CN101297373A - 用于产生受控核聚变的反应堆 - Google Patents

Abstract

用于产生受控稳态核聚变的方法和装置，其中低原子数的同位素是最有用的反应物，如氘、氚和氦3。该装置由高电压电源和高电压球形电容器组成，其以这样的方式构造，即外壳是阳极并在其内中心包含中空阴极，反应物气体的正离子可通过介电管注入到阴极中，并静电地限制在阴极内，直到达到如此高的温，以致允许核聚变发生。阴极的内室形成贯穿电容器的紧密密封的燃料回路的一部分，涡轮分子泵也与燃料回路一致地连接，以驱动反应物气体通过反应室。因此，主要为高能中子、质子和α粒子的聚变产物在包括在阳极和阴极之间的空间内的介电介质中转变为热能，可容易地排出该热能，并使用已知的方法将该热能转变成有用的能量。

Description

用于产生受控核聚变的反应堆

技术领域

核聚变，特别是惯性静电聚变(Inertial Electrostatic Fusion)。

背景技术

使用静电力来限制氘、氚或氦3的阳离子的想法追溯到二十世纪三十年代，当时美国发明家Philo Farnsworth发明了电子倍增器(Multipactor)。其后，Farnsworth和很多其他人试图改进这些所谓的“聚变器(Fusor)”，但只取得有限的成功。虽然大多数已知的设备有核聚变的能力，但是输入功率与输出功率的比率非常小，且迄今为止构造的设备都不能接近地成为可行的能源。目前的惯性静电聚变装置或“聚变器”依赖于封闭的球形真空室(阳极)，且在中心有较小的球形敞开网线栅阴极(open mesh wire gridcathode)，其相对于阳极带负电。当阳极和阴极之间的电势电压差变得足够大时，室内的一些氘气被电离，从而使氘核将它们自己朝球的中心限制，其中离子的动能使一些核碰撞并聚变。一些更先进的设计使用离子枪来将离子注入到聚变器的中心，并且在这么做时，稍微增加了效率。这些设计的限制因素是：

●由于气体在高电压时变得高度传导性，因此大量的输入能被损耗，从而使电子从阴极栅极渗漏到阳极腔壁，以及

●很多循环离子与内栅极(阴极)碰撞，使栅极加热并击穿，以及

●随着电压增大，这些前述负效应按指数规律增加，从而对阳极和阴极之间的电势电压差设置上限。

相关的专利

下面是“聚变器”类型的反应堆的早些时候的一些专利：

美国专利4,894,199-N.Rostoker

美国专利3,258,402-P.Farnsworth

美国专利3,386,883-P.Farnsworth

美国专利3,530,497-R.L.Hirch

美国专利6,188,746-G.Miley

发明内容

技术问题

以足够高的动能将氘和/或氚和/或氦的核限制在足够小空间内，来克服已知的库仑力并进行核聚变，以及在这么做时，从反应提取有用的清洁能源，并且这作为稳态运行来实现，而没有失控反应的危险，而这些失控反应将在过程中破坏装置。实现的最常见和最早的聚变反应如下：

D+D＝＞T(1.01MeV)+p(3.02MeV)

D+D＝＞He3(0.82MeV)+n(2.45MeV)

D+T＝＞He4(3.5MeV)+n(14.1MeV)

D+He3＝＞He4(3.6MeV)+p(14.7MeV)

T+T＝＞He4+2n+(11.3MeV)

p+B11＝＞3He4+(8.7MeV)

这些反应中的每一个都可能释放比克服库仑势垒并开始聚变过程所需要的种子能量(seed energy)多得多的能量。因此可以考虑，可在稳态中产生受控核聚变并且输入能量小于输出能量的设备是能量生产的最高目标。迄今为止，这一目标还没有被实现。

