CN104900289A - 制备氚的方法、装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了制备氚的方法、装置和系统。其中，制备氚的方法包括：将第一流体介质通过柱塞泵进行压缩，以便形成射流，其中，第一流体介质包含至少2mmol/L的6LiD；利用空化盘对射流进行空化处理，形成含有空泡的空泡流；使空泡流通过迷宫式通道，在超声场作用下，进行液汽界面传质处理，得到高内含物空泡流；利用喷嘴使高内含物空泡流以60-100m/s的速度冲击置于第二流体介质中的金属工件的上表面，高内含物空泡流趋近金属工件的上表面，实现氘氘热核聚变，得到氚和快中子，其中，第二流体介质含有氘，快中子在第二流体介质中慢化并得到热中子，热中子与6LiD反应生成额外的氚。利用该方法可以实现氘氘热核聚变，可以安全、简便并且低成本地制备氚。

Description

制备氚的方法、装置和系统
技术领域
本发明涉及摩擦学与核物理学领域，具体地，涉及制备氚的方法、装置和系统。
背景技术
氚的半衰期为12.3年，地球上大约只有2公斤的天然氚，其中10克存于大气中，13克存于地下水中，其余部分存海水中，氚不仅用于军事目的，而且也广泛应用于民用领域。
目前氚的生产主要依赖于核裂变反应堆的核反应，通过反应堆产生的中子辐照Li的方法，或者通过在回旋加速器中轰击Be靶的方法获得氚。这些方法存在的主要问题有：①建设费用昂贵，新建一个重水产氚堆或高温气冷堆大约需要55亿美元；②环境安全问题，利用反应堆产氚不仅有反应堆的安全问题，而且还涉及到氚的安全问题；③核不扩散的问题，产氚堆多数使用武器级的高浓铀作为燃料，为降低核扩散风险，一些国家采用低浓铀作燃料的重水堆来生产氚，其结果是成本提高，生产能力下降。目前一个大规模企业氚的年产量大约为1kg，而1kg氚的价格大约为3亿美元。
因此，安全地、低成本地制备氚的方法有待于进一步研究。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种安全地、低成本地制备氚的方法，该方法基于界面约束获取氚的理论，以重水中空泡坍缩实现热核聚变为基础，通过氘氘热核反应生成氚，以及以热中子轰击6Li，实现氚增殖，获得大量的氚。
需要说明的是，本发明是基于发明人的下列工作而完成的：
发明人首次基于界面约束获取氚的方法，以重水中空泡坍缩实现热核聚变为理论基础，通过氘氘热核反应生成氚，以及以热中子轰击6Li，实现氚增殖，从而制备大量的氚。该制备氚的方法通过在重水中构造一个始终增强的压力环境，保证空泡在该压力环境中进入坍缩状态，即空泡中心形成极高温与极高压，在该条件下，中子发射的同时生成氚，同时，在重水中添加6LiD，实现氚增殖。
其中，实现热核聚变的关键在于，用空泡界面约束了空泡内部的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，为聚变持续进行以及氚持续生成奠定了基础。而空泡内的高温等离子体是通过以下两个压缩阶段得到：
第一压缩阶段：空泡经液汽界面经历充分传质过程后，以高速趋近金属工件的表面，在空泡与金属工件之间会形成随间距缩小而增强的压力场，形成第一压缩过程。这个过程属于由水蒸气向氘燃料的压缩过程，在持续增长的高压力梯度下，空泡内物质将逐步进入低温等离子体状态。
第二压缩阶段：该阶段主要依靠双电层静电力，为空泡提供趋近壁面的速度与加速度，双电层提供了随距离缩短而增强的高于107v/m的极高电场强度，当空泡进入双电层控制范围后，会形成空泡向金属工件表面运动的速度与加速度。随着空泡与壁面之间的距离逐渐缩小，空泡趋近金属工件表面的速度以及空泡与表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，形成第二压缩过程，在该过程中，空泡的体积急剧缩小，空泡内物质将进入高温等离子体状态。
高温等离子体状态的物质，通过引力坍缩，实现氘氘聚变。具体地，物质进入高温等离子体状态后，电子不再围绕原子核旋转，气体原子全部电离，空泡内物质占有越来越小的空间，此时空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，电子进入简并态，空泡内的高压主要由电子简并压与引力承担。如果空泡内物质含量能保证引力高于电子简并压，就会导致空泡继续坍缩，同时温度急剧升高，达到氘氘聚变量子隧穿的基本要求。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，这个过程属于不可逆转的引力坍缩过程。
引力坍缩过程，氘氘聚变的核反应式如下：
