” 的嘗試是不可行的，原因是來自等離子體的功率密度變得太高使得它嚴(yán)重降低等離子體約束，這導(dǎo)致堆芯等離子體中的聚變反應(yīng)速率的嚴(yán)重減小。
為了偏濾器上的中子和熱通量并且因此減輕對偏濾器部件的損害，反應(yīng)堆可以簡單地被制造得較大以減小裝置內(nèi)的功率密度。然而，該方法將反應(yīng)堆成本和因此用它產(chǎn)生的任何能量的成本顯著增加到與用于發(fā)電或生成中子的其他方法相比不合算的水平。
高水平的“刪削”通量對于包括聚變-裂變混合應(yīng)用的許多聚變應(yīng)用來說是主要障礙。例如，對于其尺寸可以使它們與其他發(fā)電方法相比合算的聚變反應(yīng)堆，基于目前的技術(shù)，高“刪削通量”對于偏濾器設(shè)計(jì)是不能忍受的。處理高刪削通量所產(chǎn)生的挑戰(zhàn)并且使小型高功率密度聚變中子源成為可能的一種方式在于2008年8月25日提交的 Kotschenreuther等人的美國專利申請No. 12/197，736中被描述，上述申請通過引用完整地被合并在本文中并且作為它的一部分。
所以，仍然需要一種改進(jìn)的核聚變反應(yīng)堆以提供帶有足夠能量的足夠通量的快中子，從而嬗變來自核裂變的超鈾廢料并且用于改善的核燃料循環(huán)中，從而有效地克服當(dāng)前技術(shù)中的挑戰(zhàn)，其中的一些挑戰(zhàn)在上面被敘述。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開了用于容納等離子體或聚變等離子體的裝置、聚變中子源和可選地包括磁約束等離子體的托卡馬克的實(shí)施例，其中可裂變材料層大體鄰近所述聚變中子源的至少一部分。也公開了使用所公開實(shí)施例裂變所述可裂變材料的方法和核燃料循環(huán)。本文中描述的各種實(shí)施例可以用于需要減少可裂變材料的應(yīng)用中。
在一個方面中，公開了一種用于超鈾廢料的嬗變的兩步方法(核燃料循環(huán))。第一步驟在于在相對便宜的熱譜反應(yīng)堆中執(zhí)行一定量的廢料處置。熱中子的確減小超鈾材料的總量，但是它們并不顯著影響重要的少數(shù)派的超鈾材料，包括許多長壽命超鈾。這些元素對于地質(zhì)處置是很大的問題。被專門設(shè)計(jì)用于破壞這些成問題的長壽命超鈾的第二步驟利用聚變中子源來提供快中子。在一個方面中，所述聚變中子源是高功率密度中子源，橫過所述高功率密度中子源的表面的中子的總功率為大約0.1兆瓦每平方米每秒或更高。
在一個方面中，公開了一種用于減少核廢料的混合反應(yīng)堆。所述混合反應(yīng)堆的一個實(shí)施例包括圍繞中心軸線由壁包圍的第一室。第一室可以具有相對于所述中心軸線的4 米或以下的外半徑。第一室封閉高功率密度中子源，所述高功率密度中子源產(chǎn)生橫過所述高功率密度中子源的表面的等于或高于大約0. 1兆瓦每平方米每秒的總中子功率。第二室包圍大體鄰近第一室的至少一部分的一層或更多層的可裂變材料。第二室也可以包圍中子吸收材料和中子反射材料。從所述高功率密度中子源提供給可裂變材料的中子促進(jìn)所述可裂變材料中的核裂變反應(yīng)。
在另一個方面中，描述了一種減少核廢料的方法。所述方法的一個實(shí)施例包括產(chǎn)生圍繞中心軸線由壁包圍的第一室。第一室具有相對于所述中心軸線的大約4米或以下的外半徑。在第一室內(nèi)部產(chǎn)生高功率密度中子源。所述高功率密度中子源具有橫過所述高功率密度中子源的表面的大約0. 1兆瓦每平方米每秒或更高的總中子功率。將大體鄰近第一室的至少一部分的一層或更多層的可裂變材料放置在第二室中。也將中子吸收材料和中子反射材料放置在第二室中，使得來自所述高功率密度中子源的中子促進(jìn)可裂變材料中的核裂變反應(yīng)。
在又一個方面中，描述了一種用于減少核廢料的裝置。所述裝置的一個實(shí)施例包括圍繞中心軸線由壁包圍的第一室。第一室可以具有相對于所述中心軸線的大約4米或以下的外半徑。第一室包圍高功率密度中子源，所述高功率密度中子源產(chǎn)生橫過所述高功率密度中子源的表面的等于或高于大約0. 1兆瓦每平方米每秒的總中子功率。所述裝置還包括包圍大體鄰近第一室的至少一部分的一層或更多層的可裂變材料的第二室。第二室也包圍中子吸收材料和中子反射材料。
附加優(yōu)點(diǎn)將部分地在下面的描述中闡述，并且部分地將從描述中顯而易見，或者可以通過實(shí)踐領(lǐng)會。其他優(yōu)點(diǎn)將借助于在附帶權(quán)利要求
中特別指出的要素和組合實(shí)現(xiàn)和獲得。應(yīng)當(dāng)理解前面的概述和下面的詳述僅僅是示例性的和解釋性的，而不是對本發(fā)明的權(quán)利要求
的限制。


包含在本說明書中并且構(gòu)成其一部分的不一定按比例繪制的附圖示出了若干實(shí)施例并且與文字描述一起用于解釋本發(fā)明的原理，并且其中
圖1顯示了本公開實(shí)施例的橫截面圖；
圖2顯示了圖1中所示的本公開實(shí)施例的三維視圖；
圖3顯示了由CORSICA TM生成的本公開實(shí)施例的橫截面圖；
圖4顯示了圍繞中心軸線的容器；
圖5A-5E顯示了使用本公開實(shí)施例嬗變可裂變材料的方法的流程圖；
圖6顯示了包括限制器和偏濾器的現(xiàn)有技術(shù)的磁約束構(gòu)造；
圖7顯示了包括X偏濾器的(如Kotschenreuther等人在《物理等離子學(xué)》2006 年第14卷72502/1-25中題為“有關(guān)熱負(fù)荷、新型偏濾器和聚變反應(yīng)堆的研究”所述)現(xiàn)有技術(shù)的磁約束構(gòu)造；
圖8顯示了包括本公開偏濾器的一個實(shí)施例的托卡馬克的改進(jìn)示意圖；
圖9A顯示了用于示例性實(shí)施例的CORSICA TM平衡的上部區(qū)域；
圖9B顯示了用于示例性實(shí)施例的CORSICA TM平衡的上部區(qū)域，其中偏濾器線圈被分為兩個不同的偏濾器線圈；
圖9C顯示了用于示例性實(shí)施例的CORSICA TM平衡的上部區(qū)域，其中偏濾器線圈被分為四個不同的偏濾器線圈；
圖10顯示了用于所公開的聚變開發(fā)設(shè)施(FDF)基反應(yīng)堆的一個FDF基實(shí)施例的示例性圖示；
圖11顯示了用于帶有Cu線圈的部件試驗(yàn)設(shè)施(CTF)的一個示例性實(shí)施例的 CORSICA TM平衡的上部區(qū)域；
圖12顯示了用于帶有超導(dǎo)線圈的Slim-CS、減小尺寸中心螺線管(CS)基反應(yīng)堆的一個示例性實(shí)施例的CORSICA TM平衡的上部區(qū)域；
圖13顯示了用于ARIES (先進(jìn)反應(yīng)堆創(chuàng)新和評價(jià)研究)基反應(yīng)堆(使用安裝在由虛線包圍的可提取段內(nèi)部的模塊化線圈)的一個示例性實(shí)施例的CORSICA TM平衡的上部區(qū)域；
圖14A和14B顯示了(a)國家高功率先進(jìn)環(huán)面實(shí)驗(yàn)(NHTX)基實(shí)施例的圖示和(b) 用于所公開的NHTX基反應(yīng)堆的C0RSICATM平衡；
圖15A顯示了標(biāo)準(zhǔn)NHTX構(gòu)造(現(xiàn)有技術(shù))；
圖15B顯示了用于包括所公開的偏濾器構(gòu)造的一個實(shí)施例的NHTX基反應(yīng)堆的 SOLPS (刪削層等離子體模擬)計(jì)算；