技术解决方案

装置的详细描述

本发明的主题是装置的新型设计，其在正确操作时可形成深静电势能阱(potential energy well)，已知对聚变具有低势垒的氘和/或其它元素的离子可以充足的能量落入该势能阱中，以克服电排斥并突破库仑势垒。在下面的例子中，我们将提到常见的D+D反应，然而应澄清，本发明不以任何方式限于该反应。新型反应堆是本装置的主要部件，且它由不锈钢(或类似的传导材料)球形阳极壳(3)构成，该球形阳极壳(3)连接到地电势，在其中心有具有中空核心(23)的较小球形阴极(1)，该球形阴极(1)经由铜棒(9)通过陶瓷馈通装置(8)连接到高电压负输出DC电源(10)。阴极(1)由不锈钢或类似的材料构成，并具有中空核心(23)，有两个相对的陶瓷管(2)进入其内，而这两个相对的陶瓷管(2)通过密封紧密的聚四氟乙烯套圈和螺母装配到阴极。陶瓷管(2)在相对侧上馈通外壳(3)，并用套圈和螺母(25-22)紧密地密封。阳极和阴极之间的密封腔(5)通过口(6)充满介电油。介电油起阴极(1)和阳极(3)之间的电绝缘的作用，并可在击穿之前抵抗100千伏特电压。在操作期间，介电油(5)的其它好处是作为中子的减速剂，并作为热交换流体。陶瓷管(2)通过陶瓷金属管子接头连接到燃料回路(4)，并接着连接到涡轮分子泵(12)的进口和出口，涡轮分子泵(12)作为燃料贮存器，并起到通过反应室(23)使燃料循环的方法的作用。除此之外，在(14)处连接到燃料回路(4)的是高真空泵(29)，高真空泵(29)用来排空燃料回路(4)，以允许离子的足够长的平均自由行程来获得聚变需要的动能。真空阀(13)安装在高真空泵和燃料回路(4)之间，从而一旦达到期望的真空，就使高真空泵能够从回路隔离。真空计(18)连接到回路中，从而使回路压力容易读取。连接到燃料贮存器(12)的是燃料补给线(15)和慢排出针阀(16)。燃料补给线连接到纯氘气的供给源。

装置的详细操作

安全性

没有充分理解辐射和电死的风险和危险的用户必定不能尝试使用本装置。本装置以致命的电压工作，并发出α、β、γ和中子辐射。为了健康的原因，在操作期间屏蔽并监控这些粒子很重要。因为主要燃料是氘，其只是氢的另一种形式，如果允许氘与空气反应，则还存在爆炸的危险。另一安全性的考虑因素是在设备本身中由于材料的中子捕获的可能的活化作用，这可使本设备在长期使用后变得略微有放射性。虽然处理这样的材料可能是一个问题，但是比起当前处理裂变反应堆废物的问题，它是较小的问题，因为半衰期在100年的范围内而不是在成千上万年的范围内。

操作

为了操作本设备，检查下列设备被正确地连接且所有阀都被关闭。可从0调节到150KV的可调节式高电压DC电源(10)被连接，底盘连接到地而负输出连接到阴极(9)。高纯度的氘气源连接在(15)。高真空扩散泵(29)或可替代地具有低真空泵的涡轮分子泵连接在(14)。检查除了阴极以外的所有金属部件，但包括燃料回路，且泵牢固地连接到地。通过将燃料回路中的空气排空到高真空、通过首先打开阀(13)并接着启动低真空泵开始，当真空计达到大约10e-2托时，可启动油扩散泵，从而进一步将压力降低到10e-4托或高真空。一旦在燃料回路中达到高真空，便可启动循环泵(12)。一旦循环涡轮泵达到运行速度，便可允许少量氘气通过在(16)的针阀进入回路中。一旦压力稳定在约10e-3托，就可开启DC电源，并可缓慢地增加阴极(1)和外壳(3)之间的电压，直到发生稳态聚变反应。需要调节回路压力和电压，用于最佳性能。聚变正在进行的确认可通过使用标准中子检测仪器测量邻近于本设备的中子通量来进行。在操作期间，过量的热可能产生，且可通过将外部热交换回路连接到口(6)和(7)并经由回路抽吸通过外腔(5)的介电油来吸取所产生的过量的热。为了关闭本装置，以相反的顺序进行上面的步骤。

