CN106762205A - 热共振聚变发动机 - Google Patents

Abstract

热共振聚变发动机，属发动机技术领域，包括内膨胀、斯特林、蒸汽活塞、蒸汽涡轮和气体涡轮、涡轮喷气、冲压喷气和火箭式，是基于热共振聚变堆，采用气体和液体工质、闭或开放式循环，标准化、模块化、系列化设计，不用化石燃料，运行不需氧气，实现其输入的只是聚变燃料输出的就是机械动力和无污染聚变产物的运行模式，并同时实现长期安全稳定经济的运行。其原理技术、工业制造和规模产业化都是可行的。结构简单。屏蔽层外无辐射。可同时提供热电和动力多种资源。可大型或微型化。作为微、小、中和大型发动机广泛应用于车船和各种机械。能超长时间运行。能为经济社会和文明的发展提供绿色安全廉价充足的机械动力。特别适合远途和长期综合应用。

Description

热共振聚变发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机，尤其是基于热共振聚变堆、能在普通条件和不太高的温度下长期安全稳定的运行，可作为微型、小型、中型和大型动力装置应用的热共振聚变发动机。

背景技术

目前，公知的发动机种类很多。发动机是一种能够把其它形式的能量转化为机械动力的装置。包括内燃机、外燃机和电动机等。

内燃机，是一种通过使燃料在发动机内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为机械动力的装置。内燃机的应用广泛，种类繁多。包括往复、旋转和自由活塞式内燃机及旋转叶轮式的燃气发动机。但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。往复活塞式内燃机最为普遍。

往复活塞式内燃机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器，要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，必须具备的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。其工作原理是将燃料和空气混合，在其汽缸内燃烧，释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞运动，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械动力输出。常见的汽油机、柴油机是典型的内燃机。内燃机的优点有：热能利用率高；功率范围广，适应性能好；结构紧凑，重量轻，体积小，燃料和水的消耗量少；使用操作方便，起动快。其缺点是：结构和布局复杂；对燃料要求较高且对燃料的洁净度要求严格；使用总储量不高的化石燃料，且易燃易爆，造成火灾风险高，对环境的污染也愈来愈严重。

外燃机，是指燃料在其外部燃烧的发动机。包括蒸汽机、汽轮机、斯特林发动机等。

蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械动力的往复活塞式发动机。主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成。蒸汽机的最大优点是可以利用几乎所有的燃料将热能转化为机械动力。其优点还有，具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等。其缺点是锅炉使整个装置庞大笨重；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；惯性往复式运动限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，制约功率的提高。

汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械动力的旋转式发动机。汽轮机由转子和缸体两部分组成。转子包括主轴、叶轮、动叶片和联轴器等。缸体包括进汽部分、汽缸、隔板和静叶栅、汽封及轴承等。汽轮机与锅炉或其他蒸汽发生器、发电机或其他被驱动机械以及凝汽器、加热器、泵等组成成套设备，一起协调配合工作。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种大型机械。其优点是功率大、热效率高，运行安全可靠性和耐用性高。缺点是输出功率不易细致调整；运行中主要因材料问题易渗漏和汽缸变形。

斯特林发动机是一种具有闭式循环、不变工质气体和交流换热器的、通过工质气体在发动机的较热部分膨胀和较冷部分压缩的循环运行把热能转换成机械动力的往复活塞式热力发动机。一个斯特林发动机系统至少需要热源、冷源和五个热交换器。主要由热源、加热器/高温区热交换器、交流换热器、冷却器/低温区热交换器、冷源、配气活塞等组成。有三种主要类型，区别是在热冷区间移动气体的方式不同。I型：双动力活塞在气体连通的热冷两缸中运动驱动气体，并具有双活塞连接在曲轴同一点上的典型三角阵式结构。II型：有一热端和一冷端的单缸型，缸内有一动力活塞和一配气活塞，配气活塞驱动气体在热端和冷端运动，典型的结构是用菱形驱动器也有可90度相差的连接到曲轴上。III型：气体连通的双缸，一个具有热端、冷端和配气活塞，另一个有动力活塞，典型的结构是活塞平行并有90度相差的连接到曲轴上。优点：能用任何合适热源直接运行；连续燃烧供热避免或减低间歇爆燃引起的振动；冷端的轴承和密封比其它往复式需要较少润滑并有较长寿命；机构比其它往复式的简单，无阀门，燃烧系统相对简单；用单相工质，压力稳定，爆炸风险低；低压运行可用轻质缸；可建成安静和不依赖空气动力系统；启动容易，在冷天效率高；泵冷水时用其冷却压缩空间效率高；热动力联供非常灵活；余热回收利用热动力联供。斯特林发动机的缺点是在许多情况下难以运行；高温热交换器的费用高和材料耐热防腐防蠕变难；加热器温度总是等于或超过膨胀气体温度，使加热器材料冶金要求高；散热特别困难；功率系数低，受气体对流热传输系数限制，向工质气体传入和导出热量很困难；不能瞬时启动，需要预热，适合均速工作；功率调整很困难，适合定常功率工作。工质气体应该有低的热容量，以使给定热量时的膨胀能产生更大的压力。氢比氦效率高，但易燃易渗漏。结论是氦最合适。空气、氮气也可用，但能达到的功率密度比氦低。

燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械动力的旋转式发动机。在空气和燃气的主要流程中，只有压气机或压缩机、燃烧室和涡轮机这三大部件组成的燃气轮机循环，称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。因为其结构最简单，而且最能体现出其所特有的体积小、重量轻、启动快、少用或不用冷却水等优点。燃气轮机的优势是功率密度大；启动速度快；噪声低频分量很低。其主要缺点是效率不够高，在部分负荷下效率下降快，空载时的燃料消耗量高；很难精细地调节输出的功率；需要较蒸汽轮机更大的排气系统。

喷气发动机是一种通过使燃料燃烧时产生的高温高压气体高速喷出而产生推动力的发动机。喷气发动机有多种类型。按增压技术，分为冲压、脉冲、压气机、压气机结合冲压喷气发动机等。根据能量输出的不同，有涡轮、涡轮风扇、涡轮螺旋桨和螺桨风扇喷气发动机等。涡轮喷气发动机的特点是完全依赖燃气流产生推力，以反作用力提供动力。通常用作高速飞机的动力。油耗比涡轮风扇发动机高。现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。也可以在涡轮和尾喷管间增加加力燃烧室。提高涡轮前温度能提高涡轮喷气发动机的效率和功率。喷气发动机在低速时油耗大于活塞式发动机，但高速性能优异。火箭发动机是一种自带全部推进剂的喷气发动机，主要分为固体和液体推进剂型。例如，液体火箭发动机主要由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统组成。其推力室是把液体推进剂的化学能转变成推力的重要组件，由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等组成。

电动机，虽可直接把电能转换成机械动力，但必须持续供电，无法单独使用，适合固定工作设备如机床等或沿固定线路运行的设备如电力机车等使用，对移动范围广的机器设备尤其是车辆如汽车等难以用电线供电使用，用存贮电能供电也很困难且成本高、限制多。

世界上广泛应用的电动机、内燃机和外燃机，虽然采用不同的能量转换方式，有不同的作用机制，主要用途是提供机械动力。但其制造、运行和维护的成本、使用和获得机械动力的成本都很高。因此研发一种即能长期安全稳定的运行又能使制造、运行和使用成本很低廉、不污染环境的聚变核能发动机是实际应用中很需要的。

热共振聚变堆(中国发明专利申请号：201510638783.0)是基于热共振聚变原理，采用除了磁约束和惯性约束聚变模式之外的，第三种技术上切实可行的热共振聚变模式的反应堆。其堆芯主容器内设屏蔽层和热共振聚变组件，可同时用多种气体聚变燃料聚变，在普通条件和不太高的温度下，通过起催化作用的镍基或铂基等热共振聚变材料对被其吸附的气体燃料的原子产生强迫热振动，使两个燃料原子间在适当温度等条件下产生尖锐共振，获得足够高的动能而发生聚变反应，并用聚变产物引发另一种聚变反应，成为以可控方式实现的持续核聚变反应，同时使聚变核能的实际安全应用在技术和工程上成为切实可行的。热共振聚变堆没有临界体积的限制，很适合小型和微型化，因此不仅能为中大型，也能为小微型机械系统直接提供机械动力和能源，且总成本低廉，能广泛的应用。

国际原子能机构将发电功率小于300兆瓦的核反应堆动力装置定义为小型反应堆，简称小型堆。发电功率在300-600兆瓦间的被定义为中型反应堆。发电功率大于600兆瓦的被定义为大型反应堆。大中型反应堆主要用于发电。用于提供机械动力的主要是小型和微型反应堆。按闭式循环工作的气轮机等装置能利用核能，可用反应堆作为加热器，反应堆直接或经热交换器的气体冷却剂(如蒸汽、氦或氮等)同时作为汽轮机或气轮机的工质。

现在，上述这些电动机、内燃机和外燃机遇到的难题，都可以通过热共振聚变发动机的应用而得到解决。热共振聚变发动机是绿色、洁净、环境友好型的发动机，能为减少碳或温室气体排放、减少大气污染、改善地球环境和气候做出重大贡献。

热共振聚变发动机的提出，开启人类在绿色、洁净、环境友好的条件下，安全、低成本、充分使用发动机发展经济、社会和文明的一种新技术途径。

发明内容

为了克服现有的发动机，如内燃机和外燃机都用化石燃料、火灾风险高、排放温室气体、污染大气和环境且都存在整体系统和结构复杂、制造运行维护成本高、技术难度大；电动机受供电限制很大无法单独使用仅适合固定或沿固定线路运行的工作条件等，的不足，本发明提供一种基于热共振聚变堆、能在普通条件和不太高的温度下长期安全稳定的运行，同时提供绿色、洁净、安全、廉价、充足的机械动力，可作为微型、小型、中型和大型发动机应用的热共振聚变发动机。

热共振聚变发动机是用聚变核能作为高温热源的新型发动机，即用聚变核能代替化石燃料燃烧产生的热能，提供机械动力。通过用其热共振聚变堆高温热源的热能，加热工质如气体、水等并使其体积迅速膨胀，推动活塞移动或叶轮转动，把热能转换成机械动力，并对外输出。而其热能转换成机械动力的转换机构和系统部分及转换机制，则可充分利用目前成熟的发动机转换技术和各种热力学循环，如二、四冲程的内燃机、外燃机等及卡诺循环、布雷顿循环等，并进行重新设计、适当改进和简化即可。

热共振聚变堆没有像裂变反应堆临界体积那样的限制，非常适合小型化，作为小型和微型热共振聚变发动机的热源应用时，能使获得和使用机械动力的总成本非常低廉。

热共振聚变堆和熔盐贫铀堆(中国发明专利申请号：201310204051.1)，都可以用作大中型供电和电热联供的大型蒸汽机和气轮机发电系统的能源，并且相应的整套系统已包含在其发明专利中。因此热共振聚变发动机发明专利的申请书中，主要考虑适合用于自由移动的机械设备和装置，例如汽车、拖拉机等机动车辆以及船舶、飞机、机车等，并作为发动机为其提供机械动力的微型、小型、中型和大型的热共振聚变发动机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

热共振聚变发动机，采用两相液体和气体，例如水和蒸汽，或单相气体作为工质、开放或闭合式工质循环工作模式、热共振聚变堆作为高温热源，产生高温高压蒸汽或气体，并通过高压蒸汽或气体的迅速膨胀，推动往复活塞或旋转活塞或自由活塞或旋转叶轮运动，用类似于内燃机和外燃机的动力转换方式，把热能转换成机械动力并输出，解决内燃机和外燃机燃烧宝贵的化石资源燃料、排放温室气体、污染大气和环境等的技术难题，不需要电动机运行的电线或存储电能装置的实现条件及其相关的复杂系统，实现其输入的只是聚变燃料输出的就是机械动力和无污染聚变产物的运行模式，并同时实现长期安全稳定经济的正常运行。

按所用热共振聚变堆类型的不同可分为相应的类型。例如按工作温度不同分为高、中和低温型。按工质的循环工作模式不同可分为开放或闭式。按输出功率的不同，可分为微型、小型、中型和大型。按结构和应用目标不同，分为简化型和普通型两种。简化型主要提供微小型机械动力并降低成本，普通型主要提供中大型机械动力并提高效率。

在高温、中温和低温热源工作条件下，从发表的发动机等结构材料实验结果中，都已找到与所用的工质如水和蒸汽或气体如氦气、氮气等气体工质或气体冷却剂相容或耐腐蚀的材料，且可供选择的材料较多。蒸汽或气体工质，能确定出合适的技术参数，其性能可满足实际运行的要求。能量转换系统的技术，如活塞曲轴连杆系统或叶轮涡轮机系统，整体上都较为成熟，是切实可行的。热共振聚变发动机优选系统为：简化I型热共振聚变堆热源系统+喷水供水系统+往复活塞式动力转换系统+机体系统+润滑系统+冷却系统+起动装置+控制加热辅助和维护等系统。普通III高温型热共振聚变堆系统+氦气或氮气等气体工质+闭布雷顿循环气轮机组系统+控制润滑冷却起动系统等。

热共振聚变发动机的堆芯结构简单。布置有适宜材料的屏蔽层。可以屏蔽产生的不同能量粒子例如中子对器壁和结构材料及外界环境中物体的辐射损伤。屏蔽层外的辐射水平即降低到本底辐射水平。还布置有加热和探测装置并与控制系统相连接，以保证其长期安全稳定的运行。

热共振聚变发动机，作为小型和微型发动机应用时，因其所用堆芯没有裂变堆临界体积的限制，输出功率可以做得非常小，能按实际需要的功率大小设计制造，使其应用范围更加广泛。例如用于汽车等。

热共振聚变发动机，标准化、模块化、系列化设计，使生产、使用和维护的总成本很低廉和更方便快速。其运行不需要氧气，核燃料的能量密度极大，加一次燃料可运行工作很长时间，也可同时提供多种资源，如供热、供电和机械动力。因此，如用微型热共振聚变堆研发制成，适合作为家用汽车、小型车和各种机动车的能源和动力装置，特别适合长途使用和长期野外工作综合使用。如用小型热共振聚变堆研发制成，可作为船舶、机车、重型汽车、飞机、空间飞行器的能源和动力装置，以及深空探测器的能源和动力装置。

物理分析和理论计算及实验验证的技术结果都表明，热共振聚变发动机从科学原理和工作原理上、技术工艺上、设计研发上、系统整体上、工业制造上和规模产业化上都是可行的。

一、热共振聚变发动机特点

热共振聚变发动机除了自身具有的突出优点外，如不存贮汽油等可燃油料，还具有普通发动机的优点，如热能转换成机械动力的技术已很成熟，也要解决普通发动机的一些难题，如进一步提高热效率需要的耐高温材料。但这些不利因素对其商业价值的作用和影响不大。1.热共振聚变发动机的突出优点：

安全。无裂变反应堆的核安全风险。无可燃物引发火灾的风险。无控制失效风险。不用化石燃料。不会燃烧爆炸。

绿色、洁净、环保、无碳。

能同时提供非常廉价的机械动力、热能和电力等多种适用资源。

输出功率范围很广。无裂变反应堆临界体积的限制。

正常运行无燃烧过程、无需氧气。受气候环境影响很小。加一次核燃料可运行很长时间。可在水下、高空、偏远地区、高海拔区等特殊环境正常运行工作。

制造、购置、运行和维护的总成本低廉。运行输出的副产品价值高。

此外，还具有热共振聚变堆的所有突出优点，例如，所用的聚变核燃料资源丰富，实际上是无限的，能彻底解决能源资源不足的问题。

2.热共振聚变发动机的安全分析：

热共振聚变发动机的安全性主要由所用的热共振聚变堆决定。而热共振聚变堆的安全性极高，是用内部的物理机制控制聚变反应。无控制失效风险。它用温度调节热共振形成的机制，使堆芯温度过高过低时都不能发生聚变反应。通过调节输出的热量控制堆芯温度，保持温度在能正常进行聚变反应的范围内，实现长期安全稳定的运行。

没有涉及核安全因素导致的不安全的困扰。没有裂变堆超临界事故、堆芯熔化事故、核燃料泄漏事故和放射性产物的困扰；没有高放射性核废料污染环境和长期处置困难的困扰；没有裂变堆衰变余热不能及时排出而导致堆芯熔化事故的困扰。

不用化石燃料。不会因此燃烧爆炸。聚变核燃料资源丰富，没有资源短缺和供应不足的风险；聚变核燃料及其产物，如氘和氦气等无放射性，泄漏到大气中不会污染环境。

紧急情况下，或堆芯温度超过正常运行温度范围时，热共振形成机制失效，堆芯停堆，热共振聚变发动机自动停机。即由物理机制控制其聚变反应的停止。非外部直接控制停止。靠自然冷却和热容量吸收非能动的排出多余热量。没有过热和爆炸等风险。

综合结果，热共振聚变堆整体的安全性极高，完全可以安装运行在城市内或工业区中。而热共振聚变发动机其余的部分，都是经过长期检验的性能完善的成熟机械装置，其安全性能已经得到广泛认可，并且又消除了化石燃料燃烧引发火灾的风险，因此，热共振聚变发动机整体的安全性，高于、至少不会低于同类型化石燃料发动机的安全性。