圖15C顯示了用于所公開的NHTX基實(shí)施例的CORSICA TM平衡的上部區(qū)域；
圖16顯示了 ITER(國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆)等離子體尺寸與使用本文所述的實(shí)施例可獲得的高功率密度等離子體尺寸的比較的橫截面圖；以及
圖17是顯示等離子體運(yùn)動對所公開的偏濾器的偏濾器撞擊點(diǎn)位置的減小影響與相同等離子體運(yùn)動對等離子體X點(diǎn)的更大影響的比較的圖形。
具體實(shí)施方式
[0046]可以通過參考以下詳細(xì)描述和包括在其中的例子以及參考附圖和它們的先前和以下描述更容易地理解本文中所述的裝置、系統(tǒng)和方法。
在公開和描述本系統(tǒng)、物品、裝置和/或方法之前，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不限于特定系統(tǒng)、特定裝置或特定方法，因而當(dāng)然可以變化。也應(yīng)當(dāng)理解本文中使用的術(shù)語僅僅是為了描述特定實(shí)施例的目的而不是旨在限制。
本發(fā)明的以下描述在其最佳的、當(dāng)前已知的實(shí)施例中作為本發(fā)明的啟發(fā)教導(dǎo)。為此，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到和理解可以對本文中所述的發(fā)明的各個方面進(jìn)行許多變化，同時(shí)仍然獲得本發(fā)明的有益結(jié)果。也將顯而易見可以通過選擇本發(fā)明的實(shí)施例的一些特征而不利用其他特征獲得本發(fā)明的一些預(yù)期益處。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到對本發(fā)明的許多修改和調(diào)整是可能的，甚至在某些情況下是期望的，并且是本發(fā)明的一部分。 因此，提供以下描述作為本發(fā)明的原理的示例而不是它的限制。
盡管與本文中所述的那些類似或等效的任何方法和材料可以用于本發(fā)明的實(shí)踐或試驗(yàn)中，但是現(xiàn)在描述示例性的方法和材料。
在整個本申請中參考各種出版物。除非另外指出，這些出版物的公開通過引用整體合并于本申請中以便更完整地描述本發(fā)明所屬領(lǐng)域的狀態(tài)。所公開的參考文獻(xiàn)也通過引用單獨(dú)地和具體地被合并在本文中以獲得包含在這些文獻(xiàn)中的在所引用的句子中論述的材料。在本文中沒有任何內(nèi)容應(yīng)當(dāng)被理解為承認(rèn)本發(fā)明沒有資格依靠現(xiàn)有發(fā)明早于這樣的出版物。此外，本文中提供的出版日期可能不同于實(shí)際出版日期，這可能需要單獨(dú)確認(rèn)。
當(dāng)在說明書和附帶權(quán)利要求
中使用時(shí)，單數(shù)形式“一(a和an)”和“所述(the) ”包括多個指代物，除非上下文清楚地另外指出。因此，例如“一偏濾器板”，“一反應(yīng)堆”或“一粒子”的提及包括兩個或以上這樣的偏濾器板、反應(yīng)堆或粒子的組合等。
范圍在本文中可以被表達(dá)為從“大約”一個特定值和/或到“大約”另一個特定值。 當(dāng)表達(dá)這樣的范圍時(shí)，另一個實(shí)施例包括從一個特定值和/或到另一個特定值。類似地，當(dāng)通過使用在前面的“大約”將值表達(dá)為近似值時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解特定值形成另一個實(shí)施例。還應(yīng)當(dāng)理解每個范圍的端點(diǎn)關(guān)于另一個端點(diǎn)并且獨(dú)立于另一個端點(diǎn)都是有意義的。也應(yīng)當(dāng)理解在本文中公開了許多值，并且每個值在本文中也作為除了該值本身以外的“大約”該特定值被公開。例如，如果值“10”被公開，則“大約10”也被公開。也應(yīng)當(dāng)理解當(dāng)值被公開時(shí)“小于或等于”該值、“大于或等于”該值和在值之間的可能范圍也被公開，這是熟練技術(shù)人員能夠適當(dāng)理解的。例如，如果值“10”被公開，則“小于或等于10”以及“大于或等于10”也被公開。也應(yīng)當(dāng)理解在整個申請中，以許多不同的格式提供數(shù)據(jù)并且該數(shù)據(jù)表示端點(diǎn)和起點(diǎn)以及用于數(shù)據(jù)點(diǎn)的任何組合的范圍。例如，如果特定數(shù)據(jù)點(diǎn)“10”和特定數(shù)據(jù)點(diǎn)15被公開， 則應(yīng)當(dāng)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之間被視為公開。也應(yīng)當(dāng)理解在兩個特定整數(shù)之間的每個整數(shù)也被公開。例如，如果10和15被公開，則11、12、13和14也被公開。
當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語“可選的”或“可選地”表示隨后描述的方面可以存在或不存在或者隨后描述的事件或情況可以發(fā)生或不發(fā)生，并且描述包括所述事件或情況發(fā)生的實(shí)例和它不發(fā)生的實(shí)例。例如，所公開實(shí)施例可以可選地包括聚變等離子體，即，聚變等離子體可以存在或不存在。
當(dāng)在本文中使用時(shí)，“示例性的”表示“......的例子”并且并非旨在表達(dá)優(yōu)選的或理想的實(shí)施例。此外，當(dāng)在本文中使用時(shí)短語“例如”并非旨在表示任何限制意義，而是僅僅是解釋性的，并且用于指示所列舉的項(xiàng)目僅僅是由這種提供涵蓋的例子。
公開了將用于制備組成物的組分以及將用于本文中公開的方法中的組成物本身。 這些和其他材料在本文中被公開，并且應(yīng)當(dāng)理解當(dāng)這些材料的組合、子集、相互作用、群組等被公開時(shí)，盡管這些化合物的各種單獨(dú)和總體組合和排列的每一個的具體提及可能未明確被公開，但是每一個在本文中具體地被預(yù)料和描述。例如，如果特定化合物被公開和論述并且論述了可以對包括該化合物的許多分子進(jìn)行的許多修改，則可以具體地預(yù)料化合物和修改的每一個可能的組合和排列，除非具體地相反指出。因此，如果一類分子A、B和C以及一類分子D、E和F被公開并且組合分子A-D的一個例子被公開，則即使未單獨(dú)地?cái)⑹鲱A(yù)料到的單獨(dú)和總體有意義組合的每一個，也認(rèn)為A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E和C-F被公開。類似地，這些的任何子集或組合也被公開。因此，例如A-E、B-F和C-E的子組可以被認(rèn)為公開。該概念適用于本申請的所有方面，包括但不限于制造和使用組成物的方法中的步驟。因此，如果有可以被執(zhí)行的各種附加步驟，則應(yīng)當(dāng)理解這些附加步驟的每一個可以在方法的特定實(shí)施例或?qū)嵤├慕M合中被執(zhí)行。
