CN101563182B - 产生热能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于产生热能的方法，其中借助位于阴极(4)和阳极(3)之间的等离子弧(10)，在该等离子弧中通过输入电能使合适的能够实现聚变过程的轻质原材料进入等离子态，并且使用由金属制成的阴极，该金属适合于使在等离子体中所产生的粒子扩散并且在金属晶格中实现聚变过程。该方法在相应的设备中产生高的效率，使得可以在任何使用化石燃料和/或可再生燃料和/或化学燃料之处应用本方法，以便直接地或者通过转化来利用热能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于产生热能的方法，其中通过输入电能使能够实现聚变过程的轻质原材料离解、电离并且然后使该物质聚变。
背景技术
由EP 0919317A1公开了一种用于借助等离子弧来产生火焰的方法，其中通过输入电能使水蒸气离解成氢气与氧气并且然后使氢气电离，并且该方法被用于对金属进行热处理。在该方法中通过喷嘴使水蒸气进入电极室之中，并且在那里然后通过输入电能引燃等离子弧。在商业上通用的基于这种方法的设备中，通过能够以常规的电源电压工作的馈电设备向手枪形等离子燃烧器提供电能。在燃烧器管的内部，在阳极喷嘴与阴极之间引燃电弧，该电弧将位于那里的水首先转化为蒸汽状态，然后转化为等离子态。水分子在此情况下被离解并且成分被电离，并且作为等离子束在自然形成的压力下从燃烧器喷嘴射出。借助这种等离子束可以切割、焊接、焊料焊接金属并且可以进行其它热处理。
该设备原则上适合于利用激光束的质量对任何不可燃的包括高合金不锈钢、铝、钛、砖、混凝土、陶瓷在内的材料进行处理。
在EP 463089B 1中，通过借助电解将氘原子置于具有晶体结构的晶格材料中来描述所谓的冷聚变，该晶体结构能够在这种晶体结构中通过核聚变产生过剩热，而不破坏晶格材料。在该文献中，然而结合电解描述了在各种原材料与反应材料的情况下的物理过程。那里所描述的过程在以往也有其他人进行过科学研究，因此属于本领域技术人员的标准知识。
根据该建议，同时进行了各种各样的试验和建议，但总的看来，迄今没有建议能够以如下形式来实现，即该建议作为代替可供一般情况使用，在该一般情况下迄今为止的诸如燃气、油、煤或铀之类的用于能量产生的各种应用情况的主要能量载体用于直接的发热、发电或机械驱动等等。这在大型设备的情况下以及在较小的设备的情况下都不用于家用。
发明内容
因此，本发明所基于的任务在于建议一种方法，利用该方法可以在应用冷聚变的情况下在小而紧凑的单元中也产生过剩热量。
该任务根据本发明通过用于产生热能的方法加以解决。
根据本发明，提供一种用于产生热能的方法，其特征在于：
-设置具有阳极和由具有金属晶格的材料制成的阴极的燃烧室，
-使用适合于在金属晶格中实现聚变过程的金属阴极材料，
-在燃烧室内设置由包含核聚变所需的轻质原材料的材料形成的气态氛围，
-在电极之间通过供给电能而产生等离子弧，
-以高频方式在微秒范围内改变存在于等离子体以及阴极材料内的电势比，以及
-在阳极上设置出口喷嘴，用于喷出由等离子弧所产生的火焰。
根据本发明，为了产生热能，使用位于阴极和阳极之间的等离子弧(在该等离子弧的情况下可调换极性)，在该等离子弧中通过输入电能使合适的能够实现聚变过程的轻质原材料进入等离子态。为此使用由金属制成的阴极，该金属适合于使在等离子体内所产生的粒子扩散，并且能够在金属晶格中实现聚变过程。
通常借助电能来维持位于电极之间的等离子弧。在包含核聚变所需的原材料、诸如氢、氘或氚原子或者其离子以及锂原子和离子的材料组成的氛围内维持等离子弧。作为原始物质，在此可以是具有天然同位素的简单的水，或者为了提高效率，也可以是重水、氘化水、氚化水和/或与普通水的混合物。可以将所需的轻质原材料作为这样的原材料以固态、液态或气态形式提供，然后置于等离子弧的附近。以气态形式可以直接被吹入，以液态形式，则需要例如直接通过等离子弧的热量的汽化的中间步骤。在等离子弧中，这些粒子被置于等离子态，并且通过以位于3A之上的相应的电流强度驱动而以足够的量产生，以便能够朝着阴极方向实现合适的(H+，D+，T+，Li+...且非O+或N+)离子流。可以期待，离子在经历阴极电压降之后以确定的冲击能量击中阴极，并且阴极上的离子密度非常高。
为了尤其能够出现热量过剩，由具有金属晶格的材料来制造阴极，这种金属晶格能够实现聚变过程。在此，阴极可以完全由这种材料制成，或者也可以仅仅具有相应的涂层。元素周期表的IIX族和IVA族的金属及其合金基本上均为适合于此的材料。在此情况下尤其涉及钯、铁、钴、镍、钌、铑、锇、铱、钛、锆、铪及其合金。朝阴极运动的粒子扩散到阴极材料的晶格中，并且在那里引起在文献中所描述的核聚变过程，在该核聚变过程中产生过剩热量。该过剩热量可以通过专业人士常用的极大不同的方式、例如以最简单的形式通过借助液态介质运走热量来排出，以便该热量于是可以直接或间接地以各种方式被转化成其它能量形式、例如电能或机械能。
阴极材料钯已经证明是特别优选的，该阴极材料由于其与其它给定材料相比5.6eV的高的电子逸出功而特别好地适合。在对阴极进行相应冷却的情况下，可以由此更容易防止由在阴极上出现的热所产生的电子流经过等离子弧，因为该电子流无助于热量产生过程或更容易阻碍热量产生过程，因为由此不出现或阻碍用于在阴极中触发核聚变的朝阴极方向所期望的粒子流。为了使用其它材料达到类似效果，由于逸出功较小，需要明显更高的冷却花费，以便防止来自阴极的不受欢迎的电极流，或者将该电极流保持尽可能小。
阴极的形状和体积以及流过阴极的电流密度决定在给定电势下能够在金属内产生的热量。阳极同样可以敷有上述材料之一或者由这些材料制成，然而为此使用任意的合适的导电材料、例如铂、镍、碳或者铜看来足够了，该导电材料自身不与过程的组分反应，以便防止不受欢迎的反应的形成。应力求用于等离子体与阴极大面积相互作用的有利的阳极配置。
根据另一种优选的改进方案，对等离子体施加电流脉冲。该电流脉冲可以替代持续电流或者除了该持续电流之外被施加，并且引起电流以及因此等离子弧的温度的短时间的剧烈提高，使得期望的粒子以更大的量被产生并且由此引起某一规模的朝阴极方向的上述粒子流，该粒子流然后与阴极材料产生核聚变，该核聚变产生比驱动等离子弧所需的热能更多的热能。根据驱动电弧所利用的电流强度，脉冲可以在微秒至秒的范围内持续。例如在钯的情况下，为了产生所需温度，电流脉冲可以在短时间、例如1微秒内为60A的电流强度。视电流强度与脉冲持续时间而定，可产生许多氢离子同位素(H+，D+，T+，...)或者其它合适的离子(Li+)，这些离子随后可供聚变过程使用，其中当然必须选择电流强度，使得阴极材料不被破坏。利用电流脉冲产生三种作用：一方面用于产生D+、T+粒子的上述的短时间的加热，另一方面阻止以不受欢迎的电子流对热惰性阴极材料过于强烈地加热，并且另外增加聚变过程，因为这些聚变过程在钯晶体中在固体和等离子体内的高电流、快速的电流变化以及由此引起的快速的(微秒范围的)电势变化的情况下是特别有效的。
根据本方法的另一改进方案，可以在每时间单位足够多的数目的电流脉冲替代持续电流的情况下驱动等离子弧。在此情况下，频率应是高的，使得电弧等离子体在前一个脉冲的余晖中已经得到下一个脉冲，以便能够在没有持续工作电压的情况下实现该驱动。
根据一种优选的改进方案，通过给电容器充电的高压电源部分和开关火花隙来产生电流脉冲，其中优选地使用电容充分高的电容器，以便在所需的脉冲最小时间上维持所需的最小脉冲强度。
此外，可以有利地将高频(HF)形式的附加的能量耦合输入叠加在等离子弧上。如果在相应的氢同位素或者其它适合于聚变的同位素的离子等离子体频率ωpi(I＝H+，D+，T+)的情况下进行高频耦合输入，则能够有目的地提高其能量，以便有利地影响聚变过程。如果选择所施加的高频场的频率ωHF，使得其低于相应的离子等离子体频率ωpi，则可以在等离子体和阴极表面之间产生高频边界层，该边界层能够以几百eV至1000eV的离子能量实现对阴极钯表面的高能离子轰击，并且加强聚变过程。固有的电势变化过程、例如等离子喷枪的固有的高频的锯齿模式同样适合于边界层的构造。
有利地通过存在于等离子体和固体内的所有电势比的微秒范围内的高频快速变化来影响聚变过程。这可以通过外部施加的电势而发生，或者通过固有的电势变化过程、例如等离子喷枪的固有的高频的锯齿模式)而发生。
如果高能氢同位素离子的碰撞的次序以及(固体和等离子体内的)电势比的微秒范围内的快速变化存在确定的时间关系，尤其当几乎同时发生事件时，则聚变过程变得特别有效。
根据另一种改进方案，可以首先将确定的氢同位素顺序地加载给优选地由钯构成的阴极，然后用另一种适合于聚变的同位素来轰击阴极，以便例如有目的地触发诸如D-D或者D-T之类的特殊反应。
