CN112309591A - 中子数增殖实现低温可控核聚变的方式与装置 - Google Patents
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Abstract
中子数增殖实现低温可控核聚变的方式与装置属核能领域。用散裂中子源产生的单能快中子入射到与中子能量相应、能够增殖中子数的靶核中，与靶核反应，产生更多、但能量低的热中子。这些热中子入射到能与其发生聚变的靶核中、发生聚变反应、释放核能。与用于聚变靶核发生聚变反应、释放核能。另一方式是，将与入射离子聚变的靶核变为等离子体，这种等离子体的温度在2×105‑106℃之间，具体温度决定于所用的聚变核的种类；离子束入射到这个等离子体中，与其中原子核聚变，释放核能。这种核聚变无任何污染，由于在低温实现，因此容易控制、效率高、造价低，也能小型化。
Description
技术领域 中子数增殖实现低温可控核聚变的方式与装置属核能源领域。
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，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]-[3]。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。文献[3]的不足之处在于，入射到含有靶核的液体或固体中的质子或氘核与靶核发生聚变概率小。针对这两种低温核聚变方法的不足，提出本发明。
本发明的要点在于，用散裂中子源产生的单能快中子入射到与中子能量相应、能够增殖中子数的靶核中，与靶核反应，产生更多、但能量低的热中子。这些热中子入射到能与其发生聚变的靶核中、发生聚变反应、释放核能。这样就克服了文献[1]的不足；由于中子数倍增、且热中子被核吸收截面大，这样就克服了文献[3]的不足，并能保留[1][3]优点。
发明内容 本发明提出以下四个方法实现上述目的。
1.利用中子数增殖实现低温可控核聚变，其特征是，利用散裂中子源能够产生单能性好、中子入注量大的特点，调整散裂中子源中入射到靶核离子束的能量，并选取相应的靶核A0，能使出射中子的能量E0在一个所需要的能量范围内(E0min，E0max)；中子源的靶核及入射离子有多种可供选择；其中三种靶核是
入射离子是质子p，相应的反应是[4]
当这些中子数流强为I0的中子入射到靶核A0周围的第一次中子数增殖靶核A1上时，这能量范围(E0min，E0max)内的中子与靶核A1反应，中子数流强增加到I1＝k1I0 k1＞1；这些靶核A1中的三种是
相应的反应是[3]
第一次增殖产生的中子能量E1必然小于增殖前的能量E0，因为这些中子的能量有一部分要消耗在靶核A1的中子结合能上，以使靶核A1释放中子；选取靶核A1，就确定了E1的取值范围 (E1min，E1max)；当能量为E1的中子入射到靶核A1周围的第二次中子数增殖丰中子靶核A2上时，这些中子与靶核A2发生反应并产生更多中子，中子数的流强增加到I2＝k2I1，k2＞1；靶核A2有多种，其中一种是
相应于的E1取值范围是1.66MeV＜E1，相应的反应是[4]，
EBe＝0.092MeV；第二次增殖产生的中子能量E2小于E1，如果E2仍然大于1.66MeV，则这样的过程仍能够进行下去，直至释放的中子是热中子为止；
这些热中子入射到靶核A2周围的聚变靶核A3上，靶核A3有多种，其中两种是
与热中子相应的反应是[5]：
经过m次(2)-(3)这样的过程，热中子数能够增加到k1k2…km倍；后面的计算表明，这个过程有净能量输出；这个核聚变过程是在低温下实现的，是低温可控核聚变；
前面提到的入射离子是质子、氘核、氚核、氦核、重离子核；
靶核A0有多种，其中一些是，钨核、汞核、锡核、铅核、
用于第一次中子数流增殖的原子核A1有多种，其中的一些是，