應(yīng)當(dāng)理解本文中公開的組成物具有某些功能。在本文中公開了用于執(zhí)行所公開功能的某些結(jié)構(gòu)要求，并且應(yīng)當(dāng)理解有與所公開結(jié)構(gòu)相關(guān)的各種結(jié)構(gòu)可以執(zhí)行相同功能，并且這些結(jié)構(gòu)將示例性地獲得相同結(jié)果。
公開了用于包含等離子體或聚變等離子體的容器、聚變中子源和托卡馬克，其中反應(yīng)等離子體可以可選地存在于其中；并且其中可裂變材料層大體鄰近所述等離子體或用于約束所述等離子體的室的至少一部分。也公開了使用所公開實(shí)施例裂變可裂變材料的方法，其中存在反應(yīng)等離子體。也公開了使用所公開方法裂變可裂變材料的核燃料循環(huán)。
作為一個例子，所公開實(shí)施例可以具有如圖1和圖2中所示的一般構(gòu)造，該圖是所公開反應(yīng)堆100的一半的橫截面圖。如圖1中所示，所公開實(shí)施例可以包括圍繞中心軸線 250基本上由壁170包圍的環(huán)形室。室壁具有最接近中心軸線250的內(nèi)半徑240和最遠(yuǎn)離中心軸線250的外半徑230。環(huán)形室可以可選地包括堆芯等離子體160，當(dāng)存在時(shí)，所述堆芯等離子體可以由相對于堆芯等離子體閉合的磁面180和開放的磁場線260包含在所述環(huán)形室內(nèi)。堆芯等離子體可以通過聚變反應(yīng)產(chǎn)生快(大約14兆電子伏特)中子，由于不帶電， 因此所述快中子可以在指定軌道上移動離開堆芯等離子體。當(dāng)存在時(shí)，中子可以轟擊大體鄰近所述堆芯等離子體160的至少一部分的可裂變材料層150。為了使反應(yīng)堆與中子隔離， 反應(yīng)堆的一些部分可以包括鉛段四0。另外，鉛護(hù)罩110可以基本圍繞可裂變材料層150。 開放的磁場線260和閉合的磁場線180可以由載流導(dǎo)體所感生的電流產(chǎn)生，所述載流導(dǎo)體包括但不限于環(huán)形場(TF)線圈280和220以及極向場(PF)線圈120、140、190和210。主邊界或分界面270可以存在于開放的磁場線260和閉合的磁場線180之間，即，開放的和閉合的磁漂移軌道之間的邊界。橫穿閉合磁面180的粒子、熱和/或能量(即，交叉場通量) 可以由開放磁場線260引導(dǎo)到一個或更多個偏濾器板130和200。
在一個方面中，堆芯等離子體可以是聚變等離子體，其從聚變等離子體發(fā)射中子， 使得一個或更多個核裂變反應(yīng)發(fā)生在可裂變材料層中。在一個方面中，這樣的可裂變材料的反應(yīng)可以將所述可裂變材料嬗變?yōu)橄鄬τ诳闪炎儾牧细€(wěn)定的材料或具有比可裂變材料更短的放射性半衰期的材料。[0060]在另一個方面中，包括可裂變材料層的所公開實(shí)施例可以在可裂變材料層內(nèi)包括核廢料。一般而言，核廢料可以是能夠經(jīng)歷裂變的任何廢料。在一個方面中，核廢料可以是放射線的。在另一個方面中，核廢料可以是可以另外儲存在核處置庫(例如尤卡山)中的核反應(yīng)堆廢料。應(yīng)當(dāng)理解的是，將核廢料儲存在地質(zhì)處置庫中估計(jì)花費(fèi)大約$960億；因此， 在一個方面中，所公開實(shí)施例可以通過減少核廢料量而減小地質(zhì)處置庫的成本。
在一個方面中，源自核反應(yīng)堆的核廢料在被放置到所公開實(shí)施例中之前可以被引導(dǎo)通過一個或更多個輕水反應(yīng)堆(LWRs)或其他反應(yīng)堆。因此，在一個方面中，核廢料在用于所公開實(shí)施例之前可以部分被嬗變?！版幼儭敝荚诒硎疽环N過程，其中一個化學(xué)元素或同位素通過核反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€化學(xué)元素或同位素。
在一個方面中，可裂變材料層可以包括超鈾元素。也被稱為鈾后元素的超鈾元素是具有高于92的原子量的元素。超鈾元素的例子包括镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、鋦(Cm)、 锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、鐨(Fm)、鍆(Md)、锘(No)、鐒(Lr)、妒(Rf)、·杜(Db)、·喜(Sg)、 波(Bh)、·黑(Hs)、·麥(Mt)、·達(dá)(Ds)、鍮(Rg)、112號元素、113號元素、114號元素、 115號元素、116號元素、118號元素。這些元素可以被稱為難裂變TRU核廢料，并且剩余可裂變元素可以被稱為易裂變元素。
在另一個方面中，所公開聚變中子源可以用于減小可裂變材料(例如超鈾元素) 的放射毒性水平。當(dāng)在本文中使用時(shí)，“放射毒性”表示將放射線物質(zhì)吸收到生命體中之后的潛在毒性。一般而言，具有較短半衰期的元素是有放射毒性的，例如包括超鈾元素的核材料。放射性衰變導(dǎo)致剩余質(zhì)量的總和減小，其根據(jù)公式E = mc2轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?衰變能)。在一些方面中，所述能量是有放射毒性的。
在其中所公開實(shí)施例包括可裂變材料層的一個方面中，本公開實(shí)施例可以用于減少可裂變材料層中的可裂變材料(例如超鈾元素)的量。在一個方面中，所公開聚變中子可以用于減少可裂變材料層中的核廢料產(chǎn)物的量。因此，在一個方面中，聚變中子源可以用于減小所述核廢料產(chǎn)物的放射毒性水平。所述可裂變材料的核裂變反應(yīng)可以將所述可裂變材料嬗變?yōu)橄鄬τ诳闪炎儾牧细€(wěn)定的材料或具有比可裂變材料更短的放射性半衰期的材料。
所公開實(shí)施例可以具有例如如圖3中所示的磁幾何形狀以及線圈和偏濾器構(gòu)造， 圖3是由CORSICA TM計(jì)算機(jī)程序生成的環(huán)形反應(yīng)堆的一段的橫截面圖。CORSICA TM是由加利福尼亞州利沃莫爾市的Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)用于模擬磁聚變反應(yīng)堆中的物理學(xué)過程的軟件。在該實(shí)施例中，堆芯等離子體310可以主要由閉合磁面340約束， 其中刪削層(S0L)300存在于所述閉合磁面之外。圍繞等離子體310的閉合磁面340(即， 環(huán)形場)由基本穿過環(huán)面的中心(由此通過互感器作用在等離子體310中感生電流)的環(huán)形場(TF)線圈或?qū)w(未顯示)在等離子體310中感生的電流導(dǎo)致，這在本領(lǐng)域中是已知的。SOL 300可以包括開放磁場線(相對于堆芯等離子體的閉合磁面340)。真空室345可以基本上由壁350包圍。附加磁場線370可以存在于所述真空室外部。在壁350中或附近的線圈320或載流導(dǎo)體可以用于產(chǎn)生導(dǎo)致開放磁場線的磁場(即，極向場(PF))。如果需要成形和/或控制磁場線，所述線圈320或載流導(dǎo)體可以成形和/或控制所述線，并且產(chǎn)生開放磁場線以用于偏轉(zhuǎn)交叉場通量(或刪削通量)，即，從堆芯等離子體310橫穿閉合場線 340遷移到開放磁場線的粒子。刪削通量可以由開放磁場線偏轉(zhuǎn)到偏濾器板330，所述偏濾器板如圖3中所示可以可選地相對于從聚變等離子體310發(fā)射的中子被屏蔽。由于偏濾器板330離堆芯等離子體310的距離(直線距離)和磁距離(沿著磁場線從堆芯等離子體到偏濾器板的距離)大于在本領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)的其他聚變反應(yīng)堆，因此開放磁場線可以在偏濾器板處進(jìn)一步擴(kuò)展，由此減小偏濾器板330上的熱集中，并且允許粒子從它離開聚變時(shí)直到它到達(dá)偏濾器板330的輻射冷卻。在該實(shí)施例中，可裂變材料層(未顯示)可以大體鄰近所述等離子體310和/或用于約束所述等離子體的所述真空室345的至少一部分。從本公開將顯而易見，可以對該實(shí)施例進(jìn)行各種修改。
當(dāng)在本文中使用時(shí)，“用于包含等離子體的容器”可以是與聚變兼容的任何容器， 并且不一定限于已知的容器設(shè)計(jì)。如果存在反應(yīng)等離子體，用于包含等離子體的容器可以是聚變中子源。用于包含等離子體的容器也可以是托卡馬克。應(yīng)當(dāng)理解任何所公開部件或?qū)嵤├梢杂糜谌魏斡糜诎入x子體、聚變等離子體的所公開容器、聚變中子源或托卡馬克或從其排熱的方法，除非上下文另外清楚地指出。
在一個方面中，所公開實(shí)施例可以包括圍繞中心軸線基本上由壁封閉的環(huán)形室， 其中所述環(huán)形室具有相對于所述中心軸線的內(nèi)半徑和外半徑；用于接收來自基本上由磁場包含在所述環(huán)形室內(nèi)的聚變等離子體的廢熱的偏濾器板，所述偏濾器板具有相對于所述中心軸線的偏濾器半徑，并且所述偏濾器半徑至少大于或等于環(huán)形室的內(nèi)半徑?？闪炎儾牧蠈涌梢源篌w鄰近聚變等離子體。
當(dāng)在本文中使用時(shí)，“中心軸線”指的是位于一個平面內(nèi)并且穿過本公開實(shí)施例的形心的軸線。在圖4中顯示了例如圍繞中心軸線的容器的一部分。容器410的一部分圍繞中心軸線420。向外并且基本垂直于所述中心軸線延伸的空間中的點(diǎn)具有相對于所述中心軸線的半徑。例如，所述容器可以具有最靠近所述中心軸線420的內(nèi)半徑430和最遠(yuǎn)離所述中心軸線420的外半徑440。在一個方面中，所述內(nèi)半徑和外半徑可以被定義為從基本垂直于所述中心軸線420的假想線延伸并且沿著與所述容器的直徑相同的x-y-z平面定位的點(diǎn)ο
所公開的室可以是適于約束聚變等離子體的任何形狀。在一些方面中，所公開的室的至少一部分可以為環(huán)形?！碍h(huán)形”表示圍繞中心軸線上的點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)將是環(huán)形旋轉(zhuǎn)。因此，在一個方面中，所公開的室不一定作為整體是環(huán)形，而是當(dāng)圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)所述室內(nèi)或上的點(diǎn)可以產(chǎn)生環(huán)形形狀。
在一個方面中，所公開的容器可以包括已知與聚變反應(yīng)堆兼容的任何材料。非限定性例子包括金屬(例如鎢和鋼)、金屬合金、(包括碳復(fù)合材料)復(fù)合材料、它們的組合寸。
在一個方面中，所公開的實(shí)施例包括改進(jìn)的偏濾器。當(dāng)在本文中使用時(shí)，“偏濾器” 意味著指的是實(shí)施例中將來自堆芯等離子體的熱、能量和/或粒子偏轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)離堆芯等離子體的期望位置的所有方面。偏濾器的各方面的例子包括但不限于刪削層、在其中包含刪削通量的開放磁場線和一個或更多個偏濾器板(或偏濾器靶板)和一個或更多個分界面。
在一個方面中，所述偏濾器板可以包括適合用于聚變反應(yīng)堆的任何材料?？梢允褂靡阎默F(xiàn)有偏濾器組成物，例如在銅或碳復(fù)合材料上的鎢或鎢復(fù)合材料?？梢允褂玫钠渌牧习ㄔ诟邿釋?dǎo)襯底上的鋼合金。
在另一個方面中，偏濾器板可以具有相對于中心軸線的偏濾器半徑并且所述偏濾器半徑可以相對于所公開的實(shí)施例中的另一個部件或點(diǎn)位于一個位置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，偏濾器半徑相對于其他部件(例如等離子體或室壁等)的比率應(yīng)當(dāng)包含任何合適的單個半徑，并且因此所公開的任何實(shí)際偏濾器半徑僅僅表示是示例性的并且因而是非限定的。
當(dāng)在本文中使 用并且由Iidiv表示時(shí)，術(shù)語“偏濾器半徑”意味著指的是偏濾器板離中心軸線的最遠(yuǎn)半徑距離。
在一個方面中，偏濾器板可以具有大于或等于大約環(huán)形室的外半徑的偏濾器半徑。在另一個方面中，偏濾器板可以具有小于或等于大約環(huán)形室的外半徑的偏濾器半徑。在又一個方面中，偏濾器板可以具有大于或等于大約環(huán)形室的內(nèi)半徑的偏濾器半徑。
在一個方面中，偏濾器半徑Iidiv與環(huán)形室的外半徑I 。的比率可以從大約0. 2到大約10，或者從大約0. 5到大約8，或者從大約1到大約6，或者從大約1到大約5，或者從大約1到大約3，或者從大約1到大約2，或者從大約1到大約1. 5。
一般而言，可以預(yù)見可以使用任何尺寸的實(shí)施例。但是，例如所述偏濾器板可以具有大約 0. 2m、0. 5m、lm、l. 5m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m 或大約 IOm 的半徑。在另一個方面中，偏濾器半徑可以為大約1. 9mm,3. 3mm、4m、7. 3mm或7. 5匪。
在一個方面中，偏濾器板可以具有相對于分界面上的X點(diǎn)的偏濾器半徑。當(dāng)在本文中使用時(shí)，術(shù)語“分界面”指的是開放磁場線和閉合磁面之間的邊界，并且X點(diǎn)指的是分界面上極向磁場為零的點(diǎn)。在一個方面中，多個X點(diǎn)存在于所公開的實(shí)施例中，并且主等離子體X點(diǎn)指的是鄰近所述堆芯等離子體的X點(diǎn)。例如，返回參考圖3，主X點(diǎn)被顯示為360。 主X點(diǎn)的半徑通常取決于磁場線的構(gòu)造。在一個方面中，偏濾器板可以具有大于或等于主 X點(diǎn)的半徑的長半徑。
在一個方面中，偏濾器板半徑與X點(diǎn)半徑的比率Rdiv/I x可以從大約1到大約5，或者從大約1到大約4，或者從大約1到大約3. 5，或者從大約1. 5到大約3. 5。例如，所公開的偏濾器板和所公開的分界面可以具有如表1中列出的半徑以及相應(yīng)比率。
表mdiv和&的例子
在又一個方面中，偏濾器板具有相對于等離子體長半徑的偏濾器半徑，所述等離子體長半徑被定義為從所述中心軸線到所述等離子體中心的距離。例如，偏濾器半徑與等離子體長半徑(R)的比率Rdiv/R可以從大約0.5到大約10，或者從大約1到大約8，或者從大約1到大約6，或者從大約1到大約5，或者從大約2到大約5，例如包括0. 5、1、2、3、4、5、 6、7、8、9或10。作為具體的非限定例子，如果等離子體長半徑為lm，并且偏濾器半徑為2m， 則 I div/R = 2。
在一個方面中，所述偏濾器板可以相對于從堆芯等離子體發(fā)射的中子至少部分被屏蔽。在另一個方面中，所述室壁使偏濾器板相對于從所述堆芯等離子體發(fā)射的中子至少部分地屏蔽，例如如圖3中所示。
