CN112352292A - 用于生成热和功率的离子束设备和方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过控制来自等离子体室(106)中低功率等离子体(107)的离子束的密度、焦点和速度来产生热和电能的设备和方法，从等离子体室(106)中提取离子束(111)到反应室(103)，选择性地将靶(102)富集到靶氢化物中以产生和维持热，并在所述靶中选择性地进行冷聚变反应，从所述反应中回收热能(105)以提供加热和/或发电(119)，在不需要额外的热的情况下选择性地为靶补充额外的离子燃料和/或沉积额外的靶材料，在加热以及可选的富集/沉积和冷聚变循环期间，从腔室中提取多余的燃料以进行重新组合，若有必要，则与源燃料(109)的任何燃料副产物一起再用作源燃料。
Description
技术领域
本公开涉及热和功率生成技术领域。
背景技术
自从1989年发现冷聚变/冷核聚变以来[M.Fleischmann,S.Pons and M.Hawkins,J.Electroanal.Chem.,261(1989)301.]，它的特点是有能力产生超过输入能量并且也远远超过任何已知的化学反应的热。在过去的几十年中，该领域已经有数以千计的学术文章以及数百项专利申请。由于难以再现实验观测结果，且对观测结果缺乏充分的理论解释，人们对“冷聚变”产生了一些误解，由此产生了诸如LENR(Low-Energy Nuclear Reaction，低能核反应)，LANR(Lattice Assisted Nuclear Reactions，晶格辅助核反应)或CANR(Chemically Assisted Nuclear Reactions，化学辅助核反应)等委婉说法。
这种现象最早是由Fleischmann和Pons(如上所述)在电解实验中观察到的。在300°K、形成LiO-和D+离子的0.1M LiOD的重水(99.5％D2O，0.5％H2O)溶液中，在铂阳极(带正电荷)和钯阴极(带负电荷)之间施加1.54V电压。在初始富集过程中，钯首先将氘离子吸收到钯晶格内的空隙中，这是周期表的第10族元素的已知性能。最终，检测到过量的热，该热远远超出了任何已知的化学反应所能解释的程度，从而得出结论：核聚变发生在额外进入的D+离子和先前束缚在金属晶格中的富集D+离子之间，产生氦(4He)。许多科研论文和专利都遵循了这一范例的变型，有些论文和专利将富集阶段与冷聚变阶段完全分开。最近采用这种方法的专利代表是[JP2015090312A,2013]。这种方法的缺点是很难精确地控制晶格富集停止和冷聚变反应开始的点。通过单独地富集靶晶格、然后在冷聚变反应室中利用制备的靶晶格，克服了这一困难。但一旦富集物耗尽，这种分离本身就使得连续操作变得困难。另一个问题是，在富集或反应阶段，很难控制进入晶格的离子的速度和方向，也很难独立地改变它们的体积。在实践中使用这种方法的一个重要障碍是，为了产生足够的热来提供有用的功率的量，电解液自身会迅速蒸发。
另一种方法是使用第10族金属，如镍或镍钯合金，有时与ZrO2结合，形成纳米颗粒或金属颗粒，并被D2(或H2)气体包围。通过制造纳米颗粒，金属合金暴露在气体中的表面积增加。这是有利的，因为实验观察到大多数聚变反应发生在靶合金表面附近。为了获得持续的反应，气体被提升到300℃到500℃的中等温度(与1亿℃下的热聚合相比)，这将充分激发D以富集合金晶格，并最终引发聚合反应。最近一篇记载这种方法的文章是[Kitamura,A.,et.al.,J.Condensed Matter Nucl.Sci.24(2017)202-213]。建议使用这种方法的专利是[CA2924531C，2013]。这种方法的一个优点是从业者声称冷聚变是100％可重复的，这是多年来一直追求的目标。然而，这种方法有一个缺点，即必须消耗相当多的热能来维持这一过程，因此还不完全确定能从聚变产生足够多的过量热来克服设备运行的消耗。即使有足够的聚变热来克服消耗，任何能以较低功耗运行的设备也将更有效。没有办法控制D气体原子与粒子表面接触的方向或速度，从而导致大量无效碰撞，而这些碰撞不会导致聚变。很难在整个靶区内保持纳米粒子的均匀分布，从而导致随机热区。当粒子在运动中被抛来抛去时，依赖于一组纳米颗粒作为靶将导致不可预测的操作。从一组粒子中提取热也是个问题。此外，设备在长时间内的连续操作是困难的，因为一旦颗粒耗尽富集的D，则必须关闭整个设备，同时纳米颗粒会重新吸收更多的D；没有简单的方法可以在某些粒子吸收D和其他粒子产生冷聚变之间进行交替。
第三种方法是使用第10族合金(如Ni-Pd-ZrO2)从纳米颗粒中生成固体，向固体中注入氘，将产物形成一个像固体电阻器一样的包封件，并使电流通过它而产生聚变热。最近一篇关于这种方法的文章是[Swartz,M,et.al.,J.Condensed Matter Nucl.Sci.15(2015)66-80]。这种类型的最新专利是[US20160329118A1,2015]。在过去，支持者曾提到过关于部件经历“雪崩”失效模式的一些困难，其中聚变变得不受控制并伴随着部件熔化，从业者通过限制电流来解决这个问题。这种方法的一个缺点是，很难将这种现象调整到能够产生实用的热量或电量的水平。发明人声称使用此技术为斯特林发动机(1816年发明)提供动力，然而，这种技术的缺点是功率相对较低，因此最适合低功率应用，例如为深循环电池充电。化石燃料发动机的许多实际应用需要的动力比斯特林发动机能产生的动力更多。这种方法的缺点是对晶格中D+离子的速度和路径的控制是间接的和近似的。这种方法也很难长期运行，因为一旦D+耗尽，就无法在不重建的情况下重现设备。