利用其优选的改进方案对阴极材料进行冷却。这可以通过相应地冷却材料(只要该材料仅位于表面上)，或者通过对整个阴极进行冷却来实现。因此例如可以通过原材料来冷却阴极，该原材料然后被汽化并且被置于等离子体中。同样可以对阴极进行主动冷却，并且以其它方式将原材料引入等离子体中。如果将阴极保持在低的最佳温度，则聚变过程在此情况下变得特别有效。优选地调节来自阴极材料的电子流的条件，使得电子流变得最小。这可以通过选择相应的材料、例如优选地钯或者其它适合于聚变的且具有尽可能高的逸出功和相应的冷却的材料来实现。
如已经提及的，可以以专业人士常用的多种方式来实现过剩能量的排出。
附图说明
唯一的图示出用来实施本方法的示例性装置的原理构造，其中这里以火焰的形式排出过剩能量。
具体实施方式
燃烧室1具有通过隔离体9相互隔离的阳极3和阴极4，适合于此的介质、诸如水蒸气位于该燃烧室中。一般从文献中已知，必须将水蒸气螺旋式地引入燃烧室1中，以便稳定等离子弧。阳极3具有出口喷嘴2，用于由等离子弧10所产生的火焰。出口喷嘴可以根据应用具有合适的构造(例如拉瓦尔喷嘴)。
电极与开关电源部分5相连接，该开关电源部分在标准工作模式下为等离子弧提供必需的能量。电容器或电容器组7以及高压电源部分8通过火花隙6与开关电源5部分并联。
试验性地，利用Multiplaz AG公司的商业上通用的设备(Multiplaz 2500)来执行根据本发明的方法，该设备作为如开头所述的用于热处理的设备被提供。在这种设备中使用水，并且利用锯齿形电压来维持等离子弧(锯齿形电压的DC分量大约为150V，最大为250V，频率大约为25kHz，输出电流最大大约为8-10A)。通过另外安装利用电压对1微法的电容器7充电的高压电源部分8，经由开关火花隙8，除了工作电压之外产生电流脉冲，这些电流脉冲在等离子体中引起在持续时间大约为1-2微秒的情况下具有合适的电流强度的、例如在配备有钯的阴极中具有60A的电流脉冲。因此可以产生比对于产生来说所需的输出功率明显更高的输出功率。
借助这种方法，能够低成本地产生热量，并且在任何迄今使用化石燃料和/或可再生燃料或化学燃料之处应用本方法，以便直接或者通过转化成其它可用能量形式(机械能，电能)来利用热能。
Claims (10)
1.一种用于产生热能的方法，其特征在于：
-设置具有阳极(3)和由具有金属晶格的材料制成的阴极(4)的燃烧室(1)，
-使用适合于在金属晶格中实现聚变过程的金属阴极材料，
-在燃烧室(1)内设置由包含核聚变所需的轻质原材料的材料形成的气态氛围，
-在电极(3，4)之间通过供给电能而产生等离子弧(10)，
-以高频方式在微秒范围内改变存在于等离子体以及阴极材料内的电势比，以及
-在阳极(3)上设置出口喷嘴(2)，用于喷出由等离子弧(10)所产生的火焰。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了产生期望的等离子态，使用≥3A的电流强度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用具有电流强度和脉冲宽度的脉冲，其足以在足够长的时间间隔上维持用于在等离子体内产生粒子的温度和密度条件。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在每时间单位足够多的数目的电流脉冲替代持续电流的情况下驱动等离子弧。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过对电容器充电的高压电源部分、和开关火花隙来产生电流脉冲。
6.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，将高频形式的附加的能量耦合输入叠加到等离子弧上。
7.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，将在相应的离子等离子体频率的情况下或低于相应的离子等离子体频率的附加的能量耦合输入叠加到等离子弧上。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，顺序地将确定的氢同位素加载给阴极，然后用另外的适合于聚变的同位素轰击该阴极。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述阴极是由钯构成的阴极。
10.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，调节来自阴极材料的电子流的条件，使得电子流变得最小。
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