Ali Pourahmad 的发明 | 类别：世界新发明 | 相关：科学发现与技术发明
利用两个托卡马克核聚变反应堆实现等离子体稳定性时序控制，从而在能量生产中形成交替循环 | 利用托卡马克反应堆中的核聚变发电
◉ 创新：通过在托卡马克反应堆中创建交替的能量产生循环，实现核聚变反应中的等离子体稳定性
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
◉ 引言和目标:
在本文中，我们简要描述了利用两个托卡马克核聚变反应堆在短时间尺度上利用等离子体稳定性释放的能量来创造能量生产交替循环的想法。
利用核反应释放能量有两种方式：核聚变和核裂变。这两种方法的过程截然不同。传统的裂变方法是通过中子轰击较大的重同位素，使原子中的重元素分离并裂变，从而释放能量。而较新的核聚变方法则是将较轻的元素聚集在一起，通过碰撞将两个原子核（正离子）结合成一个更大更重的原子。通过对这两种方法中核反应过程的简单定义，我们可以理解这两种技术在本质上的区别。显而易见的是，核聚变技术能够提取非常清洁、安全的能源，并已被广泛接受为一种普及且环保的方法。因此，与核裂变方法中可能产生的放射性废物相比，发展核聚变技术似乎更具优势。
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虽然裂变和聚变都会通过原子的分裂或合并释放出巨大的能量（因为最终原子核的质量小于初始粒子的质量之和），但这两种方法的重要区别在于，聚变技术在能量提取方面可以实现四倍于裂变和聚变的效率，这不仅吸引了大多数能源生产公司的关注，而且没有放射性废物的风险。核聚变反应堆所需的燃料是清洁安全的氚（氢3）和氘（氢2）同位素，它们能清洁安全地输出中子和氦同位素。而具有裂变特性并在裂变过程中产生链式级联反应的同位素是铀235和钚239，它们被认为是高风险同位素，因为在核衰变反应中，不稳定的元素在转化为其他几种元素后会释放放射性辐射（子核的质量和能量比母核更稳定）。
当然，在某些情况下（例如治疗癌症等疾病），人类仍然需要铀衍生的放射性同位素进行放射治疗。铀-235的放射性同位素，例如钼-99，是核医学扫描成像技术的基础；此外，只有使用某些铀放射性同位素才能分析食品的化学成分并检测有害的食品污染物。在地质学、考古学或其他工业领域，铀也被用作这些领域运行循环中的一种结构元素。因此，铀同位素在能源生产领域之外的多种重要用途不容忽视。但是，考虑到核裂变技术需要大量的反应才能产生发电所需的巨大能量，如果核裂变技术继续发展并仅仅用于能源生产，那么在不久的将来，世界将面临辐射和放射性废物残留物以及与其储存相关的潜在事故的危险。
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尽管大型核裂变反应堆的扩建可能带来诸多风险，但目前最合乎逻辑的解决方案之一或许是继续研发清洁、无风险的核聚变技术，尤其考虑到聚变方法产生的能量远大于裂变方法。然而，尽管世界各地的核能专家和工程师不断努力，但距离实现该技术的商业化以及在等离子体中构建自持聚变级联反应链的目标，似乎仍有很长的路要走。聚变反应堆中产生的氢等离子体必须具备三个三元指标：足够的温度、合适的密度和较长的停留时间，才能在反应堆内发生后续的连续反应链。迄今为止，在聚变技术的科学发展阶段，人们已经提出了各种理论来构建连续的反应循环，但如何长期控制等离子体密度和等离子体流动路径仍然是一个难题。换句话说，迄今为止阻碍人类从清洁聚变技术中获得持续能源的主要和重要挑战是无法阻止聚变反应堆内部高能粒子的泄漏，因为这会阻止等离子体的密度和温度升高，从而无法在自持核聚变级联中维持链式反应。
传统核裂变发电技术之所以得到广泛应用，原因之一在于通过调节控制棒的使用，裂变反应释放的中子能够引发该技术中一系列稳定链式反应的交替循环，而这正是其发电的关键特性。然而，随着核聚变技术的最新发展，在产生的等离子体中已无法实现这种链式反应。这导致尽管核聚变技术拥有更大的能量输出能力，但目前尚无法持续利用其产生的能量进行发电。鉴于此，我提出了一种在核聚变发电中实现间歇式能量循环的简单方案，但该方案仍需专家评审和详细的工程测试来验证其可行性。因此，本文所述方案并非实验验证或已证实的技术特性。我仅尝试基于核工程文献，分析利用两个托卡马克聚变反应堆之间的时间差来实现连续能源生产的可能性，并提出克服这一限制的解决方案。或许这个想法能够拓展团队思路，从而找到更多应对这一挑战的方案。