3.热共振聚变发动机的经济性分析：

热共振聚变发动机所用的热共振聚变堆的堆芯结构简单。与燃油发动机相比，虽增加了热共振聚变堆，但减少了整套的供油系统，也使整机结构相应简化，成本降低。

运行成本很低。运行输出的副产品价值高。聚变核燃料资源，如氘气或重水等，丰富而低价。而燃油发动机所用的燃油，使运行成本高。

绿色洁净环保无碳。降低环境保护的成本。

不用化石燃料。不会因此燃烧和爆炸。降低安全保护的成本。

温度调节热共振形成机制，使运行控制系统简易，成本降低。

制造、运行和维护的总成本低。能同时提供非常廉价的热能、电力和机械动力等。因而经济性很好，其商业价值很高。非常适合大规模推广应用。

二、热共振聚变发动机的一些共同选择项：

1.热共振聚变堆选择：标准化、模块化、系列化设计的热共振聚变堆种类较多。主要可分为简化型和普通型。其差别是简化型不设一回路而普通型设一回路，因此能输出的最大热能不同。简化型较适用于微、小型的热共振聚变堆。普通型更适用于中、大型的热共振聚变堆。热共振聚变堆直接或经热交换器的气体冷却剂(如蒸汽、氦或氮等)，可以同时作为汽轮机或气轮机的工质。作为高温能源应用的热共振聚变堆的要求，满足长期额定功率工作的动力输出要求，总体性能满足实际需要，结构简单安全可靠，总成本低廉。优先选择满足实际运行要求的系列堆中的低价堆。

2.工质和核燃料选型：工质主要有单相气体，例如氦气、氮气等，和两相液体和气体，例如水和蒸汽等。后面以水为例。闭式循环用工质气体的要求是热容量小、粘滞性低、导热速度快和安全性高。氦气最合适。其它适用的工质气体有氮气、氨气、氢气、甲烷等。但氢气和甲烷易燃，应注意避免泄漏造成事故。核燃料首选气态型，如氘气等。其次为液体，如重水。微小型优先选择气体以简化整机。大中型优选液体，因用量大，应易于储存。也可按需要选用其它类型。

3.运动机构类型选择：热能转换为机械动力的转换机构，主要有往复直线运动型和旋转型。旋转型适用于中大型发动机，主要有蒸汽轮机和燃气轮机，二者都可采用闭式循环与反应堆或其热交换器联接组成发动机系统。例如闭兰金循环蒸汽轮机组、闭布雷顿循环气轮机组等。往复直线运动型适用于微小型，也可用于中大型发动机。往复活塞式发动机应用最为普遍。旋转活塞和自由活塞式等，也有适合应用的场合。应根据具体的实际需要选择。例如，汽车、机动车辆优先选择往复活塞式，船舶等优先选择旋转型。

4.堆芯内的放射性及其抗辐射防护方法：正常工作的热共振聚变发动机，所用的热共振聚变堆的堆芯内一直在进行聚变反应以提供发动机运转所需要的全部热能。聚变反应(氘简记为D，氚简记为T)，如D+D和D+T聚变，都产生能量高的中子或质子，D+D产生的中子和质子能量为2.45和3.02MeV，D+T产生的中子能量为14.1MeV，对堆内器件材料会造成很大的辐射损伤而使其效能降低或失效。但这仅限于堆芯内，因为在堆芯主容器内，紧贴主容器内壁设有屏蔽层，能够屏蔽堆芯产生的全部放射性辐射，在堆芯外探测只能测到本底剂量。本底剂量就是周围环境中普遍都存在的放射性剂量。因此，用于热共振聚变发动机的堆芯，无需再做或附加任何的抗辐射防护，即可安全的使用。其整体的安全性，比燃料引发火灾风险高的普通内燃机还高。

5.发动机结构及性能：微型、小型发动机采用一体化结构设计。中型、大型发动机优先采用一体化结构，也可采用二体及多体化结构。可根据实际需要选择。例如，需要尽量少占用空间的应用，宜用紧凑型一体化结构。有立式、卧式、复合式等结构。主要组成有：热共振聚变堆，热交换器，运动转换机构系统，机体等。例如，往复活塞式主要有热共振聚变堆供热系统、曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、润滑系统、冷却系统、起动装置等；汽轮机式由热共振聚变堆供热系统、转子和缸体等；或气轮机式由热共振聚变堆供热系统、压气机、热交换器和加热室、冷却器和涡轮机等。性能：主要提供机械动力、满足自由移动需要、长期安全可靠运行等。

6.结构材料选择：堆芯结构材料已按热共振聚变堆的要求选择。例如，高温型首选材料为钼及其高熔点合金，中低温型可选不锈钢或高镍合金。其余结构材料的选择，可选用相应发动机已成熟应用的材料，也可按需要或提高性能研发新的材料。但应尽量使用低价结构材料以利于提高商业价值和大规模推广应用。低工作温度，虽然会降低热效率，但可用低价的结构材料，可供选择的材料范围也更广，对普及应用可能会更好。

三、内膨胀式热共振聚变发动机

内膨胀式热共振聚变发动机是一种通过使液体工质在发动机汽缸内的热交换器表面受热汽化膨胀推动活塞移动，将聚变热能直接转换为机械动力的机械装置。

内膨胀式热共振聚变发动机，简称内振机，采用简化型或普通型热共振聚变堆，液体和气体两相工质，工质闭式或开放式循环，热能转换成机械动力采用往复活塞式机构。其动力特性主要由所用堆芯决定。可以合并一些部件并放弃一些功能，以降低成本和适应小型化。工质以水为例。与四冲程内燃机相比，其不需要吸气和压缩冲程，简化到只需要二冲程。其单缸二冲程的工作过程：热共振聚变堆产生的热能经热交换器传入汽缸内的热交换器，同时高压水泵从水箱中抽水并形成高温高压水，经喷口喷入汽缸内的高温热交换器表面，迅速汽化膨胀形成高压蒸汽推动活塞移动，并带动曲轴连杆机构运动，同时推动曲轴和飞轮转动，再由飞轮带动活塞与排汽机构排出膨胀后的蒸汽，完成二冲程工作循环过程，并对外输出机械动力。闭式循环，排出的蒸汽经过冷却系统冷凝成水后，导入水箱。内振机也可采用单热源多缸结构设计的二冲程工作模式，能使转动更平稳和额定输出功率更大。

具有旋转活塞和自由活塞式转换机构的内振机，与相应的内燃机类似，只需部分改造即可。例如，把其燃烧室改为蒸汽膨胀室并由热共振聚变堆供给所需热能等，而其余部分的改变不大。以用于适合其发挥优势的环境和场合。

1.内振机概念方案 微小中大型、热共振聚变堆供给热能、传导式热交换器、往复活塞式机构、蒸汽二冲程、两相工质、开放或闭式循环、热共振聚变发动机。可采用简化型堆芯；也可采用普通型堆芯，但整体结构的难度会增加。功用是把堆芯产生的热能转换成机械动力并输出。气体燃料和乏燃料储存罐。内振机商用目标：商用发动机。提供商用机械动力。例如，作为车辆、船舶等的发动机。

表1 简化型热共振聚变发动机系统整体相容材料

2.整机系统组成、整体结构和布局：简化I、II、III型组成：热共振聚变堆+器壁型板式热交换器或热交换层+喷口高压水泵水箱排汽系统冷凝器水泵系统+汽缸活塞曲轴连杆机构+机体和气缸盖+配气机构+润滑系统+冷却系统+起动装置+气体燃料和乏燃料储存罐+重水存储电解系统+保温层+备用气体存储罐+控制、加热、辅助和维护等设备。结构和布局：立式机体顶部安装热共振聚变堆和热交换器、热交换器与汽缸盖一体化、汽缸体垂直竖立、汽缸体顶部安装高压水喷口和排汽阀、及冷却、润滑和控制系统等，共同组成整机。堆芯热能直接传导，或通过气体或熔盐或蒸汽热交换层传导，至汽缸体顶端的热交换器，以产生高温高压蒸汽推动活塞移动并带动曲轴转动，其外围绕冷却及保温层。并由转动的曲轴向外输出机械动力。见图1。耐压气体储存罐设在机体旁，并与其用气体燃料阀、输送泵相连接。卧式与立式机体结构类似，只是把组成部件的上下排列改为水平排列，且差别不大。也可按需要采用复合型机体结构和布局。

3.简化I型 微、小、中、大型。简化I型热共振聚变堆。卧式或立式机体结构。简化I型热共振聚变堆热源系统+喷水供水系统+往复活塞式动力转换系统+机体系统+润滑系统+冷却系统+起动装置+控制加热辅助和维护等系统。

4.简化II型 微、小、中、大型。简化II型热共振聚变堆。其余与简化I型类似。

5.简化III型 微、小、中、大型。简化III型热共振聚变堆。其余与简化I型类似。

6.普通I、II、III型 小、中、大型。普通I、II、III型热共振聚变堆。其余与相应的简化I、II、III型类似。例如，普通III高温型热共振聚变堆系统+喷水供水系统+往复活塞式动力转换系统+控制、润滑、冷却、加热、辅助和维护等机构和系统。

7.系统整体相容材料 初步选出几组相容性好的材料，主要是高温条件下工作部件材料的耐高温耐腐蚀性能，简化型见表1，普通型见表2。选择标准是优先选用性能稍差但价格低的材料。热共振聚变堆的主容器要考虑与气体燃料和冷却剂都相容，管道、主泵和热交换器要与冷却剂相容。内振机优选系统：简化I型。

表2 普通型热共振聚变发动机系统整体相容材料

四、斯特林热共振聚变发动机

斯特林热共振聚变发动机，简称斯振机，采用简化型或普通型热共振聚变堆、闭式循环、不变工质气体，热能转换成机械动力采用往复活塞式机构。其动力特性主要由所用堆芯决定。可以合并一些部件并放弃一些功能，以降低成本和适应小型化。斯振机与斯特林发动机相似，主要差别是用热共振聚变堆作为热源，相应的供热模式和控制方式等也不同。斯振机也可采用单热源多缸结构设计的工作模式，能使转动更平稳和输出功率更大。与I、II、III型斯特林发动机的结构类似，也有相应结构的I、II、III型斯振机，三种主要类型的区别是在热冷区间移动气体的方式不同。I型斯振机：双动力活塞在工质连通的热冷两缸中运动驱动气体，具有双活塞连接在曲轴同一点上的典型三角阵式结构。II型斯振机：有一热端和一冷端的单缸型，缸内有一动力活塞和一配气活塞，配气活塞驱动气体在热端和冷端运动，典型的结构是用菱形驱动器，也可以有90度相差的连接到曲轴上。III型斯振机：气体连通的双缸，一个具有热端、冷端和配气活塞，另一个有动力活塞，典型的结构是双活塞平行并有90度相差的连接到曲轴上。

因此，除了由于热源改变产生的优势外，斯振机还具有斯特林发动机所具有的其它优点，例如，振动小，机构比其它往复式的简单等；也具有其除热源外的缺点，例如，高温热交换器需要耐高温材料，散热困难，功率系数低，需要预热，功率调整困难等。

1.斯振机概念方案 微、小、中和大型、热共振聚变堆供给热能、传导式热交换器、往复活塞式机构、闭式循环、不变工质气体、斯特林热共振聚变发动机。可采用简化型堆芯；也可采用普通型堆芯，但整体结构的难度会增加。功用是把堆芯产生的热能转换成机械动力并输出。气体燃料和乏燃料储存罐。斯振机商用目标：商用发动机。提供商用机械动力。例如，作为车辆、船舶等的发动机。

2.整机系统组成、整体结构和布局：简化I、II、III型组成：热共振聚变堆+器壁型板式热交换器或热交换层(加热器)+高温区热交换器+交流换热器+冷却器+低温区热交换器+冷源+配气活塞+闭式循环不变气体工质+气缸活塞曲轴连杆机构+机体润滑系统+气体燃料和乏燃料储存罐+重水存储电解系统+其间燃料输送管道泵阀+保温层+备用气体存储罐+控制、加热、辅助和维护等设备。结构和布局：I、II、III型斯振机的结构布局与对应I、II、III型斯特林发动机的结构布局类似。主要区别是用热共振聚变堆作为斯振机的热源，替代斯特林发动机的热源，并安装和布置在相应热源的原位置上。也可以根据实际需要和工作环境的不同要求，灵活的布置斯振机的结构。耐压气体储存罐设在机体旁，并与其用气体燃料阀、输送泵相连接。由转动的曲轴向外输出机械动力。见图2，图中所示为I型斯振机。

3.简化I型 微、小、中、大型。简化I型热共振聚变堆。I、II、III型斯振机的结构布局。简化I型热共振聚变堆热源系统+闭式循环不变气体工质+往复活塞式动力转换系统+机体润滑起动控制等机构和系统。

4.简化II型 微、小、中、大型。简化II型热共振聚变堆。其余与简化I型类似。

5.简化III型 微、小、中、大型。简化III型热共振聚变堆。其余与简化I型类似。

6.普通I、II、III型 小、中、大型。普通I、II、III型热共振聚变堆。其余与相应的简化I、II、III型类似。例如，普通III高温型热共振聚变堆系统+闭式循环不变气体工质+往复活塞式动力转换系统+控制、润滑、冷却、加热、辅助和维护等机构和系统。

7.系统整体相容材料 初步选出几组相容性好的材料，主要是高温条件下工作部件材料的耐高温耐腐蚀性能，简化型见表1，普通型见表2。选择标准是优先选用性能稍差但价格低的材料。热共振聚变堆的主容器要考虑与气体燃料和冷却剂都相容，管道、主泵和热交换器要与冷却剂相容。斯振机优选系统：简化I型。

五、蒸汽活塞式热共振聚变发动机

蒸汽活塞式热共振聚变发动机是一种用锅炉或蒸汽发生器产生高温高压蒸汽在发动机汽缸内膨胀推动活塞移动，将聚变热能直接转换为机械动力的机械装置。

蒸汽活塞式热共振聚变发动机，简称汽振机，采用简化型或普通型热共振聚变堆，开放或闭式循环，热能转换成机械动力采用往复活塞式机构。其动力特性主要由所用堆芯决定。可以合并一些部件并放弃一些功能，以降低成本和适应小型化。与燃煤型蒸汽机相比，汽振机用热共振聚变堆作为热源，供给锅炉或蒸汽发生器产生高温高压蒸汽所需要的热能，可以采用开式或闭式循环，不用燃烧化石燃料如煤等，也无需自带大量化石燃料，因而可以小型化。锅炉型较适合开式循环，蒸汽发生器型较适合闭式循环。可根据实际需要选择开或闭式。

汽振机的机械动力转换部分主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成。锅炉或蒸汽发生器产生的高温高压蒸汽，通过管道被送入汽缸。阀门控制高压蒸汽到达汽缸的时间。蒸汽可在活塞一侧或两侧工作，即单作用和双作用式。双作用式，蒸汽经主汽阀和节流阀进入滑阀室，受滑阀控制交替地进入汽缸内活塞的一侧或另一侧膨胀；单作用式只在活塞的一侧膨胀；推动活塞运动，并带动曲轴连杆机构运动，同时推动曲轴和飞轮转动，再由飞轮带动活塞与排汽机构排出膨胀后的蒸汽，完成工作循环过程。闭式循环，排出的蒸汽通过管道被引入冷凝器重新凝结为水，泵入锅炉或蒸汽发生器循环使用。一般的汽振机有三个汽缸组成一个组，能使转动更平稳和输出功率更大。

1.汽振机概念方案 微小中大型、热共振聚变堆供给热能、锅炉或蒸汽发生器产生高温高压蒸汽、往复活塞式机构、蒸汽二冲程、液体和气体两相工质、闭或开放式循环、蒸汽活塞式热共振聚变发动机。可采用简化型堆芯；也可采用普通型堆芯，但整体结构的难度会增加。功用是把堆芯产生的热能转换成机械动力并输出。气体燃料和乏燃料储存罐。汽振机商用目标：商用发动机。提供商用机械动力。例如，作为车辆、船舶等的发动机。

2.整机系统组成、整体结构和布局：简化I、II、III型组成：热共振聚变堆+锅炉或蒸汽发生器+汽缸、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、飞轮、调速机构和底座+管道泵阀水箱排汽系统冷凝器+气体燃料和乏燃料储存罐+重水存储电解系统+保温层+控制、加热、辅助和维护等设备。结构和布局：立式和卧式汽振机，与立式和卧式蒸汽机的机体结构和布局类似。立式机体，顶部或侧面安装配汽机构、汽缸体垂直竖立、活塞曲柄连杆机构及冷却、润滑和控制系统等与蒸汽机类似布局，热共振聚变堆、锅炉或蒸汽发生器等布置在底座上汽缸体旁，共同组成整机。见图3。耐压气体储存罐设在机体旁，并与其用气体燃料阀、输送泵相连接。卧式与立式机体结构类似，只是把组成部件的上下排列改为水平排列，且差别不大。

3.简化I型 微、小、中和大型。简化I型热共振聚变堆。卧式或立式机体结构。简化I型热共振聚变堆热源系统+锅炉或蒸汽发生器系统+往复活塞式动力转换系统+控制、润滑、冷却、加热、辅助和维护等机构和系统。

