CN104200849B - 利用空泡坍缩约束高温等离子体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的方法，其包括以下步骤：使含氘流体介质发生空化形成空泡；通过超声传质增加空泡内物质含量；使空泡以一定速度达到工件壁面，进入双电层作用范围；空泡在静电力作用下发生引力坍缩，实现氘氘热核聚变。另外，本发明还涉及一种基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的装置。

Description

利用空泡坍缩约束高温等离子体的方法

技术领域

本发明涉及一种氘氘热核聚变的方法和装置，尤其涉及一种基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的方法和装置。

背景技术

能源是支撑人类文明社会发展的重要支柱，在以煤炭、石油、天然气等化石能源以及后来的核裂变能源替代柴薪之后，带来了社会、经济的飞速发展。由于化石能源与核裂变材料不可再生，在多年开采之后，人类将不得不面临能源枯竭的危机。

获得新能源的一条途径是可控热核聚变，成本最低廉的聚变能源可以从氘氘聚变获得，氘在海水中的蕴藏量巨大，足够人类使用数千亿年。但是，氘氘聚变的反应截面很小，满足量子隧穿最低条件的粒子运动平均动能也在5keV以上，显然，目前还无法构造一个能满足极端温度、压力需要的机械装备，也没有能够耐受如此极端的温度与压力的材料，如何构造和保持这样的极高温环境是尚未解决的科学技术难题。

为实现可控热核聚变科学家已经进行了数十年的努力探索，但至今尚未取得重大进展。目前世界发达国家投入巨资进行的热核聚变研究主要是惯性约束聚变与磁约束聚变研究。

惯性约束聚变是由以192路会聚的功率为1MJ的单脉冲激光束，轰击包裹氘氚介质的聚乙烯小球，希望通过聚乙烯气化后的惯性反作用力产生高压挤压小球，从而实现氘氚聚变的一种技术。虽然氘氚聚变对温度的要求略低，但由于惯性作用无法获得作用力随时间递增的效果，惯性约束聚变至今未能实现。

磁约束聚变是一种利用磁场约束高温等离子体引发核聚变反应的技术，同样使用氘氚介质。目前主要的技术障碍是难以控制以高速运动的极高温等离子体，不能保证等离子体鞘层不破裂，距氘氚聚变的约束时间要求还相差几个数量级。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的方法和装置。

一种基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的方法，其包括以下步骤：使含氘流体介质发生空化形成空泡；通过超声传质增加空泡内物质含量；使空泡以一定速度达到工件壁面，进入双电层作用范围；空泡在静电力作用下发生引力坍缩，实现氘氘热核聚变。

一种基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的装置，其包括：高压泵、通过管道与该高压泵相连的第一导流管、与该第一导流管相连的缓冲室、与该缓冲室相连的反应室，以及设置在所述反应室内的喷嘴以及与该喷嘴间隔设置的工件，所述缓冲室与所述喷嘴连通，在该缓冲室两侧安装压电陶瓷片，所述反应室通过管道与所述高压泵相连，流体在所述导流管可以发生空化形成空泡。

与现有技术相比较，本发明提供的基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的方法和装置构造一个始终增强的压力环境，能保证使空泡进入坍缩状态，在空泡中心形成极高温与极高压，实现中子发射。同时，用空泡界面约束了高温等离子体的运动，使之处于相对静止状态，保证了等离子体鞘层的稳定存在，为聚变持续进行奠定了基础。

另外，本发明提出的通过对介质流速、界面传质效率、可变电极电位工件的控制，实现对聚变反应剧烈程度控制的过程，均在一次电源控制下进行，只要断开一次电源，所有反应将即刻停止，有效保证了核聚变装置的运行安全性。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的方法的流程图。

图2是本发明实施方式提供的基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的装置的示意图。

图3是本发明实施方式提供的基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的装置中喷嘴的剖面结构示意图。

图4是本发明实施方式提供的基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的装置中第一导流管的剖面结构示意图。

主要元件符号说明

基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的装置	100
		高压泵	10
第一导流管	11
		缓冲室	12
反应室	13
		喷嘴	14
工件	15
		第一孔	111
第二孔	112
		压电陶瓷片	121
内芯过流部	141
		第二导流管	142
第五孔	143
		第四孔	144
收缩孔	145
		第三孔	146
喷射孔	147

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的方法作进一步的详细说明。

请参阅图1至图3，基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的方法包括以下步骤：（1）使含氘流体介质发生空化形成空泡；（2）通过超声传质增加空泡内物质含量；（3）使空泡以一定速度达到工件壁面，进入双电层作用范围；（4）空泡在静电力作用下发生引力坍缩，实现氘氘热核聚变。

在步骤（1）中，首先提供一基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的装置100，请参阅图1，所述装置100包括高压泵10、通过管道与该高压泵10相连的第一第一导流管11、与该第一导流管11相连的缓冲室12、与该缓冲室12相连的反应室13，以及设置在所述反应室13内的喷嘴14以及与该喷嘴14间隔设置的工件15，所述缓冲室12与所述喷嘴14连通，在该缓冲室12两侧安装压电陶瓷片121，所述反应室13通过管道与所述高压泵10相连。

具体的，所述第一导流管11的内部具有一阶梯孔，该阶梯孔包括第一孔111以及第二孔112，该第一孔111与第二孔112连通，该第二孔112的直径比第一孔111的直径小，优选小0.2毫米至2.0毫米。所述第一孔111的侧面与邻近所述第二孔112的端面之间所成的角为直角，且该第二孔112的长度为5毫米至20毫米，该第二孔112与所述缓冲室12连通。

所述喷嘴14包括内芯过流部141以及与该内芯过流部141固定连接的第二导流管142。所述内芯过流部141包括喷射孔147、与该喷射孔147连通的第三孔146以及与该第三孔146连通的收缩孔145。所述喷射孔147的直径小于所述第三孔146的直径，优选小0.2毫米至2.0毫米。所述收缩孔145的直径向远离所述第三孔146的方向逐渐增大，该第三孔146的侧面与邻近所述喷射孔147的端面之间的过渡角为直角。

所述第二导流管142的一端与所述缓冲室12连接，另一端与所述内芯过流部141连接。所述第二导流管142的内部具有一阶梯孔，该阶梯孔包括第四孔144以及与该第四孔144连通的第五孔143。所述第四孔144的直径小于所述第五孔143的直径。所述第四孔144与所述收缩孔145连通，所述第五孔143与所述缓冲室12连通。

所述喷嘴14与所述工件15相对设置，且该喷嘴14的喷射孔147的末端与工件表面之间的距离d为10毫米至20毫米，该工件15由45号钢、纯铝或45锰钢制备，该工件15的表面粗糙度Ra≦0.1微米。

含氘流体介质由所述高压泵10输入所述第一导流管11，所述含氘流体介质可以为重水、氘代丙酮等。在本实施例中，该含氘流体介质为重水。由于第一导流管11的第一孔111的直径大于所述第二孔112的直径，所以所述含氘流体介质在第一导流管11由于局部负压而空化，形成空泡流，进入所述缓冲室12。

在步骤（2）中，由于在缓冲室12两侧安装压电陶瓷片121，由超声发生器与功率放大器驱动压电陶瓷片121振动，通过界面传质增加空泡内物质含量。所述振动的频率为15千赫兹至20千赫兹，振幅大于100微米。

在步骤（3）中，所述空泡流进入喷嘴14，由于所述第三孔146的侧面与邻近所述喷射孔147的端面之间的过渡角为直角，且喷射孔147的直径比所述第三孔146的直径小0.2毫米至2.0毫米，所以可以保证空泡流的流动稳定性。

空泡流在喷射孔147出口压力推动下作趋近工件壁面运动，空泡与工件壁面之间随距离减小会因挤压效应而产生逐渐增强的微区压力，使空泡被压缩。由于空泡流喷射压力随时间（距离）减弱，空泡趋近工件壁面的速度也会随之减弱，导致空泡内温度上升梯度低于泡壁散热能力。如果不能构成绝热条件，空泡压缩至一定直径后会经历短暂停滞过程，空泡内的热量会透过空泡壁迅速向液体介质扩散，导致空泡内温度迅速降低，使空泡内物质无法进入等离子体状态。为保证能将空泡送入双电层控制范围，必须控制空泡流到达工件壁面时的速度，当空泡流在喷射孔出口的速度大于等于20m/s，出口压力为5-20Bar时，要求喷嘴14与工件15之间的距离d为10毫米至20毫米，以保证空泡流到达工件壁面时的速度不低于10m/s。如果喷嘴14与工件15之间的距离过长会使得空泡无法进入双电层控制范围，距离过短会使部分空泡在工件表面堆积，同样会使这部分空泡无法进入双电层控制范围。

为降低空泡与空泡之间，以及空泡与工件壁面之间的干涉，防止空泡在坍缩前溃灭，需要在含氘流体介质中添加阴离子表面活性剂，例如十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠等，表面活性剂分子的非极性端位于气相，极性端位于液相。在本实施例中，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠。表面活性剂添加不足仍然会有大量空泡溃灭，添加过量会降低空泡的电动电位以及工件的电极电位，导致空泡不能受到提供足够加速度的双电层静电力的影响，正常添加量为0.15-0.5mM/L。过低的添加量会降低空泡抗干涉能力，过高的添加量会使表面活性剂形成胶束，同样会降低空泡抗干涉能力。