所有这些方法遇到的一个困难是阴极的整个表面都会被撞击离子进入。因此，没有一部分靶材可用于冷聚变反应，而另一部分富集或全部耗尽的电极部分则再次用原子核富集或再次沉积靶材，使得无法长期运行。所有这些方法所遇到的第二个困难是，如果冷聚变反应产生的功率不足以应用，则没有可供选择的运行模式来将功率补充到所需的水平。
在[Yuki,H.,et.al.,Metal.J.Phys.Soc.Japan,1997.64(1):p.73-78]的一系列文章中记载了利用双等离子体发射器装置进行了将氘加载到金属中的实验，该装置在部分真空中产生质子束或氘束，撞击被保持在真空室中的镱或钛制成的靶。在这一系列的实验中，电极被涂上一层糊剂，然后在使用前干燥。然后通过施加大功率电流来加热装置。形成等离子体，用带负电的电极从该等离子体中提取离子束，以研究各种金属吸收离子的能力。实验表明，所产生的冷聚变热量直接由所提取的离子束的电流强度控制。这克服了其他方法的缺点，因为可以精确控制进入离子的数量和速度，从而控制所产生的冷聚变热量。但是这种方法的缺点是需要为双等离子体离子源提供高功率的输入，由于双等离子体糊剂受侵蚀而导致使用期很短，产生的低电流束流只有1mA，不能产生足够的冷聚变来克服输入功率的成本。最近，已经部署一种产生200mA的更高射束电流的双等离子体发射器[R.Scrivens,et.Al.,Proc.IPAC2011,San Sebastian,Spain 2011 3472-4]，然而，在这种案例中该双等离子体发射器的缺点是需要甚至更高的50kW的输入功率。
低功率低温的用于提供离子的等离子体可以通过使用低功率微波发生器产生，如[Neri,L.,et.AL,Review of Scientific Instruments 85,02A723(2014)]的举例，该技术用于为直线加速器提供质子束。这项技术此前未用于富集用于冷聚变的靶，也没有用于产生热能或冷聚变。在引用的该论文中，绘制了离子束产生的热量，研究的目的是减少由于利用磁场扩散离子束而产生的热。
一旦利用离子束与靶的碰撞产生热，或者可选地通过与嵌入的核进行冷聚变，它可以直接用于加热例如水或碳氢化合物，产生的蒸气或蒸汽可以选择性地转换成电能。这种转换在现有技术中已得到一些讨论。例如，专利[CN206505727U]公开了一种控制系统，该系统使用蒸汽轮机来实现这一目的。这种方法的缺点是，它使用缪子/μ介子催化聚变来产生冷聚变，其附加了发电厂常用的常规蒸汽发电控制系统。缪子催化聚变在1947年首次提出[Frank,Nature.160(4048):525]。这种形式的冷聚变发生在氘核周围的电子被缪子——缪子比更靠近电子轨道的原子核重得多——取代之时，从而缩短了原子核之间的距离，增加了聚变反应发生的几率。缪子催化聚变有这样的缺点：缪子需要用大量的能量来产生，寿命很短，往往会粘在聚变的氦产物上，从而将自己从反应链中移除，而且通常似乎需要比它能产生的更多的输入功率。专利[DE19845223A1]公开了一种通过向蒸汽中注入结合/聚合元素来提高蒸汽机性能的方法，提高了发动机的功率。这并没有直接解决将外部可扩展聚变反应的热转化为电能的问题。与本发明更为相关的是Green,R.的专利[US8096787]，该专利公开了一种将蒸汽转化为动力以转动普通发电机从而产生电力的高效发动机。通过使用数字信号发生器，我们还包括了一个等效的交流发电机。这种类型的高效发动机将有助于最大限度地减小为其提供动力所需的发热装置的尺寸。Pritchard,E.在[US20060174613]中公开了这种装置的另一个例子。这些发动机是将热能转化为电能的潜在候选发动机，但比商用涡轮机复杂得多，后者应具有更长的使用寿命和更少的日常维护。关于将热转换为电能的所有现有技术的缺点是，不存在使用蒸汽涡轮机或发动机驱动发生器或发电机将来自产生离子束的低功率等离子体源的热转换为电能的现有技术。
在冷聚变实验中，通常使用靶来捕获金属晶格中的氢核或氘核。有实验证据表明，晶格结构的改变，例如通过在其形成过程中加入ZrO2纳米粒子，可以显著增加冷聚变反应再现的机会，如专利申请[US2016.0329118A1]。最近，使用3D打印技术制造金属零件的能力变得越来越普遍，如[US20150283751A1]。我们的研究表明，三维打印可以改变打印元件的晶格结构。以前从未提出过使用3D打印来制造冷聚变靶从而提高金属晶格在抵抗烧蚀的同时接受来自离子束的热的能力或更稳固地保持氢核或氘核用于冷聚变的能力。
发明内容
本公开涉及一种选择性地利用冷聚变产生/生成热能的设备和方法，其包括与在先实验相比的大量改进。在本公开中，冷聚变指的是改变反应原子核的核聚变反应，产生的热远远超过反应物的输入能量和已知的化学反应，比反应物的任何已知化学反应消耗更少的燃料来产生所述热，发生在相对较低的温度下(低于靶材料的熔点)，不会排放温室气体，也不会产生大量辐射或放射性副产物。
与大多数先例有共同之处，本公开的一个实施例在控制器的监督下产生热并可选地进行冷聚变反应以补充反应室中靶中的热，并将反应中产生的热传递给一组装置，这些装置可以直接将其用于多种应用中的加热。例如，用于加热水或进行空间加热，以及通过本领域技术人员熟知的方法进行发电/产生电能。与Yuki等人的方法(如上所述)一样，本公开的一个实施例将反应室保持在部分真空中，并与Neri等人的方法(如上所述)一样，提供一个也保持在部分真空中的附加等离子体室。在本公开中，部分真空指的是实际压力为6×10-5mbar或更低的，不足以严重干扰离子束的真空。
本公开的实施例是对Yuki等人的方法(如上所述)的改进，因为本公开的实施例能从低功率低温等离子体中提取出更强的离子束。在使用“低功率”一词时，如果产生和加速束流的功率成本低于束流所能产生的热和/或功率，则该源可以被恰当地描述为低功率源。燃料箱是用来形成等离子体的原子源，连接在等离子体室上。利用带电电极的势能从等离子体室中提取的离子束将被这些电极加速，将电极的势能转换为离子的动能，然后这些离子将撞击反应室中的靶，从而在撞击时由于离子的动能而产生热。具有动能的离子撞击靶产生的热不需要冷聚变反应。因此，本公开的一个重要特征是能够通过动能产生热，这可以是足够的，以减少或消除通过冷聚变产生热。本公开的实施例可包括一种方法，其中控制器在任选地用冷聚变离子富集靶和/或任选地沉积可能已被束流烧蚀的附加靶材料之间反复交替，一旦实现了足够的富集和/或修复，并且对能量有需求，则使用离子束撞击选择性富集靶，并启动热并选择性地维持冷聚变。因为并不是所有进入等离子体室的燃料都会被捕获到等离子体中，而且一些撞击靶的离子不会产生核反应，而是会与施加在靶上的带有少量负电荷的电子重新结合成燃料气，对此另一个改进是，作为维持腔室真空度的副产品，从两个腔室收集多余的燃料气，并将其再循环到燃料箱和/或等离子体室中，以再次用作等离子体的燃料。
从等离子体中提取的离子的能量可以通过使用附加电极加速来增加，从而产生具有更高动能的离子。在医疗设备和物理研究的当前应用中，射频四极杆(Radio FrequencyQuadrupole，RFQ)被用于Neri等人的研究(如上所述)，但其需要高输入功率。为了克服这一障碍，建议还原Cockcroft和Walton早期设计的原始直线加速器，一旦电极充电，这种加速器可以以极低的输入功率成本提供高度加速的离子束[Cockcroft and Walton,Nature,Feb 13,1932]。使用这种设备，可以使用低功率电极将离子束加速到任何要求的水平，其仅受尺寸、重量的限制，并能保持足够低的能量，以避免离子与靶的碰撞产生不需要的辐射。
附图说明
本公开的示例性实施例以示例的方式在附图中示出，其中相同的附图标记表示相同或相似的元件。其中：
图1是一示例性设备的示意图，在该设备中可以部署本公开的实施例。
图2是一示例性设备的示意图，该设备能够显示靶用于富集、补给和产热的不同方面，其中，可选择性地由冷聚变补充产热。
图3是一示例性设备的示意图，该设备可将活性和非活性燃料组件分离，并回收多余的燃料组件以供再利用。
图4是一种控制选择性富集、产热模式和选择性冷聚变模式的方法的状态转换图的示例性实施例的示意图。
图5是一种用于当所需的热由撞击靶的离子束动能完全供应时控制产热和/或发电模式的方法的状态转换图的示例性实施例的示意图。
具体实施方式
在本节中，我们将提供本公开的优选实施例的详细说明，在少数情况下提及在某些应用中可能有用的替代方案。
优选的实施例可以按图1所示的示意图来部署。本公开的一个重要特征是本公开的实施例可以放大或缩小以适合实际应用，因此图1-3中没有标注比例。
参照图1，本公开的优选实施例包括控制器(101)，其用于选择性地利用冷聚变来管理产热。控制器接收来自整个设备中的各种传感器的输入，并控制启动、关闭、真空浓缩、燃料流量、等离子体产生、离子束提取、离子束速度和密度及聚焦、靶富集和靶内冷聚变，以及回收未使用的燃料组件以再次用作燃料、加热应用和发电，以及其他本领域技术人员熟知的范围。为了便于理解，图中仅在控制器与设备之间示出了少数的传感器，而没有示出连接关系(它们可以通过有线、光学连接或无线方式连接)，这是本领域技术人员容易理解的。深循环电池(117)可选地包括在优选实施例中，用于冷启动中设备的启动操作，之后控制器以能延长电池寿命的最佳方式保持电池电量，并以本领域技术人员已知的方式提供重启能力。由于发动机将长时间连续运行而不需要关闭或重启，因此可以由发动机提供的便携式电池为不经常的启动提供启动能量，从而无需可选的深循环电池(117)。
优选的实施例包括容纳靶(102)的反应室(103)。为了简洁起见，在本节的其余部分中，我们所说的“靶”是指当被离子束击中时产生热且选择性使用冷聚变产生额外热的靶。靶保持在负电位，以提供电子与离子束核结合，其中离子束核不会因冷聚变或与靶发生其他反应而消耗。在一个优选实施例中，在需要冷聚变时，靶是从通常由周期表的第10族元素组成的组中选择的金属或金属合金与惰性分子相结合，如ZrO2，但如背景部分所述，也可以使用其他靶材料。如果不需要冷聚变，则可以扩大潜在靶材料的选择范围，允许选择一种不受离子束烧蚀影响的材料或合金。如果使用氢离子，则可能因氢脆而变质。在优选的实施例中，离子束没有获得足够的能量来引起靶烧蚀，但是存在可能会遇到这种烧蚀的应用。在具体实施例中，是否需要冷聚变以及需要多少冷聚变的决定是通过认识到增加与靶撞击的离子束的动能以产生更多热会增大设备的尺寸和重量来作出的，(在前述情况下)设备的长度必须增大以包括附加的低功率电极，因为额外的动能会向离子束传递，并且设备的高度、宽度和重量必须增大以适应与地面的额外绝缘，因为更多的加速将涉及在更高电压下操作设备。由设备的运行部件，例如包括但不限于等离子室(106)、泵(115，116)、涡轮机(118)和发生器或发电机(119)，产生的额外的热(我们称之为辅助热)可被输送至热交换器(105)，以进一步减少对冷聚变热的需求(路径未示出)，并伴随重量的额外增加。因此，冷聚变能提供的热越多，设备就越小、越轻。其他考虑因素可能会影响是否将冷聚变作为主要或补充热源，例如维持冷聚变的靶材料的寿命、控制机制的复杂性(见下文对图4和图5的讨论)，甚至是某个管辖区的监管问题，这都可能会限制冷聚变的使用。我们假设在优选实施例中需要冷聚变反应，因为这将使更小、更轻的设备产生给定的热量和功率。在优选实施例中，冷聚变反应的靶被构造成将富集燃料核牢牢地固定在晶格间隙内以准备冷聚变。例如，通过使用3D打印制作靶和/或通过从包括晶格畸变分子(如ZrO2)的合金形成靶。反应室在操作之前部分排空，且在操作期间连续部分排空，以允许靶的有效富集和随后通过离子束(111)进行的冷聚变反应。排空是通过潜在的多个泵(116)来完成的，这些泵能够通过部件(110)排气以及回收未使用的燃料。图1中只显示了返回燃料箱的回收路径。为简单起见，未示出用于将未使用燃料直接回收到等离子体室(106)的通风路径和可选路径，然而，这些可由本领域技术人员容易地获得。
假设除了来自与靶撞击的离子束产生的热外，还需要冷聚变，优选实施例保留用于富集冷聚变靶和在箱/容器(109)中启动和维持冷聚变的燃料。在一个更复杂的实施例中，如果靶被离子束中的离子碰撞而烧蚀，可以提供一个额外的靶离子源对靶进行补充。对等离子体室的这种附加输入并未示出，但可以以类似于燃料箱/燃料室(109)的方式容易地设计并在需要时切换运行。在优选实施例中，燃料向等离子体室提供D2气体，但如背景部分所述，替代性燃料也是可行的。选择D2的原因是离子束(111)中的D+撞击靶(102)中富集的D+而导致冷聚变反应只产生4He氦气，这是一种对环境没有负面影响的惰性气体。或者，在低功率输入源的影响下将形成等离子体的任何燃料可作为合适的实施例。特别是如果离子束撞击提供了足够的热而不需要冷聚变，那么燃料的选择范围就扩大了，例如包括惰性气体，如4He氦气等；在这种情况下，4He不是冷聚变反应的产物，而是通过与靶碰撞产生热的离子源。如果不需要冷聚变，那么在优选实施例中，我们将使用纯铜作为靶材料，因为它在离子气化回反应室时吸收进入的、具有可逆畸变的离子。在这种实施例中，惰性气体(如4He)的优点在于，它们能够在碰撞后被完全回收，以便作为燃料重新使用。燃料箱通过气体输送系统领域常见的真空维持耦合器(112)连接到等离子体室(106)。该耦合器允许拆除燃料箱进行加油或与另一个满的或部分满的燃料箱交换。在不需要冷聚变的实施中，例如使用诸如4He之类的惰性气体作为燃料，则几乎所有的惰性气体都将被回收，并且无需更换燃料箱以补充燃料(少量惰性气体可以留在铜晶格内)。在这种情况下，耦合器(112)的结构可以更简单，更耐用。泵(115)在控制燃料流量的控制器(101)的指令下将燃料输送到等离子体室(106)。
当需要时，控制器在等离子体室中维持低功率、低温等离子体(107)，并且在优选实施例中，该低功率、低温等离子体(107)由连接到等离子体室的低功率微波发生器(108)产生，如背景部分引用的直线加速器质子源的文献综述(Neri等人)。在此情形下，低功率一词意味着相对于装置能产生的功率而言是低的。
当需要用于进行靶富集、靶补充或者热及可选地冷聚变时，控制器激活至少一个(但通常是多个)电部件(电极)，以从等离子体中提取离子束，该电部件具有面向等离子体且中心有用于离子束(113)通过的孔的圆盘状前端，以及零个或多个圆盘状低功率和/或永久聚焦磁性组件(114)，其中心有用于离子束(113)通过的孔。为了简化附图，图1中只示出了组件(113，114)中的一个。但是在优选实施例中，如背景中引用的文章中Neri等人所讨论的并且为本领域技术人员所知的，每个组件都有多个以紧密地控制离子束的速度和焦点。在优选实施例中，多个低功率电极和永磁体彼此交错以获得最佳的离子束形状和速度，以撞击靶表面的期望部分。它们的数量和强度取决于离子束的能量需求。在优选实施例中，除了常规提取离子束外，还安装了附加的电极和磁体来进一步加速和聚焦离子束，以获得富集模式下有效地富集靶晶格所需的速度和焦点，在烧蚀后补充靶(如有)，通过与靶碰撞产生热，以及在选择性冷聚变模式中协助克服在晶格中富集的D+离子和束流中入射的D+离子之间的库仑势垒。在优选实施例中，聚焦磁体是由例如SmCo或NeFeB合金构成的永久环形磁体，以便在不消耗牵引功率的情况下提供聚焦能力。SmCo永磁体比NeFeB磁体能承受更高的温度。但即使在这种情况下，磁体与设备的其他部分进行温度绝缘也是很重要的，以保持足够低的温度以避免退化(绝缘层未示出)。
在优选实施例中，离子束与靶撞击和选择性冷聚变反应的热通过热交换器(105)传输到一组部件(104)，这些部件(104)可以直接利用热，例如加热水和/或空间加热器，以及/或者将热转化为电能。在优选实施例中，热交换器(105)是闪点锅炉，因为本公开具有热聚焦点，这与使用大型燃烧室中燃烧化石燃料或利用地热热源的传统能源锅炉截然不同。在优选实施例中，部件(104)是包括热交换器(105)的封闭系统，热交换器(105)包含液体(例如水)，但优选地，包含碳氢化合物(例如戊烷)，该碳氢化合物通过热转化为蒸气。为了清楚起见，我们应该说明，在使用“蒸气”一词时，我们指的是热交换器(105)中材料的气态，例如，如果换热器中的材料是水，则指水蒸汽，或者如果材料为戊烷，则为戊烷气体。在优选实施例中，在热交换器(105)中使用戊烷，因为戊烷沸点低，且不会形成液滴，从而延长涡轮机或蒸汽发动机的寿命。蒸气驱动蒸气驱动式发动机或涡轮机(118)。在优选实施例中，由于蒸气驱动式涡轮机结构简单，寿命长，我们将使用蒸气驱动式涡轮机，但其他合适的蒸气驱动式发动机也是可以的。蒸气驱动式涡轮机(118)驱动发生器或发电机(119)产生电力，然后用过的蒸汽在冷凝器(120)中冷凝回液态。
在优选实施例中，靶(102)和热交换器(105)的构造使得靶的部分可以等待富集或补充，而其他部分可以用于冷聚变，反之亦然。在优选实施例中，(102)的组合是所谓的“现场可更换单元”，以便可以以最小的努力对靶进行定期检查和/或更换。在优选实施例中，如本领域技术人员所知的，传感器可用于确定靶的一侧的富集程度。例如，在一个实施例中，传感器可以测量与其他侧绝缘的靶的一侧的电阻。另一个可替换的实施例是控制器简单地跟踪用于富集所花费的时间以及烧蚀和/或耗尽靶侧所花费的时间，并使用先前测量的靶的属性来确定何时需要补充一侧或者确定一侧何时完全富集或部分富集。图2是一个示例性设备的示意图，该设备能够显示用于富集、烧蚀置换以及冷聚变和/或动能产热的靶的替代侧。优选的实施例包括固定在此处示出的作为立方体目标物的靶(201)上的空心轴(202)，但是根据应用的不同，侧面也可以采用其他的几何形状。穿过靶的轴的部分由在热膨胀时与靶紧密匹配的材料组成。例如，如果是钯靶，热膨胀系数(在25℃)为11.8μm/(m·K)，其与铜基合金C46400(也称为海军黄铜)匹配良好。靶外部的轴(203)的其余部分优选由隔热材料构成。
固定在靶上的轴的端部连接到耐高温旋转接头(204)，该旋转接头允许靶按照控制器的指示转动以面对离子束。旋转接头的其他侧连接到通向热交换器(105)的固定空心轴(203)。齿轮(205)连接到固定到靶的轴的部分，以允许由步进电机或本领域技术人员熟知的类似部件驱动的蜗轮(未示出)使轴精确地转动。图2设备的另一种替代方法或与图2设备结合使用的功能(未示出)是垂直和/或水平移动靶以呈现靶的不同部分，用于选择性富集、选择性补给、碰撞产热和选择性冷聚变。只需要将靶移动略大于束流的直径的距离，就可以为任何模式呈现一个新的靶的表面。
图3是一个示例性设备的示意图，该设备能够保留由非活性组分和活性组分组成的液体燃料，这些组分可根据需要分为活性燃料和非活性副产品。在需要冷聚变的优选实施例中，燃料箱(301)最初主要包含D2O(通常称为重水)形式的燃料，活性燃料组分为D2，非活性燃料组分为O2。在替代方案中，可以使用任何能在等离子体中产生离子的燃料，这些离子可用于在靶中引发热以及选择性地引发冷聚变。组件(323)是在控制器指示下的加热器(当系统不是通过电池(117)运行而是通过来自靶的热运行时被供电)，控制器确保箱中的内容物在低温环境中保持为液态。在另一个实施例中，燃料箱可容纳甚至被压缩成液态的D2气体，或类似的H2气体，或甚至在不需要发生冷聚变的情况下是其他元素如4He。这样的箱比图3所示的箱结构简单。然而，在需要冷聚变以达到工作温度的情况下，这不是首选方法，因为氢气可与空气中的氧气以强放热化学反应方式燃烧，如果在运输或操作过程中发生事故，可能会造成危险。重水不可燃，也无毒，在运输和储存或长时间静止期间，箱(306，307)的气体室部分充满惰性气体，箱保持完全安全。
在优选实施例中，箱(301)包括用于将活性组分与非活性组分隔离的腔室(302，304)。使用简单的电解，阴极(303)产生D2气体，阳极(305)产生O2。D2气体收集在活性室(306)中，O2气体收集在非活性室(307)中。当液体被耗尽时，控制器使用传感器(324)读取燃料液位并向操作员报告。在启动过程中，读取第一传感器(315，316)，以确定气体室中没有明显的液体。在优选的实施例中，在任何一个室中有可见的液体时该设备将不会启动，室中有液体表明该设备的水平程度不足以维持腔室内的气体。在一个可能的实施例中，整个燃料箱(301)可以安装在旋转接头上，以顺应当设备并非基本竖直时的操作。另外，燃料箱(301)可以安装在离心装置上，以便在任何明显的重力场以外操作。泵(317，318)排出任何用于从室到大气或通风口(313，314)运输而添加的惰性气体，然后产生活性和非活性燃料组分。一旦达到足够数量的组分，活性燃料组分D2在控制器(101)的指示下，由泵(317)通过导管(308)输送到等离子体室。
在运行期间，非活性燃料组分O2由泵(318)通过管道(309)输送到重组室(310)。此处的压力和其他参数由传感器(312)监控。在等离子体或冷聚变反应中未使用的过量燃料D2通过导管(311，110)进入，以通过本领域技术人员公知的方式与O2化合为D2O。一个未示出的替代实施例是将在等离子体或产热中以及选择性的冷聚变反应中未使用的多余燃料D2或4He直接转移到等离子体室。当根据传感器(312)得知有足够的重水积累时，泵(320)通过导管(321)将其输送回燃料箱(301)。复合反应剩余的氦气和多余的氧气通过管道(322)被排放到大气中或被泵(319)收集以再循环。
优选实施例包括一种用于引导控制器(101)活动的方法，以进行启动、利用燃料离子富集靶、启动和维持冷聚变、在不需要来自冷聚变的热时恢复到靶富集、在需要热时恢复到冷聚变，进入待机状态，以及关机。图4是假设使用了冷聚变时，控制这些状态的方法的状态转移图的示例性实施例的示意图。控制器(101)具有图4未示出的监视和控制的附加功能，本领域技术人员可以容易地理解这些功能。另外，如果不需要冷聚变，并且热仅通过离子束与靶的碰撞来提供和/或辅助热由运行部件提供，则本领域技术人员可以修改图4，而图5是示例性结果。同样，如果靶需要用离子束补充烧蚀损失的靶原子，则本领域技术人员也可以修改图4以适应这种情况。下面是一个简化的实施方案，在这个方案上可以引入许多改进，假设使用冷聚变来产生热，并且在这个过程中靶没有明显的烧蚀。我们在此处的目的是公开一个示例性实施例，该实施例将使本领域技术人员能够在实施本发明时进行任何修改，以适合本领域技术人员所要求的容易采用的应用。
在优选实施例中，在处于状态(401)中时，设备控制器(101)通过排放存储在收集室(306，307)中用于运输的惰性气体进行启动。当惰性气体被排出时，一些初始电解分别向收集室(306)和(307)填充活性和非活性燃料组件，一旦腔室充满到启动压力，控制器进入空闲状态(402)。除了可选的电池(117)(如果存在的话)可以为控制器、加热器(323)和本文未详细说明的任何其他关键部件供电以外，在这种状态下所有功能都被关闭。当打开本领域通用的启动开关时，设备进入状态(403)，其中电解重新开始并且活性燃料组分再次生成。一旦燃料是连续可用的，进入状态(404)，其中燃料流和离子束被设置为用离子富集靶。只要燃料在流动，腔室就主动地处于局部真空状态，任何未使用的燃料都会被回收再利用。当离子束准备好时，进入状态(405)，在该状态中呈现最低消耗、未完全富集的一侧对准/呈现于离子束。如果靶侧被束缚在耗尽状态，则需要执行一个中断指令，例如选择距离离子束最近的一侧。当通过计时或传感器确定该侧被富集后，如果不需要产热，则重新进入状态(405)，以向离子束呈现下一个最少消耗、未完全富集的一侧。
当所有侧均被完全富集，且不需要立即产热时，进入待机状态(406)。等离子体保持活性，但燃料只需缓缓流动就可以替换等离子体室失去的任何等离子体。根据需要来保持燃料的再循环，以在两个腔室中保持部分真空。为了在长时间内节省电池，控制器可以被配置成在操作员命令下或在待机状态下经过一定时间后自动进入空闲状态(402)。一旦需要产热，从待机状态(406)进入状态(407)。
再回到状态(405)，如果一侧富集并且急需产热，则推迟进一步的富集，并且该方法进入状态(407)。在该状态中，燃料流和离子束被调节以用于冷聚变。一旦离子束准备就绪，冷聚变就维持在状态(408)。如果在冷聚变期间控制器暂时检测到已经产生足够的热，重新进入状态(404)。另一方面，如果状态(408)一直持续到当前侧的富集耗尽(由传感器或计时确定)，则进入状态(409)，并且将下一个最少消耗的一侧对准离子束。假设至少一侧保留了一些富集，重新进入状态(408)。如果所有侧都耗尽，则通过重新进入状态(404)来越过状态(409)。
控制器能够对该方法进行各种各样的改进，这在具体的应用中可能是有用的。举例来说，当处于状态(405)时，可能希望在任何一侧完全富集之前过渡到状态(407)。这将取决于开始产生热的紧迫性，以及在需要进一步富集之前需要产热的时间长度。大量这样的细节最好留给具体应用，并且容易由本领域技术人员实现。
图5是当不需要冷聚变、因为加热和发电所需的所有热都由撞击靶的选择性加速离子束提供时，用于控制(101)设备的方法的状态转换图的示例性实施例的示意图。这显然是比图4简单得多的控制机制，因为它不需要维持冷聚变反应所需的许多特征。在优选实施例中，所有热都是由离子撞击靶的动能产生的，燃料可以是4He氦气，靶可以由纯铜组成。之所以选择氦气，是因为它可以被先前讨论过的低功率微波装置电离，这样所需的输入功率可以保持为远低于产生的输出功率。此外，氦气不太可能与靶或等离子体或反应室的内壁发生化学结合，从而可以提高设备的寿命。然而，任何其他离子都可以使用。同样地，选择纯铜作为靶，是因为它具有优异的传热性能、高熔点、能够恢复撞击造成的任何扭曲以及不能与入射离子结合的性能。但是，其他具有类似特性的任何材料也可以用作靶。
在由与靶撞击的入射离子的动能提供热以及选择性地由运行部件提供辅助热的情况下，不再需要冷聚变，控制器(101)从空闲状态(501)开始。控制器(101)具有图5未示出的监视和控制的附加功能，本领域技术人员可以容易地提供这些功能。当启动开关接通时，控制器进入产生等离子体的待机状态(502)。当需要产热时，进入状态(503)，并通过激活所需数量的电极将束流调整到所需的热量。一旦离子束被调整，控制器进入状态(504)，其中离子束与靶撞击，产生所需的热量。如果发热量需要调整，重新进入状态(503)。如果不再需要更多的热，重新进入状态(502)。一旦关闭，控制器返回空闲状态(501)。可以向图5添加多种可能的改进，例如(添加)这样的状态——靶因入射的离子束而经历烧蚀，从而向靶补充靶离子，或者若在应用中需要，合并图4的各种元素以支持冷聚变。我们将这些改进留待本领域技术人员根据具体应用的需要添加。
图4和图5代表了可以在给定应用中实现的两种控制方式的极端情况。如上所述，在给定的实现方式中，由动能、辅助部件和冷聚变提供的热量是设计要点，实际上，在应用过程中可能会根据需要而变化。如果在给定的应用中需要综合的动能热、辅助部件热和冷聚变热，则优选实施方式中的燃料将为D2。这避免了操作期间在D2和4He之间切换的复杂性。然而，可以切换甚至组合这些燃料的实施方式，并且如果适合于具体应用可以选择该实施方式。类似地，当产生冷聚变热以及动能和可能的辅助热时，则优选实施方案将使用第10族合金作为靶，如上所述，这有助于促进冷聚变。但是，可以使用类似于图2所示的机制，可以使用混合靶，并在操作过程中根据需要替换材料。
当在具体应用中使用了一些综合的运动离子束碰撞热、辅助热和冷聚变热，则实际控制区域将是图4和图5的某种组合，燃料可能是混合材料或变性材料，靶可能是混合材料或变性材料。由于这些组成部分可能有大量的组合，单独描述所有可能性是不可行的。对于本领域的任何技术人员而言，将立即意识到存在广泛的灵活性，然后他们可以根据具体应用对控制方式和材料进行最佳选择。本公开的一个明显益处是广泛的设计选择允许创建专门针对该应用而定制的设备。本公开的许多最重要的属性对所有可能的设计都是有益的。例如，所有实施方式都具有简化的机械设计的优点，该机械设计具有很少的运动部件，其中大多数是已知具有很长使用寿命的轴承。
Claims (30)
1.一种设备(图1)，该设备包括控制器(101)，用于在保持部分真空的反应室(103)中的靶(102)中产生冷聚变反应，从等离子体室向所述反应室(103)供送离子束以使所述离子束撞击所述靶从而产生冷聚变热；由所述反应产生的热被热交换机构(105)传送到第二组装置(104)，所述第二组装置中的一部分装置可能将热转换为电能，而另一部分装置可能直接使用热；其中，改进包括：低功率微波装置(108)，用于在与所述反应室连接的所述等离子体室(106)中产生并维持等离子体(107)；与所述等离子体室连接的燃料箱(109)，用于向所述等离子体室供应燃料；以下方法：借此方法控制器在首先富集靶以用于冷聚变与其次启动并维持冷聚变(401-409)之间反复交替；以及一种用于从两个腔室中提取未使用的燃料以便再次用作供应给所述燃料箱和/或所述等离子体室的燃料的装置(110)。
2.一种设备(图1)，该设备包括控制器(101)，用于在反应室(103)中的靶(102)中产生冷聚变反应，由所述反应产生的热被热交换机构(105)传送到第二组装置(104)，所述第二组装置中的一部分装置可能将热转换为电能，而另一部分装置可能直接使用热；其中，改进包括：所述反应室从由微波装置(108)产生的低能低温等离子体(107)中提取离子束(111)，所述离子束(111)在所述靶(102)中产生冷聚变，所述微波装置(108)与连接至所述反应室的等离子体室(106)连接；所述等离子体由与所述等离子体室连接的燃料箱(109)提供燃料，以将离子束供应到所述反应室；还包括一种装置(110)，用于从所述反应室及与所述反应室连接的等离子体室中提取未使用的燃料，以再循环至所述燃料箱或所述等离子体室以便再次用作燃料。
3.一种设备(图1)，该设备包括控制器(101)，用于在保持部分真空的等离子体室中产生等离子体，从所述等离子体中抽出离子束以在反应室(103)中的靶(102)中引发冷聚变反应，所述反应室(103)也保持部分真空且与所述等离子体室连接；由所述反应产生的热量被热交换机构(105)传送到第二组装置(104)，所述第二组装置中的一部分装置可能将热转换为电能，而另一部分装置可能直接使用热；其中，改进包括：等离子体室(106)，在所述等离子体室(106)中由微波装置(108)产生并由燃料箱(109)提供燃料的低温低能等离子体(107)向所连接的反应室提供离子束以撞击所述靶；还包括一种装置(110)，用于从所述等离子体室及与所述等离子体室连接的反应室提取未使用的燃料，以再循环至所述等离子体室或所述燃料箱中以便再次用作燃料。