D+D→3He(0.82MeV)+n(2.45MeV)
D+D→T(1.01MeV)+p(3.03Mev)
依据上述核反应式，氘氘聚变生成3He和T(氚)具有相同的概率。
如果在反应介质中添加Li元素的同位素6Li，则上述反应式中生成的n(中子)会与6Li继续反应，生成T(氚)和4He，实现氚增殖，该反应的方程式如下：
6Li+n→4He+T+4.8MeV
本发明通过上述核聚变反应制备氚，反应的原料价格便宜，所采用的装置设备简单，并且无需反应堆进行产氚，安全性高，大大降低了核扩散的风险。此外，核聚变的方法能否安全实现取决于聚变过程是否完全可控。本发明通过对介质流速、界面传质效率、可变电极电位工件的控制，即可实现对聚变反应剧烈程度控制，反应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。
因而，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种制备氚的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将第一流体介质通过柱塞泵进行压缩，以便形成射流，其中，所述第一流体介质包含至少2mmol/L的6LiD；利用空化盘对所述射流进行空化处理，以便形成含有空泡的空泡流；在存在超声波的条件下，使所述空泡流通过迷宫式通道，以便进行液汽界面传质处理，从而得到高内含物空泡流；利用喷嘴使所述高内含物空泡流以60-100m/s的速度冲击置于第二流体介质中的金属工件的上表面，所述高内含物空泡流趋近所述金属工件的上表面，实现氘氘热核聚变，以便得到氚和快中子，其中，所述第二流体介质含有氘，所述快中子在所述第二流体介质中发生慢化并得到热中子，所述热中子与所述6LiD反应生成额外的氚。
发明人惊奇的发现，利用本发明的方法，仅以价格便宜反应的原料和结构简单的设备即可制备氚，无需反应堆进行产氚，安全性高，大大降低了核扩散的风险。并且，只需通过对介质流速、界面传质效率和可变电极电位工件的控制，即可实现对聚变反应剧烈程度控制，反应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。
根据本发明的又一方面，本发明提供了一种制备氚的系统。根据本发明的实施例，该系统包括：柱塞泵，所述柱塞泵用于将第一流体介质进行压缩，以便形成射流，其中，所述第一流体介质包含至少2mmol/L的6LiD；空化单元，所述空化单元与所述柱塞泵相连，所述空化单元利用空化盘对所述射流进行空化处理，以便形成含有空泡的空泡流；传质单元，所述传质单元与所述空化单元相连，在存在超声波的条件下，使所述空泡流通过迷宫式通道，以便进行液汽界面传质处理，从而得到高内含物空泡流；以及反应单元，所述反应单元与所述传质单元和所述柱塞泵相连，利用喷嘴使所述高内含物空泡流以60-100m/s的速度冲击置于第二流体介质中的金属工件的上表面，所述高内含物空泡流趋近所述金属工件的上表面，实现氘氘热核聚变，以便得到氚和快中子，其中，所述第二流体介质含有氘，所述快中子在所述第二流体介质中发生慢化并得到热中子，所述热中子与所述6LiD反应生成额外的氚。
利用本发明实施例的制备氚的系统，仅以价格便宜反应的原料和结构简单的设备即可制备氚，无需反应堆进行产氚，安全性显著提高，大大降低了核扩散的风险。并且，只需通过对介质流速、界面传质效率和可变电极电位工件的控制，即可实现对聚变反应剧烈程度控制，反应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。
根据本发明的再一方面，本发明提供了一种制备氚的装置。根据本发明的实施例，该装置包括：传质组件和反应组件。其中，所述传质组件包括：第一壳体，所述第一壳体内限定出传质空间；进口，所述进口设置在所述第一壳体的侧壁上，用于使第一流体介质进入所述传质组件；空化盘，所述空化盘设置在所述第一壳体的侧壁上，与所述进口相连，用于使所述第一流体介质进行空化处理，形成空泡，以便得到空泡流；超声单元，所述超声单元设置在所述传质空间中，用于形成超声场，进行液汽界面传质处理，以便得到高内含物空泡流；第一出口，所述第一出口设置在所述第一壳体的侧壁上，用于将所述高内含物空泡流输出所述传质空间。所述反应组件包括：第二壳体，所述第二壳体内限定出反应空间；金属工件，所述金属工件设置在所述反应空间中，并且所述金属工件置于第二流体介质中，并且适于在所述第二流体介质中产生双电层；喷嘴，所述喷嘴设置在所述金属工件的上方，并且与所述第一出口相连，用于向所述金属工件的上表面喷射所述高内含物空泡流，在双电层的作用范围内，形成部分所述空泡的内容物为高温等离子体的空泡流，所述部分所述空泡的内容物为高温等离子体的空泡流趋近所述金属工件的表面，实现氘氘热核聚变，以便获得含氚的流体介质。