中子通量被定義為以中子數(shù)/cm2-sec計(jì)的中子輻射強(qiáng)度的量度。中子通量是在1 秒鐘內(nèi)穿過1平方厘米的指定靶的中子的數(shù)量。使用本文中所述的偏濾器板的實(shí)施例，計(jì)算表明與其他偏濾器板設(shè)計(jì)相比中子通量減小到十分之一以下。
不對應(yīng)于本文中公開的半徑的額外的偏濾器板也可以與所公開的偏濾器板組合使用。具體地，已知反應(yīng)堆設(shè)計(jì)可以包括偏濾器板，其中偏濾器半徑小于室、等離子體長半徑、分界面或用于包含聚變等離子體的容器內(nèi)的另一個部件或點(diǎn)的外半徑。這些已知設(shè)計(jì)在一些方面中可以簡單地增加附加的所公開的偏濾器設(shè)計(jì)。這樣的偏濾器的例子包括如本文中所述的標(biāo)準(zhǔn)偏濾器和如Kotschenreuther等人在《物理等離子學(xué)》2006年第14卷 72502/1-25中題為“有關(guān)熱負(fù)荷、新型偏濾器和聚變反應(yīng)堆的研究”所述的X偏濾器，該文獻(xiàn)由此通過引用完整地合并在本說明書中(在下文中被稱為Kotschenreuther)。在圖8中顯示了 X偏濾器的一個示例性實(shí)施例，其中大體鄰近偏濾器板放置的四個極向場線圈靠近偏濾器板的磁通量膨脹使得從堆芯等離子體流入SOL中的熱和等離子體粒子通量落在偏濾器板的較大區(qū)域上。
參考圖3和圖4，在一個方面中所公開實(shí)施例包括圍繞中心軸線420的環(huán)形室 410。任何點(diǎn)的長半徑表示它離中心軸線420的垂直距離。垂直于中心軸線420的方向是徑向，并且在包含中心軸線420的任何平面中的方向是極向。環(huán)形堆芯等離子體310基本上由大體位于閉合環(huán)形磁面上的閉合磁面340約束在環(huán)形室145內(nèi)。環(huán)形堆芯等離子體340 基本上由與一個或更多個偏濾器板330交叉的開放磁場線300的區(qū)域封閉(該區(qū)域可以被稱為S0L(即，刪削層))。被稱為分界面的磁面分離堆芯等離子體和SOL并且分界面與偏濾器板330交叉。從堆芯等離子體340橫穿分界面流入SOL中的粒子和能量沿著開放磁場線300被引導(dǎo)到偏濾器板330。堆芯等離子體310中的閉合磁面340和SOL中的開放磁場線300都由環(huán)形堆芯等離子體310中的電流并由大體鄰近環(huán)形室145的導(dǎo)體320中的電流產(chǎn)生。堆芯等離子體310和SOL區(qū)域一起基本上由壁350包圍。垂直于中心軸線420并且穿過堆芯等離子體340中的最大長半徑的點(diǎn)的赤道面將環(huán)形室145分為上部區(qū)域和下部區(qū)域。當(dāng)如圖3和4中僅僅顯示上部區(qū)域時(shí)，下部區(qū)域基本上關(guān)于赤道面是上部區(qū)域的鏡像。 任何點(diǎn)的長半徑是該點(diǎn)離中心軸線的垂直距離。堆芯等離子體340中的離中心軸線420最遠(yuǎn)(或最近)的點(diǎn)的長半徑是外等離子體長半徑(或內(nèi)等離子體長半徑)。外等離子體長半徑和內(nèi)等離子體長半徑的總和的一半是等離子體長半徑，并且外等離子體長半徑和內(nèi)等離子體長半徑之間的差值的一半是等離子體短半徑。堆芯等離子體340的上部(或下部) 區(qū)域中最遠(yuǎn)離赤道面的點(diǎn)是上(或下)峰值點(diǎn)。分界面和偏濾器板330之間的交叉點(diǎn)的最大長半徑是外側(cè)偏濾器長半徑并且相應(yīng)偏濾器板是外側(cè)偏濾器板330。沿著開放磁場線從赤道面中分界面外部大約0. 5厘米處的點(diǎn)到外側(cè)偏濾器板330的長度是SOL長度，也被稱為磁連接長度。[0087]可裂變材料層可以大體鄰近堆芯等離子體310(當(dāng)存在時(shí))和/或環(huán)形室410?？梢源怪庇谥行妮S線420并且穿過堆芯等離子體310中的最大長半徑的點(diǎn)的赤道面將環(huán)形室 145分為上部區(qū)域和下部區(qū)域。堆芯等離子體310中的離中心軸線420最遠(yuǎn)(或最近)的點(diǎn)的長半徑是外等離子體長半徑(或內(nèi)等離子體長半徑)。外等離子體長半徑和內(nèi)等離子體長半徑的總和的一半是等離子體長半徑，并且外等離子體長半徑和內(nèi)等離子體長半徑之間的差值的一半是等離子體短半徑。堆芯等離子體310的上部(或下部)區(qū)域中最遠(yuǎn)離赤道面的點(diǎn)是上(或下)峰值點(diǎn)。分界面和偏濾器板330之間的交叉點(diǎn)的最大長半徑是外側(cè)偏濾器長半徑并且相應(yīng)偏濾器板是外側(cè)偏濾器板330。沿著開放磁場線從赤道面中分界面外部大約0. 5厘米處的點(diǎn)到外側(cè)偏濾器板330的長度是SOL長度。
滯點(diǎn)被定義為磁場的極向分量為零的任何點(diǎn)。在一個方面中，分界面包含至少一個滯點(diǎn)，所述滯點(diǎn)離赤道面的垂直距離大于等離子體短半徑，并且對于至少一個偏濾器板 330，外側(cè)偏濾器長半徑大于或等于等離子體短半徑與最靠近相應(yīng)偏濾器板330的峰值點(diǎn)的長半徑的總和。在一個方面中，該偏濾器板330可以被稱為超級X偏濾器或超X偏濾器 (SXD)。
在一個方面中，大體鄰近環(huán)形室的載流導(dǎo)體或線圈使偏濾器板處的所述開放磁場線之間的距離相對于在環(huán)形室的外半徑處的開放磁場線之間的距離擴(kuò)大，使得通過所述粒子撞擊偏濾器板傳遞到所述偏濾器板的熱分布在偏濾器板的擴(kuò)大區(qū)域上。大體鄰近環(huán)形室 145的載流導(dǎo)體320可以在SOL中產(chǎn)生磁通量膨脹，即，減小SOL中的磁場的極向分量。所以，轉(zhuǎn)移到偏濾器板330的能量和粒子可以分布在偏濾器板330的擴(kuò)大區(qū)域上，因此減小入射在偏濾器板330上的能量和粒子的平均和峰值通量，并且可以可選地增加SOL長度。在一個方面中，SOL長度比這樣的實(shí)例下的SOL長度大兩倍，在所述實(shí)例中偏濾器板位于相應(yīng)滯點(diǎn)處并且在垂直于中心軸線的平面中。在另一個方面中，到偏濾器板的SOL長度足夠長使得從堆芯等離子體出來的電子在到達(dá)所述偏濾器板之前冷卻到小于大約40電子伏特(eV) 能量的溫度。
在又一個方面中，靠近偏濾器板330的低等離子體溫度允許來自偏濾器板330附近的等離子體的能量輻射增加。在再一個方面中，到偏濾器板330的SOL長度足夠長以保持脫靶的等離子體，即，在偏濾器板330和等離子體之間維持溫度小于大約5eV的等離子體穩(wěn)定區(qū)域。
在一個方面中，泵送能力(即，泵送來自聚變反應(yīng)的氦灰)可以通過如本文中所述的偏濾器板的實(shí)施例增強(qiáng)，原因是偏濾器板的長半徑比最近峰值點(diǎn)的長半徑大出的量大于等離子體長半徑。盡管不希望受到理論限制，該增強(qiáng)可以導(dǎo)致a)偏濾器板附近的中性壓力增加，b)從偏濾器到泵的泵送通道長度減小，和/或c)由于所公開偏濾器的更大長半徑， 泵送管道的最大面積增加。
由于如本文中所述的偏濾器板的實(shí)施例的更大長半徑，諸如鋰的液態(tài)金屬可以在所公開偏濾器上存在或流動，并且在一些方面中可以有效地用于偏濾器板上，原因是在更大長半徑處的更低磁場減小了對液態(tài)金屬的磁流體動力學(xué)影響。