用于第二次中子数流增殖的原子核A2有多种，其中的一个是，
最后与中子聚变反应的核A3有多种，其中四种是
实现这种聚变反应的装置如下：
A.在一个真空室中，入射离子束打到原子核为A0的离子靶S0上，靶是运动的，以致于离子束在靶上的作用点是连续变化的；靶连接有导线，与离子源构成回路；靶中流通有冷却流体，冷却流体的作用是冷却离子靶S0，同时将靶S0里的中子与核反应释放的能量带出来，所用流体的成分、流量、气态或液态，根据需要确定；
B.真空室壁S1由原子核为A1的物质制作，壁S1的厚度决定于两个条件：(A)能量为E0的入射中子与壁S1中靶核发生反应的概率大于0.5；(B)新产生、能量为E1的中子被壁S1吸收的概率小于0.1；壁S1中流通有冷却流体；
C.紧密固定在真空室壁S1外面的壁S2由原子核为A2的物质制作，壁S2的厚度决定于两个条件：(A)能量为E1的中子与壁S2中靶核A2发生反应的概率大于0.5；(B)新产生、能量为E2的中子被壁S2吸收的概率小于0.1；在壁S2的外表面镀有防腐保护薄膜；
D.在壁S2的外面安置有形状与壁S2相似的壁S3，壁S3由与热中子发生聚变反应、原子核为A3的物质制作，确定壁S3的厚度的条件是，壁S3能够完全吸收进入其中的热中子；壁S3的两个外表面都镀有防腐保护薄膜；壁S3与S2之间流通有冷却流体；冷却流体的作用是冷却壁 S3与S2，同时将壁S3与S2里的中子与核反应的能量带出来，所用流体的成分、流量、气态或液态，根据需要确定；
当一组壁板S2、与S3不能完全吸收中子时，壁板S2、与S3这种结构根据需要重复依次排列多层；
E.紧密贴在最后一个由A3核物质制作的壁S3外表面的是氧化铍层，氧化铍层结合在厚为5-10mm的铍层上；铍层外表面是铅层，铅层厚度决定于其能完全吸收残余中子；铅层外表面有冷却流体；
氧化铍层能够反射中子。被反射回来的中子，重新开始增值、成为热中子、与靶核发生聚变反应。由于热中子被吸收截面很大，所以只要S2、S3重复排列层数足够多，增殖的中子就足够多，而且几乎都能够参与聚变反应，释放核能。
S1、S2、S3与直流电源连通，以便这些部分没有自由电荷。
2.第二种实现中子数增值的方式与装置是，当上述高能离子打到靶核后，不仅仅释放中子，还产生质子p、或氘核d、或氦核α时，用电场和磁场将这些离子分离出来、并重新加速，然后入射到靶核中，与靶核聚变，释放核能；这样的靶核有多种，其中四中是
其中两个聚变反应是[5]
Ep是当质子能量；
3.第三种实现中子数增殖的方式与装置是，增大入射离子与靶核的反应概率，为此要增大靶核的密度。具体方法是，使上述中子源中的靶核A0处于靶核与电子构成的等离子体状态，等离子体的温度在2×105-6×106℃之间，具体温度决定于所用的靶核种类；等离子体被磁场约束，多种装置能够产生约束等离子体的磁场，一种装置是托卡马克装置；另一种约束这种等离子体的方式是‘惯性约束’，惯性约束的方法是利用多数激光或粒子束约束这种等离子体；
被约束的等离子体中靶核的密度是相应固体中靶核密度的100-1000倍，离子束入射到这个等离子体中，与其中的靶核反应，使靶核释放中子；然后这些中子入射到中子数增殖的靶上，中子数增加，最后热中子与用于聚变的原子核聚变，释放出核能。
4.基于第三种方式与装置，可控核聚变能够用更简单的方式实现。将第三种方式中的等离子体换为用于聚变的原子核等离子体，即，将与入射离子聚变的靶核变为等离子体，这种等离子体的温度在2×105-106℃之间，具体温度决定于所用的聚变核的种类；离子束入射到这个等离子体中，与其中原子核聚变，释放出核能。
由于这种方式的等离子体温度远低于传统核方式聚变的温度，因此能够将等离子体的密度压缩到足够大，约束的时间也足够长。另一方面，入射离子的能量很大，因此入射离子与靶核发生释放中子的反应或聚变概率反应的就很大，因此能够在低温实现可控核聚变。
附图说明 图1中子数增殖实现低温可控核聚变装置中部正面剖面示意图。图中，1是圆盘形、原子核为A0的离子靶；2是真空室；3是原子核为A1的真空室的壁S1；4是用与中子反应、使中子数增殖得原子核为A2的物质制作、紧密固定在真空室壁S1外面的壁S2；5是冷却流体；6是用与热中子聚变、原子核为A3的物质制作、安置在壁S2外面的壁S3；7是冷却流体；8与4成分与作用都相同，是4的相似形，包围在壁S3的外部，称作壁4；9是冷却流体；10与6成分与作用都相同，是6的相似形，包围在壁S4的外部，称作壁5；11是冷却流体；12是结合在铍上的氧化铍薄层；13是用铍制作的壁5的相似形，包围在壁5的外部，称作壁6；14是用铅制作的壁6相似形，包围在壁，6的外部，称作壁7。
图2中子数增殖实现低温可控核聚变装置中部侧面剖面示意图。图中，15是圆盘形、原子核为A0的离子靶；16是真空室；17是真空室的壁S1；18是紧密固定在真空室壁S1外面的壁S2；19是冷却流体；20是安置在壁S2外面的壁S3；21是冷却流体；22包围在壁S3的外部的壁4；23是冷却流体；24包围在壁S4外部的壁5；25是冷却流体；26氧化铍薄层；27是 28是包围在壁5外部、铅制作的壁7；29是离子束进入真空室、对着圆形靶盘边缘的通道； 30是圆形靶盘的转轴。
具体实施方式 准备一个能将质子加速到300MeV、束流为1mA的质子加速器。用原子核
相应的钽制作一个内径120mm、长30mm、壁厚15mm、圆筒形的真空室。
以原子核
相应的钽制作离子靶。靶的形状是一个带有转轴的圆盘，圆盘直径为 100mm、厚20mcm，圆盘中心固定一个转轴，转轴直径20mm，长140mm，转轴内径有10mm的冷却水管道，圆盘内有直径40mm、高10mm的空腔。冷却水能够从这个轴内管道的一端流入，经过圆盘内的空腔，再从这个轴的另一端流出。这个转轴安置在真空室中部。转轴在真空室内部分的外表面有反射中子的氧化铍层。转轴能在真空室外的动力驱动下快速转动。
在圆筒形真空室的一个底面、距离转轴轴心43mm处开一个直径8mm的小孔，这个小孔外连接内径8mm的质子束真空管道。单质子能量300MeV的质子束经过这个管道入射到转动的圆盘上。
紧贴真空室壁上固定一层厚为10mm、，原子核为
的铍层B1。在铍层B1的外表面镀薄钽层。
在这个钽层的外部，安置形状与铍层B1相似、厚度为10mm的锂层。锂层L1的内表面有薄层钽，紧贴锂层L1的外表面是一层厚10mm铍层B2。锂层L1的内表面和铍层B1的外表面相距5mm，其中流通有冷却水。在铍层B2的外表面镀钽薄膜。
在铍层B2的外部，安置形状与铍层B2相似、厚度为10mm的锂层L2。锂层L2的内表面有薄层钽。锂层L2的内表面与铍层B2的外表面相距5mm，其中流通有冷却水。紧贴锂层L2的外表面是一层厚1mm氧化铍，紧贴氧化铍层的是10mm铍层B3。铍层B3外表面紧贴着5mm厚的铅层。
这个装置的工作过程如下：一个能量300MeV质子打到靶核
上后，可释放出9 个平均能量大于20MeV的中子。最终没有打到靶核的质子结合电子后，留在靶内，其能量转化为热能与电能，可以被回收利用。能量20MeV的中子入射到真空室的壁上后，与真空壁内的核
反应，由(2)可知，释放出2个中子。由于中子无电荷，核对中子吸收截面大，只要靶足够厚，中子与靶核反应的概率就接近于1。但是中子在靶内多次碰撞后，能量会减少，最后成为热中子而被吸收。为避免这种情况，真空室壁不能太厚，因此确定其厚度为15mm。经过真空室壁后，中子数流强增加接近2倍，中子平均能量大于6MeV。
一个能量6MeV的质子入射到铍层B1后，由(3)可知，反应后能释放2个中子，每个中子平均能量大于2MeV。这些中子入射到锂层L1后，热中子与
聚变反应后，释放放核能。考虑到锂中
比例是0.925，
是0.075，由(4)可知一个中子被锂核吸收后，平均释放能量15.9MeV。
没有被锂层L1吸收、能量大于1.66MeV的中子入射到铍层B2后，这个中子与核
