CN111681784A - 低温可控核聚变的一种实现方式与装置 - Google Patents
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Abstract
低温可控核聚变的一种实现方式与装置，属于绿色能源领域。本发明提出一种低温核聚变方法。从含质子或氘核的化合物中解离出质子或氘核及带负电荷的粒子，用电场分开质子或氘核与带负电荷的粒子，用磁场将不同速度的质子或氘核分开，用不同强度的电场对不同速度的质子或氘核加速、从而调制出单能质子或氘核束，用单能质子或氘核束辐照靶物质，靶物质中的原子核吸收质子或氘核、发生聚变反应、释放核能。这种核聚变不产生放射性核乏燃料，低温，容易控制和小型化，造价低。
Description
技术领域 本发明属绿色能源领域。
背景技术 迄今为止，可控核聚变未能实现。这是由于，可控核聚变不仅仅需要一亿度以上的高温，而且还要满足劳逊条件。对于一亿度以上高温的等离子体，劳逊条件是不容易满足的。鉴于此，我们提出了低温实现核聚变的途径[1]。文献[1]需要首先输入几个MeV能量产生中子，这导致耗散的能量较多。为此，我们提出本发明，不必产生中子，直接用质子或氘核与核聚变，释放核能。
本发明保持了[1]优点。与[1]的差别在于，这种核聚变方式的好处是，不必花费能量制取中子，核聚变过程更简单；不足是，同一个原子核吸收质子或氘核的截面小于吸收中子的截面。
发明内容 为实现上述目的，本发明提出以下8种技术措施。
这种低温可控核聚变的一种实现方式与装置具有以下特征。
特征之一是，用单能质子束辐照靶物质，靶物质中的原子核吸收质子、发生聚变反应、释放核能；设靶原子核NT吸收质子反应的阈能为EPa，以含有核NT原子的物质为靶物质；从含氢原子的化合物中解离出质子P与带负电荷的粒子，用电场与磁场分开质子P和带负电荷的粒子，将质子加速、并调制为单能质子束，使质子P动能EP≥EPa，用单能质子束辐照靶物质；
靶物质有多种选择，其中一部分靶物质相应的原子核是：
这些核相应分子及其化合物构成的物质能够作为靶物质；
含氢原子的物质也有许多种，其中三种是：H2、H2O、酸；酸中的三种是HF、HCl、H2S，相应的带负电荷的粒子是，电子、OH-、酸根，酸根中的三种是，F-、Cl-、S--。
特征之二是，用氘核d代替权利要求中的质子p与靶核聚变；从含氘的化合物中解离出氘核d和带负电荷的粒子，用电场与磁场分开氘核和带负电荷的粒子，将氘核加速、并调制为单能氘核束；使氘核d动能Ed≥Eda，这里Eda是靶核NT吸收氘核反应的阈能；用单能氘核束辐照靶物质，靶原子吸收氘核、发生聚变反应、释放出核能；所用的靶物质与特征之一相同；含氘原子的物质也有许多种，其中三种是：D2、D2O、氘原子代替酸中氢原子形成的氘酸；氘酸中的三种是DF、DCl、D2S，相应的带负电荷的粒子是，电子、OD-、酸根，酸根中的三种是，F-、Cl-、S--。
能够与质子和氘核发生聚变反应、并能释放核能的原子核有许多种。任何一种具有这样原子核的原子及其化合物都可以作为靶核。例如， Li、B、Al、Be、LiF、LiCl、NaCl、NaF、BeS、AlCl3可根据其价格与储量选取靶核。这取决于获取这种原子核的难易程度、价格、聚变发生的概率。不导电的靶物质混入碳纤维等能够导电，使得正电荷能够被中和。
特征之三是，在电离室中将含氢的分子解离为质子与带负电荷的粒子；电离室中心与直角坐标系XYZ原点重合，在电离室的底面上连通有含氢分子的输入管道，在垂直于Y方向两个侧面上分别有将含氢分子电离为质子与带负电荷粒子的高压脉冲放电电极；在垂直于X方向两个壁面中部分别连通有平行于X 轴、直径相同的质子和带负电荷粒子通过的管道，在带负电荷粒子通过管道的端部紧密固定有垂直于这个管道、即平行于YZ平面、与直流电源正极连通的导电档板SP；在导电档板电场作用下，质子和带负电荷的粒子分别通过质子管道和带负电荷粒子管道；质子管道口连通质子速度调制装置Vm；Vm中有垂直于管道、即Y方向的磁场，在磁场作用下，质子转向(-Z)方向，在Y方向磁场作用下，质子按速度分开，以(-Z)方向不同的电场强度对不同速度的质子分别加速，从而将质子调制为单能质子束，并使质子的动能EP≥EPa；
装置Vm与平行于XY平面、全封闭、内直径为R的圆周形靶物质输送管道 PT连通；PT内有沿管道做循环圆周运动、输送靶物质的传送带，传送带上装载靶物质，传送带垂直位于单能质子束的下方、以与质子束流强度相匹配的速度移动；靶物质的形态是粉末、液态和固态中的一种；粉末和液态靶物质装填在依次连接、无上盖板的容器内；靶物质导电，容器壁、传送带的导轨和管道PT都是相互连通的导体；管道PT和导电挡板SP分别用导线连接到直流电源SPT的负极与正极；
单能质子束垂直向下入射到靶物质上，靶物质原子核与质子发生聚变反应，产生新原子核、并释放核能；靶物质的厚度等于质子在靶物质中的穿透深度；
在电离室及管道的周围，在靶物质的周围，有吸收光能与热能的物质与装置；这样，为制作单能质子束和带负电荷粒子所输入的能量、和质子与靶核聚变释放出来的光能、热能与电能被有效地传导、回收、利用。
质子或氘核与靶核聚变反应后，将使靶物质温度升高。温度升高的数量与正比于聚变反应多少、从而正比于入射质子或氘核束流的强度。为不使靶物质温度升高很多，所以靶物质要移动。移动的速度正比于质子或氘核束流的强度，即，传送带以与质子束流强度相匹配的速度移动。
从含氢原子或氘原子的分子中解离出质子或氘核是常规技术，如高压脉冲放电或用单光子能量大于质子或氘核与分子其余部分结合能的光照射含氢原子或氘原子的分子都能够将含氢分子解离为氢核或氘核与负离子或电子。相对于从氢分子获得质子、或从氘分子获得氘核，从酸分子获得质子或氘核有时是更易的。
质子或氘核的动能之所以要大于他们与靶核发生吸收反应的阈能，是因为质子或靶核入射到靶核物质内部后，由于与电子及靶核的作用，其动能在其被靶核吸收前会减小。
特征之四是，特征之三中的氢气和质子分别用氘气和氘核代替；单能氘核束中的氘核d被加速到其动能Ed≥Eda，其余部分与特征之三相同。
附图说明 图1是低温可控核聚变装置剖面概略示意图。图中，1是靶物质；2是传送带；3是表面有绝缘层的直流高压电源负极；4是表面有绝缘层的直流高压电源正极；5是垂直于管道的强磁场；6是质子或氘核管道；7是电子或负离子管道；8是与电源正极连通的导体挡板；9是直流电源；10是真空电离室；11是含氢核或含氘核分子气体进气管；12是高压直流电源绝缘层。
图2是真空电离室Y方向脉冲放电电极示意图。图中13是脉冲放电电极。
具体实施方式 一个边长10cm的立方形真空电离室CI，其三边分别平行于直角坐标XYZ轴，电离室中心在坐标原点。在电离室垂直于Z方向的两个壁面中部连通有直径1cm的管道，用于连续输入与输出氘气。在垂直于Y轴方向的两个壁面上分别均匀固定有81个长1cm的针状放电电极，两个壁面上的电极分别与1000V脉冲高压电源的正、负极连通。垂直于X轴方向的两壁面分别连通有直径3cm的管道，正、负X轴方向管道分别是氘核管道Pdx与电子管道Pex。电子管道Pex长5cm，其端口处密闭连接有铜挡板Bm。Bm与直流高压电源正极连接。在距离电离室右侧面5cm处，氘核管道Pdx与平行于Z轴的氘核速度调制装置Vm连通。在速度调制装置Vm内，垂直于XZ平面的磁场将氘核按速度分开，对不同速度的氘核用不同强度的电场加速，从而获得氘核d动能Ed≥Eda的单能氘核束。氘核与核
聚变的阈能～0.5MeV，因此调整装置Vm内直流高压电源SV的电压，将氘核加速、使其动能Ed～0.6MeV.这是考虑到氘核入射靶物质后会减速。装置Vm中电场方向平行于(-Z)，因此单能氘核束垂直向下运动。速度调制装置Vm与平行于XY平面、全封闭、内直径1m的圆周形靶物质输送管道PT连通。PT内有沿管道做圆周运动的输送靶物质传送带。传送带上装载混有碳纤维的粉末状靶物质LiF。这种靶物质装填在依次连接、容积为深3cm、宽3cm、长8cm的容器内。容器的两个侧壁和底板由铜制作。传送带以每秒1m 的速度移动。靶物质容器与传送带金属轨道及管道PT都是电连通的。
电离室的壁板、管道和挡板Bm都是导热良好的金属材料制作的，所以光能、热能能够被有效地传导、吸收利用。
直流电源SBT的正极与电子管道Pex端部的挡板Bm连通，SBT旳负极与金属管道PT连通。
工作过程是，通过氘气管道向电离室充入氘气，用Y方向脉冲电源将氘分子电离为氘核与电子；在X方向电场作用下，电子经过管道Pex入射到铜挡板 Bm，然后到直流电源SBT的正极。氘核经过管道Pdx到达速度调制装置Vm，经过 Vm中磁场与电场的调制与加速，成为单能氘核束，并向下垂直入射到靶物质中。在靶物质中，氘核与核
发生聚变反应，产生新的原子核α等，同时释放核能。由于靶物质以与单位时间入射氘核的数量匹配的速度移动，所以靶物质的温度能够被控制，不会很高。释放的核能能够被有效地利用。
参考文献
[1]陈素珍 一种低温可控核聚变装置及其实现方式，申请号： 201910731956.1，申请日：2019.7.29。
Claims (4)
1.低温可控核聚变的一种实现方式与装置，其特征是，用单能质子束辐照靶物质，靶物质中的原子核吸收质子、发生聚变反应、释放核能；设靶原子核NT吸收质子反应的阈能为EPa，以含有核NT原子的物质为靶物质；从含氢原子的化合物中解离出质子P与带负电荷的粒子，用电场与磁场分开质子P和带负电荷的粒子，将质子加速、并调制为单能质子束，使质子P动能EP≥EPa，用单能质子束辐照靶物质；
靶物质有多种选择，其中一部分靶物质相应的原子核是：
这些核相应分子及其化合物构成的物质能够作为靶物质；
含氢原子的物质也有许多种，其中三种是：H2、H2O、酸；酸中的三种是HF、HCl、H2S，相应的带负电荷的粒子是，电子、OH-、酸根，酸根中的三种是，F-、Cl-、S--。
2.权利要求1所述的低温可控核聚变的一种实现方式与装置，其特征是，用氘核d代替权利要求中的质子p与靶核聚变；从含氘的化合物中解离出氘核d和带负电荷的粒子，用电场与磁场分开氘核和带负电荷的粒子，将氘核加速、并调制为单能氘核束；使氘核d动能Ed≥Eda，这里Eda是靶核NT吸收氘核反应的阈能；用单能氘核束辐照靶物质，靶原子吸收氘核、发生聚变反应、释放出核能；所用的靶物质与权利要求1相同；含氘原子的物质也有许多种，其中三种是：D2、D2O、氘原子代替酸中氢原子形成的氘酸；氘酸中的三种是DF、DCl、D2S，相应的带负电荷的粒子是，电子、OD-、酸根，酸根中的三种是，F-、Cl-、S--。
3.权利要求1所述的低温可控核聚变的一种实现方式与装置，其特征是，在电离室中将含氢的分子解离为质子与带负电荷的粒子；电离室中心与直角坐标系XYZ原点重合，在电离室的底面上连通有含氢分子的输入管道，在垂直于Y方向两个侧面上分别有将含氢分子电离为质子与带负电荷粒子的高压脉冲放电电极；在垂直于X方向两个壁面中部分别连通有平行于X轴、直径相同的质子和带负电荷粒子通过的管道，在带负电荷粒子通过管道的端部紧密固定有垂直于这个管道、即平行于YZ平面、与直流电源正极连通的导电档板SP；在导电档板电场作用下，质子和带负电荷的粒子分别通过质子管道和带负电荷粒子管道；质子管道口连通质子速度调制装置Vm；Vm中有垂直于管道、即Y方向的磁场，在磁场作用下，质子转向(-Z)方向，在Y方向磁场作用下，质子按速度分开，以(-Z)方向不同的电场强度对不同速度的质子分别加速，从而将质子调制为单能质子束，并使质子的动能EP≥EPa；
装置Vm与平行于XY平面、全封闭、内直径为R的圆周形靶物质输送管道PT连通；PT内有沿管道做循环圆周运动、输送靶物质的传送带，传送带上装载靶物质，传送带垂直位于单能质子束的下方、以与质子束流强度相匹配的速度移动；靶物质的形态是粉末、液态和固态中的一种；粉末和液态靶物质装填在依次连接、无上盖板的容器内；靶物质导电，容器壁、传送带的导轨和管道PT都是相互连通的导体；管道PT和导电挡板SP分别用导线连接到直流电源SPT的负极与正极；
单能质子束垂直向下入射到靶物质上，靶物质原子核与质子发生聚变反应，产生新原子核、并释放核能；靶物质的厚度等于质子在靶物质中的穿透深度；
在电离室及管道的周围，在靶物质的周围，有吸收光能与热能的物质与装置；这样，为制作单能质子束和带负电荷粒子所输入的能量、和质子与靶核聚变释放出来的光能、热能与电能被有效地传导、回收、利用。
4.权利要求1、3所述的低温可控核聚变的一种实现方式与装置，其特征是，权利要求3中的氢气和质子分别用氘气和氘核代替；单能氘核束中的氘核d被加速到其动能Ed≥Eda，其余部分与权利要求3相同。
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| Persaud et al. | A tandem-based compact dual-energy gamma generator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200918 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |