CN102568635A - 粒子回旋加速式原子炉 - Google Patents
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Abstract
粒子回旋加速式原子炉是一种小型的核反应炉，是一种核能电源.其基本原理是通过回旋粒子加速器加速质子，始质子撞击炭12原子核发生核反应，因为核反应的能量是以γ射线的形式放出，所以在原子炉中能量转化是通过用核反应过程中放出的γ射线照射靶核，始靶核发生核反应，放出α粒子，再把α粒子的动能转化为电能供给用电器，此原子反应炉，体积小，无核污染，使用时间长，更加安全，适用于多种用途，以上就是基本原理。
Description
技术领域
此发明所属核物理技术领域，以及核能发电、原子炉的小型化。
背景技术
目前的原子能发电为U-235裂变，核反应堆的转化率较小，产生的核废料有很强的放射性，不容易处理，其能量转换是核反应中释放出的能量转换为水的内能，使水沸腾带动发电机发电，当水泄漏时会污染环境。
发明内容
原理简要
粒子回旋加速式原子炉是一种小型的原子反应炉(小型的核反应堆)，比现有的核反应堆体积要小，无污染，使用的寿命比现有的核反应堆使用时间长，更加安全，是一种小型的核能电源.其基本原理是通过回旋粒子加速器加速质子，始质子撞击炭12原子核发生核反应，因为核反应的能量是以γ射线的形式放出，所以在原子炉中能量转化是通过用核反应过程中放出的γ射线照射靶核，始靶核发生核反应，放出α粒子，再把α粒子的动能转化为电能供给用电器.
原理
粒子回旋加速式原子炉式通过碳氮氧循环发生和聚变，是一种小型的原子能发电装置，就是让质子在回旋粒子加速 器中加速，质子经过加速后射出回旋粒子加速器并射向环流器中，射入环流器后与被悬浮的原子核碰撞发生核反应，其核反应为一个质子入射碳-12原子核生成氮-13射出γ光子放出1.95兆电子伏特的能量： 由于氮-13的原子核不稳定，通过β+衰变，衰变成碳-13放出2.22兆电子伏特的能量： 
质子再次入射碳-13原子核，生成氮-14和一个γ光子放出7.54兆电子伏特的能量： 
质子再次入射氮-14原子核生成氧-15和一个γ光子释放7.35兆电子伏特的能量：
原子炉中始原子核发生核反应的部分是环流器，环流器中被悬浮的碳-12原子核与回旋粒子加速器射出的质子产生猛烈的撞击发生核反应，回旋粒子加速器由两个半圆形铜盒 组成，称为D形电极(或D形盒).两个D形电极与高频振荡器相连，使两电极间产生高频交变电场.同时，两个D形电极放在恒定的匀强磁场间.当两电极间的离子源发射出带电粒子时，这些粒子在电场作用下进入D形盒内，D形盒内无电场(被D形盒屏蔽)但有垂直于D形盒的磁场，使带电粒子作圆周运动.在核反应过程中一个入射道可以对应几个出射道，每个出射道所占的几率不同，在以上核反应中会产生几种分支，一种是氮15原子核吸收一个质子生成氧16和一个γ光子，放出12.13兆电子伏特的能量：
氟17原子核由于不稳定会通过β+衰变方式衰变成氧17，放出2.76兆电子伏特的能量：
在核反应过程中能量以γ射线形式放出，核反应炉不但要防护γ射线，而且还要转化为能量，在核反应炉的外壳中有一层是与核反应过程中放出的γ射线发生核反应放出α粒子，并把α粒子的动能转化为能量，核反应式简写为：(γ，α)，放出的α粒子因为具有动能而飞出，在核反应材料的表面有一层金属板，用来把α粒子的动能转化为电能，因为α粒子 带有两个正电荷，当α粒子飞向金属板金属板就带上正电荷，在另一个金属板上有β放射源，当β粒子打到金属板上时金属板就带上负电荷，两个金属板有一个闭合的电路就产生电势，就可以形成电流.所以核反应产生的能量就可以被完全屏蔽，不会对环境造成污染.
在以上核反应中需要很多质子作为入射粒子来持续核反应，这些质子由质子源产生，质子源的原理是用α粒子轰击氮14，氮14转化为氧17并放出质放射子： 
质子源置于回旋离子加速器中心.
原子炉结构
粒子回旋加速式原子炉最外层(第一层)也就是外壳，为纳米材料，因为纳米材料硬度很高，不容易破碎，以保护原子炉内部结构，第一层还可以分为两层，即外壳和等离子γ射线屏蔽层，等离子γ射线屏蔽层中充有高密度的等离子重金属，第二层是能量转换层，可以把原子炉内放出以γ射线形式的能量转换为电能，能量转换层又可分为β放射层、负电极层、正电极层、反应层四层(从外向内排列)，β放射层和反应层都充有高密度的等离子，与第一层中的等离子γ射线屏蔽层类似，只是充的等离子不同，反应层是最里面的一层，是与原子炉内放出的γ射线发生核反应放出带两个正电荷的α粒子，α粒子打到正电极板上，正电极板上带上 电荷，β放射层是放β射线的放射性元素，β放射层放出带负电荷的β粒子打到负电极层上负电极层就带上负电荷，正电极层和负电极层都带正负两种电荷时就可以产生电势差，用导线把电荷引出通向用电器就可以带动用电器工作，因为反应层因为要与γ射线发生反应所以要保证核反应截面较大，核反应截面就是入射粒子与靶核发生核反应的概率，如果要确保核反应截面较大那么就要增加单位面积内的原子核数目，因为等离子是被完全电离的原子，它只剩下原子核，所以，等离子体可以被压缩在一个很小的空间里，这样就可以大大提升单位面积内的原子数，β放射层中也同样充有高密度的等离子，虽然不需要像反应层那样与γ射线发生直接的核反应，但是γ射线通过反应层和电极层后残余的射线还可以把β放射层中的原子核激发到较高的能级，这可以使放射出的β粒子具有更高的动能，同时反应层与β放射层都和等离子γ射线屏蔽层一样对伽马射线具有屏蔽功能，因为材料吸收γ射线的能力与材料密度成正比，一般屏蔽γ射线的材料是几厘米厚的铅板或十几米厚的水泥，但是质子回旋加速式原子炉要做的小型化，屏蔽层厚度不能达到所以就要提高屏蔽材料的密度，在这三层中等离子都被压缩在一个很小的空间中所以都具有很高的密度，当γ射线经过反应层时与其中的等离子发生核反应，γ射线大部分能量被损失掉，剩下的在经过β放射层把其中的等离子激发到激发态，这时γ 射线能量已经损失的差不多了，残余的γ射线最后经过等离子γ射线屏蔽层，这时射线就被完全屏蔽了电子，但是化学元素一般情况下都是以固态形式存在，要使它在常温下以等离子形式存在就要把它加热成气体，再进行电离，电离后因为等离子体中还存在未电离的原子和负电子，当原子核俘获电子就还会变成原子，所以要把电离后的等离子体通过磁场分离只把原子核分离出来充入反应层、β放射层或等离子γ射线屏蔽层中，使原子核不在俘获电子就可以保持等离子状态了.
在原子炉中发生核反应的部分是环流器，环流器为管状环形，回旋粒子加速器置于其环形的中央部位，回旋粒子加速器有四个出射口，四个出射口都对准环流器的管道，同样环流器也有四个开口，四个开口都与回旋粒子加速器的四个出射口相对，其作用是回旋粒子加速器射出的粒子能够射进环流器的管道中，这样是为了增加射出的质子与靶核碰撞的几率，在环流器中充有高密度的等离子碳，当加速器接通交流电时质子被加速，原子炉中的环流器是带强磁性的环形管道对带电粒子具有约束力，发生核反应的物质(靶核)被悬浮在管道里面，环流器的磁性材料为纳米材料，因为纳米材料有很强的磁性，高密度的等离子碳就被约束在这个管道之内，这样可以使质子源放出的质子发生准确的撞击.质子源和电子源在加速器的中心部位，质子源、电子源各一，质子 源在上，电子源在下，质子源放出的质子与电子源放出的电子一同在回旋粒子加速器中加速，因为质子带正电，电子带负电所以在回旋粒子加速器中质子与电子加速的方向相反，电子源的核心部分是放β射线的放射性元素，从出射口中射出的有质子和电子，在核反应中会产生反电子，当电子与反电子碰撞会化能量以γ射线形式放出，电子源的外壳是带强磁性的金属外壳，金属外壳与放射性元素有一定距离，是为了能让放出的电子都向一个方向射出.回旋离子加速器的上方和下方各有一块电磁铁，其铁心和线圈都为纳米材料，加速器上方的电磁铁N极对准加速器，下方的电磁铁S极对准加速器，电磁铁是用来产生一个约束离子运动的磁场，让质子在磁场中作圆周运动.在回旋离子加速器中电源是一个原子电池，为加速器和电磁铁供电，原子电池是利用放α射线和放β射线的放射性元素产生的能量转化成电能，在电池中有两个放射源(α源和β源)，两个放射源之间有两个电极，当两个电极分别带上正负两种电荷时产生电势差，再把电流通向电磁铁和变频器器，变频器把原子电池产生的直流电转化为与离子回旋频率相同的交流电通向回旋离子加速器，因为只有电场频率与离子回旋频率相同才能继续加速下去.在原子炉中，控制核反应的部分是控制室，控制室置于回旋粒子加速器的上方，控制室中包含原子电池、变频器和调节开关，调节开关可控制原子炉放出的电能大小，当关闭开关时 回旋粒子加速器的D形电极没有电流通过，回旋粒子加速器停止加速，环流器中没有质子射入，核反应停止，因为环流器的材料为永久磁性的材料，所以当控制开关关闭时环流器内的高能等离子不会碰到环流器的管壁上(环流器由原子电池供电，调节开关打开时环流器有电流通过，磁感应强度增大)，当开关调大时通过回旋粒子加速器的电磁铁的电压增大，磁感应强度增强出射粒子的速度增大，因为荷电粒子发生核反应时速度与核反应截面成正比，所以核反应截面增大，在粒子回旋加速器中，被加速的粒子出射的能量大小与电压无关，只与磁感应强度有关，所以要改变粒子出射的能量只改变电磁铁的电压大小，不改变D形电极的电压大小.原子炉放出的能量增大，同样当质子的能量增大时与靶核碰撞的能量增大，出射粒子能量增大，母核反冲能增大，这样环流器的束缚力也必须增大，所以当调节开关开大时流过环流器的电流增大，其磁感应强度也增大，同时悬浮能力也随之增大，以上就是粒子回旋加速式原子炉的原理.
附图说明
图1：粒子回旋加速式原子炉【立体图】
图2：粒子回旋加速式原子炉【平面图】
图3：粒子回旋加速式原子炉【剖面图】
图4：粒子回旋加速式原子炉【原子电池示意图】
图5：粒子回旋加速式原子炉【质子源示意图】
图6：粒子回旋加速式原子炉【转换层示意图】
图7：粒子回旋加速式原子炉【电子源示意图】
Claims (1)
1.粒子回旋加速式原子炉是一种小型的原子反应炉(小型的核反应堆)比现有的核反应堆体积要小，无污染，使用的寿命比现有的核反应堆使用时间长，更加安全，是一种小型的核能电源.其基本原理是通过回旋粒子加速器加速质子，始质子撞击炭12原子核发生核反应，因为核反应的能量是以γ射线的形式放出，所以在原子炉中能量转化是通过用核反应过程中放出的γ射线照射靶核，始靶核发生核反应，放出α粒子，再把α粒子的动能转化为电能供给用电器.。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106062925A (zh) * | 2014-03-06 | 2016-10-26 | 应用材料公司 | 霍尔效应增强电容耦合等离子体源、消除系统及真空处理系统 |
| CN112384817A (zh) * | 2018-07-03 | 2021-02-19 | 皇家飞利浦有限公司 | 用于b0映射的mri方法 |
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2012
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