CN105609145B - 一种加速器驱动的质子硼聚变核能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种加速器驱动的质子硼聚变核能装置，该装置主要由加速器系统、硼靶和能量转换系统组成。利用加速器将质子的能量加速到足够发生质子硼聚变反应需要的能量阈值，高能质子轰击硼靶并发生质子硼反应，最后由能量转换系统将能量带出。与现有常规磁约束氘氚聚变反应装置相比，本发明的质子硼聚变核能装置，一方面能够避免高能中子的产生，有效排除中子对结构材料的辐照损伤，以及降低对生物屏蔽和遥操安全性的要求；另一方面能够利用现有成熟的质子加速器技术，加速聚变能的实现。

Description

一种加速器驱动的质子硼聚变核能装置
技术领域
本发明属于核聚变能技术应用领域，主要涉及加速器技术与高能粒子聚变反应，具体为一种使用加速器驱动产生高能质子轰击硼靶发生聚变反应并从中获得核能的装置。
背景技术
随着社会不断进步，全世界对于能源的需求越来越大。传统化石能源推动了社会的发展，但也给环境带来了巨大的污染。为了应对能源危机和环境污染问题，无碳排放的核能(包含核裂变能与核聚变能)越来越受到人们的关注。但是核裂变能在发展过程中存在着不容忽视的问题，如高放射性废料处理、燃料短缺的问题。为了解决这些问题，核聚变能——几乎不产生高放射性核废料以及燃料充足的能源，提供了非常高竞争力的解决方法。
核聚变是由两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出能量的过程。聚变三重积是衡量聚变反应发生的指标，由温度、密度和等离子体约束时间的乘积，当它达到1022keVm-3s量级时，聚变反应输出的功率等于驱动聚变反应而输入的功率；只有当超过这一基本值，聚变反应才能自持进行。由于三重积的苛刻要求，受控核聚变的实现极其艰难。受控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。惯性约束是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。磁约束是利用强大磁场约束住带电粒子，构造一个特殊的磁容器，让氘离子和氚离子在磁场所约束的空间内运动并碰撞，进而增大氘氚聚变反应的概率。在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。
目前研究最多的聚变反应氘氚聚变反应(D+T→He+n+17.6MeV)，主要是因为其反应要求相对较低。但是氘氚聚变反应产生高达14.1MeV的中子，这些高能中子对反应堆内组件造成非常大的辐照损伤，降低了聚变堆材料的使用寿命，并且由于中子的辐照效应，增加了装置维修操作的难度。为保护工作人员的安全，又必须安装中子屏蔽层和其他辐射安全设施，使得整个装置体积和成本大大增加。
因此，一部分研究人员将注意力转向那些不产生中子的聚变反应，比如质子硼反应(p+11B→3He+8.7MeV)。这种无中子的聚变反应能够解决高能中子辐照引起的材料损伤、活化问题，以及降低生物屏蔽、遥操和反应堆安全要求。此外，质子硼聚变反应在核反应燃料上资源充分，获取容易——硼在自然界中含量相当丰富，总量约占地壳组成的0.001％。天然硼有两种稳定的同位素，分别为11B(自然界丰度为80.22％)和10B(自然界丰度为19.78％)。质子硼聚变反应最早在上世纪60年代提出，但是由于实现聚变反应所需要的条件非常苛刻，因为一直都未能彻底实现聚变能的应用。不过，近60年来聚变科学技术及工程技术不断的发展，比如聚变等离子体科学、高能质子加速器技术、高散热靶技术取得了长足进步，已经逐渐接近了质子硼聚变所需要的反应条件，为质子硼聚变反应实现聚变能的应用奠定基础。
近十年来，中国专利号200780007065.7的专利文件中报道了利用磁约束，具体为场反位形约束(FRC：Field-Reversed Configuration)来实现质子硼聚变反应的方案；在国内外公开发表的论文刊物中，“Fusion reactions initiated by laser-acceleratedparticle beams in a laser-produced plasma,Nature Communication,2013”报道了利用激光驱动质子硼聚变反应的实验，具体为利用两束激光，其中一束脉冲宽度为皮秒量级的激光轰击铝箔产生质子，另一束脉冲宽度为纳秒量级的激光轰击硼靶产生硼等离子体，然后质子与硼等离子碰撞发生质子硼聚变反应的方案。
上述公开报道的技术方案——采用磁约束聚变形式或激光驱动形式的质子硼聚变反应，与本发明申请的加速器驱动的质子硼聚变核能装置有明显不同。
发明内容
本发明的目的是提供一种加速器驱动质子硼聚变核能装置。该装置包括加速器系统、硼靶和能量转换系统。其中，所述加速器系统由离子源和加速管组成；所述的硼靶的主要成分为硼的同位素；所述的能量转换系统由X射线捕集器、抽气装置、电源输出端、热能交换器、氦水分离器、循环泵和冷却水喷淋装置组成。
本发明所采用的技术方案是：利用加速器将质子的能量加速到足够发生质子硼聚变反应需要的能量阈值，高能质子轰击硼靶并发生质子硼反应，最后由能量转换系统将能量带出。具体的，该加速器驱动的质子硼聚变核能装置包括：加速器系统、硼靶和能量转换系统；
所述加速器系统由离子源、加速管组成，离子源产生质子并与加速管串联衔接，加速管将质子加速到质子能谱在50keV～10MeV之间，最后轰击在处在加速管末端的硼靶上；
所述的硼靶采用富集度为80％～100％的硼-11(11B)；
所述的能量转换系统由X射线捕集器，抽气装置，电源输出端，热能交换器，氦水分离器，循环泵和冷却水喷淋装置组成；X射线捕集器将硼靶包络在中间，并将X射线的能量转化成电能输送到电源输出端；抽气装置布置在硼靶下部，将质子与硼反应生成的氦气以及高温水蒸气抽出，利用相互连通的管道传递到热能交换器；热能交换器将氦气及水蒸气携带的热能提供给供热站使用，氦水分离器将能量降低的氦气和水蒸气分离，并将氦气回收，剩下的水在循环泵加压驱动下在冷却水喷淋装置喷淋到硼靶上，从而构成一个循环回路。
本发明的原理在于：
离子源产生出质子流，然后进入串列加速管中进行加速。被加速的质子最后进入到硼靶时的能量在50keV～10MeV范围，满足质子硼反应所需要的能量要求。
硼靶是质子硼聚变反应的核心部件，由富集度为80％～100％的硼11组成，用以提供充足的聚变反应原料；并且由冷却水喷淋装置循环流动带走硼靶上沉积的热量，保证硼不会因为温度过高而损毁。另外，硼自身具有非常良好的耐高温物理性质，其熔点高达2100摄氏度，能够避免靶熔融的事故。
能量转换系统是质子硼聚变能量输出的关键系统装置，其中抽气装置主要功能是(1)将质子与硼反应生成的氦从硼靶中抽取出来，(2)将汽化的水蒸气或水从靶室带出，这里的水蒸气主要是由于质子轰击硼靶，沉积在硼靶上的高温将水汽化产生的。携带着大量能量氦和水蒸气在热能交换器进行热能交换，从而能够充分利用质子硼反应产生的热量和质子沉积在硼靶上的热量。然后通过一系列的氦水分离器、循环泵和冷却水喷淋装置构成一个循环回路。另外，每次质子硼聚变反应会释放出8.7MeV的能量，主要是由X射线携带，因此本发明特地配备了X射线能量捕集装置，其主要作用是将反应释放的X射线直接转换成电势差，进而形成电源的形式而能够被人们使用。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明质子硼聚变反应不产生高能中子，避免了中子对反应堆内材料的活化作用，降低了反应堆生物屏蔽和遥操安全性的要求；
(2)本发明利用成熟的质子加速器技术，将质子加速到能够发生质子硼聚变反应的能量阈值，有益于聚变能的提前实现。
附图说明
图1为本发明的主体结构示意图；
图2为本发明的加速器系统示意图；
图3为本发明的能量转换系统示意图。
其中：1.离子源；2.加速管；3.硼靶；4.X射线捕集器；5.抽气装置；6.电源输出端；7.热能交换器；8.氦水分离器；9.循环泵；10.冷却水喷淋装置；11.加速器系统；12.能量转换系统。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施方式进一步说明。