在一個方面中，堆芯等離子體的純度可以通過本文中所述的偏濾器板的實(shí)施例增加。在不希望受到理論限制的情況下，這可能產(chǎn)生于a)由于更低等離子體溫度導(dǎo)致的來自偏濾器板的濺射的減小，b)靠近板的等離子體密度的增加，這可以減小到達(dá)堆芯等離子體的濺射物質(zhì)的量，和/或C)與標(biāo)準(zhǔn)偏濾器相比本公開的偏濾器的長度的增加，這導(dǎo)致濺射更遠(yuǎn)離堆芯等離子體發(fā)生并且在偏濾器板處的濺射可以由環(huán)形室的壁或偏濾器板和堆芯等離子體之間的更長SOL距離與堆芯等離子體屏蔽開。
應(yīng)當(dāng)理解在另一個方面中，偏濾器中的SOL的更長線長度與帶有標(biāo)準(zhǔn)偏濾器的裝置相比可以允許以下改進(jìn)中的一個或更多個a)允許偏濾器板附近的更低等離子體溫度， b)允許偏濾器板附近的更高等離子體和中性密度，c)通過SOL中的等離子體生成的或外部驅(qū)動的湍流增強(qiáng)熱擴(kuò)散，而且也不會顯著增加堆芯等離子體中的湍流，和/或d)以足夠快的速率掃掠S )板上的最高熱或粒子通量的區(qū)域，使得所產(chǎn)生的熱通量的空間和時(shí)間再分布減小偏濾器板的峰值溫度。
在一個方面中，本文中所述的偏濾器板的實(shí)施例的使用允許堆芯等離子體中的功率密度顯著高于已知的環(huán)形等離子體裝置。在另一個方面中，堆芯等離子體中的聚變功率密度顯著高于已知的環(huán)形等離子體裝置。例如，如果功率密度被定義為以兆瓦計(jì)的堆芯加熱功率除以以米計(jì)的等離子體長半徑(在本文中更詳細(xì)地描述)的商，則本文中所述的實(shí)施例可以產(chǎn)生大約5兆瓦每米或更大的功率密度。當(dāng)然，在所述實(shí)施例的范圍內(nèi)也可以預(yù)見更低的功率密度。該高功率密度可以導(dǎo)致足夠的熱和密集的堆芯等離子體以從等離子體粒子的聚變反應(yīng)產(chǎn)生大量的中子。
應(yīng)當(dāng)理解，所公開實(shí)施例內(nèi)對于部件的各種所公開半徑可以由工作實(shí)施例的實(shí)際測量確定?；蛘邆溥x地，所公開半徑可以通過模型確定，例如由CORSICA TM生成的模型確定。因此，在一個方面中，實(shí)際實(shí)施例可以被推導(dǎo)得到模型，并且各種參數(shù)可以由模型確定。
在一個方面中，所公開實(shí)施例包括等離子體或聚變等離子體，其由相對于聚變等離子體的閉合磁面和開放磁場線基本磁包含在用于包含等離子體的容器、聚變中子源或托卡馬克內(nèi)。所公開堆芯等離子體可以具有長半徑和短半徑。等離子體的長半徑可以是作為整體的等離子體的半徑(從中心軸線到等離子體的中心)。短半徑可以是等離子體自身的半徑，即，從等離子體的中心延伸到所述等離子體的周邊的距離。
用作等離子體的燃料至少在原則上包括靠近周期表的下端的多數(shù)核同位素的組合。這樣的例子包括但不限于硼、鋰、氦和氫以及它們的同位素(例如咕或氘)。下面列出了例如可以在核聚變等離子體內(nèi)發(fā)生的氘和氦的非限制性反應(yīng)。
D+D — p+T (氚)+ 3MeV，其中 ρ 是質(zhì)子；
D+D — n+3He+ 4MeV，其中 η 是中子；
D+T — n+4He+ 17MeV ；
D+3He — p+4He+ 18MeV ；
加熱燃料以產(chǎn)生所述聚變等離子體和將所述聚變等離子體加熱到發(fā)生聚變所需的溫度的任何已知手段可以與所公開實(shí)施例(包括所公開方法)組合。等離子體可以以各種方式生成，其中包括直流放電、射頻(RF)放電、微波放電、激光放電或它們的組合。例如可以通過歐姆加熱生成和加熱等離子體，其中通過使電流通過等離子體來加熱等離子體。 另一個例子是磁壓縮，由此通過依靠約束場的強(qiáng)度的增加來壓縮等離子體使它絕熱加熱， 或者通過快速升高磁場使它沖擊加熱，或者它們的組合。又一個例子是中性束加熱，其中高能中性原子的強(qiáng)束可以從位于約束區(qū)域外部的中性束源被聚焦和引導(dǎo)到等離子體。
可以使用前述加熱方案的組合以及其他加熱方法。例如，中性束加熱可以用于增加磁約束裝置(例如托卡馬克)中的歐姆加熱。其他加熱方法包括但不限于通過射頻、微波和激光加熱。
可以使用與本公開實(shí)施例兼容的任何尺寸的任何適當(dāng)形狀的等離子體。等離子體形狀的論述可以在“ITER”，核聚變的特殊事項(xiàng)(special issue of Nucl Fusion) 47 (2007) 中找到，該文獻(xiàn)由此通過引用完整地合并在本說明書。在一個方面中，聚變等離子體的形狀可以確定用于包含所述聚變等離子體的容器的期望特定形狀。
各種因素可以確定期望等離子體尺寸，其中的一個因素是包含時(shí)間At = r2/D，其中r是最小等離子體尺度并且D是擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)典值是A7 =a]jTm，其中 是離子回轉(zhuǎn)半徑并且是離子-電子碰撞時(shí)間。根據(jù)經(jīng)典擴(kuò)散系數(shù)的擴(kuò)散被稱為經(jīng)典輸送。
造成短波長不穩(wěn)定性的玻姆(Bohm)擴(kuò)散系數(shù)是A5 = (Mie)a^i，其中Ω ,是離子回轉(zhuǎn)頻率。根據(jù)該關(guān)系的擴(kuò)散被稱為異常輸送。在一些方面中，用于等離子體的玻姆擴(kuò)散系數(shù)可以確定如果希望指定量的等離子體的包含時(shí)間長于進(jìn)行核聚變反應(yīng)的等離子體的時(shí)間，多大的等離子體可以在聚變反應(yīng)堆中。相反地，提出了這樣的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，其中經(jīng)典輸送現(xiàn)象至少在理論上是可能的。因此，在一個方面中，一個或更多個所公開實(shí)施例可以與包括異常輸送和/或經(jīng)典輸送的等離子體兼容。
在等離子體的磁約束期間，電離粒子可以由特定形狀的磁場約束以保持在限定區(qū)域內(nèi)。這樣的約束可以被看作可以使熱等離子體與室壁隔離的非物質(zhì)爐襯。
在一個實(shí)施例中，可以產(chǎn)生磁場以形成環(huán)形或圓環(huán)形圖，其中磁場線形成嵌套閉合面。因此，在該幾何結(jié)構(gòu)中，允許等離子體粒子僅僅通過橫穿磁面偏離。在理論上，該擴(kuò)散是很緩慢的過程，預(yù)測其時(shí)間以等離子體短半徑的平方變化，盡管在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)觀察到快得多的交叉擴(kuò)散圖案。
為了遠(yuǎn)離等離子體地引導(dǎo)異常和/或經(jīng)典交叉磁場粒子輸送，橫穿所述分界面的來自聚變等離子體的粒子可以通過在所述分界面外部的所述刪削層中的所述開放磁場線引導(dǎo)到所述偏濾器板上的等離子體潤濕區(qū)域。
在另一個方面中，所公開實(shí)施例可以提供至少一個偏濾器板，其中在至少一個偏濾器板上的等離子體潤濕區(qū)域Ajf加超過目前已知的聚變中子源設(shè)計(jì)。在不希望受到理論限制的情況下，在包括一個或更多個偏濾器板的實(shí)施例中，偏濾器板上的々,可以通過B = 0 的散度方程限定為
權(quán)利要求