4.简化II型 微、小、中、大型。简化II型热共振聚变堆。其余与简化I型类似。

5.简化III型 微、小、中、大型。简化III型热共振聚变堆。其余与简化I型类似。

6.普通I、II、III型 小、中、大型。普通I、II、III型热共振聚变堆。其余与相应的简化I、II、III型类似。例如，普通III高温型热共振聚变堆系统+锅炉或蒸汽发生器系统+往复活塞式动力转换系统+控制、润滑、冷却、加热、辅助和维护等机构和系统。

7.系统整体相容材料 初步选出几组相容性好的材料，主要是耐高温耐腐蚀性能，简化型见表1，普通型见表2。选择标准是优先选用性能稍差但价格低的材料。热共振聚变堆的主容器要考虑与气体燃料和冷却剂都相容，管道、主泵和热交换器要与冷却剂相容。汽振机优选系统：简化I型。

六、涡轮式热共振聚变发动机

涡轮式热共振聚变发动机，简称涡振机，是一种以一体化紧凑型设计为特征、连续流动的蒸汽或气体作为工质、把热共振聚变堆的热能转换为机械动力的旋转式发动机。

涡振机，采用一体化紧凑型设计，简化型或普通型热共振聚变堆，闭式循环，也可用开放式循环，工质可分为蒸汽或气体型，热能转换成机械动力采用旋转叶轮式机构。其动力特性主要由所用堆芯决定。蒸汽型涡振机与蒸汽轮机类似，主要差别是用热共振聚变堆的蒸汽发生器代替锅炉。气体型涡振机与闭布雷顿循环气轮机组类似，主要差别是热源改用热共振聚变堆，加热气体是用热共振聚变堆的热交换器实现的。

蒸汽轮机和燃气轮机的种类都很多。采用与其相应的热能转换成机械动力的模式和机制，涡振机也有很多相似的类型。以满足和适应不同的工作环境和实际需要，对其性能提出的不同要求，包括性能提升和改善的要求。例如，可以要求提高工作温度、改善系统功能等以提高效益；也可以合并一些部件并放弃一些功能，以降低成本。

闭式循环蒸汽型涡振机主要由热共振聚变堆、热交换器、蒸汽发生器、蒸汽轮机、冷凝器、加热器、泵等组成。蒸汽轮机由转子和缸体两部分组成。转子包括主轴、叶轮、动叶片和联轴器等。缸体包括进汽部分、汽缸、隔板和静叶栅、汽封及轴承等。其优点是功率大、热效率高，运行安全可靠性和耐用性高。缺点是输出功率不易细致调整；运行中主要因材料问题易渗漏和汽缸变形。

闭布雷顿循环气体型涡振机系统，主要由热共振聚变堆、热交换器加热室、压气机、涡轮机、冷却器等组成。其优点是结构简单，噪声低频分量很低，功率密度大，少用或不用冷却水等。主要缺点是很难精细地调节输出的功率。

1.涡振机概念方案 小中大型、热共振聚变堆供给热能、热交换器、蒸汽发生器或加热室、旋转叶轮式机构、蒸汽或气体工质、闭式或开放式循环、一体化紧凑型设计的涡轮式热共振聚变发动机。可采用简化型堆芯；也可采用普通型堆芯，但整体结构的难度会增加。功用是把堆芯产生的热能转换成机械动力并输出。气体燃料和乏燃料储存罐。涡振机商用目标：商用发动机。提供商用机械动力。例如，作为船舶、车辆等的发动机。

2.整机系统组成、整体结构和布局：简化或普通I、II、III型组成：热共振聚变堆+热交换器+蒸汽发生器蒸汽轮机冷凝器泵系统或闭布雷顿循环气轮机组系统+气体燃料和乏燃料储存罐+重水存储电解系统+其间输送管道泵阀+保温层+备用气体存储罐+控制、加热、辅助和维护等设备。结构和布局：热共振聚变堆和热交换器采用紧凑型结构布置设计，与蒸汽发生器、蒸汽轮机、冷凝器或闭布雷顿循环气轮机组，及泵、冷却、润滑和控制系统等，共同组成一体化整机。蒸汽型见图4，气体型见图5。耐压气体储存罐设在主机旁，并与其用气体燃料阀、输送泵相连接。转子采用水平布置。整机可采用一体化紧凑型结构布置设计，也可采用主要部件分立分布式布置设计。可根据实际需要和具体工作环境灵活设计整机的结构和布局。

3.简化I型 小、中、大型。简化I型热共振聚变堆。转子采用水平布置。简化I型热共振聚变堆系统+蒸汽轮机组或闭布雷顿循环气轮机组系统+控制润滑冷却起动等系统。

4.简化II型 小、中、大型。简化II型热共振聚变堆。其余与简化I型类似。

5.简化III型 小、中、大型。简化III型热共振聚变堆。其余与简化I型类似。

6.普通I、II、III型 小、中、大、巨型。普通I、II、III型热共振聚变堆。其余与相应的简化I、II、III型类似。例如，普通III高温型热共振聚变堆系统+氦气或氮气等气体工质+闭布雷顿循环气轮机组系统+控制润滑冷却起动等系统。

7.系统整体相容材料 初步选出几组相容性好的材料，主要是耐高温耐腐蚀性能，简化型见表1，普通型见表2。选择标准是优先选用性能稍差但价格低的材料。涡振机优选系统：简化I型。

七、涡轮喷气式热共振聚变发动机

涡轮喷气式热共振聚变发动机，简称喷振机，是一种以一体化紧凑型设计为特征、连续流动的空气作为工质、完全依赖高温高压空气产生的高速喷出气流的反作用力产生推力，把热共振聚变堆的热能转换为推动力的喷气式发动机。

喷振机，采用一体化紧凑型设计，简化型或普通型热共振聚变堆，空气工质，开放式循环，主要提供推力，热能转换成推力采用高速喷出空气流的模式。其动力特性主要由所用堆芯决定。喷振机与涡振机类似，主要差别是前者主要或只提供推力，后者只提供旋转动力。

普通喷气发动机有多种类型。采用与其相应的热能转换成推力的模式和机制，喷振机也有很多相似的类型。以满足和适应不同的工作环境和实际需要，对其性能提出的不同要求，包括性能提升和改善的要求。例如，可以要求提高工作温度、改善系统功能等以提高效益；也可以合并一些部件并放弃一些功能，以降低成本。

喷振机主要由热共振聚变堆、进气道、压气机、加热室、涡轮机和尾喷管组成。可分为基本型和组合型。按增压技术，分为冲压、脉冲、压气机、压气机结合冲压型。以及根据能量输出的不同，有涡轮、涡轮风扇、涡轮螺旋桨和螺桨风扇等组合型的喷振机。基本型喷振机的工作原理是，空气从进气道进入，经压气机加压后进入加热室，加热室由热共振聚变堆的热交换器构成，用以加热空气至高温高压状态，形成高速气流，流经涡轮机并推动其转动同时带动同轴的压气机转动，最后从尾喷管高速喷出。其特点是完全依赖高速喷出的空气流产生的反作用力形成的推力，提供动力。其它类型的喷振机，与此类似。例如，涡轮风扇喷振机，属组合型，压气机与风扇组合，同样是用热共振聚变堆的热交换器构成的加热室代替燃烧室，除尾喷管喷出的高速气流产生推力外，转动的风扇也能提供推力，这种组合能使较低速度下的推进效率较高。其余部分按普通喷气发动机稍作调整即可；例如，去除全部燃油系统等。冲压型喷振机，单靠其相对速度使空气在进气道内产生需要的压力，即冲压，不用压气机和涡轮机，但必须在高速运动中才能启动和正常工作。

喷振机用热共振聚变堆加热空气，代替普通喷气发动机的化石燃料燃烧，没有燃烧不稳定、供油系统故障、燃料负荷及燃料引发火灾风险等问题，结构简单，是绿色、洁净、无碳、不污染空气的新型喷气发动机。可用作高速飞机的动力，能提供超长航程和超长留空时间。主要缺点是低速性能稍差。

由于所用的热共振聚变堆运行成本很低，能提供廉价的热能，因此喷振机也能提供廉价、安全、充足、清洁的推动力，会有广泛的应用。

1.喷振机概念方案 小中大型、热共振聚变堆供给热能、热交换器加热室、旋转叶轮式机构、空气工质、开放式循环、基本或组合型压气机系统、一体化紧凑型设计的涡轮喷气式热共振聚变发动机。可采用简化型堆芯；也可采用普通型堆芯，但整体结构的难度会增加。功用是把堆芯产生的热能转换成推动力并输出。气体燃料和乏燃料储存罐。喷振机商用目标：商用发动机。提供商用机械动力。例如，作为飞机、飞行器等的发动机。

2.整机系统组成、整体结构和布局：简化或普通I、II、III型组成：热共振聚变堆+热交换器+进气道+基本或组合型压气机系统+加热室+涡轮机+尾喷管+气体燃料和乏燃料储存罐+重水存储电解系统+其间输送管道泵阀+保温层+备用气体存储罐+控制、加热、辅助和维护等设备。结构和布局：热共振聚变堆和热交换器、进气道、压气机、加热室、涡轮机和尾喷管，热交换器和加热室合并，及冷却、润滑和控制系统等，采用紧凑型结构布置设计，共同组成一体化整机。见图6，图中所示为基本型。耐压气体储存罐设在主机旁，并与其用气体燃料阀、输送泵相连接。转子采用水平布置。

3.简化I型 小、中、大型。简化I型热共振聚变堆。转子采用水平布置。简化I型热共振聚变堆系统+进气道+基本或组合型压气机系统+加热室+涡轮机+尾喷管+控制润滑冷却起动等系统。

4.简化II型 小、中、大型。简化II型热共振聚变堆。其余与简化I型类似。

5.简化III型 小、中、大型。简化III型热共振聚变堆。其余与简化I型类似。

6.普通I、II、III型 小、中、大、巨型。普通I、II、III型热共振聚变堆。其余与相应的简化I、II、III型类似。例如，普通III高温型热共振聚变堆系统+进气道+基本或组合型压气机系统+加热室+涡轮机+尾喷管+控制润滑冷却起动等系统。

7.系统整体相容材料 初步选出几组相容性好的材料，主要是耐高温耐腐蚀性能，简化型见表1，普通型见表2。选择标准是优先选用性能稍差但价格低的材料。喷振机优选系统：简化I型。

八、火箭式热共振聚变发动机

火箭式热共振聚变发动机，简称箭振机，是一种以一体化紧凑型设计为特征、自带工质、主要采用液体工质、完全依赖高温高压气体产生的高速喷出气流的反作用力产生推力，把热共振聚变堆的热能转换为推动力的火箭式发动机。

箭振机，采用一体化紧凑型设计，简化型或普通型热共振聚变堆，自带液体工质，也可采用其它类型工质，开放式循环，主要提供推力，热能转换成推力采用高速喷出气流的模式。其动力特性主要由所用堆芯决定。箭振机与喷振机类似，主要差别是前者不用空气做工质，自带工质，能在大气层外和深空中提供推力。

普通火箭发动机有多种类型。采用与其相应的热能转换成推力的模式和机制，箭振机也有很多相似的类型。以满足和适应不同的工作环境和实际需要，对其性能提出的不同要求，包括性能提升和改善的要求。例如，可以要求提高工作温度、改善系统功能等以提高效益；也可以合并一些部件并放弃一些功能，以降低成本。

箭振机主要由热共振聚变堆、热交换器加热室、喷嘴工质存贮供应系统、尾喷管系统、控制系统等组成。其工作原理是，液体工质从存贮供应系统经加压后，从喷嘴喷入加热室，加热室由热共振聚变堆的热交换器构成，用以加热工质至高温高压状态，形成高速气流，从尾喷管高速喷出。其特点是完全依赖高速喷出的气流产生的反作用力形成的推力，提供动力。其余部分按普通火箭发动机稍作调整即可；例如，去除全部化学燃料系统等。

箭振机用热共振聚变堆加热液体工质，代替普通火箭发动机推进剂的燃烧，没有燃烧不稳定、供燃料系统故障及燃料引发火灾风险等问题，结构简单，是绿色、洁净、无碳、不污染大气和环境的新型火箭式发动机。

由于所用的热共振聚变堆运行成本很低，能提供廉价的热能，因此箭振机也能提供廉价、安全、充足、清洁的推动力，作为火箭发动机会有广泛的应用。

1.箭振机概念方案 小中大型、热共振聚变堆供给热能、热交换器加热室、液体工质、开放式循环、喷嘴工质存贮供应系统、一体化紧凑型设计的火箭式热共振聚变发动机。可采用简化型堆芯；也可采用普通型堆芯，但整体结构的难度会增加。功用是把堆芯产生的热能转换成推动力并输出。气体燃料和乏燃料储存罐。箭振机商用目标：商用发动机。提供商用机械动力。例如，作为火箭、空间飞行器等的发动机。

2.整机系统组成、整体结构和布局：简化或普通I、II、III型组成：热共振聚变堆系统+热交换器加热室系统+喷嘴工质存贮供应系统+尾喷管系统+气体燃料和乏燃料储存罐系统+重水存储电解系统+保温层系统+控制、加热、辅助和维护等系统和设备。结构和布局：热共振聚变堆和热交换器、喷嘴工质存贮供应系统、加热室、尾喷管系统，热交换器和加热室合并，及冷却、润滑和控制系统等，采用紧凑型结构布置设计，共同组成一体化整机。耐压气体储存罐设在主机旁，并与其用气体燃料阀、输送泵相连接。

3.简化I型 小、中、大型。简化I型热共振聚变堆。简化I型热共振聚变堆系统+热交换器加热室系统+喷嘴工质存贮供应系统+尾喷管系统+气体燃料和乏燃料储存罐系统+重水存储电解系统+保温层系统+控制润滑冷却起动辅助和维护等系统。

4.简化II型 小、中、大型。简化II型热共振聚变堆。其余与简化I型类似。

5.简化III型 小、中、大型。简化III型热共振聚变堆。其余与简化I型类似。

6.普通I、II、III型 小、中、大、巨型。普通I、II、III型热共振聚变堆。其余与相应的简化I、II、III型类似。例如，普通III高温型热共振聚变堆系统+热交换器加热室系统+喷嘴工质存贮供应系统+尾喷管系统+气体燃料和乏燃料储存罐系统+重水存储电解系统+保温层系统+控制润滑冷却起动辅助和维护等系统。

7.系统整体相容材料 初步选出几组相容性好的材料，主要是耐高温耐腐蚀性能，简化型见表1，普通型见表2。选择标准是优先选用性能稍差但价格低的材料。箭振机优选系统：简化I型。

九、热共振聚变发动机温度控制启动和停机方法及输出功率调节方法

1.热共振聚变发动机的启动方法：启动时，先启动热共振聚变堆，堆芯内加入适当浓度的气体核燃料，用辅助加热装置对主容器内的气体核燃料、热共振聚变组件逐渐加热，达到实现热共振聚变的温度后，热共振聚变堆即开始运行，产生并供应热能，产生高温高压蒸汽或气体，推动机件运动，实现热共振聚变发动机启动并完成启动过程。

2.热共振聚变发动机的停机方法：热共振聚变堆降温停堆停机法。正常运行的热共振聚变发动机，降低堆芯气体核燃料的温度，使热共振聚变组件的温度逐渐降低，热共振机制停止，聚变反应停止，实现停堆，热能供给停止，热共振聚变发动机停机。

3.热共振聚变发动机的输出功率调节方法：调节蒸汽或气体供给数量或/和压力或/和温度；调节堆芯工作温度偏离最佳工作温度的大小；调节堆芯内热共振聚变组件参与聚变反应的数量和程度，例如热共振聚变功能片或棒的一部分参与聚变反应。

本发明的有益效果是：热共振聚变发动机，克服了现有的发动机，如内燃机和外燃机都用化石燃料、火灾风险高、排放温室气体、污染大气和环境且都存在整体系统和结构复杂、制造运行维护成本高、技术难度大；电动机受供电限制很大无法单独使用仅适合固定或沿固定线路运行的工作条件等的不足，基于热共振聚变堆，能在普通条件和不太高的温度下长期安全稳定的运行并同时提供绿色、洁净、安全、廉价、充足的机械动力。热共振聚变发动机是一种新型的聚变核能发动机，可作为微型、小型、中型和大型发动机广泛的应用。

热共振聚变堆能以可控的方式实现持续的核聚变反应，使聚变核能的应用在技术和工程上成为切实可行的；具有温度调节热共振形成机制，容易控制，能保持在适合聚变的温度范围内，实现长期安全稳定的运行；正常运行时只需要用氘、氚等轻核，核燃料资源丰富而低价，不产生高放射性核废料，不污染环境；不涉及铀浓缩和钚分离问题，具有防核扩散功能；结构简单，适合小型和微型化，建造和运行总成本低，非常适合大规模推广应用，能彻底解决能源资源不足的问题。

热共振聚变堆的这些优异性能表明，以其作为供热能源的热共振聚变发动机，在机械动力资源发展战略中具有极其重要的地位和价值，有巨大的产业发展优势和前景。能实现用聚变核能充分满足人类长期机械动力需求的同时，解决能源、动力资源和核燃料资源不足、核安全和低碳发展的问题。还具有彻底改变当前世界机械动力资源供应模式和格局的巨大潜力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的作为发动机应用的内膨胀式热共振聚变发动机的工作原理和结构布局示意图。热共振聚变堆优选简化型，也可以是普通型。所示缸体部分为简化剖面构造示意图。

图2是本发明的作为发动机应用的斯特林热共振聚变发动机的工作原理和结构布局示意图。热共振聚变堆优选简化型，也可以是普通型。所示结构类型为I型斯振机，即双动力活塞在气体连通的热冷两缸中运动驱动气体并具有双活塞连接在曲轴同一点上的典型三角阵式结构。所示部分为简化剖面构造示意图。

图3是本发明的作为发动机应用的蒸汽活塞式热共振聚变发动机的工作原理和结构布局示意图。热共振聚变堆优选简化型，也可以是普通型。所示为单作用式汽缸的简化剖面构造示意图。

图4是本发明的作为发动机应用的闭循环蒸汽涡轮式热共振聚变发动机的工作原理和结构布局示意图。热共振聚变堆优选简化型，也可以是普通型。所示部分为简化剖面构造示意图。

图5是本发明的作为发动机应用的闭循环气体涡轮式热共振聚变发动机的工作原理和结构布局示意图。热共振聚变堆优选简化型，也可以是普通型。所示部分为简化剖面构造示意图。

图6是本发明的作为发动机应用的涡轮喷气式热共振聚变发动机的工作原理和结构布局示意图。热共振聚变堆优选简化型，也可以是普通型。所示为基本型喷振机的简化剖面构造示意图。

图1中，1.活塞装置，2.汽缸系统，3.热交换器系统，4.热共振聚变堆系统，5.重水存储电解系统，6.储气罐系统，7.喷口高压泵供水系统，8.水箱系统，9.排汽系统，10.泵系统，11.冷凝器系统，12.辅助系统，13.曲轴连杆机构，14.飞轮系统。

图2中，1.冷却器和低温区热交换器系统，2.低温汽缸气体工质低温工作区，3.低温活塞系统，4.低温汽缸体系统，5.低温活塞连杆机构，6.曲轴飞轮系统，7.双活塞连杆在曲轴上的同一连接点，8.高温活塞连杆机构，9.高温汽缸体系统，10.高温活塞系统，11.高温汽缸气体工质高温工作区，12.热共振聚变堆热源系统，13.高温热交换器系统，14.气体工质连通管道和交流换热器系统。

图3中，1.活塞系统，2.汽缸和缸体系统，3.储气罐系统，4.重水存储电解系统，5.热共振聚变堆热交换器系统，6.蒸汽发生器或锅炉系统，7.滑阀配汽机构和调速机构，8.高压泵管道阀供水系统，9.排汽系统，10.冷凝器系统，11.辅助系统，12.曲轴连杆机构，13.飞轮系统。

图4中，1.热共振聚变堆系统，2.热交换器和蒸汽发生器系统，3.高压泵管道阀供水系统，4.冷凝器系统，5.蒸汽轮机和缸体隔板等及辅助系统，6.负载系统，7.主轴和联轴器系统，8.叶轮和动叶片系统。

图5中，1.气轮机缸体隔板等及辅助系统，2.压气机系统，3.热共振聚变堆系统，4.热交换器和加热室系统，5.主轴和联轴器系统，6.涡轮机系统，7.负载系统，8.冷却器系统。

图6中，1.进气系统，2.压气机系统，3.热共振聚变堆系统，4.热交换器和加热室系统，5.主轴系统，6.涡轮机系统，7.尾喷管系统。

具体实施方式

制造新发动机时，要按照对发动机的具体指标要求并同时按照热共振聚变发动机的要求设计制造，才能满足热共振聚变发动机的正常运行的特殊性能的要求。实现其优异性能，如只需要对该堆输入气体核燃料并在常规条件下，无碳无氧不需要复杂系统，即可实现低成本的长期安全稳定的正常运行。

在图1中，气体聚变燃料可由重水存储电解系统(5)电解生产再供给储气罐系统(6)，气体聚变燃料由气体聚变燃料贮罐及管道泵和加料控制系统(6)进入热共振聚变堆(4)内发生聚变反应，放出的热能传导入汽缸系统(2)的汽缸内的热交换器系统(3)的热交换器，同时喷口高压泵供水系统(7)从水箱系统(8)抽水并产生高温高压水经喷口喷入汽缸内的热交换器上，在汽缸内产生高温高压蒸汽，蒸汽膨胀推动活塞装置(1)移动并带动曲轴连杆机构(13)运动和飞轮系统(14)转动，膨胀后的蒸汽经排汽系统(9)排出汽缸进入冷凝器系统(11)，蒸汽冷凝成水后经泵系统(10)泵入水箱系统(8)，形成工作循环。飞轮系统(14)转动对外输出机械动力。辅助系统(12)起协调辅助运行等作用。

在图2中，所示的结构类型为工型斯振机。热共振聚变堆热源系统(12)产生的热能，通过高温热交换器系统(13)传入高温汽缸气体工质高温工作区(11)中，加热工质气体。冷却器和低温区热交换器系统(1)中的冷却器，通过低温区热交换器冷却低温汽缸气体工质低温工作区(2)中的工质气体。气体工质连通管道和交流换热器系统(14)连接并输送高温汽缸气体工质高温工作区(11)和低温汽缸气体工质低温工作区(2)中的工质气体，并同时用交流换热器吸收流入冷区工质气体的热能再转移到流入热区的工质气体中，以提高热效率。工作循环由四个过程组成。过程1：多数工质气体在高温汽缸气体工质高温工作区(11)中经高温热交换器系统(13)的热交换器加热，膨胀推动高温活塞系统(10)的高温活塞移动直至高温汽缸体系统(9)的高温汽缸顶端，同时通过高温活塞连杆机构(8)推动曲轴飞轮系统(6)的曲轴飞轮转动，并带动低温活塞连杆机构(5)和低温活塞系统(3)的活塞移动，使低温汽缸气体工质低温工作区(2)扩大，低温活塞落后高温活塞有90度的相差，并从热区把工质气体抽入冷区中。过程2：工质气体的总体积已达到最大。之后，高温活塞开始回复移动，并把多数工质气体从高温汽缸气体工质高温工作区(11)压入低温汽缸气体工质低温工作区(2)中冷却和减低压力。过程3：几乎所有工质气体都处在低温汽缸气体工质低温工作区(2)中并继续冷却。在曲轴飞轮系统(6)通过低温活塞连杆机构(5)驱动下，低温活塞系统(3)的活塞开始回复移动，压缩冷区中的工质气体。过程4：工质气体的总体积已达到最小，接着工质气体在高温汽缸气体工质高温工作区(11)中再加热膨胀，推动高温活塞系统(10)的高温活塞移动，对外输出动力，完成I型斯振机的工作循环。低温汽缸体系统(4)与高温汽缸体系统(9)垂直。低温活塞连杆的曲轴连接端与高温活塞连杆的曲轴连接端，定位在双活塞连杆在曲轴上的同一连接点(7)上。

图3中，气体聚变燃料可由重水存储电解系统(4)电解生产再供给储气罐系统(3)，气体聚变燃料由气体聚变燃料贮罐及管道泵和加料控制系统(3)进入热共振聚变堆热交换器系统(5)内发生聚变反应，产生的热能输入蒸汽发生器或锅炉系统(6)产生高温高压蒸汽，高温高压蒸汽经滑阀配汽机构和调速机构(7)进入汽缸系统(2)的汽缸内，蒸汽膨胀推动活塞装置(1)移动并带动曲轴连杆机构(12)运动和飞轮系统(13)转动，膨胀后的蒸汽经排汽系统(9)排出汽缸进入冷凝器系统(10)，蒸汽冷凝成水后经泵系统(8)泵入蒸汽发生器或锅炉系统(6)，形成工作循环。飞轮系统(13)转动对外输出机械动力。辅助系统(11)起协调辅助运行等作用。

图4中，热共振聚变堆系统(1)内的聚变反应产生的热能传导入热交换器和蒸汽发生器系统(2)产生高温高压蒸汽，蒸汽导入蒸汽轮机和缸体隔板等及辅助系统(5)内膨胀推动涡轮机的主轴和联轴器系统(7)和叶轮和动叶片系统(8)转动，并带动负载系统(6)转动，膨胀后的蒸汽排入冷凝器系统(4)，蒸汽冷凝成水后经高压泵管道阀供水系统(3)泵入热交换器和蒸汽发生器系统(2)，形成工作循环。主轴和联轴器系统(7)的主轴与负载系统(6)的主轴，用联轴器连接。

图5中，热共振聚变堆系统(3)内的聚变反应产生的热能经热交换器和加热室系统(4)传导入加热室内加热工质气体，并形成高温高压气体导入涡轮机系统(6)内膨胀，推动涡轮机及其主轴和联轴器系统(5)转动，并带动负载系统(7)转动，膨胀后的气体排入冷却器系统(8)，冷却减压后的气体输入压气机系统(2)加压后进入热交换器和加热室系统(4)的加热室内加热，形成工作循环。压气机系统(2)的压气机，与涡轮机系统(6)的涡轮机，共用主轴和联轴器系统(5)的同一个主轴，一起转动。主轴和联轴器系统(5)的主轴与负载系统(7)的主轴，用联轴器连接。气轮机缸体隔板等及辅助系统(1)起支撑和隔离等作用，以保证整机的正常运行。

图6中，气体经进气系统(1)进入压气机系统(2)对气体加压，加压后的气体进入热交换器和加热室系统(4)的加热室内，同时热共振聚变堆系统(3)内的聚变反应产生的热能经热交换器和加热室系统(4)导入加热室内加热气体，并形成高温高压气体导入涡轮机系统(6)内膨胀，推动涡轮机及其主轴系统(5)转动，并带动压气机系统(2)的压气机转动，膨胀后的气体经尾喷管系统(7)的尾喷管高速喷出，高速喷出气流的反作用力形成喷振机的推力。压气机系统(2)的压气机，与涡轮机系统(6)的涡轮机，共用主轴系统(5)的同一个主轴，一起转动。

Claims (10)

1.一种热共振聚变发动机，用热共振聚变堆作为热源，并把热能转换成机械动力，以可控方式实现持续机械动力输出的装置，其特征是：标准化、模块化、系列化设计，由简化或普通型热共振聚变堆提供热能，通过热交换器把热能传输给工质，工质受热体积膨胀推动活塞或叶轮等运动，以可控方式把聚变核能转换成机械动力输出，能在普通条件和不太高的温度下长期安全稳定的运行，提供绿色、洁净、安全、廉价、充足的机械动力；同时使聚变核能机械动力的实际应用在技术工艺、工业制造和产业化上成为切实可行的；可作为微型、小型、中型和大型发动机安全运行和广泛应用的热共振聚变发动机。

2.根据权利要求1所述的热共振聚变发动机，其特征是：内膨胀式热共振聚变发动机，闭式或开放式循环，单缸或多缸结构，把热能转换成机械动力的方法是采用往复、旋转或自由活塞式机构，热共振聚变堆产生的热能经热交换器直接传入汽缸内的热交换器，同时把高压液体工质，例如水等，经喷口喷入汽缸内的高温热交换器表面，迅速汽化膨胀形成高温高压蒸汽推动活塞移动，并带动曲轴连杆机构运动，同时推动曲轴和飞轮转动，再由飞轮带动活塞与排汽机构排出胀形后的蒸汽，或用旋转或自由活塞的转换模式，并对外输出机械动力；多缸模式能使转动更平稳和输出功率更大；以及简化或普通I或II或III型热共振聚变堆系统+热交换器系统+喷口高压泵水箱排汽系统冷凝器系统+汽缸活塞曲轴连杆机构系统+机体和气缸盖系统+配气机构+润滑系统+冷却系统+起动装置+气体燃料和乏燃料储存罐系统+重水存储电解系统+保温层系统+备用气体存储罐系统+控制、加热、辅助和维护等系统的内膨胀式热共振聚变发动机的整套系统。

3.根据权利要求1所述的热共振聚变发动机，其特征是：斯特林热共振聚变发动机，采用热共振聚变堆作为热源，传导式热交换器，闭式循环，不变工质气体，斯特林I或II或III型结构，单缸或多缸，热能转换成机械动力采用往复活塞式机构；采用单热源多缸结构设计的工作模式，能使转动更平稳和输出功率更大；以及简化或普通I或II或III型热共振聚变堆系统+热交换器(加热器)系统+高温区热交换器系统+交流换热器系统+冷却器系统+低温区热交换器系统+冷源系统+配气活塞系统+闭式循环不变气体工质+气缸活塞曲轴连杆机构系统+机体润滑系统+气体燃料和乏燃料储存罐系统+重水存储电解系统+其间燃料输送管道泵阀系统+保温层系统+备用气体存储罐系统+控制、加热、辅助和维护等系统的斯特林热共振聚变发动机的整套系统。

4.根据权利要求1所述的热共振聚变发动机，其特征是：蒸汽活塞式热共振聚变发动机，采用热共振聚变堆供给热能，开放或闭式循环，单缸或多缸，锅炉或蒸汽发生器产生高温高压蒸汽，热能转换成机械动力采用往复活塞式机构；采用单热源多缸结构设计的工作模式，能使转动更平稳和输出功率更大；以及简化或普通I或II或III型热共振聚变堆系统+锅炉或蒸汽发生器系统+汽缸、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、飞轮、调速机构和底座系统+管道泵阀水箱排汽系统冷凝器系统+气体燃料和乏燃料储存罐系统+重水存储电解系统+保温层系统+控制、加热、辅助和维护等系统和设备的蒸汽活塞式热共振聚变发动机的整套系统。

5.根据权利要求1所述的热共振聚变发动机，其特征是：蒸汽涡轮式热共振聚变发动机，采用热共振聚变堆供给热能，蒸汽发生器或锅炉产生蒸汽，一体化紧凑型设计，闭式或开放式循环，旋转叶轮式机构，蒸汽和水工质，工质连续流动，热能转换成机械动力采用旋转叶轮式机构；以及简化或普通I或II或III型热共振聚变堆系统+热交换器系统+蒸汽发生器或锅炉系统+蒸汽轮机系统+冷凝器系统+泵管道阀系统+气体燃料和乏燃料储存罐系统+重水存储电解系统+其间输送管道泵阀系统+保温层系统+备用气体存储罐系统+控制、加热、辅助和维护等系统的蒸汽涡轮式热共振聚变发动机的整套系统。

6.根据权利要求1所述的热共振聚变发动机，其特征是：气体涡轮式热共振聚变发动机，采用热共振聚变堆供给热能，热交换器加热室加热气体，一体化紧凑型设计，闭式或开放式循环，旋转叶轮式机构，气体工质，工质连续流动，把热能转换成机械动力采用旋转叶轮式机构；以及简化或普通I或II或III型热共振聚变堆系统+热交换器和加热室、压气机、涡轮机、冷却器组成的闭布雷顿循环气轮机组系统+气体燃料和乏燃料储存罐系统+重水存储电解系统+其间输送管道泵阀系统+保温层系统+备用气体存储罐系统+控制、加热、辅助和维护等系统的气体涡轮式热共振聚变发动机的整套系统。

7.根据权利要求1所述的热共振聚变发动机，其特征是：涡轮喷气式热共振聚变发动机，包括基本型和组合型，采用热共振聚变堆供给热能，热交换器加热室加热气体，旋转叶轮式机构，一体化紧凑型设计，空气工质，开放式循环，基本或组合型压气机系统，压气机和涡轮机同轴，主要提供推力，把热能转换成推力采用高速喷出空气流的模式和结构；以及简化或普通I或II或III型热共振聚变堆系统+热交换器加热室系统+进气道系统+基本或组合型压气机系统+涡轮机系统+尾喷管系统+气体燃料和乏燃料储存罐系统+重水存储电解系统+其间输送管道泵阀系统+保温层系统+备用气体存储罐系统+控制、加热、辅助和维护等系统的涡轮喷气式热共振聚变发动机的整套系统。

8.根据权利要求1所述的热共振聚变发动机，其特征是：冲压喷气式热共振聚变发动机，采用热共振聚变堆供给热能，热交换器加热室加热气体，不用压气机和涡轮机，一体化紧凑型设计，空气工质，开放式循环，主要提供推力，把热能转换成推力采用高速喷出空气流的模式和结构；以及简化或普通I或II或III型热共振聚变堆系统+热交换器加热室系统+进气道系统+尾喷管系统+气体燃料和乏燃料储存罐系统+重水存储电解系统+保温层系统+控制、加热、辅助和维护等系统和设备的冲压喷气式热共振聚变发动机的整套系统。

9.根据权利要求1所述的热共振聚变发动机，其特征是：火箭式热共振聚变发动机，采用热共振聚变堆供给热能，热交换器加热室加热工质，自带工质，工质优选液体，也可用其它类型工质，开放式循环，一体化紧凑型设计，主要提供推力，把热能转换成推力采用高速喷出气流的模式和结构；以及简化或普通I或II或III型热共振聚变堆系统+热交换器加热室系统+喷嘴工质存贮供应系统+尾喷管系统+气体燃料和乏燃料储存罐系统+重水存储电解系统+保温层系统+控制、加热、辅助和维护等系统和设备的火箭式热共振聚变发动机的整套系统。

10.根据权利要求1所述的热共振聚变发动机，其特征是：用辅助加热装置提高或降低热共振聚变堆的堆芯温度启动或停止热共振聚变发动机的启动或停机系统；用调节蒸汽或气体供给数量或/和压力或/和温度，或调节堆芯工作温度偏离最佳工作温度的大小，或调节堆芯内热共振聚变组件参与聚变反应的数量和程度，调节热共振聚变发动机的输出功率的技术和整套系统。