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◉ 对这一概念的进一步解释:
虽然本文提出的解决方案不是对核聚变反应过程进行更改或添加新的系统，但对于那些对核聚变过程如何工作有简要了解的感兴趣的人，还简要提及了核聚变过程主要部分的一些细节（与本文提出的想法相关），以便更好地理解。众所周知，可以使用各种方法和反应堆来产生核聚变，但为了实现本文的想法，我使用了托卡马克反应堆中等离子体约束的方法。托卡马克是一种用于进行核物理相互作用的反应堆，其目的是限制和稳定电离等离子体气体。该反应堆中的等离子体约束是通过嵌入反应堆环面内的两组约束磁场来实现的。这些磁场将等离子体限制在反应器中心垂直轴的中部和周围，并试图稳定等离子体气体。使用磁场来遏制等离子体的主要原因是等离子体在稳定状态下的温度非常高，根据聚变反应堆系统的类型，该温度在30到1亿摄氏度之间，这是等离子体稳定范围的温度。等离子体在如此高的温度下的稳定性为核聚变创造了条件，而且很显然，在如此高的温度下，除了强大的磁场之外，没有其他固体物质能够接触等离子体并存活下来。
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托卡马克主舱是一个环形磁室，其最初设计可追溯至1951年。随着时间的推移，工程师们不断改进结构，以降低能量损失系数以及托卡马克反应堆结构所承受的热应力和机械应力。尽管存在一些差异，但几乎所有现有的托卡马克装置都采用类似的启动循环。首先，将内舱抽空，去除所有空气和杂质，并在反应堆内形成相当于真空的压力环境。然后，将气态燃料引入舱内，同时在舱内施加极高的电压，使气体分解并电离。在此阶段，电子从原子核中逸出，形成等离子体粒子。当这些粒子相互碰撞时，会提高等离子体的温度（只要稳定链得以维持）。此阶段的关键在于，如果等离子体粒子沿凸形磁力线运动，则等离子体链的稳定性更高，这也是传统上使用球形托卡马克反应堆的原因。
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等离子体稳定性通常通过三种约束方法实现：引力约束、磁约束和惯性约束。目前，地球上无法使用引力约束等离子体，因为其需要将高密度和极高的温度（产生相当于地球大气压4000亿倍的压力）结合起来，而这种复杂的物理组合只能在太阳等燃烧的大型恒星内部实现。然而，在传统的磁约束（MCF）方法中，可以通过在托卡马克反应堆中产生感应电流并将燃料电离成等离子体气体，从而利用少量氘氚燃料（密度小于1毫克，压力仅为几个大气压）实现等离子体稳定性。在惯性约束约束方法中，激光束和离子束以计算和精确的方式聚焦在氘氚燃料的外层（直径几毫米），使燃料芯比其初始密度紧凑数千倍，从而为核反应中发生聚变提供了条件。
通常，等离子体气体的平衡是托卡马克反应堆真空室内等离子体内部压力与外部作用力之间平衡的结果。所有托卡马克反应堆的稳定性或偏离平衡状态都与三个主要部件直接相关，这三个部件包括：环形线圈、温度发生系统和等离子体形状的空间控制系统。换句话说，约束、加热、空间控制以及等离子体形状均由这三个主要部件决定和实现。等离子体约束的主舱（腔室）实际上是由复杂的磁场结构组成的，环形线圈和极线圈围绕这个环形腔室设计并安装。恒定电流流过环形线圈，电离粒子在该线圈中围绕磁场旋转，通过在中心线圈上施加电压，即可完成在环形线圈中产生等离子体的过程。等离子体流动产生的磁场是极向磁场，其结果垂直于磁场方向，呈螺旋状，导致磁力线围绕等离子体扭曲，并在等离子体周围形成磁壁。通过增强约束等离子体周围的磁场强度，等离子体所受的压力也会增加；通过控制极向线圈中的流动量和方向，我们可以将等离子体气体约束一段时间，并使其在位置和形状上保持平衡。然而，要达到聚变阶段并产生自持的点燃等离子体链，我们需要产生3000万至1亿开尔文的极高温度。
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在托卡马克反应堆中，等离子体位置不稳定且呈非线性，因此控制等离子体位置面临着严峻的挑战。鉴于托卡马克反应堆的D形物理结构，等离子体位置的稳定性与诸多参数相关，包括电流大小和等离子体输入参考位置的大小。如果再加上其他必要的设置，托卡马克反应堆系统通常具有多个运行点。因此，为了确保在不同运行范围内达到最佳性能，需要在不同的条件下，间歇性地使用智能控制器和手动控制器来控制等离子体位置。控制系统的主要目标是确保等离子体不与真空室壁碰撞，并保持其D形结构和特定的横截面，从而实现对聚变过程的控制。然而，下一个挑战在于，在具有D形横截面的托卡马克反应堆中，等离子体柱的垂直位置完全不稳定。另一方面，高压磁力会在等离子体中产生张力，从而加剧等离子体垂直位置的不稳定性，尽管这种张力本身会降低等离子体的物理不稳定性并增加其流动。然而，即使在极线圈中使用电流控制的闭环控制系统，也尚未能在原子核聚变反应的稳定循环中长期维持等离子体温度的稳定性。
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鉴于本文旨在提出一种稳定从可变等离子体中提取能量的间歇性循环的新方案，核聚变燃料以及封闭式内外循环等广泛议题超出了本文的范围，因此在引言部分仅作简要提及。如果您对此感兴趣，可以从大量关于核聚变工程的资料和文章中获取并研究核聚变燃料循环的完整细节。根据本文附图，用于解释该方案理论的两个托卡马克反应堆均由相同的环形结构（用于产生磁场）和垂直结构（用于约束等离子体气体）组成。当然，还有另外两种核聚变反应堆，即仿星器和反向场箍缩（RFP），也可用于约束等离子体，但由于其复杂性、成本和运行耗时，实现核聚变最快捷、最常用的方法是使用托卡马克反应堆。然而，所有三种类型的反应堆都可以在题为"从核聚变中创造交替能量提取循环的可能性"的提议解决方案中使用。
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如本文末尾的图片和视频所示，我设计并重建了真空室内部的一部分，包括包层罐、真空容器和锂离子束（LIB），并以3D动画的形式呈现，供有兴趣更好地了解托卡马克结构的人参考。在真空室的环形隧道空间中，会形成一种"低压"稳定环境，以约束等离子体，从而防止托卡马克反应堆在氚提取过程中停止运行。托卡马克反应堆的第一道内壁在过热等离子体温度与核聚变反应堆结构材料之间起着主要屏障的作用，在受到中子轰击时，它几乎完全控制并最大限度地减少了氚的泄漏。如果氚无法在这一壁中得到控制，将会导致托卡马克反应堆后续层材料的渗透、破坏和脆化，进而造成燃料循环中的温度损失。在包层壁的底部，还有与偏滤器相关的设备，粒子和其他聚变反应的副产物通过排气口排出。
在主环外部，安装了多个热交换器，将核反应产生的热量传递到辅助环，用于发电或用于其他工业过程。由于等离子体稳定状态下真空室需要非常高的传热，同时还可能存在氚泄漏，中间换热器合金不完全不能防止氚泄漏的严重问题仍然是托卡马克反应堆核聚变过程长期运行的限制。连续和长期链式反应的氚泄漏和等离子体温度的不稳定性，以及目前阻碍核聚变技术实现不间断时间稳定性的其他技术问题，使我考虑设计和开发一种想法，利用两个托卡马克反应堆之间产生的多余能量来结合短期等离子体稳定性循环转变的可能性。通过这种方式，独立反应堆中等离子体短期稳定性所产生的多余能量被用来存储并转换为另一个并联且相同的反应堆的电驱动电压，并且该循环在核聚变循环中以受控顺序再次继续。