1.一種用于減少核廢料的混合反應(yīng)堆，包括圍繞中心軸線由壁包圍的第一室，其中所述第一室相對于所述中心軸線具有4米或以下的外半徑；所述第一室包圍高功率密度中子源，所述高功率密度中子源產(chǎn)生橫穿所述高功率密度中子源的表面的等于或高于大約每平方米每秒0. 1兆瓦的總中子功率；第二室，其包圍大體鄰近所述第一室的至少一部分的一層或更多層的可裂變材料，所述第二室也包圍中子吸收材料和中子反射材料；其中從所述高功率密度中子源提供給所述可裂變材料的中子促進(jìn)所述可裂變材料中的核裂變反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的混合反應(yīng)堆，其中所述高功率密度中子源是環(huán)形等離子體聚變裝置，該裝置包括圍繞中心軸線的環(huán)形室，其中一環(huán)形堆芯等離子體基本上由大體位于閉合環(huán)形磁面上的磁場線約束在所述環(huán)形室內(nèi)，所述閉合磁面由堆芯等離子體中的電流和大體鄰近所述環(huán)形室的載流導(dǎo)體中的電流產(chǎn)生，并且所述環(huán)形堆芯等離子體基本上由與一個或更多個偏濾器板交叉的開放磁場線的區(qū)域包圍；分界面，其包括分離所述堆芯等離子體和開放磁場線的所述區(qū)域的磁面，其中所述分界面與所述偏濾器板交叉，使得從堆芯等離子體橫穿所述分界面流動到開放磁場線的所述區(qū)域中的粒子和能量沿著所述開放磁場線被引導(dǎo)到所述偏濾器板；其中所述分界面包含離赤道面的垂直距離非零的至少一個滯點(diǎn)，所述赤道面垂直于所述中心軸線并且經(jīng)過堆芯等離子體中的最大長半徑的點(diǎn)，所述垂直距離大于等離子體短半徑，并且所述偏濾器板具有外側(cè)偏濾器長半徑，所述外側(cè)偏濾器長半徑大于等離子體短半徑與最靠近相應(yīng)偏濾器板的峰值點(diǎn)的長半徑的總和。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的混合反應(yīng)堆，其中任何點(diǎn)的長半徑是該點(diǎn)離所述中心軸線的垂直距離，并且垂直于所述中心軸線并且經(jīng)過堆芯等離子體中的最大長半徑的點(diǎn)的所述赤道面將所述環(huán)形室分為上部區(qū)域和下部區(qū)域，其中堆芯等離子體具有外等離子體長半徑和內(nèi)等離子體長半徑，所述外等離子體長半徑是堆芯等離子體中最遠(yuǎn)離所述中心軸線的點(diǎn)的長半徑，并且所述內(nèi)等離子體長半徑是堆芯等離子體中最靠近所述中心軸線的點(diǎn)的長半徑，其中所述外等離子體長半徑和內(nèi)等離子體長半徑的總和的一半是等離子體長半徑，并且所述外等離子體長半徑和內(nèi)等離子體長半徑之間的差值的一半是等離子體短半徑，其中堆芯等離子體的上部區(qū)域中最遠(yuǎn)離所述赤道面的點(diǎn)是上峰值點(diǎn)并且堆芯等離子體的下部區(qū)域中最遠(yuǎn)離所述赤道面的點(diǎn)是下峰值點(diǎn)，其中所述分界面和所述偏濾器板之間的交叉點(diǎn)的最大長半徑是外側(cè)偏濾器長半徑，并且其中所述分界面具有一個或更多個滯點(diǎn)，每個所述滯點(diǎn)是這樣的點(diǎn)，在所述點(diǎn)處，包括所述磁面的磁場的極向分量大約為零并且在包含所述中心軸線的任何平面中的方向是極向。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的混合反應(yīng)堆，其中所述高功率密度中子源是包含堆芯等離子體的小型聚變中子源，其總加熱功率與堆芯等離子體長半徑的比率為大約5兆瓦/米或更高。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的混合反應(yīng)堆，其中所述高功率密度中子源是帶有大約3米或更小的堆芯等離子體長半徑的托卡馬克。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的混合反應(yīng)堆，其中所述可裂變材料的至少一部分包括核廢料。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的混合反應(yīng)堆，其中所述可裂變材料的至少一部分包括超鈾 (TRU)元素。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的混合反應(yīng)堆，其中所述可裂變材料的至少一部分包括在熱譜反應(yīng)堆中的包括額外燃燒循環(huán)的預(yù)燃燒用于嬗變核反應(yīng)堆廢料中的易裂變元素之后保留的難裂變TRU核廢料。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的混合反應(yīng)堆，其中核反應(yīng)堆廢料中的所述易裂變元素包括PU239。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的混合反應(yīng)堆，其中所述可裂變材料的至少一部分包括在預(yù)燃燒將初始核廢料減少到其重量與初始核廢料的重量相比為大約25%或以下的難裂變 TRU核廢料之后保留的難裂變TRU核廢料。
11.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的混合反應(yīng)堆，其中所述可裂變材料的至少一部分包括制造低級反應(yīng)堆燃料的難裂變TRU核廢料；所述低級核燃料不適合于作為熱譜反應(yīng)堆的燃料或快譜裂變反應(yīng)堆的穩(wěn)定操作。
12.根據(jù)權(quán)利要求
11所述的混合反應(yīng)堆，其中所述熱譜反應(yīng)堆是輕水反應(yīng)堆(LWI )。
13.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的混合反應(yīng)堆，其中從所述高功率密度中子源提供給所述可裂變材料的中子減少所述可裂變材料的量。
14.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的混合反應(yīng)堆，其中來自所述高功率密度中子源的中子增加所述可裂變材料中的核裂變反應(yīng)的速率，以將所述可裂變材料嬗變?yōu)橄鄬τ谒隹闪炎儾牧细€(wěn)定的材料或具有比所述可裂變材料更短的放射性半衰期的材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的混合反應(yīng)堆，其中所述高功率密度中子源用于減小所述可裂變材料的放射毒性水平。
16.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的混合反應(yīng)堆，其中所述可裂變材料具有第一放射毒性水平并且來自所述高功率密度中子源的中子增加所述可裂變材料的核裂變反應(yīng)的速率并將所述可裂變材料嬗變?yōu)榫哂械诙派涠拘运降牟牧稀?br>17.根據(jù)權(quán)利要求
16所述的混合反應(yīng)堆，其中第二放射毒性水平小于第一放射毒性水平。
18.一種減少核廢料的方法，包括提供圍繞中心軸線由壁包圍的第一室；其中所述第一室相對于所述中心軸線具有大約 4米或以下的外半徑；在所述第一室內(nèi)部包含高功率密度中子源，所述高功率密度中子源的橫穿所述高功率密度中子源的表面的中子的總功率為大約每平方米每秒0. 1兆瓦或更高；將大體鄰近所述第一室的至少一部分的一層或更多層可裂變材料放置在第二室中，并且將中子吸收材料和中子反射材料放置在所述第二室中，使得來自所述高功率密度中子源的中子促進(jìn)所述可裂變材料中的核裂變反應(yīng)。
19.根據(jù)權(quán)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變中子源，所述小型聚變中子源具有環(huán)形聚變等離子體和至少一個偏濾器板，所述偏濾器板具有外側(cè)偏濾器長半徑，所述外側(cè)偏濾器長半徑大于聚變等離子體短半徑與最靠近相應(yīng)偏濾器板的峰值點(diǎn)的長半徑的總和。
20.根據(jù)權(quán)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離子體的所述小型聚變中子源，其總加熱功率與堆芯等離子體長半徑的比率為大約5兆瓦/米或更尚ο
21.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其中所述高功率密度中子源是帶有大約3米或更小的堆芯等離子體長半徑的托卡馬克。
22.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其中所述可裂變材料的至少一部分包括核廢料。
23.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其中所述可裂變材料的至少一部分包括超鈾(TRU)元素。
24.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其中所述可裂變材料的至少一部分包括在熱譜反應(yīng)堆中的包括額外燃燒循環(huán)的預(yù)燃燒用于嬗變核反應(yīng)堆廢料中的易裂變元素之后保留的難裂變TRU核廢料。
25.根據(jù)權(quán)利要求
M所述的方法，其中核反應(yīng)堆廢料中的所述易裂變元素包括PU239。
26.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其中所述可裂變材料的至少一部分包括在熱譜反應(yīng)堆中的包括額外燃燒循環(huán)的預(yù)燃燒將初始核廢料減少到其重量與初始核廢料的重量相比為大約25%或以下的難裂變TRU核廢料之后保留的難裂變TRU核廢料。
27.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其中所述可裂變材料的至少一部分包括制造低級反應(yīng)堆燃料的難裂變TRU核廢料；所述低級核燃料不適合于作為熱譜反應(yīng)堆的燃料或快譜裂變反應(yīng)堆的穩(wěn)定操作。
28.根據(jù)權(quán)利要求
27所述的方法，其中所述熱譜反應(yīng)堆是輕水反應(yīng)堆(UTO)。
29.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其中來自所述高功率密度中子源的中子減少所述可裂變材料的量。
30.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其中來自所述高功率密度中子源的中子增加所述可裂變材料中的核裂變反應(yīng)的速率，以將所述可裂變材料嬗變?yōu)橄鄬τ谒隹闪炎儾牧细€(wěn)定的材料或具有比所述可裂變材料更短的放射性半衰期的材料。
31.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其中所述高功率密度中子源用于減小所述可裂變材料的放射毒性水平。
32.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其中所述可裂變材料具有第一放射毒性水平并且來自所述小型聚變中子源的中子增加所述可裂變材料的核裂變反應(yīng)的速率并將所述可裂變材料嬗變?yōu)榫哂械诙派涠拘运降牟牧稀?br>33.根據(jù)權(quán)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。
34.一種用于減少核廢料的裝置，包括圍繞中心軸線由壁包圍的第一室，其中所述第一室相對于所述中心軸線具有大約4米或以下的外半徑；所述第一室包圍高功率密度中子源，所述高功率密度中子源產(chǎn)生橫穿所述高功率密度中子源的表面的等于或高于大約0. 1兆瓦每平方米每秒的總中子功率；第二室，其包圍大體鄰近所述第一室的至少一部分的一層或更多層的可裂變材料，所述第二室也包圍中子吸收材料和中子反射材料。31.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的裝置，其中所述高功率密度中子源是小型聚變中子源，所述小型聚變中子源具有環(huán)形聚變等離子體和至少一個偏濾器板，所述偏濾器板具有外側(cè)偏濾器長半徑，所述外側(cè)偏濾器長半徑大于聚變等離子體短半徑與最靠近相應(yīng)偏濾器板的峰值點(diǎn)的長半徑的總和。32.33.34.
35.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的裝置，其中所述高功率密度中子源是帶有大約3米或更小的堆芯等離子體長半徑的托卡馬克。
36.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的裝置，其中所述可裂變材料的至少一部分包括核廢料。
37.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的裝置，其中所述可裂變材料的至少一部分包括超鈾(TRU) 元素。
38.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的裝置，其中所述可裂變材料的至少一部分包括在熱譜反應(yīng)堆中的包括額外燃燒循環(huán)的預(yù)燃燒用于嬗變核反應(yīng)堆廢料中的易裂變元素之后保留的難裂變TRU核廢料。
39.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的裝置，其中核反應(yīng)堆廢料中的所述易裂變元素包括PU239。
40.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的裝置，其中所述可裂變材料的至少一部分包括預(yù)燃燒將初始核廢料減少到其重量與初始核廢料的重量相比為大約25%或以下的難裂變TRU核廢料之后保留的難裂變TRU核廢料。
41.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的裝置，其中所述可裂變材料的至少一部分包括制造低級反應(yīng)堆燃料的難裂變TRU核廢料；所述低級核燃料不適合于作為熱譜反應(yīng)堆的燃料或快譜裂變反應(yīng)堆的穩(wěn)定操作。
42.根據(jù)權(quán)利要求
41所述的裝置，其中所述熱譜反應(yīng)堆是輕水反應(yīng)堆(UTO)。
專利摘要
公開了一種混合反應(yīng)堆、方法和裝置，用于改善核聚變反應(yīng)堆以提供帶有足夠能量的足夠通量的快中子，從而嬗變來自核裂變的超鈾廢料并且用于改善的核燃料循環(huán)中，從而有效地減小放射毒性水平，以及核廢料的處置的風(fēng)險(xiǎn)和成本，由此減小核能的成本和增加它作為能源的可接受性。
文檔編號G21B1/01GKCN102217000SQ200980144784
公開日2011年10月12日 申請日期2009年9月2日
發(fā)明者M·T·科琴羅伊特, P·M·瓦蘭朱, S·M·馬哈詹 申請人:得克薩斯大學(xué)體系董事會導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan