CN101364450B - 一种基于声空化效应实现核聚变反应的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在声空化极端物理条件下，由低能中子核反应产生的荷能粒子引发氘-氘(D-D)、氘-氚(D-T)热核聚变的方法及其装置，属于受控热核聚变技术领域。本发明基于声空化场中核反应研究，提出一种利用声空化效应实现核聚变反应的方法，并提出一种实现声致核聚变反应的装置以及核测量装置。本发明方法主要特点是：用高压倍加器出射的经适当慢化的中子辐照核反应液体，所述的反应液体为由氘、氚和含氚锂化合物核反应物质构成；与此同时，对所述反应液体施以高声强的脉冲超声，在超声作用下，所述核反应液体发生氘-氚、氘-氚反应，从而出射2.45MeV或14.1MeV的快中子。
Description
技术领域
本发明涉及在声空化极端物理条件下，由低能中子核反应产生的荷能粒子引发氘-氘(D-D)、氘-氚(D-T)热核聚变的方法和及其装置。属于受控热核聚变技术领域。
背景技术
由于煤、石油和铀资源有限，人类最终会面临资源枯竭的问题。煤、石油等化石燃料在使用时排放的气体会造成严重的环境污染。由核裂变释能的核电站产生的放射性废物，由于其长半衰期和高放射性强度都会对地球造成潜在的危害。核能释放的另一个形式是核聚变，聚变释能比裂变释能大3-4倍，很少产生放射性物质，因此聚变能是一种干净安全的能源，而且核聚变反应的燃料氘和氚来自于浩瀚大海，1kg水中的氘在聚变中产生的能量相但与300L的汽油，聚变能也称之为取之不尽，用之不竭的能源。然而实现可以控制的聚变能释放-受控热核聚变，是近半个世纪来科学家殚精竭虑的研究课题。
目前人们探索受控核聚变主要有两种途径：磁约束受控核聚变和惯性约束受控核聚变。所谓磁约束受控核聚变就是利用一定的强磁场将高温等离子体进行约束和压缩，使之达到劳森判据(即受控核聚变条件)，实现聚变反应。惯性约束核聚变是利用高功率的激光束或粒子束均匀照射微型的聚变材料靶丸，在极短的时间内迅速加热压缩聚变材料，使之达到极高的温度和密度，在聚变材料分散之前达到聚变条件，引起核聚变反应。作为磁约束方式的托克马克装置还存在结构复杂，造价昂贵，工作条件苛刻，难以实行稳态运行和反应堆的连续运行。激光惯性约束方式也有许多困难要克服：目前的激光器难以使等离子体达到高温高密度状态，也难以实现反应的连续运行。哪种途径能真正实现商业运作，目前还无法判定。即受控核聚变是人类有史以来所面对的最困难、最具挑战性的一个科学难题。
2002年初有人发表了声致热核聚变的实验报道，他们采用氘代丙酮作为气泡载体，14MeV中子作为产生气泡核的核化源，声压达到15大气压的超声波促使气泡核膨胀、坍塌和聚爆。实验测出有D-D反应的氚和2.45MeV中子出现。论文作者在2004年和2006年先后发表补充论文，改用硝酸铀溶入氘代苯、丙酮和氯化碳溶液中，利用铀发出的约4MeV的α粒子作为核化源，仍能检测到2.45MeV的中子。此结果的出现引起国际上物理界的学术争议，气泡聚爆时的温度更是争论焦点。声致发光机理和空化泡的“三高”：高压强、高密度和高温度的理论模型及计算不断修正，使得气泡聚爆产生的泡内温度远未达到108K，因此他们的实验结果普遍受到从热核聚变角度的质疑。总之，寻找惯性约束核聚变的新途径，也是科学家高度关注的研究课题。
经文献检索目前尚无相同专利，有关的相近专利有美国专利US20050135532A1和US200602690331。上述专利主要从声学角度出发，论及了声空化效应导致的空化气泡的动力学过程以及由此引发的氢同位素聚变反应，涉及了核反应装置以及产生核粒子和声致发光的检测。该两个专利的技术路线和装置与本发明完全不同。
发明内容
本发明目的之一是提出一种声空化效应实现核聚变反应的方法，本发明目的之二是提出一种实现声致核聚变的装置以及核测量装置。
声空化现象是液体在合适声压的超声场中，空化引发源(cavitation initiation sources，也称核化源)在此液体中产生空化气泡，引起空化气泡的形成、长大、坍缩和聚爆。声空化效应导致空化气泡内部气体的高密度、高压强和高温度。声空化现象激发了人们对于利用极端物理环境进行热核聚变的研究。
本发明一种基于声空化效应实现核聚变反应的方法，其特征在于该方法具有以下的过程和步骤：
a.由高压倍加器出射的经适当慢化的2.45MeV中子n、或同位素中子源经适当慢化的中子n、或零功率微型核反应堆提供的热中子n，将所述中子用来辐照核反应液体；所述的核反应液体为由氘、氚和含氚锂化合物等核反应物质构成；
b.与此同时，对所述核反应液体施以高声强的脉冲超声，其声压大于15大气压，在超声作用下，所述核反应液体发生氘-氘、氘-氚反应，从而出射2.45MeV或14.1MeV快中子n′。
本发明一种基于声空化效应实现核聚变反应的方法所用的声致核聚变反应系统装置，该装置包括有中子、中子慢化体、核反应液体、超声换能器、液体闪烁探测器、铅屏蔽体、BF3长计数管、反应腔、中子能谱测量仪及探测器高压电源；其特征是：在中子慢化体内前端装设有提供中子源的高压倍加器，在正对中子源出射方向设有一反应腔；反应腔的中心位置设有超声换能器；在反应腔内也即在超声换能器周围空间放置有核反应液体；在中子慢化体的一侧设置有液体闪烁体探测器和BF3长计数管；液体闪烁体探测器的周围包覆有铅屏蔽体；液体闪烁体探测器和BF3长计数管的后部各分别连接有中子能谱测量仪及探测器高压电源。
在本发明的核反应系统中，慢化中子辐照含有氘(D)、氚(T，室温冷氚)和含氚锂化合物等核反应物质的液体。慢化中子与液体中的锂生成α粒子(能量为Mev)和T(能量为MeV，热氚)。超声换能器同时对液体施以高声强声场，在液体中形成声空化激活区域。这样，液体中同时存在冷和热两种能量的氚，有如下反应：
T(MeV)+D→α(3.52MeV)+n(14.1MeV)
T(室温)+D→α(3.52MeV)+n(14.1MeV)
因而，通过检测14MeV能量的中子，比较有和无超声作用时的中子计数，就可取得声空化效应明显促进了热核聚变反应的证据。
在声空化条件下的核聚变中，氘、氚(冷氚)、慢化中子、能量为MeV的氚(热氚)、能量为MeV的α粒子以及超声空化形成的等离子体，其中缺一不可，只有在上述因素均具备的条件下，才有可能引起热核聚变。
本发明方法的特点
本发明方法具有的特点如下所述：
(1)多种粒子的内外核化作用和加热作用
本发明利用入射的慢化中子与液体发生核反应，产生荷能粒子(能量为MeV的α粒子、能量为MeV的T)。超声换能器同时对液体施以高声强声场，在液体中形成声空化激活区域。入射的慢化中子以及荷能粒子对张力态液体(tensioned liquid)而言，分别是外核化粒子和内核化粒子。核化粒子在声空化激活区域的张力态液体中形成空化泡，空化泡经压缩、坍塌和聚爆形成等离子体。同时大量的核化粒子通过能量传递方式加热等离子体，进一步提高了等离子温度，由此引发产生了热聚变。
(2)局域性纳米量级等离子体团簇的惯性约束热核聚变
本发明采用的超声换能器形成的激活区由空化泡团簇组成，根据已有文献计算，单个空化泡的坍塌聚爆过程在10-13-10-12s内完成，由此产生的等离子体线度≤60nm。坍塌聚爆时间等同于聚变区域自持时间，远大于聚变反应时间(10-20s)。就激活区而言，坍塌聚爆过程由无数个空化泡随机完成。热核聚变具有惯性约束之特点。
(3)中子和氚的循环增值模式
本发明的核反应体系中，D-T反应产生的14MeV中子能和液体中的核反应物质继续反应，增殖T(能量为MeV)，T(能量为MeV)和液体中的核反应物质再反应，产生中子(7-14MeV)和α粒子(0.5-1.8MeV)。即在核反应系统中，中子和氚与反应物质不断作用，生成的α粒子则起到加热作用。
本发明中的声致核聚变反应系统装置的特点
本发明中的声致核聚变反应系统装置中的特点是设有中子探测器，中子探测器包括液体闪烁体探测器和BF3长计数管两部分。液体闪烁体探测器和BF3长计数管的功能与作用分别叙述如下：
(1)液体闪烁体探测器
测得γ光子和中子的脉冲高度谱(PHS)。低道数范围(0-50道)是仪器噪声、超声信号及γ光子和低能量(≤2.45MeV)中子的计数，高道数范围(＞50道)是14MeV中子计数，最大脉冲幅度的半高峰明确表示出核反应系统中存在有声致核聚变产生的14MeV中子。
(2)BF3长计数管
测得的能谱具有分明的γ峰和中子峰，排除了仪器噪声、超声信号以及γ射线的干扰。中子峰计数包含了入射中子n和D-T反应导致的快中子n’，通过比较空化(Cav.on)和未空化(Cav.off)的中子峰计数，就能显示出声空化期间(即施加超声)的核发射效应。
附图说明
图1为本发明的声致核聚变反应系统装置示意图。
图2为图1中的反应腔和超声换能器的安装布置形成图。
图3为本发明中用液体闪烁体探测器和BF3长计数管测量的声空化条件下的中子能谱图。
其中(A)为用液体闪烁体测量；(B)为用BF3长计数管测量。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例一：本实施例中，实现声致核聚变反应方法的步骤如下：
(1)由高压倍加器出射的经适当慢化的2.45MeV中子n、或同位素中子源经适当慢化的中子n、或零功率微型核反应堆提供的热中子n，将所述中子用来辐照核反应液体；所述的核反应液体为由氘、氚和含氚锂化合物核反应物质构成；
(2)与此同时，对所述核反应液体施以高声强的脉冲超声，其声压大于15大气压，在超声作用下，所述核反应液体发生氘-氘、氘-氚反应，从而出射2.45MeV或14.1MeV快中子n’
实现声致核聚变反应方法的主要装置为如图1所示的声致核聚变反应系统装置，该装置不但是发生声效核聚变反应的装置，而且也是核聚变反应的检验检测装置。
参见图1和图2的声致核聚变反应系统装置示意图，该装置包括有中子源1、中子慢化体2、核反应液体3、超声换能器4、液体闪烁探测器5、铅屏蔽体6、BF3长计数管7、反应腔8、中子能谱测量仪9、10及探测器高压电源11、12；在中子慢化体2内前端装设有提供中子源1的高压倍加器，在正对中子源出射方向设有一反应腔8；反应腔8的中心位置设有超声换能器4；在反应腔8内也即在超声换能器4周围空间放置有核反应液体3；在中子慢化体2的一侧设置有液体闪烁体探测器5和BF3长计数管7；液体闪烁体探测器5的周围包覆有铅屏蔽体6；液体闪烁体探测器5和BF3长计数管7的后部各分别连接有中子能谱测量仪9、10及探测器高压电源11、12。
声致核聚变反应系统装置的运作过程如下所述
中子源1出射的中子n经慢化体2处理后，慢化的中子辐照于反应腔8内的核反应液体3，反应腔内置有超声换能器4，对液体施以高声强的脉冲超声波；在中子辐照场和超声场中，反应腔内的核反应液体发生核聚变反应，产生了2.45MeV或14.1MeV快中子n’；由铅屏蔽体6包覆的液体闪烁体探测器5和BF3长计数管7分别探测中子，并由中子能谱测量仪记录中子能谱；另外，两个探测器的高压分别由高压电源11、12提供。
声致核聚变反应的检验和检测
1、在相同仪器参数条件下，分别测定效应谱、非效应谱和本底谱
利用本发明的核聚变反应装置，用慢化中子辐照反应腔中的核反应液体，反应腔温度≤0℃，同时通过超声换能器对反应腔中液体施以脉冲超声t秒。核反应液体需预先置于低温(0℃)低真空状态下30分钟，进行去气，然后放入反应腔。
a.效应谱测量在超声施加期(t秒)内，采用液体闪烁体探测器和BF3长计数管同时测量脉冲幅度谱，此时测得的谱为效应谱。
b.非效应谱测量在取消超声条件下，用慢化中子辐照反应腔中的核反应液体t秒后，用液体闪烁体探测器和BF3长计数管同时测量脉冲幅度谱，此时测得的谱为非效应谱。
c.本底谱测量用慢化中子辐照反应腔中的液体t秒，该反应腔中的液体不含任何D、T和核反应物质；采用液体闪烁体探测器和BF3长计数管同时测量脉冲幅度谱，此时测得的谱为本底谱。
2、测量计数值的检验
根据数理统计的假设检验概念来检验在相同条件下的效应测量、非效应测量和本底测量测得的中子计数的差异。
由于放射性计数的统计性，效应测量，非效应测量和本底测量测得的中子计数是服从相同正态分布的随机变数。对于两次测量值N1和N2，方差σ2 Δ＝N1+N2，差异Δ＝|N1-N2|，根据概率密度积分式作变量置换Z＝Δ/σΔ，按照数理统计的假设检验概念，设定显著性水平α＝0.0027，置信水平＝1-α＝0.9973，对应概率积分表查得Kα为3.0，根据测量数值计算统计量Z，若Z≥Kα(3.0)，则认为两次测量差异较大，且置信度大于0.9973。统计量也可以认为是统计显著性增量(Statistically Significant Increase，S.S.I)。
本发明采用如下计算式来检验是否存在声致核聚变反应。
σΔtf＝(效应谱计数+非效应谱计数)1/2
Δtf＝(效应谱计数-非效应谱计数)
效应谱计数相对于非效应谱计数的统计显著性增量S.S.Itf＝Δtf/σΔtf
S.S.Itf＞3，认为可以证实有声致核聚变反应。置信度大于0.9973。
本发明采用如下计算式来检验是否存在核聚变反应。
σΔf＝(非效应谱计数+本底谱计数)1/2
Δf＝(非效应谱计数-本底谱计数)
非效应谱计数相对于本底谱计数的统计显著性增量S.S.If＝Δf/σΔf
S.S.If＞3，认为可以证实有核聚变效应。置信度大于0.9973。
经中子注量校正，对测得的效应谱、非效应谱和本底谱的中子计数进行统计处理。对用液闪探测器测得的脉冲高度谱进行100-450道范围的计数，对用BF3长计数管测得能谱中的中子峰进行峰面积计数，利用上面二式分别计算S.S.Itf和S.S.If。从而取得声核聚变效应和核聚变效应的证据。
液体闪烁体探测器的BF3长计数管测量的声空化场中的中子能谱图参见图3。图3为典型的中子能谱图。其中(A)为用液体闪烁体探测器测量，(B)为用BF3长计数管测量。
图3(A)为液体闪烁体探测器测得的中子脉冲幅度谱，中间小图为100道～350道之间的计数，反映了14MeV中子的存在；图3(B)为BF3长计数管测得的中子脉冲幅度谱，具有明显的γ峰和中子峰。
现将本发明的检测实验例叙述于下：
检测实验例一：
高压倍加器提供的2.45MeV中子经20cm厚度水体慢化，慢化中子辐照圆柱形反应腔中的核反应液体(温度≤0℃)。核反应液体预先置于0-5℃的真空箱中去气30分钟，以减少液体中溶解气的含量。与反应腔同轴置放有超声换能器，在中子辐照期间施以超声脉冲，脉冲方式为工作1s停止2s。液闪探测器同时测量中子脉冲幅度谱(效应谱)，测量时间为3212s。用慢化中子辐照反应腔中的液体，取消超声脉冲，液闪探测器同时测量中子脉冲幅度谱(非效应谱)，测量时间3212s。用慢化中子辐照反应器中的液体(不含任何D、T和核反应物质)，取消超声脉冲，液闪探测器同时测量中子脉冲幅度谱(本底谱)，测量时间3212s。
对用液闪探测器测得的脉冲高度谱进行100-450道范围的计数，经中子注量校正，得到效应谱、非效应谱和本底谱的中子计数，利用上面二式分别计算S.S.Itf和S.S.If。经中子注量校正，得到的效应谱、非效应谱和本底谱中子计数以及S.S.Itf和S.S.If列于表1。
表1检测实验例1的实验数据
表1列出的S.S.Itf和S.S.If均大于3，说明本发明的反应方法显示了声空化核聚变效应明显促进了热核聚变反应的证据。
检验实施例二：
高压倍加器提供的2.45MeV中子经20cm厚度水体慢化，慢化中子辐照圆柱形反应腔中的核反应液体(温度≤0℃)。核反应液体预先置于0-5℃的真空箱中去气30分钟，以减少液体中溶解气的含量。与反应腔同轴置放有超声换能器，在中子辐照期间施以超声脉冲，脉冲方式为工作1s停止1s。BF3长计数管同时测量中子脉冲幅度谱(效应谱)，测量时间959s。用慢化中子辐照反应腔中的液体，取消超声脉冲，BF3长计数管同时测量中子脉冲幅度谱(非效应谱)，测量时间959s。
相同条件下，用慢化中子辐照反应腔中的液体，BF3长计数管同时测量中子脉冲幅度谱(非效应谱)，测量时间796s。用慢化中子辐照反应器中的液体(不含任何D、T和核反应物质)，取消超声脉冲，BF3长计数管同时测量中子脉冲幅度谱(本底谱)，测量时间796s。
对用BF3长计数管测得能谱中的中子峰进行峰面积计数，经中子注量校正，得到效应谱、非效应谱和本底谱的中子计数，利用上面二式分别计算S.S.Itf和S.S.If。经中子注量校正，得到的效应谱、非效应谱和本底谱中子计数以及S.S.Itf和S.S.If列于表2。空化期间(施加超声)的中子注量记为Φon(n/s)，BF3长计数管的中子探测效率为ε，实验测得为3.466×10-4计数/n，计数时间为t秒(s)，声致核聚变反应产生的单位时间中子数，即中子发生率Ntf：
Ntf＝(效应谱计数-非效应谱计数)/t×ε(n/s)
同样，非空化期间的中子注量为Φoff(n/s)，核反应产生的单位时间中子数，即中子发生率Nf：
Nf＝(非效应谱计数-本底谱计数)/t×ε(n/s)
表2中还列出了中子注量以及Ntf和Nf。
表2检验实验例2的实验数据
表2列出的S.S.Itf和S.S.If均大于3，说明本发明的反应方法显示了声致核聚变效应明显促进了热核聚变反应的证据。声致核聚变反的中子发生率为1×105/s，核聚变的中子发生率为1.3×105/s。
Claims (2)
1.一种基于声空化效应实现核聚变反应的方法，其特征在于该方法具有以下过程和步骤：
a.由高压倍加器出射的经适当慢化的2.45MeV中子(n)、或同位素中子源经适当慢化的中子(n)、或零功率微型核反应堆提供的热中子(n)，将所述中子用来辐照核反应液体；所述的核反应液体为由氘、氚和含氚锂化合物核反应物质构成；
b.与此同时，对所述核反应液体施以高声强的脉冲超声，其声压约15大气压，在超声作用下，所述核反应液体发生氘-氘、氘-氚反应，从而出射2.45MeV或14.1MeV快中子(n′)。
2.一种基于声空化效应实现核聚变反应的方法所用的声致核聚变反应系统装置，该装置包括有中子源(1)、中子慢化体(2)、核反应液体(3)、超声换能器(4)、液体闪烁体探测器(5)、铅屏蔽体(6)、BF3长计数管(7)、反应腔(8)、中子能谱测量仪(9、10)及探测器高压电源(11、12)；其特征是：在中子慢化体(2)内一侧装设有提供中子源(1)的高压倍加器，在正对中子源出射方向设有一反应腔(8)；反应腔(8)的中心位置设有超声换能器(4)；在反应腔(8)内且在超声换能器(4)周围空间放置有核反应液体(3)；在中子慢化体(2)的另一侧设置有液体闪烁体探测器(5)和BF3长计数管(7)；液体闪烁体探测器(5)的周围包覆有铅屏蔽体(6)；液体闪烁体探测器(5)和BF3长计数管(7)的后部各分别连接有中子能谱测量仪(9、10)及探测器高压电源(11、12)。
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