CN102142285A - 光控核聚变方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新的核聚变方法，它通过控制轻核和较重原子核或电子的动能和密度及入射光的电矢量和频率来控制核聚变。这种核聚变方法利用电磁波照射加速后对撞的高密度较重原子核束和轻核束，也可以利用电磁波照射加速后对撞的高密度电子束和轻核束，这些带电粒子在电磁波照射下将会作受迫简谐振动，类似于一个电偶极子，并将发射次级电磁波，处于电偶极子近区场的轻核将会吸收电偶极子近区场的电磁能量，当轻核吸收的电磁能量大于轻核之间的库仑势垒时，轻核将会聚变，当轻核吸收的电磁能量大于轻核和较重原子核之间的库仑势垒时，轻核和较重原子核将会聚变。

Description

光控核聚变方法

技术领域

本发明提供一种新的核聚变方法，它通过控制轻核和较重原子核或电子的动能和密度及入射光的电矢量和频率来控制核聚变。这种核聚变方法利用电磁波照射加速后对撞的高密度较重原子核束和轻核束，也可以利用电磁波照射加速后对撞的高密度电子束和轻核束，这些带电粒子在电磁波照射下将会作受迫简谐振动，类似于一个电偶极子，并将发射次级电磁波，处于电偶极子近区场的轻核将会吸收电偶极子近区场的电磁能量，当轻核吸收的电磁能量大于轻核之间的库仑势垒时，轻核将会聚变，当轻核吸收的电磁能量大于轻核和较重原子核之间的库仑势垒时，轻核和较重原子核将会聚变。

背景技术

我们知道，受控热核聚变到目前为止还未能实现，受控热核聚变要求非常高的温度。在如此高的温度下，轻核既可以发生聚变，也可以分裂为中子和质子，聚变产物如氦核等也可以分裂为轻核，并且分裂几率大于聚变几率，而这些分裂反应都是吸热反应，吸热反应会导致系统温度下降，受控热核聚变所要求的非常高的温度也就无法保证了，即使系统能受控并输出聚变能，但由于吸热反应，将会导致输出的聚变能少于输入的用以维持聚变的能量，因此受控热核聚变是无法实现能量得失相当的。

发明内容

为了实现能量得失相当的核聚变，本发明提供一种光控核聚变方法，它通过控制轻核和较重原子核或电子的动能和密度及入射光的电矢量和频率来控制核聚变。

这种光控核聚变方法基于以下的事实：

1，在光电效应中，当入射光的频率足够高时，电子将会吸收足够的能量并挣脱金属对它的束缚，逸出金属表面。

2，在入射光照射下，物体中的带电粒子将会作受迫振动，类似于一个电偶极子，并将发射次级电磁波，其近区场的电场强度和磁场强度分别为：

$E_r\left(t\right)=\frac{\mathrm{Ql}\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π\ϵ}{r}^3}\cos \mathrm{\ωt}$

$E_{\mathrm{\θ}}\left(t\right)=\frac{\mathrm{Ql}\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π\ϵ}{r}^3}\cos \mathrm{\ωt}$

$H_{\mathrm{\φ}}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\ω}\mathrm{Ql}\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π}{r}^2}\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2})$

其中E_r(t)是近区场的电场强度在球坐标中的r分量，E_θ(t)是近区场的电场强度在球坐标中的θ分量，H_φ(t)是近区场的磁场强度在球坐标中的φ分量，Q为带电粒子带电量，l为带电粒子的振幅，l必然是与频率有关的，因为入射光必然是由低速或高速带电粒子当加速时激发的，如低速带电粒子当加速时激发电偶极辐射，电偶极辐射的远区场的电场强度E为

$E=\frac{\mathrm{eA}}{4\mathrm{\π\ϵ}{c}^{2}R}{\mathrm{\ω}}^2\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ω}(t-\frac{R}{c})$

正是这个电场强度使物体中的带电粒子将会作受迫振动，因此l应有如此形式：

$l=\frac{e}{m}\frac{1}{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\γ}}^2}}\frac{\mathrm{eA}}{4\mathrm{\π\ϵ}{c}^{2}R}{\mathrm{\ω}}^2\sin \mathrm{\θ}$

r为观测点到带电粒子的距离，在这里，r也是轻核和较重原子核或电子加速后对撞所能达到的最小距离，r远小于λ，λ为入射光的波长，ω为入射光的频率。

在入射光照射下，处于电偶极子近区场的带电粒子也会作受迫振动，类似于一个电偶极子，这个电偶极子受到另一个电偶极子近区场的电场力为F，

$F=(P\·\▿)E$

式中

P＝ql₁cosωt，q为处于电偶极子近区场的带电粒子带电量，l₁该带电粒子的振幅，同样，l₁也与频率有关。因为该带电粒子处于电偶极子近区场，l₁应有如此形式：

$l_1=\frac{e}{m}\frac{1}{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\γ}}^2}}\frac{\mathrm{Ql}\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π\ϵ}{r}^3}$

$l_1=\frac{e^2}{m^2}\frac{\mathrm{eA}}{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\γ}}^2}\frac{Q\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}}{8{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\ϵ}}^2{c}^{2}R}\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{r^3}$

假设该带电粒子的振动方向平行方向，则

$P=q\frac{e^2}{m^2}\frac{\mathrm{eA}}{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\γ}}^2}\frac{Q\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}}{8{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\ϵ}}^2{c}^{2}R}\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{r^3}\cos \mathrm{\ωt}\hat{r}$

这个电偶极子受到另一个电偶极子近区场的电场力为F₁，

$F_1=\frac{-3\mathrm{qQ}{\mathrm{ll}}_1\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π\ϵ}{r}^4}{\cos }^2\mathrm{\ωt}$

$F_1=\frac{-3\mathrm{qQ}{\mathrm{LL}}_1{\cos }^2\mathrm{\θ}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π\ϵ}}\frac{{\mathrm{\ω}}^4}{r^7}{\cos }^2\mathrm{\ωt}$

式中

$L=\frac{e}{m}\frac{1}{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\γ}}^2}}\frac{\mathrm{eA}}{4\mathrm{\π\ϵ}{c}^{2}R}$

$L_1=\frac{e^2}{m^2}\frac{\mathrm{eA}}{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\γ}}^2}\frac{Q}{8{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\ϵ}}^2{c}^{2}R}$

电场力做功为W，

$W=\frac{\mathrm{qQ}{\mathrm{LL}}_1{\cos }^2\mathrm{\θ}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π\ϵ}}\frac{{\mathrm{\ω}}^4}{r^6}{\cos }^2\mathrm{\ωt}$

我们注意到W并非与ω成正比，而光电效应中W与ω成正比，主要是这里只考虑了低速带电粒子当加速时激发的电偶极辐射。实际上，多光子光电效应已证明光子频率处于钠的红限频率以下时，也有光电子发射，而且是与光强的平方成正比，可参阅(陈宜生等，物理效应及其应用，天津大学出版社，1995，P7)或[M.C.Teich and G.J.Wolga，″Two-QuantumVolume Photoelectric Effect in Sodium，″Phys.Rev.171，809-814(1968)]

这两个电偶极子要么互相吸引，要么互相排斥。如果F₁是吸引力，当F₁大于两核之间的库仑斥力时，两核将会聚变；如果F₁是排斥力，当F₁大于一核和另一核之间的库仑斥力时，这两核也将会聚变。

光控核聚变是利用上述事实实现核聚变的一种方法。

根据公式

$F_1=\frac{-3\mathrm{qQ}{\mathrm{LL}}_1{\cos }^2\mathrm{\θ}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π\ϵ}}\frac{{\mathrm{\ω}}^4}{r^7}{\cos }^2\mathrm{\ωt}$

要增大F₁，可选择增大ω、q、Q、L和L₁，并减少r。

因为q是轻核的带电量，Q是和轻核束对撞的核子的带电量，如要增大F₁，可增大Q，也就是选用较重原子核和轻核对撞。

为增大F₁，轻核和较重原子核或电子对撞时所能达到的距离r应该尽可能小，也就是轻核和较重原子核或电子的动能要足够大。

当受到入射光照射时，轻核和较重原子核或电子都作受迫简谐振动，轻核处于较重原子核或电子的近区场。

选用电场强度随入射光频率增大而增大的入射光，使轻核和较重原子核或电子的振幅都足够大。如前所述，l必然是与频率有关的，在光电效应中，频率越高，光电子逸出金属表面后的动能越大，因此也应选用频率高的入射光。

实现这光控核聚变的具体步骤是，如选择较重原子核和轻核对撞，应先测定或估算较重原子的光电子脱出功。先把轻核和较重原子核或电子聚焦成高密度轻核束、较重原子核束或电子束，加速这些轻核束、较重原子核束或电子束，使它们迎头对撞，使用合适的入射光照射对撞区域。当对撞区域是较重原子核和轻核对撞时，F₁是吸引力，当F₁大于较重原子核和轻核之间的库仑斥力时，此时较重原子核将会和轻核聚变；当对撞区域是电子和轻核对撞时，F₁是排斥力，当F₁大于轻核之间的库仑斥力时，此时轻核之间将会核聚变。

可采用电子束和轻核束对撞。

也可采用轻核束轰击较重原子靶。

通过控制轻核和较重原子核或电子的动能和密度及入射光的电矢量和频率来控制核聚变。

具体实施方式

下面介绍两具体实施例，具体实施方式不局限于此两例。

如选择较重原子核和轻核对撞，较重原子核可选⁶Li，轻核可选²H。先测定或估算Li金属的光电子脱出功，也就是

$W=\frac{\mathrm{qQ}{\mathrm{LL}}_1{\cos }^2\mathrm{\θ}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π\ϵ}}\frac{{\mathrm{\ω}}^4}{r^6}{\cos }^2\mathrm{\ωt}\≥\frac{\mathrm{qQ}}{4\mathrm{\π\ϵR}}$

电子在原子内，R≈10^-10m，r＝R，要使

$W=\frac{\mathrm{qQ}{\mathrm{LL}}_1{\cos }^2\mathrm{\θ}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π\ϵ}}\frac{{\mathrm{\ω}}^4}{r^6}{\cos }^2\mathrm{\ωt}\≥\frac{\mathrm{qQ}}{4\mathrm{\π\ϵR}}$

要求

LL₁cos²θsin²θcos²ωtω⁴≥10^-50m²

通过测定或估算Li金属的光电子脱出功，也可确定入射光的最低频率。

当LL₁cos²θsin²θcos²ωtω⁴＝10^-50m²时，要使⁶Li和²H聚变，要求R≤10^-15m，要求⁶Li和²H对撞时的距离r≤10^-11m，⁶Li和²H的之间的势垒为6.9×10^-17J(0.43keV)，相应地，要求⁶Li和²H的动能w≥3.45×10^-17J(0.215keV)。如果2ll₁cosθcos²ωt＞10^-20m²，相应地，要求⁶Li和²H的动能w＜3.45×10^-17J(0.215keV)。

把高密度的⁶Li和²H加速到动能w≥3.45×10^-17J(0.215keV)后，使它们迎头对撞，同时用合适的入射光照射对撞区域，也就是照射覆盖⁶Li和²H对撞时距离r≤10^-11m的区域。

因为较重原子核和轻核对撞时，F₁是吸引力，所以当F₁大于⁶Li和²H之间的库仑斥力时，⁶Li和²H将会聚变，⁶Li+²H→2⁴He+22.4MeV。

如选择电子和轻核²H对撞，由于电子和轻核²H可非常接近，可确保

$F_1=\frac{-3q^2{\mathrm{LL}}_1{\cos }^2\mathrm{\θ}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π\ϵ}}\frac{{\mathrm{\ω}}^4}{r^7}{\cos }^2\mathrm{\ωt}>\frac{q^2}{4\mathrm{\π\ϵ}{R}^2}$

即聚变反应²H+²H→³H+¹H+4MeV是可行的。

其中

是电子和轻核²H之间的排斥力，因电子和轻核²H是两个振动着的电偶极子，r是电子和轻核²H加速后对撞所能达到的最小距离，

是²H之间的库仑斥力，R≤10^-15m。

Claims (6)

1.一种光控核聚变方法，其特征在于：它通过控制轻核和较重原子核或电子的动能和密度及入射光的电矢量和频率来控制核聚变。

2.根据权利要求1所述的一种光控核聚变方法，其特征在于：利用电磁波照射加速后对撞的高密度较重原子核束和轻核束，也可以利用电磁波照射加速后对撞的高密度电子束和轻核束，并可以利用电磁波照射被轻核束轰击的较重原子靶。

3.根据权利要求1所述的一种光控核聚变方法，其特征在于：轻核处于作受迫简谐振动的较重原子核或电子的近区场，也就是轻核和较重原子核或电子对撞时所能达到的距离r。

4.根据权利要求1所述的一种光控核聚变方法，其特征在于：轻核和较重原子核或电子对撞时所能达到的距离r应该尽可能小，也就是轻核和较重原子核或电子的动能要足够大。

5.根据权利要求1所述的一种光控核聚变方法，其特征在于：选用电场强度随入射光频率增大而增大的入射光，使轻核和较重原子核或电子的振幅都足够大。

6.根据权利要求1所述的一种光控核聚变方法，其特征在于：选用频率高的入射光。