利用本发明的制备氚的装置，仅以价格便宜反应的原料和结构简单的设备即可制备氚，无需反应堆进行产氚，安全性高，大大降低了核扩散的风险。并且，只需通过对介质流速、界面传质效率和可变电极电位工件的控制，即可实现对聚变反应剧烈程度控制，反应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。
需要说明的是，本发明的基于界面约束获取氚的方法是一个与材料电极电位、局部负压与空泡喷射流形成、喷嘴与工件间距离、空泡流出口速度与压力、工件表面粗糙度、流体介质中表面活性剂含量、界面传质、中子慢化过程等因素密切相关的多参数复杂过程，这些参数之间存在着相互依赖而又相互制约的关系，利用本发明的方法和装置，通过相应的设备与工艺参数相结合，作为一个整体的技术方案，从而，实现安全、可控、低成本地制备氚。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明一个实施例的制备氚的方法的流程示意图；
图2显示了根据本发明一个实施例的制备氚的系统的结构示意图，其中，箭头的方向代表系统中液态流动的方向；
图3显示了根据本发明一个实施例的制备氚的装置的结构示意图，其中，箭头的方向代表装置中液态流动的方向；
图4显示了根据本发明一个实施例的制备氚的装置的结构示意图；
图5显示了根据本发明一个实施例的空化盘的主视图；以及
图6显示了根据本发明一个实施例的迷宫式管道的立体结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种制备氚的方法。下面参照图1，根据本发明的实施例，该方法包括：
S100：形成射流
将第一流体介质通过柱塞泵进行压缩，以便形成射流，其中，所述第一流体介质包含至少2mmol/L的6LiD。由此，利用柱塞泵提供高压、高速重水射流，并通过射流的速度和压力控制高内含物空泡流从喷嘴喷出的速度，优选地，所述射流的压力为10-15个大气压，从而保证所述高内含物空泡流在所述喷嘴的出口的压力为5-10Bar，速度为至少60m/s。
此外，根据本发明的实施例，第一流体介质的种类不受特别的限制，只要含有氘，能实现氘氘热核聚变即可，优选地，所述第一流体介质为重水，由此，为氘氘热核聚变提供充足的氘的来源。
S200:空化处理
利用空化盘对所述射流进行空化处理，以便形成含有空泡的空泡流。由此，为液汽界面传质处理提供大量的空泡。
S300：液汽界面传质处理
在存在超声波的条件下，使所述空泡流通过迷宫式通道，以便进行液汽界面传质处理，从而得到高内含物空泡流。
本发明中所用术语“液汽界面传质”是指在液汽界面传质过程中，表面张力与温度、物质组分浓度相关，在超声驻波场作用下，微空泡表面不同区域的温度与物质组分浓度出现差异，产生表面张力梯度，引起使得表面层内液体以及界面下液体发生运动的Marangoni效应，使表面发生湍动，其结果是液汽界面的传质途径有原来的分子间传递发展为微通道传递，大大加快了传质速度，使部分第一流体介质进入以水蒸气为主体的空泡内，使空泡内物质组分浓度迅速增长，得到高内含物空泡，空泡的内含物越多，在该空泡内含物进入高温等离子体状态后，空泡内的温度越高，从而达到氘氘热核聚变所需的5000万度以上的极高温度。进而，本发明利用迷宫式通道延长空泡流的行程，从而延长传质时间，保证可以使空泡流充分进行传质处理，以便使高温等离子体达到氘氘热核聚变所需的温度。
S400：核聚变反应
利用喷嘴使所述高内含物空泡流以60-100m/s的速度冲击置于第二流体介质中的金属工件的上表面，所述高内含物空泡流趋近所述金属工件的上表面，实现氘氘热核聚变，以便得到氚和快中子，其中，所述第二流体介质含有氘，所述快中子在所述第二流体介质中发生慢化并得到热中子，所述热中子与所述6LiD反应生成额外的氚。由此，仅以价格便宜反应的原料和结构简单的设备即可制备氚，无需反应堆进行产氚，安全性高，大大降低了核扩散的风险。
具体的，该核聚变反应可以分以下几个阶段：
(1)所述高内含物空泡在近距离以高速趋近所述金属工件的上表面，并在与所述金属工件的上表面共同形成的压力场中被压缩，空泡内物质进入低温等离子体状态；
(2)在所述金属工件与第二流体介质形成的双电层力作用下，空泡获得趋近所述金属工件的上表面的加速度，再次被压缩，所述高内含物空泡内的物质进入高温等离子体状态；
(3)内含高温等离子体的空泡中心产生极高温后将有粒子发射，破坏了电子简并压与引力之间的关系，空泡将进入坍缩状态，直至中心温度满足氘氘聚变量子隧穿条件，此时空泡进入热核聚变状态，产生氚；
(4)核聚变反应过程在第二流体介质中进行，生成的中子在第二流体介质中可以被慢化为热中子，通过热中子与6Li反应，实现氚增殖。
上述制备氚的方法表明，本发明的核聚变反应是基于空泡的界面约束进行的，其中，所述界面约束是指通过液汽界面的特殊结构与性质，通过对液汽界面变化过程的控制，使得微空泡在变化的压力环境下，能始终保持球对称的一种约束方法。本发明基于界面约束获取氚的方法的特征在于，利用空泡的界面特性与流场特性，构造持续增强的外部压力环境，促使空泡内物质状态实现由低温等离子体向高温等离子体演变，最终通过引力坍缩过程，使空泡中心产生并保持极高温与极高压，满足氘氘聚变量子隧穿条件。
其中，需要说明的是，量子隧穿效应(Quantum tunnelling effect)是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍有可能能穿越这一势垒。根据经典理论，粒子为脱离一定能量的势垒，必须具有高于该势垒的能量。但在量子力学中，时间和能量是一组共轭量，造成了的量子的不确定性，在很短的时间中(即时间确定)，能量可以不确定，从而使得粒子脱离势垒的过程看起来像是从“隧道”中穿过了势垒，在物理学中将这一过程称为“量子隧道穿越”，描述这一过程的理论为量子隧道效应理论。例如，两个氘原子之间的势垒能量大约是200keV，相当于20亿度的环境高温，而实际上在5keV时就有可能有中子发射，表明氘氘聚变已经发生，但其发生的概率(反应截面)远低于200keV的能量条件。
基于上述制备氚的方法，本发明提供了一种制备氚的系统。下面结合图2对该系统进行说明，该系统1000可以包括：柱塞泵100、空化单元200、传质单元300和反应单元400。
柱塞泵100，所述柱塞泵100用于将第一流体介质进行压缩，以便形成射流，其中，所述第一流体介质包含至少2mmol/L的6LiD。由此，利用柱塞泵100提供高压、高速重水射流，并通过射流的速度和压力控制高内含物空泡流从喷嘴喷出的速度，优选地，所述射流的压力为10-15个大气压，从而保证所述高内含物空泡流在所述喷嘴的出口的压力为5-10Bar，速度为至少60m/s。
空化单元200，所述空化单元200与所述柱塞泵100相连，所述空化单元200利用空化盘对所述射流进行空化处理，以便形成含有空泡的空泡流。由此，为液汽界面传质处理提供大量的空泡。
传质单元300，所述传质单元300与所述空化单元200相连，在存在超声波的条件下，使所述空泡流通过迷宫式通道，以便进行液汽界面传质处理，从而得到高内含物空泡流。由于空泡的内含物越多，在该空泡内含物进入高温等离子体状态后，空泡内的温度越高，从而达到氘氘热核聚变所需的5000万度以上的极高温度。根据本发明的一些实施例，可以进一步利用迷宫式通道延长空泡流在传质单元内的行程，从而延长传质时间，保证可以使空泡流充分进行传质处理，以便使高温等离子体达到氘氘热核聚变所需的温度。
反应单元400，所述反应单元400与所述传质单元300和所述柱塞泵100相连，利用喷嘴使所述高内含物空泡流以60-100m/s的速度冲击置于第二流体介质中的金属工件的上表面，所述高内含物空泡流趋近所述金属工件的上表面，实现氘氘热核聚变，以便得到氚和快中子，其中，所述第二流体介质含有氘，所述快中子在所述第二流体介质中发生慢化并得到热中子，所述热中子与所述6LiD反应生成额外的氚。由此，仅以价格便宜反应的原料和结构简单的设备即可制备氚，无需反应堆进行产氚，安全性高，大大降低了核扩散的风险。
根据本发明的具体实施例，利用本发明的系统，仅以价格便宜反应的原料和结构简单的设备即可制备氚，无需反应堆进行产氚，安全性显著提高，大大降低了核扩散的风险。并且，只需通过对介质流速、界面传质效率和可变电极电位工件的控制，即可实现对聚变反应剧烈程度控制，反应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。
根据本发明的上述方法和系统，进一步提出了一种制备氚的装置。下面结合图3和图4对该装置1100进行详细说明：
该装置1100包括：传质组件500和反应组件600。
其中，所述传质组件500包括：
第一壳体570，所述第一壳体570内限定出传质空间。
进口510，所述进口510设置在所述第一壳体570的侧壁上，用于使第一流体介质进入所述传质组件500。
空化盘580，所述空化盘580设置在所述第一壳体570的侧壁上，与所述进口510相连，用于使所述第一流体介质进行空化处理，形成空泡，以便得到空泡流。由此，为液汽界面传质处理提供大量的空泡。
根据本发明的一些具体实施例，参考图5，所述空化盘为如下的一种装置：该装置可以包括：底板582和多个通孔581，所述多个通孔581平均分布在所述底板582上。具体的，所述底板582可以是直径D2为20毫米，厚度为3毫米的圆板，并且所述圆板上平均分布有97个通孔581，所述通孔581可以具有直径D1为1毫米的圆形横截面，进一步的，相邻两个所述通孔的圆心距离a可以为1.6mm。根据本发明的具体实施例，所述空化盘的初始空化数为1.0。由此，空化效果好。根据本发明的一些实施例，所述空化盘的材料为304不锈钢。第一流体通过上述空化盘，进行空化处理，可以得到含有大量空泡的空泡流，其中，第一流体优选为重水，从而，为氘氘热核聚变提供充足的氘的来源。
超声单元530，所述超声单元530设置在所述传质空间中，用于形成超声场，进行液汽界面传质处理，以便得到高内含物空泡流。
根据本发明的具体实施例，所述传质空间可以进一步包括：隔板，所述隔板将所述传质空间分割为上部流体介质区和下部超声发生区；迷宫式通道520，所述迷宫式通道520设置在所述上部流体介质区中，根据本发明的一些实施例，所述迷宫式通道如图6所示，是由平行设置的多个金属隔板521形成的，且所述金属隔板不与所述第一壳体的侧壁相连，在所述金属隔板521的上部可以进一步设置加强筋522，对金属隔板进行更牢固地固定。需要说明的是，所述金属隔板不与所述第一壳体的侧壁相连，是为了减轻超声发射器超声所引起的第一壳体的震动，并进一步保证喷嘴和金属工件之间的距离不变。根据本发明的具体实施例，所述多个金属隔板呈交错状，由此，增加第一流体介质在迷宫式通道中的行程。所述第一流体介质在所述迷宫式通道的行程可以为至少400mm，从而有利于充分进行传质处理，其中，所述行程为所述第一流体介质在所述迷宫式通道的最长行程。超声发生器，所述超声发生器设置在所述下部超声发生区中。根据本发明的一些实施例，所述超声发射器可以包括多个超声振子，所述多个超声振子平均分布在所述超声发生区中，为上部流体介质区提供超声场。所述超声振子的振动频率不受特别的限制，优选地，所述超声振子的振动频率为15-32kHz，功率为50-100w。由此，利用上述超声发射器，可以使空泡膨胀，产生界面湍动，在空泡壁面构造界面梯度，形成Marangoni效应，提高界面传质效率，增加空泡内物质含量。
第一出口560，所述第一出口560设置在所述第一壳体570的侧壁上，用于将所述高内含物空泡流输出所述传质空间。根据本发明的具体实施例，沿流体运动方向，所述第一出口560的截面积逐渐减小。由此，高内含物空泡进入第一出口560的管道后将首次被压缩，并在出口压力推动下，高内含物空泡作趋近金属工件上表面的运动。
该装置的所述反应组件600包括：
第二壳体610，所述第二壳体610内限定出反应空间。
金属工件630，所述金属工件630设置在所述反应空间中，并且所述金属工件630置于第二流体介质中，并且适于在所述第二流体介质中产生双电层。
其中，所述第二流体介质的种类不受特别的限制，只要含有氘即可，优选地，所述第二流体介质优选为重水，进一步优选地，可以包含：阴离子表面活性剂。利用阴离子表面活性剂可以降低空泡与空泡之间，以及空泡与壁面之间的干涉，保持空泡的几何对称性，防止空泡在坍缩前溃灭。其中，阴离子表面活性剂的种类不受特别的限制，优选地，所述阴离子表面活性剂选自十二烷基硫酸钠和十二烷基磺酸钠的至少之一，阴离子表面活性剂分子的非极性端位于气相，极性端位于液相。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Zeta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，根据本发明的优选实施例，所述阴离子表面活性剂的浓度为1.5-2.0mmol/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
喷嘴620，所述喷嘴620设置在所述金属工件630的上方，并且与所述第一出口560相连，用于向所述金属工件630的上表面喷射所述高内含物空泡流，在双电层的作用范围内，形成部分所述空泡的内容物为高温等离子体的空泡流，所述部分所述空泡的内容物为高温等离子体的空泡流趋近所述金属工件630的表面，实现氘氘热核聚变，以便获得含氚的流体介质。
其中，需要说明的是，所述高内含物空泡流由喷嘴喷出，与金属工件630的上表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由金属工件形成的双电层控制范围，必须控制空泡流到达金属工件上表面时的速度，当空泡流出口速度≥60m/s，出口压力5-20Bar时，要求喷嘴620与金属工件630之间的距离为10-20mm，以保证空泡流到达金属工件630上表面时的速度不低于50m/s。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。根据本发明的优选实施例，喷嘴620与金属工件630之间的距离可以通过调节装置540进行调节，所述调节装置540设置在所述第一壳体570的底部，由此，可以简便、准确地控制喷嘴620与金属工件630之间的距离。
另外，由于空泡由分散介质组成，空化产生的空泡在重水中的Zeta电位约-30mV--50mV，优选地，为-40mV，进而，要求金属工件材料在重水中的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，在双电层控制范围内的电场强度高于107v/m。当空泡进入双电层控制范围后，在电场的作用下，空泡与金属工件之间会产生相互吸引的强大的静电力，形成空泡向表面运动的速度与加速度。随着空泡与金属工件上表面之间的距离逐渐缩小，静电力将依指数律增长，空泡趋近上表面的速度以及空泡与上表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。
根据本发明的具体实施例，所述金属工件630的材料为镁锰合金。由此，金属工件可以在第二流体介质中具有极低的电极点位，优选地，采用饱和甘汞作为参比电极时，所述金属工件630的电位低于-1200mV。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，成为阻碍空泡趋近金属工件630上表面的障碍，为尽可能减少表面气核的影响，根据本发明的一些实施例，所述金属工件630的表面的粗糙度Ra为至多0.1μm。
高内含物空泡流进入双电层控制范围后，空泡内物质进入高温等离子体状态，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中子与氚，其化学反应方程式如下：
D+D→3He(0.82MeV)+n(2.45MeV)
D+D→T(1.01MeV)+p(3.03Mev)
根据本发明的具体实施例，所述第一流体介质为重水，由此，为氘氘热核聚变提供充足的含氘反应物。进一步地，为提高氚产量，根据本发明的一些实施例，所述第一流体介质进一步包含：6LiD。从而，6LiD在重水中解离后形成6Li离子与氘(D)离子，进入空泡内部，参与核反应，由n(中子)与6Li继续反应，生成T(氚)和4He的方程式如下：
6Li+n→4He+T+4.8MeV
根据本发明的一些实施例，第一流体介质中所述6LiD的浓度不受特别的限制，只要能进行核聚变反应即可，优选的，所述6LiD的浓度为至少2mmol/L。由于只有热中子才有可能与6Li反应实现氚增殖，需要将氘氘热核聚变生成的快中子进行慢化处理，有效的途径是重水慢化。为实现快中子向热中子的转化，根据本发明的具体实施例，所述第二流体介质液面至少在所述喷嘴之上，由此，通过第二流体介质慢化实现转化过程。根据本发明的一些实施例，所述喷嘴各方向的所述第二流体介质的厚度均为至少100mm。由此，进一步提高慢化效果，进而，提高氚的产量。
根据本发明的一些实施例，所述装置可以进一步：第二出口640和泵550，其中，所述第二出口640设置在所述第二壳体610的侧壁，用于排出所述含氚的流体介质；所述泵550分别与所述第二出口640和所述进口510相连，用于使所述第一流体介质形成射流，并通过射流的速度和压力控制高内含物空泡流从喷嘴喷出的速度，优选地，所述射流的压力为10-15个大气压，从而保证所述高内含物空泡流在所述喷嘴的出口的压力为5-10Bar，速度为至少60m/s。同时，所述泵还可以将排出的所述含氚的流体介质形成射流，重新进入所述装置，反复循环进行核聚变反应，由此，通过少量的原料即可获得大量的氚，提高原料利用率，节约成本。
本发明提供的基于界面约束实现氘氘热核聚变的方法利用空泡的界面特性与流场特性，构造持续增强的外部压力环境，促使空泡内物质状态实现由低温等离子体向高温等离子体演变，最终通过引力坍缩过程，使空泡中心产生并保持极高温与极高压，满足氘氘聚变量子隧穿条件，实现氚和中子的发射。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。
下面参考具体实施例，对本发明进行说明，需要说明的是，这些实施例仅仅是说明性的，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
利用图4所述的装置，以含有3mmol/l 6LiD的重水为第一流体介质，含有1.8mmol/L的十二烷基硫酸钠的重水为第二流体介质制备氚，其中，第二流体介质在反应组件600中的水位高度如图3水位线A所示，具体制备过程如下：
(1)将含有3mmol/l 6LiD的重水，由柱塞泵550提供高压、高速重水射流，且射流的压力在10-15个大气压范围内。
(2)重水射流通过进口510进入装置，经空化盘580处理后生成微空泡，形成空泡流，进入大容积的传质空间中，隔板将传质空间分割为上部流体介质区和下部超声发生区，空泡流在上部流体介质区流动，其中，流体介质区设置有迷宫式通道，空泡流在迷宫式通道中绕行流动，而下部的超声发生区由多枚超声振子形成超声场，使空泡流进行液汽界面传质，提高空泡内物质含量。
(4)传质后的空泡流由出口560排出，通过喷嘴620喷射到工件630的上表面，其中，工件630的表面的粗糙度Ra为0.05μm，喷嘴与工件630的上表面的距离为15mm，空泡流在所述喷嘴的出口的压力为6-8Bar，速度为80m/s左右，传质后的空泡流以高速趋近工件630的上表面，并在与该上表面共同形成的压力场中被压缩，空泡内物质转化为低温等离子体状态；
(5)在工件630与第二流体介质形成的双电层力作用下，上述含有低温等离子体的空泡获得趋近工件630上表面的加速度，再次被压缩，空泡内物质的状态由低温等离子体转化为高温等离子体，并在空泡中心产生极高温，从而引发粒子发射，破坏了电子简并压与引力之间的关系，空泡将进入坍缩状态，直至中心温度满足氘氘聚变量子隧穿条件，此时空泡进入热核聚变状态，产生氚和快中子，快中子在第二流体介质中被慢化为热中子，通过热中子与6Li反应，实现氚增殖，制备大量的氚。
(6)反应后的液体由出口640排出后，输送给柱塞泵550，再由柱塞泵550输送进入装置，反复循环制备氚。
(7)待制备充足的所需的氚后，只需关闭柱塞泵550的电源，即可停止反应。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种制备氚的方法，其特征在于，包括：
将第一流体介质通过柱塞泵进行压缩，以便形成射流，其中，所述第一流体介质包含至少2mmol/L的6LiD；
利用空化盘对所述射流进行空化处理，以便形成含有空泡的空泡流；
使所述空泡流通过迷宫式通道，在超声场作用下，实现液汽界面传质处理，从而得到高内含物空泡流；以及
利用喷嘴使所述高内含物空泡流以60-100m/s的速度冲击置于第二流体介质中的金属工件的上表面，所述高内含物空泡流趋近所述金属工件的上表面，实现氘氘热核聚变，以便得到氚和快中子，其中，所述第二流体介质含有氘，所述快中子在所述第二流体介质中发生慢化并得到热中子，所述热中子与所述6LiD反应生成额外的氚，
任选地，所述第一流体介质和所述第二流体介质均为重水，
任选地，所述高内含物空泡流在所述喷嘴的出口的压力为5-10Bar，速度为至少60m/s，
任选地，所述喷嘴的出口与所述金属工件的上表面的距离为10-20mm，
任选地，所述高内含物空泡流到达所述金属工件的上表面的速度为至少50m/s，
任选地，所述空泡的Zeta电位为-30mV--50mV，优选地，为-40mV，
任选地，所述金属工件的材料为镁锰合金，
任选地，采用饱和甘汞作为参比电极时，所述金属工件的电位低于-1200mV，
任选地，所述双电层的电场强度为至少107V/m，
任选地，所述金属工件的表面的粗糙度Ra为至多0.1μm。
2.一种制备氚的系统，其特征在于，包括：
柱塞泵，所述柱塞泵用于将第一流体介质进行压缩，以便形成射流，其中，所述第一流体介质包含至少2mmol/L的6LiD；
空化单元，所述空化单元与所述柱塞泵相连，所述空化单元利用空化盘对所述射流进行空化处理，以便形成含有空泡的空泡流；
传质单元，所述传质单元与所述空化单元相连，在存在超声波的条件下，使所述空泡流通过迷宫式通道，以便进行液汽界面传质处理，从而得到高内含物空泡流；以及
反应单元，所述反应单元与所述传质单元和所述柱塞泵相连，利用喷嘴使所述高内含物空泡流以60-100m/s的速度冲击置于第二流体介质中的金属工件的上表面，所述高内含物空泡流趋近所述金属工件的上表面，实现氘氘热核聚变，以便得到氚和快中子，其中，所述第二流体介质含有氘，所述快中子在所述第二流体介质中发生慢化并得到热中子，所述热中子与所述6LiD反应生成额外的氚。
3.一种制备氚的装置，其特征在于，包括：
传质组件，所述传质组件包括：
第一壳体，所述第一壳体内限定出传质空间；
进口，所述进口设置在所述第一壳体的侧壁上，用于使第一流体介质进入所述传质组件；
空化盘，所述空化盘设置在所述第一壳体的侧壁上，与所述进口相连，用于使所述第一流体介质进行空化处理，形成空泡，以便得到空泡流；
超声单元，所述超声单元设置在所述传质空间中，用于形成超声场，进行液汽界面传质处理，以便得到高内含物空泡流；
第一出口，所述第一出口设置在所述第一壳体的侧壁上，用于将所述高内含物空泡流输出所述传质空间，
反应组件，所述反应组件包括：
第二壳体，所述第二壳体内限定出反应空间；
金属工件，所述金属工件设置在所述反应空间中，并且所述金属工件置于第二流体介质中，并且适于在所述第二流体介质中产生双电层；
喷嘴，所述喷嘴设置在所述金属工件的上方，并且与所述第一出口相连，用于向所述金属工件的上表面喷射所述高内含物空泡流，在双电层的作用范围内，形成部分所述空泡的内容物为高温等离子体的空泡流，所述部分所述空泡的内容物为高温等离子体的空泡流趋近所述金属工件的表面，实现氘氘热核聚变，以便获得含氚的流体介质。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，进一步包括：
第二出口，所述第二出口设置在所述第二壳体的侧壁，用于排出所述含氚的流体介质；
泵，所述泵分别与所述第二出口和所述进口相连，用于使所述第一流体介质形成射流；和
调节装置，所述调节装置设置在所述第一壳体的底部，用于调节所述喷嘴与所述工件之间的距离，
任选地，所述射流的压力为10-15个大气压，
任选地，所述空化盘包括：
底板，和
多个通孔，所述多个通孔平均分布在所述底板上，
任选地，所述底板为直径20毫米的圆板，并且所述圆板上平均分布有97个通孔，所述通孔具有直径为1毫米的圆形横截面，
任选地，相邻两个所述通孔的圆心距离为1.6mm。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一流体介质和所述第二流体介质均为重水，
任选地，所述第一流体介质进一步包含：6LiD，
任选地，所述6LiD的浓度为至少2mmol/L，
任选地，所述第二流体介质进一步包含：阴离子表面活性剂，
任选地，所述阴离子表面活性剂选自十二烷基硫酸钠和十二烷基磺酸钠的至少之一，
任选地，所述阴离子表面活性剂的浓度为1.5-2.0mmol/L。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述空化盘的初始空化数为1.0，
任选地，所述空泡的Zeta电位为-30mV--50mV，优选地，为-40mV。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述传质空间进一步包括：
隔板，所述隔板将所述传质空间分割为上部流体介质区和下部超声发生区；
迷宫式通道，所述迷宫式通道设置在所述上部流体介质区中；以及
超声发生器，所述超声发生器设置在所述下部超声发生区中，
任选地，所述超声发射器包括多个超声振子，所述多个超声振子平均分布在所述超声发生区中，
任选地，所述超声振子的振动频率为15-32kHz，功率为50-100w，
任选地，所述迷宫式通道是由平行设置的多个金属隔板形成的，且所述金属隔板不与所述第一壳体的侧壁相连，
任选地，所述多个金属隔板呈交错状，
任选地，所述第一流体介质在所述迷宫式通道的行程为至少400mm。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，沿流体运动方向，所述第一出口的截面积逐渐减小。
9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述金属工件的材料为镁锰合金，
任选地，所述金属工件的表面的粗糙度Ra为至多0.1μm，
任选地，采用饱和甘汞作为参比电极时，所述金属工件的电位低于-1200mV。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高内含物空泡流在所述喷嘴的出口的压力为5-10Bar，速度为至少60m/s，
任选地，所述喷嘴与所述金属工件的上表面的距离为10-20mm，
任选地，所述传质后的空泡流到达所述金属工件的上表面的速度为至少50m/s，
任选地，所述喷嘴各方向的所述第二流体介质的厚度均为至少100mm，
任选地，所述双电层的作用范围的电场强度为至少107V/m。
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