CN107910074A - 一种用于静电约束核聚变的阴极装置及静电约束核聚变装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电约束核聚变技术领域，尤其涉及一种用于静电约束核聚变的阴极装置及静电约束核聚变装置，能够提高阴极周围的聚变粒子浓度，进而能提高静电约束核聚变装置的聚变产率。本发明实施例提供一种静电约束核聚变装置的阴极装置，包括阴极空心网格球；阴极空心网格球由储氢金属或储氢合金材料制成。本发明实施例用于静电约束核聚变装置的生产制造。

Description

一种用于静电约束核聚变的阴极装置及静电约束核聚变装置

技术领域

本发明涉及静电约束核聚变技术领域，尤其涉及一种用于静电约束核聚变装置的阴极装置及静电约束核聚变装置。

背景技术

静电约束核聚变装置是利用强电场加热核燃料至聚变条件的一种装置，主体是一个内部呈真空状态的大球，四面布置上电极，在里面有一个带高压静电的金属网格组成的小球，其中，外圈的大球接地，为阳极网格球，内圈的小球接高压负电，为阴极空心网格球，在进行核聚变反应时，核燃料氘气或氚气在阳极附近被电离，并在电场作用下向内圈的阴极空心网格小球运动，由于内圈网格小球的金属丝所占面积非常小，通常小于5％，因此，带电离子可以穿过内圈网格小球而聚集在阴极空心网格小球的中心，带电离子之间发生碰撞而发生聚变。

在理想状态下，聚变粒子如氘离子或氚离子如果没有在阴极空心网格小球的中心发生聚变，与阴极的金属丝也不发生相互作用，就可以再次进行聚变，然而，事实上，大部分聚变粒子很容易与阴极空心网格小球的金属丝发生碰撞，使聚变粒子的能量被耗散，无法再次参与聚变，极大地降低了静电约束核聚变装置的聚变产率。

发明内容

本发明的实施例提供一种用于静电约束核聚变装置的阴极装置及静电约束核聚变装置，能够提高阴极周围的聚变粒子浓度，进而能提高静电约束核聚变装置的聚变产率。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种用于静电约束核聚变装置的阴极装置，包括阴极空心网格球；

阴极空心网格球由储氢金属或储氢合金材料制成。

可选的，储氢金属和储氢合金的熔点均大于等于1000℃，且储氢金属和储氢合金的储氢质量分数均大于等于1％。

可选的，储氢金属选自铌、钽、钯、钇和钛中的任意一种；

储氢合金选自镧镍五、钛锰合金、钛铬合金、钛镍合金、钛铁合金、钛铌合金、钛锆合金、钛锰氮合金、钛锰铬合金、钛锆铬锰合金、锆铬合金、锆锰合金、铁钛合金和铁钛锰合金中的任意一种。

可选的，阴极空心网格球由储氢金属或储氢合金材料制成的经线圈和纬线圈交叠连接而成。

可选的，经线圈和纬线圈分别由直径为0.3-1mm的储氢金属丝或储氢合金丝环绕构成；

或者，经线圈和纬线圈分别由宽为3-15mm，厚度为0.3-1mm的储氢金属带或储氢合金带环绕构成；

其中，经线圈和纬线圈的个数分别为3-10个。

可选的，该装置还包括：阴极引线，阴极引线外侧装配有陶瓷绝缘套筒。

另一方面，本发明实施例提供一种静电约束核聚变装置，包括：

真空腔体、设置在真空腔体内的如上所述的阴极装置和阳极网格球，其中，阴极装置中的阴极空心网格球设置在阳极网格球内且与阳极网格球同心设置。

再一方面，本发明实施例提供一种采用如上所述的静电约束核聚变装置进行核聚变的方法，包括：

对阴极空心网格球进行储氢处理，并将储氢处理后的阴极空心网格球与阳极网格球同心安装在真空腔体内；

将真空腔体内抽真空至10^-6torr，向真空腔体内通入氘气和/或氚气，使真空腔体内的真空度为10^-3torr，将阳极网格球接地，将阴极空心网格球接高压负电，使得氘气和/或氚气在阳极网格球和阴极空心网格球所形成的电场作用下发生核聚变反应。