由于由空化产生的空泡的电动电位为负值，所以工件材料电极电位必须为负值，在液体介质中形成的双电层呈阳离子特性，当空泡进入双电层控制范围后，根据异性相吸的原理，空泡与工件之间会产生相互吸引的静电力，并形成空泡向工件壁面运动的速度与加速度。随着空泡与工件壁面之间的距离逐渐缩小，静电力将依指数律增长，空泡趋近工件壁面的速度以及空泡与工件壁面共同形成的压力也将依指数律增长。在持续增长的压力环境中，空泡将急剧被压缩，体积急剧缩小，空泡内物质将进入高温等离子体状态。

为实现空泡以逐渐增高的速度趋近工件壁面，与工件壁面共同形成逐渐增强的压力环境，要求被喷射工件材料的电极电位低于-500毫伏。计算和实验表明，电极电位高于-500毫伏将会使得空泡无法进入双电层静电力控制范围。

控制工件壁面电极电位是实现对热核聚变过程的控制，本实施例提出通过双电层电容实现对工件壁面电极电位控制的方法，要求电容极板材料的电化学窗口宽度大于3.5伏特，电极电位可控范围为-0.5伏特至-8.0伏特。

同时，由表面微结构所决定的永久性驻留气核在负压环境下会膨胀为汽泡，成为阻碍空泡趋近工件壁面的障碍，为尽可能减少表面气核的影响，在工件制备时，要求被喷射工件的表面粗糙度Ra小于等于0.1微米。

进入高温等离子体状态后，空泡内物质占有越来越小的空间，此时泡壁将在不依赖外部环境压力条件下进一步收缩，空泡内将达到极高温，这一过程属于空泡自身的引力坍缩过程。当空泡中心温度满足量子隧穿条件时，会有少量粒子发射并迅速带走中心部分能量，使空泡中心区很快冷却，破坏了电子简并压与引力之间的平衡关系，导致辐射压力不足以抵御空泡壁压力，空泡会继续坍缩，同时温度急剧升高。如果空泡内的物质足以维持引力与电子简并压之间的不平衡关系，空泡会坍缩至最小值并持续产生大量中子，实现氘氘热核聚变。

本实施例提供的基于空泡坍缩实现氘氘热核聚变的方法构造一个始终增强的压力环境，能保证使空泡进入坍缩状态，在空泡中心形成极高温与极高压，实现中子发射。同时，用空泡界面约束了高温等离子体的运动，使之处于相对静止状态，保证了等离子体鞘层的稳定存在，为聚变持续进行奠定了基础。

并且，本实施例提出的通过对介质流速、界面传质效率、可变电极电位工件的控制，实现对聚变反应剧烈程度控制的过程，均在一次电源控制下进行，只要断开一次电源，所有反应将即刻停止，有效保证了核聚变装置的运行安全性。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种利用空泡坍缩约束高温等离子体的方法，其包括以下步骤：

使含氘流体介质发生空化形成空泡流；

通过超声传质，增加空泡内物质含量；

使空泡流以一定速度达到工件壁面，进入双电层作用范围，所述工件的电极电位低于-500毫伏；

空泡在静电力作用下发生引力坍缩，从而实现对高温等离子体的约束。

2.如权利要求1所述的利用空泡坍缩约束高温等离子体的方法，其特征在于：所述空泡流到达工件壁面时的速度不低于10m/s。

3.如权利要求2所述的利用空泡坍缩约束高温等离子体的方法，其特征在于：在使空泡流以一定速度达到工件壁面，进入双电层作用范围的步骤中，所述空泡流经喷嘴的喷射孔喷射到工件壁面，所述空泡流在喷射孔出口的速度大于等于20m/s，出口压力为5-20Bar时，所述喷嘴与工件之间的距离为10毫米至20毫米。

4.如权利要求3所述的利用空泡坍缩约束高温等离子体的方法，其特征在于：在使空泡流以一定速度达到工件壁面，进入双电层作用范围的步骤中，在含氘流体介质中添加阴离子表面活性剂，该表面活性剂分子的非极性端位于气相，极性端位于液相。

5.如权利要求4所述的利用空泡坍缩约束高温等离子体的方法，其特征在于：所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠。

6.如权利要求4所述的利用空泡坍缩约束高温等离子体的方法，其特征在于：所述表面活性剂的添加量为0.15-0.5mM/L。

7.如权利要求1所述的利用空泡坍缩约束高温等离子体的方法，其特征在于：所述工件材料表面的电化学窗口宽度大于3.5伏特，电极电位可控范围为-0.5伏特至-8.0伏特。

8.如权利要求1所述的利用空泡坍缩约束高温等离子体的方法，其特征在于：所述超声振动的频率为15千赫兹至20千赫兹，振幅大于100微米。