本發(fā)明涉及用于生成電能的方法，所述方法是基于具有硼同位素11的質(zhì)子聚變，所述質(zhì)子聚變使用激光輻射和磁場并且將聚變期間釋放的能量轉(zhuǎn)化成電能。本發(fā)明還涉及激光聚變反應(yīng)堆，其被配置來用于借助于具有硼同位素11的質(zhì)子的基于激光的聚變而生成電能。本發(fā)明使用于發(fā)電領(lǐng)域。

現(xiàn)有技術(shù)

在現(xiàn)有技術(shù)的描述中，參考以下出版物：

[1]H.Hora,D.Pfirsch and A.Schlüter,Zeitschr.für Naturforschung 22A,278(1967)；

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最常用的產(chǎn)生能量的方法涉及燃燒含有碳的化石燃料。200多年以來，化石燃料的燃燒已經(jīng)形成了技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)繁榮的基礎(chǔ)。然而，作為缺點，這個過程將燃燒產(chǎn)物二氧化碳釋放進(jìn)大氣，其可導(dǎo)致不希望有的全球氣候的變化。

用于產(chǎn)生能量的另一個方法基于核裂變，其中釋放的核能首先轉(zhuǎn)化成熱，然后轉(zhuǎn)化成電能。盡管核電廠的運行是經(jīng)濟(jì)的，但是其具有處理放射性廢物昂貴且有風(fēng)險的缺點。此外，它涉及發(fā)電廠事故可導(dǎo)致極端災(zāi)難性損壞的操作風(fēng)險。

核能還可由核聚變釋放，其中較輕的原子核聚變以形成較重的原子核，從而在每聚變反應(yīng)約10MeV的極高范圍中釋放能量E＝mc²(m：核質(zhì)量損失m，c：光速)。然而，除了發(fā)生在恒星中的自然過程之外，至今僅僅以爆裂聚變彈的形式以不受控制的方式實現(xiàn)了核聚變?？煽鼐圩儼l(fā)電廠已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年，然而，盡管付出了許多研究努力，但是它們?nèi)晕幢怀晒Φ貙嵤┯趯嵺`中。

已全面研究的聚變反應(yīng)基于重氫氘(D)與超重氫氚(T)的聚變(D-T聚變)。然而，這種聚變反應(yīng)的特征在于放射性輻射的不希望有的產(chǎn)生，其導(dǎo)致無害的非放射性材料的最初無輻射原子核的中子轉(zhuǎn)化成放射性同位素(例如，在反應(yīng)堆容器內(nèi))。

用于受控地生成核聚變能量的所有已知方法具有小于500的產(chǎn)量(每激光能量消耗產(chǎn)生的能量)，但有一個例外情況。Nuckolls和Wood在2002年[13]提出，如利用“快速點火”方案，納秒長度的激光脈沖將產(chǎn)生約1000倍固態(tài)密度氘-氚(DT)等離子體，皮秒(ps)長度的激光脈沖作用于其上，從而產(chǎn)生5MeV電子能量的高強度相對電子束。當(dāng)這種電子束作用于至少12倍固態(tài)密度的固體DT的體積時，在這個體積中生成聚變爆震波，其中根據(jù)理論估計在沒有來自實驗的其他數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)或者已知的具體實施的情況下，產(chǎn)生比激光能量消耗的能量多上萬倍的能量。

非常高能量產(chǎn)出的需要導(dǎo)致以下事實：利用使用激光運行的聚變發(fā)電廠中的脈沖操作，出于成本的原因，如果完全可能的話，每反應(yīng)每秒生成的聚變能量高達(dá)千兆焦耳范圍(GJ＝278kWh)或者更高。應(yīng)注意，由核反應(yīng)的脈沖造成的沖擊效應(yīng)比化學(xué)爆炸的沖擊效應(yīng)低約3000倍。在此方面，感興趣的是利用高達(dá)100kJ能量的激光脈沖以及Nuckolls和Wood[13]系統(tǒng)中的ps持續(xù)時間獲得聚變產(chǎn)量。這與具有低于500產(chǎn)量的所有其他激光聚變布置不同。

還特別感興趣的是氫原子核(H、質(zhì)子p)與硼同位素11的聚變反應(yīng)，其被稱為HB11反應(yīng)。每個HB11反應(yīng)產(chǎn)生具有8.9MeV能量增益的三個氦原子核(阿爾法粒子)。這種能量可轉(zhuǎn)化成熱或電能。HB11反應(yīng)在高能量產(chǎn)量方面提供獨特優(yōu)勢，從而避免D-T聚變的輻射問題和幾乎用之不竭的原料的可利用率。并且，HB11反應(yīng)生成的每單位所產(chǎn)生能量的放射性比煤的燃燒更少，所以放射性不是問題并且可被忽略。

激光核聚變與磁場的結(jié)合是熟知的，但現(xiàn)有的磁場低于100特斯拉，必然期望小于100的產(chǎn)量。激光對使用約ps持續(xù)時間或更少的激光脈沖的固態(tài)密度聚變?nèi)剂系挠绊懕挥糜谏蓤A柱形反應(yīng)區(qū)域，其中僅僅以所述低產(chǎn)量獲得聚變。最初引入磁場的使用以便抑制圓柱徑向損失，在ps之后，通過利于延伸的平面幾何形狀的非線性力點火超高加速的等離子體來引發(fā)聚變火焰的激光脈沖必須限于相互作用的有限范圍(與Nuckolls-Wood過程相比)，并且?guī)缀涡螤钤谙嗷プ饔玫慕孛嫦碌膱A柱形區(qū)域中延伸，從而避免徑向損失。如所公開，這些橫向損失可替代地通過使用球面幾何形狀而除去。在那種情況下，對于硼同位素11與輕氫在固態(tài)密度下的反應(yīng)(HB11)，最多僅球體中的所有燃料能夠提供能量，其中，如在其他情況下，產(chǎn)量受到限制并且需要艾瓦(EW)激光脈沖。

具體地說，已知通過聚變?nèi)剂系募す庹丈鋪硪l(fā)HB11反應(yīng)。在基于激光核聚變的情況下，提出了涉及針對聚變反應(yīng)熱點火的在非常高的熱壓下極快地加熱目標(biāo)的初始熱過程。使用世界上最大功效的激光，諸如Livermore(美國，加利福利亞)，具有納秒(ns)持續(xù)時間的激光脈沖實現(xiàn)接近突破利用DT的聚變反應(yīng)堆的產(chǎn)量。

此外，除了熱方法，已發(fā)現(xiàn)激光能量可直接轉(zhuǎn)化成機(jī)械等離子體運動，從而避免復(fù)雜的加熱過程、輻射、不穩(wěn)定性以及電子到壓力生成等離子體離子(塊式點火)的熱傳輸延遲。這種概念來自由Kelvin發(fā)現(xiàn)的有質(zhì)動力(ponderomotive force)，通過所述有質(zhì)動力，不帶電主體可借助于電場而移動，并且其限定為基于生成高頻電場的非線性力，其中必須借助于麥克斯韋的應(yīng)力張量[3]來概括等離子體的光學(xué)性能。

基于激光-等離子體相互作用的測量，在應(yīng)用于常規(guī)以及相對自聚焦和等離子體運動[1]的情況下，根據(jù)在照射材料時由激光生成的高溫等離子體的光學(xué)特性引入非線性力。然而，已確定[2]為了點火氚和氘的聚變反應(yīng)，在1皮秒(ps)的時間內(nèi)每平方厘米將需要1億焦耳的能通量密度，使用20世紀(jì)70年代期間可用于實際用途的激光源不可實現(xiàn)所述能通量密度。

1978年，等離子體流體動力模擬展示1.5ps持續(xù)時間的激光脈沖和那時的10¹⁸W/cm²實際強度如何能夠?qū)㈦入x子體的20個波長厚層加速到10⁹cm/s的速度[3]。這些是大于10²⁰cm/s²的超高加速度，諸如在[2]中描述的點火過程所需的那些加速度。僅僅在引入用于生成超短激光脈沖的CPA方法(啁啾脈沖放大)[4]之后才可能通過實驗證實這些超高加速度。從那時起，激光強度(沒有自聚焦)增加了1千萬倍。在ps激光脈沖或甚至更短的激光脈沖中，所測量的功率達(dá)到10PW(拍瓦)。在超短激光脈沖的情況下，利用頻譜線的多普勒頻移[5](其對應(yīng)于理論模擬[3]、[6])直接可見地測量2×10²⁰cm/s²范圍中的等離子體塊的加速度?？偨Y(jié)這些結(jié)果[7]，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫-硼(HB11)被用作替代D-T的聚變?nèi)剂蠒r，激光點火的閾值大致相同。與利用ns激光脈沖實現(xiàn)的熱壓縮點火相比，那像是一個大驚喜并且僅因為ps激光脈沖(根據(jù)[4]，假設(shè)激光能量非熱式直接轉(zhuǎn)化為聚變)而成為可能。

針對HB11的這些計算僅考慮如針對D-T反應(yīng)的計算中的雙反應(yīng)。然而，HB11反應(yīng)在初始反應(yīng)之后通過所得阿爾法粒子與硼原子核的彈性碰撞而產(chǎn)生次級反應(yīng)，從而致使崩坍過程具有比D-T高得多的反應(yīng)產(chǎn)量。此外，在根據(jù)Chu[2]的所提及過程中，預(yù)期在平面幾何形狀中的反應(yīng)。然而，對于聚變反應(yīng)堆，必須考慮橫向損失。最簡單的解決方案是使用球面幾何形狀。然而，如果使用了固態(tài)密度聚變?nèi)剂?，那么發(fā)現(xiàn)對于DT和HB11兩者，能量產(chǎn)量皆高達(dá)100，照射的激光脈沖的所需功率不在拍瓦的范圍中而在高數(shù)千倍的艾瓦范圍中[8]，其可使用當(dāng)前高性能激光源來實現(xiàn)。在[8]中，提出了一種核聚變反應(yīng)堆，其具有固態(tài)密度的激光驅(qū)動的等離子體塊式點火或適度壓縮的燃料的可忽略的放射性，其中反應(yīng)的橫向限制是通過使用磁場和/或具有高原子量的覆層實現(xiàn)。

對于利用ps-PW激光脈沖的核聚變的塊式點火[4]來說，已知在1978年計算的由非線性力[3]實現(xiàn)的超高等離子體加速以精確一致性[6]由Sauerbrey[5]測量，并且用于引發(fā)聚變火焰[2]的那些以與用于D-T聚變的能通量密度相同的閾值而重現(xiàn)。對于HB11聚變[7]，僅對于如針對DT的雙反應(yīng)獲得相同高能通量密度。發(fā)現(xiàn)具有高達(dá)近100特斯拉[8]的圓柱幾何形狀的經(jīng)典磁場的使用不足以減少來自反應(yīng)的橫向損失。對于球面幾何形狀，即使當(dāng)除了雙反應(yīng)之外，還包含雪崩式倍增([9]、[10])時，也發(fā)現(xiàn)針對使用至少艾瓦激光脈沖的HB11反應(yīng)實現(xiàn)了僅約100的產(chǎn)量。

在[12]中，描述了基于激光的核聚變反應(yīng)，其中以350特斯拉的磁場強度保持膠囊形式的聚變?nèi)剂稀：司圩兎磻?yīng)是熱式的，其中使用了具有ns范圍持續(xù)時間的激光脈沖。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目標(biāo)是提供用于通過核聚變生成電能的改善的方法，所述方法避免了常規(guī)方法的缺點和限制，并且其特征具體在于增加的能量產(chǎn)量和實踐中簡化的具體實施。本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供改善的核聚變反應(yīng)堆，其中可避免常規(guī)技術(shù)的缺點和限制，并且其特征具體在于簡化的、實際可實施的結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

這些目標(biāo)由具有獨立權(quán)利要求的特征的用于生成電能的方法和核聚變反應(yīng)堆實現(xiàn)。本發(fā)明的有利實施方案和使用由從屬權(quán)利要求產(chǎn)生。

根據(jù)本發(fā)明的第一個廣泛的方面，以上目標(biāo)由用于借助于惰性核聚變(惰性約束聚變)生成電能的方法實現(xiàn)，其中優(yōu)選地包括氫氣和硼11的聚變?nèi)剂媳３衷趫A柱形反應(yīng)室的磁場內(nèi)，并且核聚變反應(yīng)通過使用聚變激光脈沖(也稱為塊式聚變激光脈沖)在聚變?nèi)剂现幸l(fā)，脈沖持續(xù)時間小于10ps并且其功率大于1拍瓦。將在核聚變期間從所產(chǎn)生的原子核釋放的能量轉(zhuǎn)化成電能。根據(jù)本發(fā)明，磁場具有大于或等于1千特斯拉的場強。核聚變優(yōu)選地對于用于引發(fā)聚變火焰的聚變激光脈沖的每激光能量產(chǎn)生大于500的能量產(chǎn)量，具體地說，大于1000。術(shù)語聚變火焰是指通過利用塊式點火(如區(qū)別于熱聚變爆震)的皮秒引發(fā)的聚變反應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的第二個總體方面，以上目標(biāo)由以下各項實現(xiàn)：核聚變反應(yīng)堆，其被配置成用于生成電能；以及磁場裝置，其被配置用于保持聚變?nèi)剂喜⑶矣糜谠趫A柱形反應(yīng)室中生成磁場；聚變激光脈沖源，其被配置用于發(fā)射具有小于10ps的脈沖持續(xù)時間和大于1拍瓦的功率的聚變激光脈沖并且用于在聚變?nèi)剂现幸l(fā)核聚變；以及能量轉(zhuǎn)化裝置，其被提供用于將在核聚變反應(yīng)中從所產(chǎn)生的原子核釋放的能量轉(zhuǎn)化成發(fā)電廠電力。磁場裝置優(yōu)選地被配置來借助于電絕緣纖維(例如由石英制成)保持聚變?nèi)剂?。根?jù)本發(fā)明，磁場裝置被配置用于生成具有大于或等于1kT的場強的磁場。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地使用具有等于或大于千特斯拉場強的磁場，所述磁場更優(yōu)選地由激光控制的放電控制。有利的是，利用根據(jù)本發(fā)明使用的磁場，首先防止了來自利用連續(xù)反應(yīng)的HB11的磁性圓柱形反應(yīng)室的徑向損失，使得實現(xiàn)了具體地說大于1000以及更大的高產(chǎn)量，其中ps激光脈沖具有至少10PW的特別優(yōu)選的功率。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，磁場適用于可靠地適應(yīng)核聚變點火期間的反應(yīng)體積膨脹。

本發(fā)明的優(yōu)點在于首先提供基于聚變的實際且經(jīng)濟(jì)可行的、實際上取之不盡且廉價的能源。根據(jù)本發(fā)明的核聚變反應(yīng)堆是用于實際用途的聚變發(fā)電廠。本發(fā)明提供具有磁性引導(dǎo)的高效激光核聚變，其中通過施加極高磁場而以大于500的產(chǎn)量實現(xiàn)激光供能的核聚變。

有利的是，使用了先前只在一種情況下知道的大于1千特斯拉的超高磁場[11]，然而，當(dāng)與用于生成比磁場高三十倍的常規(guī)方法相比時，代替以納秒熱驅(qū)動的聚變，使用了利用皮秒脈沖實現(xiàn)的非熱塊式點火。在與所有先前方法和配置的顯著對比之下，這種方法允許實現(xiàn)能量產(chǎn)量，其導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)運行的發(fā)電廠實現(xiàn)整體可忽略不計的核輻射。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實施方案，聚變?nèi)剂暇哂幸韵绿卣髦械闹辽僖粋€。根據(jù)第一變化，聚變?nèi)剂蟽?yōu)選地具有當(dāng)與未壓縮的燃料相比時高達(dá)20倍壓縮的固體密度，類似于根據(jù)Nuckolls等人[13]的“快速點火”的情況。根據(jù)另一變化，聚變?nèi)剂蟽?yōu)選地由在化學(xué)計量方面高達(dá)15％輕氫偏差的11B同位素組成。根據(jù)另一變化，聚變?nèi)剂蟽?yōu)選地由各自具有至少20％原子濃度的輕氫與硼的混合物組成。

根據(jù)本發(fā)明的另一有利實施方案，如果所生成的原子核的能量由靜電場俘獲，那么實現(xiàn)在能量產(chǎn)量方面的其他優(yōu)點。聚變能量可直接轉(zhuǎn)化成電能。優(yōu)選地，所產(chǎn)生的阿爾法粒子的動能直接轉(zhuǎn)化成電能。

為了生成靜電場，反應(yīng)室，更具體地說，用于形成反應(yīng)室的磁場裝置，優(yōu)選地由能量轉(zhuǎn)化裝置包圍，反應(yīng)室相對于能量轉(zhuǎn)化裝置具有負(fù)高壓。為了這個目的，反應(yīng)室，具體地說，磁場裝置，優(yōu)選地連接到用于相對于能量轉(zhuǎn)化裝置生成負(fù)高壓的高壓源。特別優(yōu)選地，負(fù)高壓為至少1MV。

根據(jù)本發(fā)明的另一變化，如果能量轉(zhuǎn)化裝置處于接地電位，那么實現(xiàn)了關(guān)于核聚變反應(yīng)堆的配置以及對其饋送聚變?nèi)剂系膬?yōu)點。能量轉(zhuǎn)化裝置優(yōu)選地為在反應(yīng)室(具體地說，磁場)周圍呈球形的導(dǎo)電封閉體(外殼)的形式。有利的是，能量轉(zhuǎn)化裝置從而最佳地適于聚變幾何形狀。

特別優(yōu)選地，能量轉(zhuǎn)化裝置與反應(yīng)室之間提供有法拉第籠以用于屏蔽來自反應(yīng)過程的靜態(tài)高壓場，從而阻止高壓場到聚變反應(yīng)體積的任何滲透。

具有大于或等于1千特斯拉的場強的磁場可由用于生成強磁場的任何可用方法來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的特別優(yōu)選的實施方案，磁場借助于電極中的放電電流與放電激光輻射的相互作用而生成，所述電極通過至少一個線圈(具體地說，單線圈繞組)耦合。核聚變反應(yīng)堆的磁場裝置優(yōu)選地具有一對電極、兩個線圈和磁場脈沖激光源，所述磁場脈沖激光源被提供用于利用放電激光輻射照射電極。優(yōu)選地，磁場裝置被配置來借助于電絕緣纖維、由石英制成的z.B.來將聚變?nèi)剂媳３衷诖艌鲅b置的線圈或其他支撐元件上。特別優(yōu)選地，利用由S.Fujioka等人在[11]中描述的配置實施磁場裝置。放電激光輻射優(yōu)選地包括具有小于20ns的脈沖持續(xù)時間和大于100J的能量的激光脈沖(在下文中：磁場生成激光脈沖或磁場激光脈沖)。

有利的是，根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，磁場可通過設(shè)計用于生成磁場的包括彼此間隔的兩個板的電極來增強，在所述兩個板之間布置了磁場激光脈沖吸收材料，其形式適于所生成的等離子體的瑞利輪廓。所述材料特別優(yōu)選地包括泡沫材料，諸如聚乙烯，并且選擇了根據(jù)[3]的圖10.17的電子密度的雙瑞利輪廓。

根據(jù)本發(fā)明的另一特別有利的實施方案，塊式點火由聚變激光脈沖引發(fā)。為了這個目的，聚變激光脈沖優(yōu)選地具有小于5ps的持續(xù)時間和/或至少1拍瓦的功率。用于生成具有小于5ps持續(xù)時間的聚變激光脈沖的聚變脈沖激光源優(yōu)選地包括與從大阪大學(xué)的激光工程研究所得知的10PW-ps激光組件相同類型的激光源。

聚變激光脈沖優(yōu)選地具有至少10⁶的對比率。為了實現(xiàn)這一點，推進(jìn)脈沖特別優(yōu)選地抑制在(主要)聚變激光脈沖到達(dá)聚變?nèi)剂现靶∮?皮秒的時間。此外，當(dāng)聚變激光脈沖具有到達(dá)聚變?nèi)剂现竺科椒嚼迕字辽?0¹⁷瓦的強度時，形成觸發(fā)聚變反應(yīng)方面的益處。

根據(jù)本發(fā)明的另一有利實施方案，聚變?nèi)剂喜糠只蛉坑筛采w層囊封，尤其在激光等離子體相互作用側(cè)上，覆蓋層由具有大于100的原子量的材料制成。結(jié)果，有利地增加了用于在反應(yīng)燃料中生成聚變火焰的脈沖傳輸。覆蓋層優(yōu)選地具有等于或小于5微米的厚度，和/或其可由氣相沉積形成。

附圖說明

本發(fā)明的其他細(xì)節(jié)和優(yōu)點將參考附圖在下文詳細(xì)解釋。示出為：

圖1：本發(fā)明的核聚變反應(yīng)堆的一個實施方案的示意圖；

圖2：利用磁場脈沖和聚變激光脈沖的磁場裝置的照射的示意圖；以及

圖3：本發(fā)明的核聚變反應(yīng)堆的一個實施方案的其他細(xì)節(jié)。

具體實施方式

主要參考用于保持聚變?nèi)剂系拇艌龅纳珊湍芰哭D(zhuǎn)化裝置的設(shè)計在下文描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的特征。未描述具體用于準(zhǔn)備并傳遞聚變?nèi)剂?、用于控制聚變反?yīng)堆、用于保護(hù)環(huán)境免受熱效應(yīng)和/或電場影響的本發(fā)明的細(xì)節(jié)(諸如激光脈沖源、HB11反應(yīng)的物理原理、聚變反應(yīng)堆到發(fā)電廠的其他部件的連接的細(xì)節(jié))，因為取決于本發(fā)明使用的具體條件，本領(lǐng)域技術(shù)人員可基于他/她已知的聚變和等離子體物理以及常規(guī)發(fā)電廠工程知識認(rèn)識到這些細(xì)節(jié)。作為實例參考具有單個反應(yīng)室的聚變反應(yīng)堆。然而，本發(fā)明不限于這種設(shè)計。相反，聚變反應(yīng)堆可配置有多個反應(yīng)室，每個具有用于保持聚變?nèi)剂系拇艌鲅b置。反應(yīng)堆可以按順序交替運行，從而允許連續(xù)地或者偽連續(xù)地生成電力。

圖1示出本發(fā)明的核聚變反應(yīng)堆100的一個實施方案的示意圖，其包括用于在圓柱形反應(yīng)室2中利用磁場保持聚變?nèi)剂?的磁場裝置10、用于發(fā)射磁場激光脈沖3(或者：磁場生成激光脈沖)的磁場脈沖激光源20、用于發(fā)射聚變激光脈沖4(或者：塊式聚變激光脈沖)的聚變脈沖激光源30以及用于轉(zhuǎn)化在核聚變期間從所產(chǎn)生的原子核釋放的能量的能量轉(zhuǎn)化裝置40。

在反應(yīng)室2中用于生成具有例如4.5kT強度的磁場的磁場裝置10包括兩個由例如鎳制成的平行金屬板11、12，并且具有例如2mm的厚度以及例如3cm的特征展開度。金屬板11、12通過導(dǎo)電體連接到彼此，所述導(dǎo)電體形成線圈的兩個繞組13。金屬板11中的一個具有開口14，通過所述開口14，磁場激光脈沖3被照射例如1ns至2ns的持續(xù)時間以及例如10kJ的能量。由磁場激光脈沖3產(chǎn)生的等離子體利用磁場在繞組13中生成電流涌流，所述磁場具有若干立方厘米的體積和若干納秒的持續(xù)時間。

開口14是圖1中的上部金屬板11中的圓形開口。開口14的直徑以及任選地還有幾何形狀是基于磁場激光脈沖3的性質(zhì)(具體地說強度、直徑和輪廓)來選擇。例如，開口14的直徑是5mm。除了圓形之外，還可提供橢圓形?？蓮淖畲蠡艌鲆宰畲蠡圩儺a(chǎn)量的角度來優(yōu)化開口14。

面向開口14的第二金屬板12可提供有吸收層，其可用來減少磁場激光脈沖3的光反射并且增加由金屬板11形成的電容器的介電性質(zhì)。吸收層(未示出)優(yōu)選地設(shè)置在金屬板12的整個表面上方，并且更優(yōu)選地由泡沫材料(例如聚乙烯)制成。選擇泡沫材料以使得在激光照射之后，電子密度分布形成為雙瑞利輪廓。

磁場激光脈沖3由示意性示出的磁場脈沖激光源20生成，所述磁場脈沖激光源20包含例如用于引導(dǎo)磁場激光脈沖3朝向磁場裝置10的Nd-YAG激光和其他光學(xué)部件(未示出)。磁場激光脈沖3的持續(xù)時間可任選地通過使用具有100ps的脈沖長度的碘激光器和/或在CPA功率增加之后的更短的激光脈沖而縮短納秒范圍的時間?？捎纱擞欣卦鰪娪纱艌鲅b置10生成的磁場。

聚變脈沖激光源30被配置來生成具有小于5ps的持續(xù)時間和超過10¹⁹W/cm²的強度的聚變激光脈沖4。在聚變激光脈沖4到達(dá)聚變?nèi)剂?之前的小于5ps的持續(xù)時間內(nèi)，聚變激光脈沖4優(yōu)選地具有至少10⁶的對比率。此外，聚變激光脈沖4優(yōu)選地具有跨過束流截面的小于5％波動的強度分布，束流截面的外部5％較寬區(qū)域除外。從而有利地優(yōu)化聚變?nèi)剂?中的聚變反應(yīng)的塊式點火。例如通過具有光纖束放大器的聚變脈沖激光源30實現(xiàn)這一強度分布，每個單獨的光纖具有單模式發(fā)射。聚變脈沖激光源30還含有用于生成ps激光脈沖的脈沖激光，諸如固態(tài)脈沖激光。

磁場脈沖激光源20和聚變脈沖激光源30耦合到控制單元50?？刂茊卧?0被配置成使得磁場激光脈沖3與聚變聚光脈沖4彼此同步。在反應(yīng)室2中，就在每個聚變激光脈沖4到達(dá)聚變?nèi)剂?之前生成最大的磁場。

例如，聚變?nèi)剂?是基于HB11的固態(tài)圓柱體并且具有1cm的長度和0.2mm的直徑。聚變?nèi)剂?的表面具有在激光相互作用表面上方的覆蓋層，其具有三個激光真空波長的厚度。頂部覆蓋層由具有大于100的原子量的元素(例如，銀)組成。覆蓋層改善脈沖傳輸以用于在聚變?nèi)剂?中生成聚變火焰。聚變?nèi)剂?借助于石英纖維保持在磁場裝置中。

能量轉(zhuǎn)化裝置40大體上包括導(dǎo)電部件(由圖1中的虛線示意性指示；也可參見圖3)，其在各個側(cè)面圍繞磁場裝置10。磁場裝置10被支撐在能量轉(zhuǎn)化裝置40的內(nèi)部(圖1中未示出支撐；例如參見圖3中的支撐桿44)。能量轉(zhuǎn)化裝置40優(yōu)選地連接到接地電位，同時負(fù)高壓(例如-1.4MV)借助于電壓源15施加到磁場裝置10。能量轉(zhuǎn)化裝置40被配置來俘獲在聚變?nèi)剂?的聚變反應(yīng)期間釋放的高能量He原子核(阿爾法粒子)，并且借助于高壓直流輸電(HVDC)[16]轉(zhuǎn)化成放電電流。所述放電電流供應(yīng)在聚變反應(yīng)中釋放的能量所轉(zhuǎn)化成的電能。

在圖2中還示出磁場激光脈沖3和聚變激光脈沖4到達(dá)由磁場裝置10形成的反應(yīng)單元處。如上文參考圖1所述而配置磁場裝置10。例如，磁場生成激光脈沖3生成具有10kT場強的磁場。聚變材料1放置在(并且由石英纖維保持在適當(dāng)?shù)奈恢?反應(yīng)室2的軸1內(nèi)，所述軸1與磁場的軸相同，并且通過在納秒范圍內(nèi)的時間的磁場起作用。在生成磁場的周期期間，借助于聚變激光脈沖4在聚變?nèi)剂?中生成塊式點火。例如，聚變激光脈沖4具有30kJ的能量(相當(dāng)于30PW功率)，以使得核聚變的產(chǎn)物(氦原子核)具有約1GJ的能量輸出。在低熱損失的情況下，通過能量轉(zhuǎn)化裝置40將這種能量以靜電方式轉(zhuǎn)化成電功率(1GJ相當(dāng)于約280kWh)。這有利地使得聚變反應(yīng)堆100能夠經(jīng)濟(jì)地提供高電流，即使在每秒一次反應(yīng)的低反應(yīng)率下也是如此。聚變反應(yīng)通過聚變產(chǎn)物的作用破壞磁場裝置10，以使得對于隨后的聚變反應(yīng)，必須供應(yīng)負(fù)載有聚變?nèi)剂系牧硪粋€磁場裝置10。

與圖1和圖2中的圖相比，磁場生成激光脈沖3的入射方向可在由入射的垂直方向所跨過的平面中的垂直入射與磁場的法向平面之間旋轉(zhuǎn)高達(dá)80°的角度，其中在定向成平行于線圈13的平面中發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的核聚變反應(yīng)堆100的實施方案的其他細(xì)節(jié)。在本發(fā)明的這個實施方案中，能量轉(zhuǎn)化裝置40包括導(dǎo)電球體，在所述導(dǎo)電球體的中心布置了圖1和圖2的磁場裝置10。例如，能量轉(zhuǎn)化裝置40由具有10mm的厚度和至少1m的直徑的不銹鋼制成。反應(yīng)堆的球形外部容器必須足夠大，并且其壁必須足夠厚以耐受聚變反應(yīng)的機(jī)械沖擊。這導(dǎo)致機(jī)械壓力相當(dāng)于核反應(yīng)的能量的平方根除以化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的能量(其是約3000的因數(shù))的優(yōu)點。由所生成的全部阿爾法粒子的脈沖傳遞的對球體壁的沖擊由此等于約5克TNT的爆炸。

在本發(fā)明的實際實施方案中，聚變反應(yīng)堆100的所有部件形成有圓形表面，其沒有拐角和邊緣。從而有利地避免了電子的場致發(fā)射和無光放電的形成。整個組件位于由真空泵(未示出)生成的高真空下。

能量轉(zhuǎn)化裝置40的球形表面具有多個窗口，其包括用于在磁場激光脈沖3中照射的第一窗口41，用于在聚變激光脈沖4中照射的第二窗口42以及用于利用磁場裝置10和聚變?nèi)剂?負(fù)載能量轉(zhuǎn)化裝置40的第三窗口43。由于能量轉(zhuǎn)化裝置40的內(nèi)部被排空，因此第一窗口41和第二窗口42是由密閉的透明窗格(例如，玻璃)形成。第三窗口43是打開的，并且經(jīng)耦合而密閉地連接到相鄰容器，并且用于供應(yīng)并支撐中心磁場裝置10(反應(yīng)單元)。這提供在桿狀的燃料載體44上，所述燃料載體44在能量轉(zhuǎn)化裝置40的外部負(fù)載有聚變?nèi)剂?，并且插入并定位在球體的中心，具體地說，自由地浮動。燃料載體44和磁場裝置10相對于接地電位下的能量轉(zhuǎn)化裝置40處于-1.4MV的電位。燃料載體44處于例如具有能量轉(zhuǎn)化裝置40的至少一半直徑的長度的桿的形式。

在能量轉(zhuǎn)化裝置40的內(nèi)部，提供了球形或其他形狀(例如，不規(guī)則形狀)的法拉第籠45，其圍封磁場裝置10。法拉第籠45(例如，成網(wǎng)孔或網(wǎng)格形式)被設(shè)計以防止靜態(tài)高電流場影響磁場裝置生成磁場所涉及的過程。能量轉(zhuǎn)化裝置40通過法拉第籠45在所有側(cè)面上被屏蔽。磁場裝置10以及聚變?nèi)剂?處于1.4MV電位處的燃料載體44來自相鄰的容器，其電絕緣地位于與球形能量轉(zhuǎn)化裝置40的內(nèi)部相同的真空中，以使得在每次反應(yīng)之后，額外反應(yīng)堆單元被帶進(jìn)相同電位下的能量轉(zhuǎn)化裝置40的中心。通過氣閘提供了用于負(fù)載反應(yīng)單元的進(jìn)入內(nèi)部的通道。

在持續(xù)運行期間，負(fù)載有聚變?nèi)剂?的磁場裝置10被重復(fù)連續(xù)地引入到能量轉(zhuǎn)化裝置40中，暴露于用于生成磁場的磁場生成激光脈沖，并且在磁場生成期間暴露于用于塊式聚變的塊式聚變激光脈沖，并且然后由負(fù)載有聚變?nèi)剂?的新磁場裝置10代替。

每次聚變反應(yīng)所生成的相同能量的雙倍電荷阿爾法粒子(氦原子核)通過法拉第籠45的網(wǎng)孔到達(dá)球形能量轉(zhuǎn)化裝置40，并且將它們的動能釋放到能量轉(zhuǎn)化裝置40。在-1.4MV的電位下，阿爾法粒子的能量是可用的，并且在電荷-1.4MV下，借助于根據(jù)[16]所知的高壓直流傳輸技術(shù)將所述能量供應(yīng)為幾秒長的714安培的放電電流。以已知方式(如HVDC技術(shù)[16])將高壓直流電轉(zhuǎn)化成常規(guī)的三相位交流電。

在聚變過程中生成的所有阿爾法粒子的為2.9MeV的相同能量通過二次雪崩反應(yīng)而被加寬到較高和較低能量兩者的能譜，從而有利地增加了能量轉(zhuǎn)化的能量產(chǎn)量幾個百分比。

然后可在僅幾秒內(nèi)完成用于在-140萬伏特的電位下的隨后反應(yīng)的再填充，其中激光脈沖朝向圖2的中心反應(yīng)單元的調(diào)整被固定就緒。在將其引入反應(yīng)堆球體(能量轉(zhuǎn)化裝置40)之前，可移除來自先前反應(yīng)的殘余物。包含HB11聚變?nèi)剂系拿總€新單元的成本可保持為所生成電能的雜項成本的一小部分。

在前面的描述、附圖和權(quán)利要求書中公開的本發(fā)明的特征以單獨地、組合或子組合的方式被認(rèn)為對執(zhí)行本發(fā)明的各種實施方案是至關(guān)重要的。