如图1、图2和图3所示，本发明主要由加速器系统11、硼靶2和能量转换系统12组成；其中离子源1和加速管1串联连接，构成加速器系统11；X射线捕集器4，抽气装置5，电源输出端6，热能交换器7，氦水分离器8，循环泵9和冷却水喷淋装置10构成能量转换系统12。冷却水喷淋装置10布置在硼靶3上方，X射线捕集器4将硼靶3包络在中间，抽气装置5布置在硼靶3下部，抽气装置5、热能交换器7、氦水分离器8、循环泵9和冷却水喷淋装置10通过管道连接，形成一个循环回路。
具体实施例子：质子在离子源1处产生，离子源1产生的质子束流强度30～150mA。加速管2由三组或以上数量串联组成，实例中选用3组。加速管2将离子源1引过来的质子进行加速，被加速的质子最后进入到硼靶3时的能量在50keV～10MeV范围，达到质子硼反应所需要的能量要求。高能高流强质子流直接轰击硼靶3，在硼靶3上发生质子硼聚变反应：p+11B→3He+8.7MeV。硼靶3厚度为10～50cm，形状为半圆环柱，有利于靶稳定与散热。
随着质子束流不断轰击硼靶3，硼靶3上的核热沉积会不断增加。为保证硼靶3正常工作，需要对硼靶3进行冷却。可采用但不限于高速雾化水喷淋方式将硼靶3降温。实例中采取的方式是循环泵9将管道中的冷却水加压到0.5～2Mpa，冷却水喷淋装置10设计为一个带有出水口的环形管道，出水口直径5～10mm，沿环形管道均匀分布。出水口冷却剂朝硼靶3入射的角度与加速管2引出的质子流入射方向呈直角。
质子硼聚变反应释放出的能量主要由X射线携带，另一部分由产生的氦离子携带。因此，X射线捕集器4布置在硼靶3的四周，主要作用是将质子硼反应释放的X射线直接转换成电势差，并在电源输出端6形成可用电源。抽气装置5布置在硼靶3下方，其中抽气装置主要功能是：(1)将质子与硼反应生成的氦从硼靶3中抽取出来，(2)将汽化的水蒸气或水从靶室带出，这里的水蒸气主要是由于质子轰击硼靶3，沉积在硼靶3上的高温将水汽化产生的。携带着大量能量氦和水蒸气在热能交换器7进行热能交换，从而能够充分利用质子硼反应产生的热量和质子沉积在硼靶3上的热量，热能交换器有对外热能输出功能，将热能提供给供热站使用。经过热能交换器7之后，水蒸气和氦携带的能量快速降低，水蒸气逐渐凝结成液态水，继续在管道中传输。在氦水分离器8中利用水和氦物理性质的差异，实例中采用水和氦冷凝点的差别进行分离回收。分离回收出的氦可以进一步纯化，作为本发明电能和热能输出之外的副产品；分离出的水在循环泵9的驱动下，在冷却水喷淋装置10喷淋到硼靶3上。通过能量流动的路径，阐明冷却水这一能量载体在整个装置中循环方式，整个加速器驱动的质子硼聚变核能装置的具体实施方式完成。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种加速器驱动的质子硼聚变核能装置，该装置包括加速器系统(11)，所述加速器系统(11)由离子源(1)、加速管(2)组成，离子源(1)产生质子并与加速管(2)串联衔接，其特征在于，该装置还包括硼靶(3)和能量转换系统(12)；
加速管(2)将质子加速到质子能谱在50keV～10MeV之间，最后轰击处在加速管(2)末端的硼靶(3)上；
所述的硼靶(3)采用富集度为80％～100％的硼-11(11B)；
所述的能量转换系统(12)由X射线捕集器(4)，抽气装置(5)，电源输出端(6)，热能交换器(7)，氦水分离器(8)，循环泵(9)和冷却水喷淋装置(10)组成；X射线捕集器(4)将硼靶(3)包络在中间，并将X射线的能量转化成电能输送到电源输出端(6)；抽气装置(5)布置在硼靶(3)下部，将质子与硼反应生成的氦气以及高温水蒸气抽出，利用相互连通的管道传递到热能交换器(7)；热能交换器(7)将氦气及水蒸气携带的热能提供给供热站使用，氦水分离器(8)将能量降低的氦气和水蒸气分离，并将氦气回收，剩下的水在循环泵(9)加压驱动下在冷却水喷淋装置(10)喷淋到硼靶(3)上，从而构成一个循环回路。
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