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为了实现这一目标，需要两个托卡马克聚变反应堆，它们的输入输出参数（燃料和能量）必须完全相同。之所以要求这两个反应堆具有相同的特性，是为了能够密切、精确地监控输入输出设置，并防止在两个反应堆之间快速、间歇性切换时造成燃料和能量的浪费。换句话说，由于两个反应堆的输入输出系统相似，一个托卡马克产生的剩余能量可以被控制并转移到另一个托卡马克，从而最大限度地减少燃料和能量消耗系数的偏差和不平衡，使周期性聚变过程能够更可靠地持续进行。需要注意的是，虽然也可以使用两个不同的核聚变反应堆来实现这种联合循环过程，但这需要更高的成本，并且需要优化硬件和软件控制系统，以便自动应用所需的压力和信号识别、数据采集以及校正不同反应堆真空室中的压力变化，从而作为促进两个聚变反应堆之间剩余能量循环的接口。
正如本文末尾视频中间部分所示，为了启动顺序核聚变过程，"托卡马克反应堆A"首先利用车间内的电压变压器储存大量初始电荷能量（化石燃料或非化石燃料），使进入热系统模块的高电压提供启动初始聚变过程所需的温度，从而产生感应电流并使燃料电离，最终在"托卡马克反应堆A"中转化为等离子体。同时，在此阶段，反应堆腔室通过涡轮分子泵和旋片真空泵被降至极低压力。然后，通过自动控制进入气体入口阀的纯氢气量来调节腔室的工作压力。在聚变过程中，使用真空计传感器测量真空腔室压力，将瞬时压力与目标压力之间的差异识别为偏差系数信号，智能控制器据此将目标压力标准化，以用于燃料注入过程。通过释放极少量温度接近1亿摄氏度（具体温度可能因托卡马克系统而异）的氘氚燃料，即可激活电子电路，利用微控制器和涡轮分子泵来维持腔室内的恒定气体压力。该微控制器通过持续引入适量的气体来控制压力，并补偿过程中引入气体量可能发生的变化。压力控制系统是核聚变过程中集成控制室的子系统之一，其设计基于ATCA标准。因此，稳定和控制气体压力分布在真空技术中至关重要。
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◉ 类别：世界各地发明家的新发明
当"托卡马克A"在10分钟内达到其预期的运行效率（即产生相对于消耗能量的过剩能量）后，巨大的过剩能量将通过电能转换器回收，并用于产生极高的电压，以分解和电离"托卡马克B"腔室中的气体。当"托卡马克B"进入运行回路时，"托卡马克A"将退出运行回路，其系统进入待机模式，直至从"托卡马克B"获得过剩能量。假设设备压力和热损伤的可能性处于中间限度，则两个托卡马克反应堆的运行阶段和待机阶段（停堆）的持续时间均约为600秒。目前开发的托卡马克能够将等离子体维持在极高的温度下超过1200秒，但如果长时间保持如此高的温度，反应堆设备损坏的可能性并非不可忽视。然而，两个相同反应堆之间较短的时间间隔似乎可以防止聚变反应堆材料的破坏，并最大限度地减少其部件的磨损。
如前所述，在目前先进的托卡马克系统中，维持等离子体稳定链超过20分钟并实现能量产出超过能量消耗已成为可能。例如，位于法国南部的WEST聚变反应堆已成功将等离子体维持在聚变状态超过22分钟，即1337秒。然而，尽管存在时间限制，且核聚变反应堆各部件在高强度中子轰击的高温下极易受损，氚的滞留和渗透也会导致材料脆化和破坏，从而在更长的时间（例如连续运行数小时）内造成严重后果，但我们仍然有可能通过在更短的时间内利用产生的过剩能量，并减少损耗，来实现本文所述的能量生产循环。当然，要将这一想法付诸实践或进行优化，还需要更详细的专家研究来验证其可行性。
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与其他科学理念一样，实施、开发和优化这一解决方案的可能性并不遥远，如果"利用两个核聚变反应堆进行等离子体稳定性计时控制"得以实现，它将为从自主核循环中生产清洁且无限的能源做出重大贡献。
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◉ 视频展示了通过在托卡马克反应堆中创建交替能量产生循环来解决核聚变反应中等离子体稳定性的方法 / 类别：发明，作者：阿里·普拉赫迈德
◉ 本视频动画创作者：Ali Pourahmad
◉ 本视频的音乐作曲家：Ali Pourahmad
◉ 叙述者：阿里·普拉哈迈德
◉ 语言：英语
◉ 字幕：无
关于本文的发明者和作者:👇
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