反应，释放2个中子，是热中子。这些热中子入射到锂层L2后，与锂核聚变后，平均释放15.9MeV 核能。剩余的中、慢子被氧化铍层反射回来，继续上述各种反应，只有极少数高能中子能够穿过氧化铍反射层，最后被铅层吸收。可见，在这个过程，300MeV质子所释放的中子数增加接近8倍，这些中子几乎都能被吸收。
这个装置中，入射的质子的40％打到核
中子数增加的倍数是6。考虑到一个 300MeV的质子与
反应后释放9个中子，每个中子与锂核聚变后释放的能量平均是 15.9MeV，则1mA(6.25×1015个质子流)所释放的核能是
0.4×6.25×1015×9×6×15.9＝2.1465×1018MeV
没有与靶核发生反应的质子数是0.6×6.25×1015＝3.75×1015，每个质子能量是300MeV。这些质子的能量将转化为热能与电能。这些能量被回收利用的效率是0.5，则回收的能量是 0.5×3.75×1015×300＝5.625×1017MeV。输入能量是6.25×1015×300＝1.875× 1018MeV。可见，这个过程净输出能量是
2.1465×1018+5.625×1017-1.875×1018＝8.34×1017MeV.
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.
[2]Chen，S.H.and Chen Z.W.(2020)，A Possible Way to Realize ControlledNuclear Fusion at Low Temperatures，World Journal of Science and Technology，10.23-31. doi：10.4236/wjnst.2020.101003
[3]陈素珍 低温可控核聚变的一种实现方式与装置，申请号：202010556617.7，申请日： 2020.6.12。
[4]戴能雄 李际周 高良俊，亚原子物理学手册，科学出版社，(1995)267，617，459，612， 688，593，196。
196，195.
[5]杨福家 王炎森 陆福全，原子核物理，复旦大学出版社，2006，216.148，296。
Claims (4)
1.中子数增殖实现低温可控核聚变的方式与装置，其特征是，利用散裂中子源能够产生单能性好、中子入注量大的特点，调整散裂中子源中入射到靶核离子束的能量，并选取相应的靶核A0，能使出射中子的能量E0在一个所需要的能量范围内(E0min，E0max)；中子源的靶核及入射离子有多种可供选择；其中三种靶核是
入射离子是质子p，相应的反应是
当这些中子数流强为I0的中子入射到靶核A0周围的第一次中子数增殖靶核A1上时，这能量范围(E0min，E0max)内的中子与靶核A1反应，中子数流强增加到I1＝k1I0k1＞1；这些靶核A1中的三种是
相应的反应是
第一次增殖产生的中子能量E1必然小于增殖前的能量E0；选取靶核A1，就确定了E1的取值范围(E1min，E1max)；当能量为E1的中子入射到靶核A1周围的第二次中子数增殖丰中子靶核A2上时，这些中子与靶核A2发生反应并产生更多中子，中子数的流强增加到I2＝k2I1，k2＞1；靶核A2有多种，其中一种是
相应于的E1取值范围是1.66MeV＜E1，相应的反应是
EBe＝0.092MeV；第二次增殖产生的中子能量E2小于E1，如果E2仍然大于1.66MeV，则这样的过程仍能够进行下去，直至释放的中子是热中子为止；
这些热中子入射到靶核A2周围的聚变靶核A3上，靶核A3有多种，其中两种是
与热中子相应的反应是
经过m次(2)-(3)这样的过程，热中子数能够增加到k1k2…km倍；这个过程有净能量输出；这个核聚变过程是在低温下实现的，是低温可控核聚变；
前面提到的入射离子是质子、氘核、氚核、氦核、重离子核；
靶核A0有多种，其中一些是，钨核、汞核、锡核、铅核、