可选的，对阴极空心网格球进行储氢处理之前，该方法还包括：

将阴极空心网格球安装在静电约束核聚变装置中，在惰性气氛下进行放电处理，以对阴极空心网格球进行老练处理。

可选的，在核聚变反应中，当核聚变的温度达到800℃时，该阴极空心网格球中的氘气和/或氚气被释放出来。

本发明实施例提供一种用于静电约束核聚变装置的阴极装置，采用储氢金属或储氢合金作为阴极材料，在进行核聚变反应之前，可以在一定的条件下对阴极材料进行储氢处理，以将氘原子或氚原子溶入金属或合金晶格中获得固溶体，当进行聚变反应，且氘离子或氚离子作为聚变粒子与阴极材料发生碰撞时，固溶体中的氘离子或氚离子可与聚变粒子继续发生聚变反应，克服了现有技术中聚变粒子碰撞到阴极空心网格球而使得能量损失而无法继续进行聚变使得聚变产率较低的缺陷，并且，随着阴极空心网格球在聚变反应中受到氘离子或氚离子轰击温度逐渐升高，可以缓慢地释放聚变粒子，提高阴极周围聚变粒子的浓度，从而能够进一步提高聚变产率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于静电约束核聚变装置的阴极装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种静电约束核聚变装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种核聚变方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、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。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一方面，本发明实施例提供一种用于静电约束核聚变装置的阴极装置，参见图1，包括阴极空心网格球1；

阴极空心网格球1由储氢金属或储氢合金材料制成。

储氢金属是一种能可逆地吸收和释放氢气的金属材料，储氢合金是一种能可逆地吸收和释放氢气的合金材料，如镧镍金属间化合物就具有可逆吸收和释放氢气的性质。其原理是金属与氢形成诸如离子型化合物、共价型金属氢化物、金属相氢化物-金属间化合物等结合物,并在一定条件下(如加热等)能将氢释放出来。

本发明实施例提供一种用于静电约束核聚变装置的阴极装置，采用储氢金属或储氢合金作为阴极材料，在进行核聚变反应之前，可以在一定的条件下对阴极材料进行储氢处理，以将氘原子或氚原子溶入金属或合金晶格中获得固溶体，当进行聚变反应，且氘离子或氚离子作为聚变粒子与阴极材料发生碰撞时，固溶体中的氘离子或氚离子可与聚变粒子继续发生聚变反应，克服了现有技术中聚变粒子碰撞到阴极空心网格球1而使得能量损失而无法继续进行聚变使得聚变产率较低的缺陷，并且，随着阴极空心网格球1在聚变反应中受到氘离子或氚离子轰击温度逐渐升高，可以缓慢得释放聚变粒子，提高阴极周围聚变粒子的浓度，从而能够进一步提高聚变产率。

其中，需要说明的是，由于聚变反应中阴极网格在离子轰击下温度会急剧升高，因此，这就需要用作阴极的储氢金属和储氢合金具有较高的熔点。

优选的，储氢金属和储氢合金的熔点均大于等于1000℃，且储氢金属和储氢合金的储氢质量分数均大于等于1％。储氢质量分数是指系统储存氢气的质量与系统质量的比值。以储氢金属为例，该储氢金属的储氢质量分数是指储氢金属中储存或可储存氢气的质量与储氢金属质量的比值。这样一来，由于储氢金属或储氢合金的熔点较高，可形成高熔点的合金相，并且通过选择储氢质量分数较高的储氢金属和储氢合金，在聚变过程中可释放更多的聚变粒子，能够进一步提高聚变产率。

进一步优选的，储氢金属选自铌、钽、钯、钇和钛中的任意一种；

储氢合金选自镧镍五、钛锰合金、钛铬合金、钛镍合金、钛铁合金、钛铌合金、钛锆合金、钛锰氮合金、钛锰铬合金、钛锆铬锰合金、锆铬合金、锆锰合金、铁钛合金和铁钛锰合金中的任意一种。

氘气或氚气均能够渗入这些储氢金属和储氢合金的晶格间隙内形成间隙固溶体，在聚变过程中，氘离子或氚离子在与该间隙固溶体碰撞时，能够增加与该间隙固溶体中的氘原子或氚原子的碰撞几率，提高聚变产率。

其中，对储氢金属或储氢合金进行储氢的具体操作不做限定，只要氘气或氚气能够溶入储氢金属或储氢合金中形成合金相即可。

本发明的一实施例中，将储氢金属或储氢合金放置于氘气和/或氚气气氛炉中，在500℃-600℃下处理18h-24h以进行储氢。

这里，可以将储氢金属或储氢合金制作好阴极空心网格球1之后放置于氘气和/或氚气气氛炉中进行储氢，也可以先对储氢金属或储氢合金进行储氢之后再将其制作成阴极空心网格球1。

由于储氢金属或储氢合金在进行储氢处理之后，所获得的固溶体的硬度会增加，但塑性会下降，在磕碰下容易发生破碎，不利于阴极网格球的制作，因此，优选的，将阴极空心网格球1制作好之后再进行储氢处理。

其中，还需要说明的是，由于采用储氢金属或储氢合金所制作的阴极空心网格球1的表面通常具有毛刺，细微金属颗粒以及污染物等，因此，在对由储氢金属或储氢合金所制作的阴极空心网格球进行储氢之前，还可以对阴极空心网格球1进行老练处理，以除去阴极空心网格球1表面的毛刺、细微金属颗粒以及污染物等。

具体的，可以将阴极空心网格球1同心安装在阳极网格球内组装成静电约束核聚变装置，在惰性气氛下进行放电处理，以对阴极空心网格球1进行老练处理。

具体包括如下步骤：

将阴极空心网格球1与阳极网格球安装在真空腔体中，通入惰性气体，如氢气、氮气或氩气等，使真空腔体中的气压达到mTorr级别，而后，对阴极空心网格球1通入高压负电，并将阳极网格球接地，持续放电5-10个小时。

其中，阴极空心网格球1可以由储氢金属或储氢合金制成的金属丝缠绕形成。

本发明的一实施例中，阴极空心网格球1由储氢金属或储氢合金材料制成的经线圈和纬线圈交叠并连接而成。经线指示南北方向，所有经线都呈半圆状且长度相等；两条正相对的经线形成一个经线圈；同理，两个正相对的纬线形成一个纬线圈，这里，经线圈和纬线圈是相对而言的，并不对其的具体指向方向进行限定，例如，经线圈可以顺着东南和西北的方向进行设置，这时，纬线圈则顺着西南和东北的方向设置，采用此方式制作阴极空心网格球使得阴极空心网格球1制作方便，形状规则。

其中，经线圈和纬线圈之间可以通过激光焊接的方式实现连接。

本发明的又一实施例中，经线圈和纬线圈分别由直径为0.3-1mm的储氢金属丝或储氢合金丝环绕构成；

或者，经线圈和纬线圈分别由宽为3-15mm，厚度为0.3-1mm的储氢金属带或储氢合金带环绕构成。

这里，需要说明的是，在现有技术中，由于大部分的聚变粒子会撞击到阴极空心网格1上而造成聚变粒子能量的损耗，因此，制作阴极空心网格1的金属丝的直径越小越好，提高网格的透明度。而金属丝太细不利于激光焊接的进行。在本发明实施例中，由于聚变粒子碰撞到阴极空心网格球1上也具有一定的聚变几率，因此，不需要选取过细的金属丝，能够降低激光焊接的难度，同时，还能够提高金属丝的储氢量。

通过对激光焊接的难易程度、储氢量以及网格透明度进行综合考虑，优选的，经线圈和纬线圈分别由直径为0.5-0.7mm的储氢金属丝或储氢合金丝环绕而成，或者，经线圈和纬线圈分别由宽为5-10mm，厚为0.5-0.7mm的储氢金属带或储氢合金带环绕而成。

本发明的又一实施例中，经线圈和纬线圈的个数分别为3-10个。

这里，需要说明的是，由于经线圈和纬线圈由储氢金属或储氢合金材料制成，因此，在聚变粒子碰撞到经线圈和纬线圈之后，存在与经线圈和纬线圈中的聚变粒子继续发生聚变反应的可能，与现有技术中的金属丝使聚变粒子的能量被耗散相比，没有必要考虑网格的透明度，可以多设置经线圈和纬线圈，并且，设置经线圈和纬线圈的个数越多，其储氢量就越多，电场分布就越均匀，有利于提高聚变粒子的能量和浓度，从而能够进一步提高聚变产率。

优选的，经线圈和纬线圈的个数分别为4-6个。能够最大程度上提高聚变产率。

其中，还需要说明的是，一般情况下，阴极空心网格球1的直径由真空腔体和阳极网格球的直径决定，通常为阳极网格球的直径的1/5，在真空腔体内的气压确定的情况下，真空腔体的直径越大，可容纳的氘气或氚气越多，也就是可容纳的聚变原料越多，但腔体过大，在阴阳极之间施加的电压就会减小，不利于聚变粒子能量的提高。因此，优选的，阴极空心网格球1的直径为20-100mm。可在兼顾聚变粒子的能量的同时提高聚变原料的容纳量。

为了最大程度上提高聚变原料的容纳量并同时提高聚变粒子的能量，进一步优选的，阴极空心网格球1的直径为80-100mm。

本发明的又一实施例中，阴极装置还包括阴极引线2，该阴极引线2外侧装配有陶瓷绝缘套筒3。

其中，阴极引线2优选为熔点大于等于1000℃，具有一定塑性的金属。如不锈钢、钼、铌、钽、钒和铼等。

其中，绝缘套筒3优选为耐高压的绝缘材料制成，如氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硼陶瓷、碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷等。

其中，绝缘套筒3和阴极引线2的缝隙中还可以填充耐高温陶瓷胶。

其中，阴极空心网格球1与阴极引线2通过激光焊接的方式进行连接。

另一方面，本发明实施例提供一种静电约束核聚变装置，参见图2，包括：

真空腔体01、设置在该真空腔体01内的如上所述的阴极装置02和阳极网格球03，其中，该阴极装置02中的阴极空心网格球设置在该阳极网格球03内且与该阳极网格球03同心设置。

本发明实施例提供一种静电约束核聚变装置，通过采用如上所述的阴极装置，在进行核聚变反应之前，可以在一定的条件下对阴极材料进行储氢处理，以将氘原子或氚原子溶入金属或合金晶格中获得固溶体，当进行聚变反应，且氘离子或氚离子作为聚变粒子与阴极材料发生碰撞时，固溶体中的氘离子或氚离子可与聚变粒子继续发生聚变反应，克服了现有技术中聚变粒子碰撞到阴极空心网格球而使得能量损失而无法继续进行聚变使得聚变产率较低的缺陷，并且，随着阴极空心网格球在聚变反应中受到氘离子或氚离子轰击温度逐渐升高，可以缓慢得释放聚变粒子，提高阴极周围聚变粒子的浓度，从而能够进一步提高聚变产率。

再一方面，本发明实施例提供一种采用如上所述的静电约束核聚变装置进行核聚变的方法，参见图3，包括：

001)对阴极空心网格球进行储氢处理，并将储氢处理后的阴极空心网格球与阳极网格球同心安装在真空腔体内；

002)将真空腔体内抽真空至10^-6torr，向真空腔体内通入氘气和/或氚气，使真空腔体内的真空度为10^-3torr，将阳极网格球接地，将阴极空心网格球接高压负电，使得氘气和/或氚气在阳极网格球和阴极空心网格球所形成的电场作用下发生核聚变反应。

本发明实施例提供一种采用如上所述的静电约束核聚变装置进行核聚变的方法，通过采用如上所述的阴极装置，并在进行核聚变反应之前，对阴极空心网格球进行储氢处理，当进行聚变反应时，氘离子或氚离子作为聚变粒子即使轰击到阴极空心网格球上，也可与聚变粒子继续发生聚变反应，克服了现有技术中聚变粒子碰撞到阴极空心网格球而使得能量损失而无法继续进行聚变使得聚变产率较低的缺陷，并且，随着阴极空心网格球在聚变反应中受到氘离子或氚离子轰击温度逐渐升高，可以缓慢得释放聚变粒子，提高阴极周围聚变粒子的浓度，从而能够进一步提高聚变产率。

其中，对阴极空心网格球进行储氢的具体操作不做限定，只要氘气或氚气能够溶入储氢金属或储氢合金中形成合金相即可。

本发明的一实施例中，将阴极空心网格球放置于氘气和/或氚气气氛炉中，在500℃-600℃下处理18h-24h以进行储氢。

其中，需要说明的是，由于采用储氢金属或储氢合金所制作的阴极空心网格球的表面通常具有毛刺，细微金属颗粒以及污染物等，因此，在对由阴极空心网格球进行储氢之前，还可以对阴极空心网格球进行老练处理，以除去阴极空心网格球表面的毛刺、细微金属颗粒以及污染物等。

具体的，可以将阴极空心网格球安装在静电约束核聚变装置中，在惰性气氛下进行放电处理，以对阴极空心网格球进行老练处理。

具体包括如下步骤：

将阴极空心网格球与阳极网格球安装在真空腔体中，通入惰性气体，如氢气、氮气或氩气等，使真空腔体中的气压达到mTorr级别，而后，对阴极空心网格球通入高压负电，并将阳极网格球接地，持续放电5-10个小时。

进一步地，在核聚变反应中，当核聚变的温度达到800℃时，阴极空心网格球中的氘气或/和氚气被释放出来。能够提高阴极空心网格球周围的聚变粒子浓度，提高聚变产率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于静电约束核聚变装置的阴极装置，其特征在于，包括阴极空心网格球；

所述阴极空心网格球由储氢金属或储氢合金材料制成。

2.根据权利要求1所述的阴极装置，其特征在于，

所述储氢金属和所述储氢合金的熔点大于等于1000℃，且所述储氢金属和所述储氢合金的储氢质量分数均大于等于1％。

3.根据权利要求1所述的阴极装置，其特征在于，

所述储氢金属选自铌、钽、钯、钇和钛中的任意一种；

所述储氢合金选自镧镍五、钛锰合金、钛铬合金、钛镍合金、钛铁合金、钛铌合金、钛锆合金、钛锰氮合金、钛锰铬合金、钛锆铬锰合金、锆铬合金、锆锰合金、铁钛合金和铁钛锰合金中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的阴极装置，其特征在于，

所述阴极空心网格球为由储氢金属或储氢合金材料制成的经线圈和纬线圈交叠连接而成。

5.根据权利要求4所述的阴极装置，其特征在于，

所述经线圈和所述纬线圈分别由直径为0.3-1mm的储氢金属丝或储氢合金丝环绕构成；

或者，所述经线圈和所述纬线圈分别由宽为3-15mm，厚度为0.3-1mm的储氢金属带或储氢合金带环绕构成；

其中，所述经线圈和所述纬线圈的个数分别为3-10个。

6.根据权利要求1所述的阴极装置，其特征在于，

还包括阴极引线，所述阴极引线外侧装配有陶瓷绝缘套筒。

7.一种静电约束核聚变装置，其特征在于，包括：

真空腔体、设置在所述真空腔体内的如权利要求1-6任一项所述的阴极装置和阳极网格球，其中，所述阴极装置中的阴极空心网格球设置在所述阳极网格球内且与所述阳极网格球同心设置。

8.一种采用如权利要求7所述的静电约束核聚变装置进行核聚变的方法，其特征在于，包括：

对所述阴极空心网格球进行储氢处理，并将储氢处理后的阴极空心网格球与阳极网格球同心安装在真空腔体内；

将所述真空腔体内抽真空至10^-6torr，向所述真空腔体内通入氘气和/或氚气，使所述真空腔体内的真空度为10^-3torr，将阳极网格球接地，将阴极空心网格球接高压负电，使得氘气和/或氚气在所述阳极网格球和阴极空心网格球所形成的电场作用下发生核聚变反应。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对所述阴极空心网格球进行储氢处理之前，所述方法还包括：

将所述阴极空心网格球安装在静电约束核聚变装置中，在惰性气氛下进行放电处理，以对所述阴极空心网格球进行老练处理。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在核聚变反应中，当核聚变的温度达到800℃时，所述阴极空心网格球中的氘气和/或氚气被释放出来。