CN102460588B - 用于聚变及其它应用的表面上的带电粒子的相互作用 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种产生化学及核反应的方法，其包括：提供形成于第一介质与第二介质之间的表面，所述第一介质具有第一介电常数ε，且所述第二介质具有第二介电常数ε_s，其中ε与ε_s满足以下公式(I)关系；在所述第一介质中邻近于所述表面沉积多个带同极性电荷的粒子，例如，能够聚变的离子或原子核；且其中所述多个带电粒子之间的势结合能致使所述带电粒子中的至少两者之间的距离充足小以导致所述至少两个带电粒子的化学反应或核聚变。

Description

用于聚变及其它应用的表面上的带电粒子的相互作用

相关申请案交叉参考

本申请案请求在2009年6月1日提出申请的第61/182,936号美国临时专利的权益，其全部内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明一般来说涉及表面上的带电粒子的相互作用及其集体多粒子长程库仑相互作用，且更特定来说涉及能量从化学及核反应(包括低温度下的核聚变)的产生。

背景技术

核聚变是恒星中自然发生的现象，且其是引起由我们的太阳产生能量的过程。聚变是小的低质量原子核结合以形成更大原子核(其中最终质量低于初始核质量的和)且释放能量的过程。奥里芬特(Oliphant)首先在1932年观察到轻原子核(例如，氢同位素)的聚变，且汉斯·贝特(Hans Bethe)随后研究出此过程到恒星中的核聚变循环的发展。

产生用于军事应用的聚变的尝试以曼哈顿计划开始且成功地在1952年得到证明。自从那时以来研究一直在继续以利用此过程产生受控聚变形式的更清洁能量。此研究已遇到大量障碍。然而，世界上一些基于托卡马克(tokamak)的反应堆已证明得失相当的受控聚变反应堆设计，其被预期最终递送将等离子加热到聚变发生所需的温度而所需要的能量的十倍那么多。预期最初称作国际热核实验反应堆(现在简称为“ITER”)的一种此类反应堆在2016年可供使用。

驱动核反应所需的巨大能量为同极性电荷之间的极短程的强引力与斥力的组合的结果。克服处于聚变发生所需的距离的轻原子核之间的排斥力所需的能量为约10,000电子伏(eV)到约1,000,000eV。一旦实现这些条件，释放数兆电子伏(MeV)的能量、新原子核及中子的放热反应可导致自持反应。举例来说，氘-氚(D-T)反应在所得氦(He)原子核及所释放中子的反冲能中释放约17MeV。类似地，氘-氘(D-D)反应展现两个同等可能的聚变通道，其中能量释放为约4MeV及约3.7MeV。

用于产生轻原子核的聚变反应的大多数过程归为三个主要分类：热聚变、大体冷局部热聚变及局部冷聚变。热聚变是基于达到数百万开的温度且约束热等离子以实现符合众所周知的劳森判据(Lawson Criterion)的显著反应速率。已开发例如磁约束及惯性约束等方法来驱动此些过程。第二种类的过程依赖于其中等离子与大体冷的环境接触的局部热空间区域的产生。换句话说，所关心的实际区域在与处于低温度的物质接触时实现高温度或能量。已测试观察此些系统中的聚变反应的各种尝试且其包括基于加速器的系统、法恩斯沃-赫舍聚变器(Farnsworth-Hirsch Fusor)、反物质初始化聚变、热释电聚变及声致发光。

三十多年以前，使用μ介子来实施局部冷聚变实验以在普通温度下催化聚变过程。在此过程中，将μ介子(其为带负电的粒子)注入到具有轻原子核(例如，氘)的分子气体中，且通过碰撞机制用带负电的μ介子取代结合所述原子核的电子，所述带负电的μ介子具有比所述电子的质量大得多的质量。所述更重的质量导致比结合长度的波尔半径特性短超过200倍的结合长度(归因于更轻的电子)，从而允许所述原子核足够紧密以经历强力且聚变以通过能量的释放产生更重的原子核。遗憾的是，μ介子催化的聚变遭受μ介子的2.2微秒短寿命及所谓的α粘附问题，其中μ介子将结合到所产生的α粒子且停止催化所述反应。

20年以前，报告了使用重水通过钯电极的电解的冷聚变。还报告了氘化电解质中氚及氦的异常过度的热产生及迹量。遗憾的是，20年来，没有出现一组一致的实验，且数种理论著作已展示，具有类似电子配置的钯及其它金属对所述金属内的氘原子核的核间分离的影响不显著且不能够产生在一些实验中观察到的所测量能量释放。

发明内容

本发明的实施例包括一种通过原子核在低于10,000K的温度下的聚变产生能量的系统及方法。通过聚变反应来实现能量的产生，所述聚变反应是由于在高介电常数材料(例如，金属或电介质)与较低介电常数材料(相对于带电原子核驻留于其中的介质来说)之间的表面或界面上沉积或产生带电原子核所导致。具有显著较大介电常数的材料的表面上的两个或两个以上带正电(或带负电)粒子之间产生吸力势。对于在电介质或金属平面或者具有弯曲及边缘的其它形状前面的电荷，此吸力势起源于对拉普拉斯方程式(Laplace′s equation)的静电解。针对带负电粒子(例如，离子、电子及μ介子)同等地预期所述吸力势，且其可导致此些粒子以针对原子核所描述的相同方式结合。在电子的情况下，可实现例如增强的输运、类似地带电的粒子与不同地带电的粒子之间的新束缚状态及超导电性等其它效应。

四十年以前，预测电子可因像力而捕集于金属及介电表面上方。将预期单电子展现无限数目个束缚像状态，其展现类似于类氢原子的里德伯系列(Rydberg series)。此研究成功地解释了以实验方式观察到的电子在液体氦的表面上方的捕集。自从此拓荒研究以来，已使用各种各样的现实结晶势及各种粒子散射与光学技术广泛地识别并研究许多此类系统。除平面表面外，也已着手对团簇、小滴及碳纳米管的研究。

一般来说，在一个方面中，本发明提供一种产生反应的方法，其包括：提供形成于第一介质与第二介质之间的表面或介面，所述第一介质具有第一介电常数ε，且所述第二介质具有第二介电常数ε_S，其中ε与ε_S满足以下关系：

$\frac{(\mathrm{\&epsiv;}-{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}{(\mathrm{\&epsiv;}+{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}<-\frac{1}{2};$

在所述第一介质中邻近于所述表面沉积多个带同极性电荷的粒子；且其中所述多个带同极性电荷的粒子之间的势结合能致使所述带同极性电荷的粒子中的至少两者之间的距离充足小以导致所述至少两个带同极性电荷的粒子的反应。所述反应可为原子核粒子的核聚变及离子粒子的化学或催化反应。

一般来说，在另一方面中，本发明提供一种产生聚变反应的方法，其包括：提供形成于第一介质与第二介质之间的表面或介面，所述第一介质具有第一介电常数ε，且所述第二介质具有第二介电常数ε_S，其中ε与ε_S满足以下关系：

$\frac{(\mathrm{\&epsiv;}-{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}{(\mathrm{\&epsiv;}+{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}<-\frac{1}{2};$

在所述第一介质中邻近于所述表面沉积具有能够聚变的原子核的多个离子；且其中所述多个离子之间的势结合能致使所述离子中的至少两者之间的距离充足小以导致所述至少两个离子的聚变。在实施例中，所述离子可为原子离子或分子离子。所述多个离子可含有选自由以下各项组成的群组的原子核：H、D、T、Li及He。

本发明的实施例可包括以下特征中的一者或一者以上。多个带同极性电荷的粒子的合作长程效应可致使所述至少两个带同极性电荷的粒子之间的所述距离充足小以导致聚变或催化。所述方法可进一步包括用充足的能量将远距粒子吸引到所述多个带同极性电荷的粒子，以致使与所述多个带同极性电荷的粒子中的一者的碰撞且致使聚变或催化反应。所述方法可进一步包括使用辐射来形成所述多个带同极性电荷的粒子，所述辐射可选自由以下各项组成的群组：微波辐射、红外线辐射、可见光、紫外线辐射及X射线辐射。所述多个带同极性电荷的粒子可由原子或分子的放电而形成。

所述第一介质可包括导管，所述导管用以载送用于恢复在所述第一介质内产生的有用热能量的流体或气体。所述第二介质可包括导管，所述导管用以载送用于传输在所述第二介质内产生的热的流体。所述表面可支持归因于声子或电子响应的等离子-极化子或声子-极化子共振。所述第二介质可包括SiC。所述多个带同极性电荷的粒子可为轻原子核。所述轻原子核可选自由以下各项组成的群组：H、D、T、Li及He。

所述表面可包括多孔介质内的孔的内部，所述孔包括所述第一介质且所述多孔介质包括所述第二介质。所述多孔介质可包括导管，所述导管用以载送用于传输在所述多孔介质内产生的热的流体。所述多孔介质可支持等离子-极化子共振。所述多孔介质可选自由以下各项组成的群组：SiC、沸石、包合化合物及包合物。所述多孔介质可对能够将含有能够聚变的带同极性电荷的粒子的分子离解的辐射实质透明。

所述方法可进一步包括施加μ子束以催化聚变。所述第二介质可为具有电子亲和性的催化剂材料。所述表面可为管的内部。所述表面可为管的外部。所述管可为碳纳米管。所述管可为包合配合物，其可包括尿素。所述纳米管可为多壁碳纳米管。

一般来说，在另一方面中，本发明提供一种产生反应的方法，其包括：提供通过交替第一介质与第二介质形成的表面阵列，所述第一介质具有第一介电常数ε，且所述第二介质具有第二介电常数ε_S，其中ε与ε_S满足以下关系：

$\frac{(\mathrm{\&epsiv;}-{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}{(\mathrm{\&epsiv;}+{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}<-\frac{1}{2};$

在所述第一介质中邻近于所述表面沉积能够聚变的多个带同极性电荷的粒子；且其中所述多个带同极性电荷的粒子之间的势结合能致使所述带同极性电荷的粒子中的至少两者之间的距离充足小以导致所述至少两个带同极性电荷的粒子的反应。所述反应可为原子核粒子的核聚变及离子粒子的化学或催化反应。在实施例中，通过选自由以下各项组成的群组的插层化合物形成所述表面阵列：铜酸盐、石墨及石墨烯。所述方法可进一步包括在所述阵列表面层之间施加电场以在离子化之后移除负电子或产生静场离子化。所述方法可进一步包括施加μ子束以催化聚变。可用光辐射所述表面阵列以将所述多个带同极性电荷的粒子离解及离子化，且所述光可具有在从2微米到15微米的红外线范围中的离解及离子化波长。辐射光可使用CO₂或N₂O激光器来产生，且可包括具有在从20eV到1eV的范围中的能量的光子。离解及离子化的机制包括单光子、多光子及凯迪希(Keldysh)过程。

附图说明

根据以下详细说明及附图将易于明了本发明的这些实施例及其它方面，所述附图意在图解说明本发明而非限制本发明，且在所述附图中：

图1是根据本发明的实施例在两个介质之间的界面处的两个同极性电荷之间的相互作用的图示；

图2是描绘根据本发明的实施例两个电荷之间的吸力势的曲线图；

图3是描绘根据本发明的实施例呈一维链的同极性电荷之间的最小分离的位置的曲线图；

图4是描绘根据本发明的实施例呈一维链的同极性电荷的表现的曲线图；

图5是描绘根据本发明的实施例作为电荷数目的函数的一维链的长度的曲线图；

图6是描绘根据本发明的实施例呈一维链的同极性电荷之间的最小分离的对数曲线图；

图7是描绘根据本发明的实施例作为呈一维链(具有平行板布置)的电荷数目的函数的同极性电荷的最小分离的曲线图；

图8是描绘根据本发明的实施例作为电荷数目的函数的同极性电荷的最小对轨迹分离的曲线图；

图9是描绘根据本发明的实施例表面上的同极性电荷的几何分布中的一些几何分布的表格，所述表面具有将所述电荷结合在一起的像力；

图10(a)到图10(f)描绘根据本发明的实施例表面上的同极性电荷的几何形状中的一些几何形状；

图11是描绘根据本发明的实施例作为粒子数目的函数的二维结构中的同极性电荷的最小分离的曲线图；

图12是描绘根据本发明的实施例两个六边形壳之间的最小分离的位置的曲线图；

图13是描绘根据本发明的实施例作为粒子数目的函数的六边形对称分布的最大尺寸的曲线图；

图14是描绘根据本发明的实施例二维六边形布置中的同极性电荷之间的最小间距的对数曲线图；

图15(a)到图15(d)描绘根据本发明的实施例的多个表面实施方案；

图16描绘根据本发明的实施例的单壁碳纳米管；及

图17(a)到图17(b)描绘根据本发明的实施例用以催化聚变的μ子束。

具体实施方式

通过以下详细说明将更完全地理解本发明，应结合附图来阅读以下详细说明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的实例性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员以几乎任一适当详细说明的实施例来以不同方式采用本发明的代表性基础。

用于在常规温度下实现聚变的方法及过程的发展需要通过某种方式将两个排斥电荷放在一起以允许强力克服库仑排斥，从而导致聚变事件及能量的释放。在μ介子催化的聚变中，此可通过变换分子中的原子核的结合能量(通过用带负电且重得多的μ介子替代电子)来完成。本质上，变换存储于所述系统中的化学能量或结合强度以匹配以核长度标度发生的原本大得多的核排斥能量。

为尝试利用液体氦上方的电子的性质，出现对约束到液体氦的表面的多电子系统的一批研究(针对量子计算应用)。此研究集中于允许通过切换分离的电极上的电压产生量子位状态的较弱地相互作用的限制。对于量子计算应用，10⁸cm^-2或更小的典型表面密度的电子表现出经典行为且捕集于每一电极的势内(其之间仅具有弱排斥相互作用)。此弱相互作用保持为纯排斥性，因为液体氦的介电常数极低(ε＝1.0568)。

当介电常数高得多时，每一真实电荷与其它电荷的像的相互作用可导致相当大的长程吸力分量。此吸力恰好为满足泊松方程式(Poisson equation)的边界条件的结果(其中两个电荷在一平面上方)且为界面处的所得表面电荷密度的叠加的结果。

根据本发明的一个实施例，产生材料(其相对于带电粒子驻留于其中的介质具有显著大的介电常数)的表面上的两个或两个以上类似地带电的粒子或离子(包括含有可聚变原子核的那些)之间的吸力势。根据本发明的各种实施例，所述表面可为碳化硅(SiC)、石墨、石墨烯、金属、电介质、沸石或者包合化合物、加合物或包合物。对于在电介质或金属平面或者其它形状前面的电荷，此吸力势起源于对拉普拉斯方程式的静电解。劳德开尔文(Lord Kelvin)展示可完全通过将一个或一个以上假想像电荷置于电介质或金属内适当距离处且相对于真实电荷具有适当电荷来描述归因于表面电荷的积累(在完美导体的情况下)的金属或电介质材料外部的场。

如图1中所示，当将两个电荷安置于衬底上方时，所述电荷之间的势能是归因于彼此排斥的实际电荷与同其自己的像电荷以及其它电荷的像相互作用的电荷的吸力相互作用的组合。由于粒子自己的像电荷随其移动，因此势的此部分为独立于电荷之间的分离的加常数。

当两个同极性电荷(不管其为电子、正电子、离子、μ介子还是氘原子核)由像电荷束缚到表面时，如图1中所示，支配其相对相互作用的能量由下式给出(δ₁＝δ₂＝δ)：

$U=\frac{\left(Z_{1}e\right)\left(Z_{2}e\right)}{4\mathrm{\&pi;\&epsiv;}}(\frac{1}{R}+\frac{2\mathrm{\&beta;}}{S})---\left(1\right)$

其中q₁＝Z₁e及q₂＝Z₂e为真实电荷，ε及ε_s分别为电荷所驻留于其中的空间及衬底的电容率，且

在两个电荷在理想的界面上方相同高度处的限制下，势展现由下式给出的电荷分离的局部最小值：

$R_{\min }^2=\frac{{4\mathrm{\&delta;}}^2}{{\left(2\mathrm{\&beta;}\right)}^{\frac{2}{3}}-1}---\left(2\right)$

方程式(2)以及力方程式的最小化展示，当时，将存在束缚状态。很清楚，对于使用液体氦的实验，情况并非如此，因为对于所述系统β＝-0.027。使用具有负介电常数的材料可导致β＜＜-1。图2图解说明对于δ的各种值及β＝-1的作为氘原子核之间的分离的函数的势能。

对于量值分别为Z₁e及Z₂e的两个同极性电荷(驻留于高介电常数衬底上方的自由空间中(ε＝ε₀))两个带正电或带负电粒子之间的结合能量(以电子伏为单位)由下式给出：

$U\left(\mathrm{eV}\right)=-\frac{7.2\left(Z_1{Z}_2\right)}{\mathrm{\&delta;}}{[{\left(2\mathrm{\&beta;}\right)}^{\frac{2}{3}}-1]}^{\frac{3}{2}}---\left(3\right)$

其中δ以埃为单位给出。当时，对相互作用能量为具有无限介电常数差的理想经典表面上方的单个电子的经典结合能量的一半(β＝-1限制)。两个同极性电荷之间的势导致高介电常数表面上的具有数个自由度的束缚二维状态，所述数个自由度包括平面中的旋转、表面上的摇摆以及针对电子的ω～10¹⁵s^-1角频率的振动及针对质量更大的粒子(例如，D原子核)的ω～10¹³s^-1角频率的振动。对这些自由度的准确描述将取决于固态表面的能带结构及所得有效质量。包括两个电子的零点振动能量(～0.53eV)导致基态结合能量，其大约为捕集于所述表面上方的处于理想像状态的电子的基态能量的三倍。对于电子，此两粒子束缚状态可由于穿透到体中的表面状态(特定来说，n＝0状态)的寿命而为短暂的。然而，电子的寿命相对于其它粒子(例如，质量更大且带正电的原子核及离子)特别短。

受束缚同极性电荷对类似于库珀对(Cooper pair)且将具有零自旋单线基态，因此针对大量同极性电荷系统(包括电子、μ介子、原子核及离子)产生玻色准粒子。相同粒子的对的准确结合能量将包括当分离较小时可变得较大的交换相互作用。然而，束缚状态不需要在同极性粒子之间，且可导致新形式的二维离子，例如束缚到负μ介子的电子，其中交换力不起作用。还应注意，对于两个相反地带电的粒子，势在短分离下有吸力，但可在较大分离下展现势垒，因此阻止相反地带电的粒子除通过穿隧或热效应外在表面上形成束缚状态(例如，氢)。对于同极性电荷的情况，此势垒具有等于相对相互作用结合能量但具有相反符号的高度。

方程式(2)展示经典均衡分离换算为距表面的距离。通常，取决于衬底的能带结构的细节、外部电荷的性质及关于各种电子能带真空级位于何处，δ约为几埃。此在β＝-1限制下将束缚对粒子间均衡分离设定为约2.61δ的距离。

对于经典界面，像波尔半径那样，通过粒子的质量、其电荷及β的值来确定针对像问题的波函数从薛定谔方程式(equation)获得的在表面上方的最可能距离的解。当带电粒子为在金属或高介电常数表面上方的氘核原子核时，R_min呈现值10^-13m，其为穿隧力与核力的组合开始发挥显著作用的距离标度。然而，情况并非如此，因为表面能带结构及电子轨道的长度限制类氢波函数针对质量大得多的粒子预测的最可能距离的大小。

由于替代界面处的表面电荷密度的像相互作用导致长程库仑力，因此约束到表面的大电荷系综将展现超出最近邻居相互作用的集体效应。对于一维电荷系统的情况，模拟显现，同极性电荷的分离在中心处展现最小值，如图3中所示。根据本发明的实施例，已在β＝-1的情况下针对表面上的一维及二维氘原子核群体实施了模拟。在一维系统的情况下，链中的两个中心原子核的分离展示由于与衬底内的相反地带电的像的系综的库仑相互作用的长程性质而存在压缩力，此以数学方式模仿满足拉普拉斯方程式及静电边界条件所需的表面电荷分布。图3展示长度为N＝40的原子核链的邻近对的以β为单位的分离。

根据一个实施例，对一维链的模拟展示两个中心原子核之间的最小分离随增加的N减小。图4展示当N在N＝2与N＝250之间时的此表现。

在以直线配置增加电荷数目的情况下，与模拟数据具有0.999相关的曲线拟合显现由下式给出的换算定律：

R_min＝(3.8726)δN^(-0.457)(4)

其中N为表面上的一维电荷链中的粒子的数目(在β＝-1的情况下)。

由于一维链导致自收缩，因此作为原子核数目的函数的链长度展现与增加的原子核数目N的次线性关系。此针对范围从30到250的N展示于图5中。数值模拟展示链长度换算为

L(N)＝(4.305)δN^(0.5638)(5)

链长度收缩与也依据增加的N缩小的最紧密的原子核的最小分离一致。图6展示将幂律推广到大N，以推断出，对于趋近10⁶的N预期约小于δ的1％的距离。结果进一步预测在N～10⁹的情况下，当时链的中心处的电荷分离开10费米的距离。

此些一维配置在约束结构内实现，例如，尿素的加合物、沸石、插层化合物、分层铜酸盐及其它高T_C系统以及单壁及多壁碳纳米管。使用此些结构来约束原子核及其前驱物分子将由于其它边界的存在而导致修改的像势。在具有分离开距离2d的两个无限表面的平面系统的情况下，裸电荷与同每一真实原子核电荷相关联的无限数目个像相互作用。此平行板几何形状是对分层材料的近似。在此情况下，相互作用较强且导致较短分离(依据原子核数目N)。此表现展示于图7中所示的两表面情况的数值模拟中。此模拟的结果可与在单表面情况下针对最小距离找到的换算定律进行比较，且展示当前因子为单表面情况的大约2/3时指数稍微较大。

根据另一实施例，更容易实现的实验原子核布置为平滑表面上的二维分布。此表面在δ标度上具有局部平滑性，以便允许所述表面上的带电原子核的自由重新布置。具有完全相互作用的对势的数值模拟展示所描述的势可导致稳定的布置以及具有在高效的核聚变发生所必需的范围内的分离的动态轨迹。在无衰减、随机初始位置及零初始速度的限制下，在β＝-1的情况下对表面上的带正电氘原子核的模拟展示动态轨迹发生，其随增加的N导致更紧密的分离。预期此是由于，粒子数目越大，更有可能可将团簇的势能转移到单个原子核。增加的N的此模拟的结果展示于图8中。

在具有欧姆及声子衰减的金属或电介质表面上，将存在衰减，且初始为随机的电荷布置将动态地演进以达到表面上的均衡分布。在β＝-1的情况下针对表面上的随机分布的氘原子核的各种数目对此过程的模拟显现高对称结构演进而成。对于小的原子核数目，图9的表格展示表面上的相同原子核的最终分布，所述表面具有将其结合在一起的像力。图10(a)到图10(f)展示如图8的表格中所列的那样形成的均衡形状中的一些形状。

在表面上，电荷自由地在界面上方沿两个维度移动且消散导致各种均衡对称配置。当电荷数目较大时，紧密的充填占优势且六边形对称盛行，如在二维系统中的通常情况。由于两个电荷势的吸力分量具有长程性质，因此预期远超出最近的邻居的相互作用在确定表面结构参数时将发挥显著作用。维持粒子系统的六边形对称但允许沿对称向量的位移的模拟展示，相互作用的电荷的此二维系统导致相邻的六边形壳内的某些粒子之间的最紧密分离(其具有比两粒子最小值小得多的距离)。

当粒子数目增加时，这些形状(如在一维的情况下)由于像相互作用的长程性质而收缩，且粒子的分离减小以变得小于两粒子阱最小距离。针对具有范围从N＝7到N＝60的N的六边形布置的通常发生的情况对此效应的模拟展示于图11中。

对于β＝-1的情况，模拟预测阵列中的最小分离的换算定律，其由下式给出

R_min＝(4.976)δN^(-0.7926)   (6)

其中此情况下的N为六边形布置中的相互作用的壳的数目。对于N＝10⁶且R_min～10^-14m。图12展示作为六边形布置的壳位置(在330个粒子的整个系综的力下)的函数的最小分离。

在六边形晶格中以特定壳的最小距离镜射此收缩是整个阵列的总体收缩，如一维情况中所描述。图13展示作为N的函数的六边形对称分布的最大尺寸。模拟结果指示相互作用的二维原子核阵列的最大大小随壳数目N换算为：

L＝2.75δN^(0.2829)     (7)

随壳数目换算阵列大小预测压紧将导致以10费米的最小分离占据少于10^-15m²的面积的10⁶个裸电荷，例如D或T原子核。在R_min＜＜δ＜＜L及大N的限制下，单个单位电荷到表面的结合能量由下式大约给出：

$U_b\left(\mathrm{eV}\right)~\frac{e}{8{\mathrm{\&pi;\&epsiv;}}_0\mathrm{\&delta;}}{N}^{\left(0.44\right)}---\left(8\right)$

对于N＝10⁶的情况，此导致U_b～3keV的值。

将二维六边形稳定状态布置中的原子核之间的最小间距推广到大的壳数目导致图14的曲线图，其展示具有约3000个壳的阵列导致约10^-2δ的分离。对于约1埃的δ值，六边形结构中的最紧密分离(R_min)为约10^-12m或更小，完全在用以驱动显著聚变速率的范围中。

在N较大时预测的小电荷分离表明此系统可当在具有高介电常数的表面上产生带电D、T或D/T混合物的系综时导致增强的聚变速率，即使在存在中立者的情况下，因为力仅作用于电荷原子核。为估计最大聚变速率，需要估计分离开约α粒子直径(R₀＝3.22F)的距离的最紧密的原子核的波函数概率。通过此估计，分别具有索引j及j+2的壳处的特定对的聚变速率由下式给出：

λ＝A|ψ(R₀)|²  (9)

其中速率常数A(其是根据D-D聚变的核S因子的低能量限制确定的)由下式给出：

A＝1.478x10^-22m³s^-1  (10)

从针对μ介子催化的聚变的杰克逊的计算开始，已对此问题的其它变化形式进行了许多研究。自从此研究以来，已着手使用WKB方法来在其中聚变可能在远低于几亿度的温度下发生的系统中评估聚变速率的各种计算。

在所描述的系统中，系综有效地冻结到位且相互作用的对表现为一维系统，所述一维系统能够振动且支持形成所述结构的整个电荷系综的声子。在此限制下，所述系统可粗略地描述为捕集于由阵列产生的势中的原子核，所述阵列的集体长程相互作用已将j及j+2壳中的两个电荷迫使到其中其库仑排斥正在阻止进一步压缩的分离。此势很好地通过沿所述对的对称轴(r)的两项的和来估计且由下式给出：

$U_{j,j+2}=\frac{e^2}{4{\mathrm{\&pi;\&epsiv;}}_0}[\frac{1}{(r+R_{\min })}+\frac{1}{(R_{\min }-r)}]---\left(11\right)$

此势具有基态谐波振荡器解，其具有由下式给出的零点能量：

$E_0=h{\left[\frac{e^2}{{8\mathrm{\&pi;}}^3{\mathrm{\&epsiv;}}_{0}m{R_{\min }}^3}\right]}^{\frac{1}{2}}---\left(12\right)$

其中m是氘核质量。在非常紧密的分离下，此能量足够大而对转向点及穿隧概率具有影响。

在不对波函数施加条件以在r＝±R_min下呈现零值的限制下，不需要朗格校正项(Langer correction term)，且穿隧的伽莫夫因子(Gamow factor)(F)由下式大约给出：

$F=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{h}{\left(E_0{R}_{\min }\right)}^{\frac{1}{2}}\left(E\right[{\sin }^{-1}\left(\frac{R_0}{R_{\min }}\right)\left|\mathrm{\&eta;}\right]-E\left[{\sin }^{-1}\left(\frac{R_1}{R_{\min }}\right)\right|\mathrm{\&eta;}\left]\right)---\left(13\right)$

其中E[φ|η]表示第二类的不完全椭圆积分，

且R₁是方程式(12)中的势的转向点，其包括基态中的零点振动运动。

对于R_min＝5x10^-13m的最近邻居阵列分离，F＝84，其为比针对原子核的埃级分离获得的那些值小数个数量级但更靠近μ介子催化的聚变计算中的值的值。所述伽莫夫因子连同氘核波函数的局部化的所估计量产生每对的所估计聚变速率：

$\mathrm{\&lambda;}\&ap;\frac{{\mathrm{Ae}}^{-2F}}{\mathrm{\&pi;}{R}_{\min }^2\mathrm{\&delta;}}---\left(14\right)$

在R_min＝5x10^-13m下，最紧密的对的聚变速率为λ～10⁵s^-1。

对于830个电荷的系综，R_min＝10^-11m，F＝37.6，且所预期的最高对聚变速率为～10^-23s^-1。将粒子数目从830增加到1000将聚变速率增加19个数量级，增加到～1.3x10^-4s^-1。

在原子平滑表面上产生带电原子核系综达充足长的周期并非易事且针对～35,000个D原子核将需要约1MeV的能量输入。当6个最紧密集合的对在大约10μs(λ～10⁵s^-1)中反应时，此能量输入又将释放大约35MeV或更多。此问题的一个可能高效的方法是使用红外线驱动的凯迪希离子化过程，其使用作为衬底的纳米及微晶材料中的声子-极化子共振来局部地增强。SiC(举例来说)具有大DC介电常数(9.66到10.03，此取决于结晶定向)且针对大到1微米的粒子或孔通过高效脉冲CO₂激光器在频率共振下展现强定域声子-极化子模式。其它实验方法包括通过对D₂、DT、T₂及D₂O的单层进行静场离子化而直接产生D或T原子核以及对具有后成分离的D₂或D₂O进行放电以暴露高介电常数金属衬底。

根据本发明的另一实施例，用于在二维表面上产生聚变的机制利用朝向已经均衡的原子核或带电离子集合加速远距原子核或带同极性电荷的离子(举例来说，离子化的氘)。所述均衡的集合可在图9的表格中所论述的经收缩结构中的一者中，且其在大多数情况下对于较大的原子核数目为六边形。

在此情况下，远距原子核是通过所述原子核与阵列中的原子核中的每一者的组合对相互作用而被吸引。原子核的势能从无限处的零增加到其将在分布的下一壳中的其均衡位置处具有的势能。在此情况下由于所诱发的表面电流、电子空穴产生、等离子及声子激发而将消散一些动能。数值模拟展示，对于自相互作用六边形阵列中的仅300个粒子，氘的入射原子核或分子离子在约0.5KeV的能量的情况下完全趋近于其中聚变截面变得显著的能量范围。将所述曲线推广到吸引阵列中的较高粒子数目导致作为总粒子数目N的函数的以下换算预测：

U(eV)＝5.6+1.25N    (15)

此结果展示，表面上的远距原子核或分子离子可被吸引且以10KeV的能量与具有仅10,000个粒子且占据约15nm²的稳定化的像束缚表面原子核群体碰撞。此些小面积表明此类型的过程可在10nm范围中的尺寸的充分平滑的孔中发生。

在替代实施例中，可实施多个表面以增强能量产生过程。图15(a)到图15(d)展示具有一系列衬底及安置于所述衬底之间的能够聚变的原子核的此实施例的实施方案。除具有多个表面外，表面本身也可具有各种形式。在一个实施例中，所述表面为具有介电常数ε_s的多孔介质中的具有介电常数ε的多孔介质内的孔的内部。所述表面也可经构造以支持归因于声子或电子响应的等离子-极化子共振，且其在某些波长下导致大的场增强。在又一实施例中，所述表面可为例如如图16中所示的单壁碳纳米管的管、多壁碳纳米管或包合配合物(例如，尿素)的内部或外部。

在另一实施例中，管或导管延伸穿过衬底以载送用于输运在衬底内产生的热的流体。

为布置上文所描述的结构，必须通过施加能量将原子核从其电子离解或离子化。如上文所描述，μ子束已用作移除电子的催化剂，然而由于α粘附问题具有有限的结果。根据一个实施例(如图17(a)到图17(b)中所示)，将μ子束与如上文所描述的结构一起使用以催化聚变，其中表面像力与μ介子的α粒子竞争以防止α粘附问题及催化的终止。

或者，可通过电场(如图15(d)中所示)或光(例如，具有在约2微米到15微米的红外线范围中的波长的红外线激光(CO₂或N₂O))或具有在20eV到1eV的范围中的能量的光子应用能量场或辐射的施加。根据本发明的其它实施例，可使用微波辐射、红外线辐射、可见光、紫外线辐射或X射线辐射等辐射来在电介质表面上产生可聚变原子核或含有可聚变原子核的离子。

虽然本文中所描述的本发明实施例包括氘原子核在具有实质高的介电常数的金属或其它衬底(例如，SiC、沸石或者包合化合物或包合物)上的沉积，但所属领域的技术人员应认识到所述表面材料可包括具有充足高的介电常数以实现本文中所描述的β关系的其它材料。此外，可在不背离本发明的范围的情况下利用其它轻原子核(例如，H、T、Li、He等)及带同极性电荷的粒子(例如，电子)以及原子或分子离子(例如，经离子化的氘分子)。

虽然已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员应了解，可在不背离本发明的精神及范围的情况下对所述实施例做各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代其要素。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并非打算将本发明限制于用于实施本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包括归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非特定陈述，否则术语第一、第二等的使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (42)

1.一种产生聚变反应的方法，其包含：

提供形成于第一介质与第二介质之间的表面，所述第一介质具有第一介电常数ε，且所述第二介质具有第二介电常数ε_S，其中ε与ε_S满足以下关系：

$\frac{(\mathrm{\&epsiv;}-{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}{(\mathrm{\&epsiv;}+{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}<-\frac{1}{2};$

在所述第一介质中邻近于所述表面沉积多个带同极性电荷的粒子；

其中所述多个带同极性电荷的粒子之间的集体势结合能致使所述带同极性电荷的粒子中的至少两者之间的距离充足小以导致所述至少两个带同极性电荷的粒子的反应。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述带同极性电荷的粒子为原子核，且所述反应为核聚变，且其中所述原子核为选自由以下各项组成的群组：H、D、T、Li及He。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个带同极性电荷的粒子的合作长程效应致使所述至少两个带同极性电荷的粒子之间的所述距离充足小以导致聚变。

4.根据权利要求2所述的方法，其进一步包含用充足的能量将远距原子核吸引到所述多个带同极性电荷的粒子，以致使与所述多个带同极性电荷的粒子中的一者的碰撞且致使所述聚变反应。

5.根据权利要求2所述的方法，其进一步包含使用辐射来形成能够聚变的所述多个带同极性电荷的粒子，其中所述辐射选自由以下各项组成的群组：微波辐射、红外线辐射、可见光、紫外线辐射及X射线辐射。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述带同极性电荷的粒子为离子，且所述反应为化学的。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个带同极性电荷的粒子的合作长程效应致使所述至少两个带同极性电荷的粒子之间的所述距离充足小以导致所述化学反应。

8.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含用充足的能量将远距离子吸引到所述多个带同极性电荷的粒子，以致使与所述多个带同极性电荷的粒子中的一者的碰撞且致使所述化学反应。

9.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含使用辐射来形成能够化学反应的所述多个带同极性电荷的粒子，其中所述辐射选自由以下各项组成的群组：微波辐射、红外线辐射、可见光、紫外线辐射及X射线辐射。

10.根据权利要求1所述的方法，其中从原子或分子的放电形成能够反应的所述多个带同极性电荷的粒子。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一介质包含导管，所述导管用以载送用于传输在所述第一介质内产生的热的流体。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二介质包含导管，所述导管用以载送用于传输在所述第二介质内产生的热的流体。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面支持归因于声子或电子响应的等离子-极化子或声子-极化子共振。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面支持归因于声子或电子响应的定域等离子-极化子或声子-极化子共振。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二介质包含SiC。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面包括多孔介质内的孔的内部，所述孔为所述第一介质且所述多孔介质包含所述第二介质。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述多孔介质包含导管，所述导管用以载送用于传输在所述多孔介质内产生的热的流体。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述多孔介质支持等离子-极化子共振。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述多孔介质选自由以下各项组成的群组：SiC、沸石、包合化合物及包合物。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述多孔介质对能够离解含有能够聚变的带同极性电荷的粒子的分子的辐射实质透明。

21.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含施加μ子束以催化聚变。

22.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二介质为具有电子亲和性的催化剂材料。

23.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面为管的外部。

24.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面为管的内部。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述管为碳纳米管。

26.根据权利要求24所述的方法，其中所述管为包合配合物。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述包合配合物包含加合物。

28.根据权利要求25所述的方法，其中所述纳米管为多壁碳纳米管。

29.根据权利要求1所述的方法，其中所述带同极性电荷的粒子包含电子。

30.一种产生聚变反应的方法，其包含：

提供形成于第一介质与第二介质之间的表面，所述第一介质具有第一介电常数ε，且所述第二介质具有第二介电常数ε_S，其中ε与ε_S满足以下关系：

$\frac{(\mathrm{\&epsiv;}-{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}{(\mathrm{\&epsiv;}+{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}<-\frac{1}{2};$

在所述第一介质中邻近于所述表面沉积具有能够聚变的原子核的多个离子；

其中所述多个离子之间的势结合能致使所述离子中的至少两者之间的距离充足小以导致所述至少两个离子的聚变，且其中所述能够聚变的原子核为选自由以下各项组成的群组：H、D、T、Li及He。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述离子为原子离子或分子离子。

32.一种产生聚变反应的方法，其包含：

提供通过交替第一介质与第二介质形成的表面阵列，所述第一介质具有第一介电常数ε，且所述第二介质具有第二介电常数ε_S，其中ε与ε_S满足以下关系：

$\frac{(\mathrm{\&epsiv;}-{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}{(\mathrm{\&epsiv;}+{\mathrm{\&epsiv;}}_S)}<-\frac{1}{2};$

在所述第一介质中邻近于所述表面沉积能够反应的多个带同极性电荷的粒子；

其中所述多个带同极性电荷的粒子之间的势结合能致使所述带同极性电荷的粒子中的至少两者之间的距离充足小以导致所述至少两个带同极性电荷的粒子的反应。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述带同极性电荷的粒子为原子核，且所述反应为核聚变，且其中所述原子核为选自由以下各项组成的群组：H、D、T、Li及He。

34.根据权利要求32所述的方法，其中所述带同极性电荷的粒子为离子，且所述反应为化学的，且其中所述离子含有选自由以下各项组成的群组的原子核：H、D、T、Li及He。

35.根据权利要求32所述的方法，其中通过选自由以下各项组成的群组的插层化合物来形成所述表面阵列：铜酸盐、石墨及石墨烯。

36.根据权利要求32所述的方法，其进一步包含在所述阵列的表面层之间施加电场。

37.根据权利要求32所述的方法，其进一步包含施加μ子束以催化核聚变。

38.根据权利要求32所述的方法，其中用光来辐射所述表面阵列以将所述多个带同极性电荷的粒子离解及离子化。

39.根据权利要求38所述的方法，其中所述光具有在从2微米到15微米的红外线范围中的离解波长。

40.根据权利要求38所述的方法，其中使用CO₂或N₂O激光器来产生所述辐射光。

41.根据权利要求38所述的方法，其中所述辐射光包含具有在从20eV到1eV的范围中的能量的光子。

42.根据权利要求32所述的方法，其中所述带同极性电荷的粒子为电子，且所述电子的结合导致玻色性质。