用于第一次中子数流倍增的原子核A1有多种，其中的一些是，
用于第二次中子数流增殖的原子核A2有多种，其中的一个是，
最后与中子聚变反应的核A3有多种，其中四种是
实现这种聚变反应的装置如下：
A.在一个真空室中，入射离子束打到原子核为A0的离子靶S0上，靶是运动的，以致于离子束在靶上的作用点是连续变化的；靶连接有导线，与离子源构成回路；靶中流通有冷却流体，冷却流体的作用是冷却离子靶S0，同时将靶S0里的中子与核反应释放的能量带出来，所用流体的成分、流量、气态或液态，根据需要确定；
B.真空室壁S1由原子核为A1的物质制作，壁S1的厚度决定于以下两个要求：(A)能量为E0的入射中子与壁S1中靶核发生反应的概率大于0.5；(B)新产生、能量为E1的中子被壁S1吸收的概率小于0.1；壁S1中流通有冷却流体；
C.紧密固定在真空室壁S1外面的壁S2由原子核为A2的物质制作，壁S2的厚度决定于以下两个要求：(A)能量为E1的中子与壁S2中靶核A2发生反应的概率大于0.5；(B)新产生、能量为E2的中子被壁S2吸收的概率小于0.1；在壁S2的外表面镀有防腐保护薄膜；
D.在壁S2的外面安置有形状与壁S2相似的壁S3，壁S3由与热中子发生聚变反应、原子核为A3的物质制作，确定壁S3的厚度的条件是，壁S3能够完全吸收进入其中的热中子；壁S3的两个外表面都镀有防腐保护薄膜；壁S3与S2之间流通有冷却流体；冷却流体的作用是冷却壁S3与S2，同时将壁S3与S2里的中子与核反应的能量带出来，所用流体的成分、流量、气态或液态，根据需要确定；
当一组壁板S2、与A3不能完全吸收中子时，壁板S2、与S3这种结构根据需要重复依次排列多层；
E.紧密贴在最后一个由A3核物质制作的壁S3外表面的是氧化铍层，氧化铍层结合在厚为5-10mm的铍层上；铍层外表面是铅层，铅层厚度决定于其能完全吸收残余中子；铅层外表面有冷却流体；
S1、S2、A3与直流电源连通，以便这些部分没有自由电荷。
2.权利要求1所述的中子数增殖实现低温可控核聚变的方式与装置，其特征是，当上述离子打到靶核后，不仅仅释放中子，还产生质子p、或氘核d、或氦核α时，用电场和磁场将这些离子分离出来、并重新加速，然后入射到靶核中，与靶核聚变，释放核能；这样的靶核有多种，其中四中是
其中两个聚变反应是
Ep是当质子能量。
3.权利要求1所述的中子数增殖实现低温可控核聚变的方式与装置，其特征是，增大靶核的密度；具体方法是，使上述中子源中的靶核A0处于靶核与电子构成的等离子体状态，等离子体的温度在2×105-6×106℃之间，具体温度决定于所用的靶核种类；等离子体被磁场约束，多种装置能够产生约束等离子体的磁场，一种装置是托卡马克装置；另一种约束这种等离子体的方式是‘惯性约束’，惯性约束的方法是利用多数激光或粒子束约束这种等离子体；
被约束的等离子体中靶核的密度是相应固体中靶核密度的100-1000倍，离子束入射到这个等离子体中，与其中的靶核反应，使靶核释放中子；然后这些中子入射到中子数增殖的靶上，中子数增加，最后热中子与用于聚变的原子核聚变，释放出核能。
4.权利要求1所述的中子数增殖实现低温可控核聚变的方式与装置，其特征是，将权利要求3中的等离子体换为用于聚变的原子核等离子体，即，将与入射离子聚变的靶核变为等离子体，这种等离子体的温度在2×105-106℃之间，具体温度决定于所用的聚变核的种类；离子束入射到这个等离子体中，与其中用于聚变的原子核聚变，释放出核能。
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| WO2022183994A1 (zh) * | 2021-03-04 | 2022-09-09 | 姜卫 | 一种化学元素转化的方法及装置 |
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