操作原理

如上所述的装置通过使氘气穿过回路循环来运行，相对于回路的其余部分，在该回路内反应堆芯处具有深势能阱，其处于地电势。氘的稀薄气体借助于机械涡轮分子泵循环通过反应堆回路。当氘的中性原子到达陶瓷馈通装置(2)直到反应室(23)时，阴极(1)和接地的外部回路之间的极度(extreme)电压电势使一些氘原子电离。一旦氘原子变得电离，正离子就向着阴极被加速，而电子向着地被加速。加速的离子可能在其向着阴极的路径上与其它氘原子碰撞，从而引起沿着相同路线前进的离子的级联，因而将一些气体变成等离子体。到正离子达到阴极内的中空反应室时为止，它们被俘获在势能阱的底部(见图4-26)，并且将不会逃逸，除非它们获得杂散电子并变成中性。任何中性原子很快被涡轮分子泵(12)从反应室排出。正离子在阴极室内部的聚集在阴极内产生小的但相对正的电势(见图4-26)。反应室内氘离子的密度最终达到悬浮和引入的离子之间的碰撞超过库仑势垒并使一些离子聚变的程度。此时，在D+D反应期间，最新形成的氚或氦3核子引起反应室中大量势能下降。这又产生了虚(virtual)势能空穴(图5-27)，其它氘原子可落入该空穴内，从而进一步造成空穴的加宽和加深。(该空穴也被Philo Farnsworth称为虚阴极)。在阴极的外表面和反应室内部的势能空穴之间的势能差可简单地通过增加阴极和阳极之间的电压电势来降低(见图3到7)，从而便于允许受控稳态聚变反应。D+D反应的产物是比例大致为50/50的氚或He3以及快中子和质子，这取决于反应。在D+D＝＞He3的情况下，生成快速中子。因为中子不具有电荷，所以它容易逸出反应室(1)，并通过介电油(5)移动，介电油(5)是中子的优良减速剂，从而在对油加热时使中子放弃其大部分动能。在D+D＝＞T的其它情况下，生成快速质子。这样的质子不能逸出反应室，且最可能变得嵌在阴极(1)的内表面上，因而将其动能交给阴极，并有助于反应室中进一步的电离作用。聚变产物氦3和氚保留在燃料回路中，并可进一步有助于在任何一种下列反应中的聚变过程。

D+T＝＞He4(3.5MeV)+n(14.1MeV)

D+He3＝＞He4(3.6MeV)+p(14.7MeV)

T+T＝＞He4+2n+(11.3MeV)

上面的二级反应比初级D+D反应都具有更高能量，因此当纯氘燃料逐渐转变为氚和氦3时，期望这些反应明显有助于本设备的功率输出。

有利的效果

本发明优于现有惯性静电聚变设备的优点在于阴极反应室的新型设计。通过封闭阴极反应室并使它与周围的阳极电绝缘，第一次变得可以几乎没有限制地增加阳极和阴极之间的电压电势，且在这么做时，从阴极到阳极的电子流动的负效应实质上被消除了。本发明还解决了由于离子与阴极的连续碰撞而在现有惯性静电聚变设备中使线栅阳极加热并击穿的问题。本发明还提供了直接在源处使快中子减速并将中子动能转变成热能的方法，以及提取此热能同时保持反应堆芯冷却的方法。

附图说明

图1

反应堆和燃料回路的示图。

图2

反应堆芯(阴极)及其截面的示图。

图3到图7

附图3到7是示出关于聚变反应堆横截面(X轴)和输入电压(Y轴)的理论电势能的示意图。图3示出在反应堆室中没有电离作用在-100kv时电势能曲线与反应堆阳极和阴极的轮廓。图4示出反应室内的正离子少量增加后的相同曲线。图5示出虚阴极的形成，由核子的聚变产生。图6示出当电压电势差增加时聚变势垒是如何降低的。图7示出聚变势能势垒几乎被消除以及离子直接落到聚变态的假想情况。

尺寸

在附图中原型设备的尺寸和说明如下：

(1)具有40mm内腔直径的不锈钢阴极外直径60mm

(2)8mm外直径、5mm内直径的高氧化铝陶瓷管

(3)不锈钢球直径200mm

(4)8mm不锈钢管

(5)充满介电油的腔

(6)介电流体进口

(7)介电流体出口

(8)具有中空核心的370mm陶瓷绝缘体

(9)3mm铜导体

(10)高电压DC电源

(11)燃料进口

(12)涡轮分子泵

(13)真空阀

(14)到高真空泵的连接

(15)到氘气供应源的连接

(16)慢渗漏针阀

(17)回路隔离阀

(18)真空计

(19)到涡轮泵控制器的连接

(20)盲法兰(blank flange)

(21)橡胶“O”环密封

(22)聚四氟乙烯套圈

(23)阴极反应室

(24)螺母和套圈接头

(25)螺母和套圈

工业适用性

所述设备的主要用途是核聚变能到热能的转变，热能又可通过已知的方法转变成有用的能量。可以相信，本设备可根据其预期的用途按比例放大或按比例缩小。由于相对安全的操作和安全的燃料要求，它可在城市地区容易地操作，而没有运输危险性燃料的危险，只要在反应堆芯本身周围建立充分的中子屏蔽。

所述装置的第二个用途是用作中子源。中子源用在很多工业中，包括矿业和医学，且所述发明可容易地适合于较小的便携式装置，以用于这些工业。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.用于借助于强球形静电场来产生稳态核聚变的装置，聚变反应燃料的粒子可被引导通过传导系统和介电管进入到所述强球形静电场中，一旦处于所述场内部，一些所述粒子就可通过自然方式变得被电离，并因此被朝向所述场的中心区域加速，其中由于静电场梯度而发生粒子的进一步碰撞和电离作用，被电离的粒子不能逸出所述场，并因而被限制在所述场的所述中心区域中，其中离子密度快速增加到所述离子非常有可能碰撞和聚变的程度，结果所述聚变过程根据特定的反应以快速移动的质子、快速移动的中子或快速移动的α粒子的形式释放能量，产生带电粒子的那些反应将有助于更多粒子的电离作用，并且在这种情况下，进一步给所述过程供给燃料，从而从所述核聚变反应产生的热能可通过已知的方法转变成有用的能量，并且所发射的所述中子可用在医学、科学或工业中，所述装置包括：

a.球形电容器，其以阳极本质上为中空球体并围绕阴极的这样的方式构造，所述阴极是直径比所述阳极直径更小的中空球体；

b.固体或液体电介质(例如，变压器油)，其完全充满所述阳极和所述阴极之间的空间；

c.电回路和电衬套或馈通装置，其通过所述阳极壁装配，以便允许高电压DC电流相对于所述阳极将所述阴极负充电到强电势，所述阳极维持在地电势；

d.紧密密封的燃料回路，其包括所述阴极、部分夸脱容器、陶瓷或类似的介电管、部分传导性的金属管，以及使燃料通过所述回路循环的工具，其中所述回路的一部分以将所述阴极合并到所述回路中的这样的方式贯通所述球形电容器的中心，所述介电管的部分形成跨接所述阳极和所述阴极之间的介电间隙的所述回路的那些部分；

e.将所述燃料回路排空到充分低压的工具，以便允许所述离子有允许达到聚变反应能量的足够长的平均自由行程；

f.燃料进口阀，其以这样的方式连接，以允许以受控方式将聚变反应气体供给到所述燃料回路中。

2.如权利要求1所述的设备和方法，其中借助于介电油和/或陶瓷和/或真空和/或任何其它介电材料使所述阳极与所述阴极绝缘。

3.如权利要求1所述的设备和方法，其中使所述阳极与所述阴极绝缘的介电流体也起中子减速剂的作用。

4.如权利要求1所述的设备和方法，其中使所述阳极与所述阴极绝缘的介电流体还起热交换流体的作用。

5.如权利要求1所述的设备和方法，其中任何数量的介电管从阳极的外部馈入到中空阴极的内部。

6.如权利要求1所述的设备和方法，其中涡轮分子泵用于使所述反应物气体循环通过所述反应室。

7.如权利要求1所述的设备和方法，其中主要燃料是氘。

8.如权利要求1所述的设备和方法，其中主要燃料是氚。

9.如权利要求1所述的设备和方法，其中主要燃料是氦3。

10.如权利要求1所述的设备和方法，其中主要燃料是硼11。

11.如权利要求1所述的设备和方法，其中所述燃料是权利要求7、8、9和10所述气体的混合物。

12.如权利要求1所述的设备和方法，其中主要用途是产生热能。

13.如权利要求1所述的设备和方法，其中主要用途是产生中子。

14.如权利要求1所述的设备和方法，其中所述阳极由线网制成，以及其中所述电容器浸没在介电流体的池中。

15.如权利要求1所述的设备和方法，其中所述阳极的形状和所述阴极的形状具有除了球形以外的形状。

16.如权利要求1所述的设备和方法，其中多个反应堆串联连接。

17.如权利要求1所述的设备和方法，其中多个反应堆并联连接。

Claims (17)

1.一种用于借助于使用球形电容器的阳极和阴极之间的势能差来产生稳态核聚变的新颖的设备和方法，当所述阳极和所述阴极经受高电势电压差，以及其中所述阳极围绕所述阴极并与所述阴极电绝缘，以及其中所述阴极是中空球体并在其内部具有室，以及其中所述室形成紧密密封的燃料回路的部分，以及其中所述回路以使得反应物气体或聚变燃料可通过所述阴极室被抽吸的方式贯穿所述电容器，以及其中当所述反应物气体被通过所述电容器抽吸时电离并形成热等离子体，以及其中这样的离子被朝向所述阴极的中心吸引时，其中所述离子可用足够的动能碰撞以进行核聚变。

2.如权利要求1所述的设备和方法，其中借助于介电油和/或陶瓷和/或真空和/或任何其它介电材料使所述阳极与所述阴极绝缘。

3.如权利要求1所述的设备和方法，其中使所述阳极与所述阴极绝缘的介电流体也起中子减速剂的作用。

4.如权利要求1所述的设备和方法，其中使所述阳极与所述阴极绝缘的介电流体还起热交换流体的作用。

5.如权利要求1所述的设备和方法，其中任何数量的介电管从阳极的外部馈入到中空阴极的内部。

6.如权利要求1所述的设备和方法，其中涡轮分子泵用于使所述反应物气体循环通过所述反应室。

7.如权利要求1所述的设备和方法，其中主要燃料是氘。

8.如权利要求1所述的设备和方法，其中主要燃料是氚。

9.如权利要求1所述的设备和方法，其中主要燃料是氦3。

10.如权利要求1所述的设备和方法，其中主要燃料是硼11。

11.如权利要求1所述的设备和方法，其中所述燃料是权利要求8、9、10和11所述气体的混合物。

12.如权利要求1所述的设备和方法，其中主要用途是产生热能。

13.如权利要求1所述的设备和方法，其中主要用途是产生中子。

14.如权利要求1所述的设备和方法，其中所述阳极由线网制成，以及其中所述电容器浸没在介电流体的池中。

15.如权利要求1所述的设备和方法，其中所述阳极的形状和所述阴极的形状具有除了球形以外的形状。

16.如权利要求1所述的设备和方法，其中多个反应堆串联连接。

17.如权利要求1所述的设备和方法，其中多个反应堆并联连接。

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