4.一种由控制器(101)控制的方法，所述方法用于通过以下方式在反应室(103)中启动和维持冷聚变反应：首先富集靶(102)以为冷聚变做准备，然后启动冷聚变，所述冷聚变的热能由第二组装置(104)使用，所述第二组装置中的一部分装置可能将热转换为电能，而另一部分装置可能直接使用热；其中，改进包括：作为起点的空闲状态(401)；用于对启动命令作出响应、导致释放用于安全运输和存储的惰性气体的状态(402)；用于启动燃料的生成的状态(403)；用于调整燃料流量和用于富集的离子束的状态(404)；将靶的未富集侧或部分富集侧转向离子束的状态(405)；待机状态(406)，其中等离子体被保留，但既不进行富集也不进行冷聚变；用于调整用于冷聚变的燃料流量和离子束的状态(407)；维持冷聚变以主动地产生热、从而使热可能被直接利用和可能被用于产生电能的状态(408)；以及，靶的最少消耗侧被转向离子束以继续由冷聚变供热的状态(409)。
5.根据权利要求1所述的设备和方法，其中改进包括：附加的低功率电极(113)和磁体(114)，用以加速和聚焦离子束，从而减少或消除对于冷聚变反应的需求，并可能地消除可选的以下方法：借此方法控制器在首先富集靶以用于冷聚变与其次启动并维持冷聚变(401-409)之间反复交替。
6.根据权利要求2所述的设备，其中改进包括：可选地使用低功率电极(113)进一步加速离子束(111)，并用低功率或永久磁体(114)聚焦所述离子束，从而使离子束与靶碰撞产生热，以减少或消除对于冷聚变反应的需求以及对于所述离子束还可选地使靶(102)富集的需求。
7.根据权利要求3所述的设备，其中改进包括：附加的低功率电极(113)用以加速离子，附加的磁体(114)用以聚焦离子，使离子撞击靶，从而从撞击中产生热并减少或消除对于冷聚变的需求。
8.根据权利要求4所述的方法，其中改进包括：所述方法易于修改以包含一组更简单的状态(图5)，其中减少或不需要冷聚变，从而减少或消除了对于存在于图4中的许多状态(403-405和407-409)的需求。
9.一种由控制器(101)控制的方法，所述方法用于在反应室(103)中启动和维持热，所述热能被第二组装置(104)使用，所述第二组装置中的一部分装置可能直接使用热，而另一部分装置可能将热转换为电能；改进包括：作为起点的空闲状态(501)，所述空闲状态(501)用于响应启动命令；待机状态(502)，其中等离子体被保持，但离子束未被提取；以下状态(503)：在该状态中使用低功率电极(113)调整离子束的体积和速度，使用低功率或永久磁体(114)调整离子束的形状到所需的热量；以下状态(504)：在该状态中离子与靶碰撞产生热，所述热可能被直接利用，以及可能被用于产生电能；所述方法易于修改以包含需要冷聚变的模式(图4)，以及另外地包含靶需要补充由于离子束烧蚀而损失的原子的模式。
10.根据权利要求1-3和5-7任一所述的设备，或者根据权利要求4或权利要求8所述的方法，进一步包括：用于控制器确定靶的一部分是否充分富集以允许冷聚变开始的器件。
11.根据权利要求1-3和5-7任一所述的设备，或者根据权利要求4、8或9所述的方法，还包括：具有由所述控制器控制的几种不同的可选模式(图4、图5)；包括针对不同模式(404、407、503)差别地控制从等离子体中提取的离子束(111)的速度、形状、密度和焦点的方法和装置(113、114)；包括通过将离子撞击到靶的一侧从而产生热和可选的冷聚变反应的模式(408、504)；包括利用撞击的离子富集靶的模式(405)；包括等离子体保持完整但未提取离子束的模式(406、502)；包括等离子体解体为燃料分子且无法提取离子束的模式(401)；包括用于排放装载在燃料箱中的惰性气体以进行运输的模式(402)；包括用于为设备(图3)产生燃料以使得进入的燃料能够容易地转化为低功率、低温的等离子体的模式(403)；并且包括靶能够被补充原子以代替由于离子束烧蚀而导致的任何损失的模式。
12.根据权利要求11所述的设备，进一步包括：以下模式(405)：在该模式中具有多侧(201)的靶(图2)能够转动且每一侧相继富集有被吸收到所述靶中的离子。
13.根据权利要求11或12所述的设备，还包括：用于移动靶和/或聚焦离子束的器件(未示出)，使得离子束可以聚焦在部分靶表面上以富集所述靶；并包括将离子束移动和/或聚焦在靶的一部分上以引发和维持所述冷聚变反应的器件(113、114)。
14.根据权利要求1-3和5-7任一所述的设备，或者根据权利要求4或8所述的方法，还包括：其中，用于制造冷聚变反应的燃料箱(109)包括一种装置(112)，所述装置(112)能以最低的燃料损失连接和分离。
15.根据权利要求1-3和5-7任一所述的设备，或者根据权利要求4、8或9所述的方法，还包括：其中箱(109)中包含的燃料为气体或压缩气体的形式，所述气体可进一步部分压缩为液体和/或固体形式。
16.根据权利要求1-3和5-7任一所述的设备，或者权利要求4或8所述的方法，还包括：其中燃料箱(109，301)包含由一组活性燃料组分和一组非活性燃料组分组成的液体，以及将所述活性燃料组分从所述非活性燃料组分中分离的一组装置(301-307)和一种方法。
17.根据权利要求14-16任一所述的设备，包括：用于加热所述燃料箱(301)以使得所述液体在低温环境中不会冻结的器件(323)。
18.根据权利要求16所述的设备，还包括：一种装置和方法，其中，所述分离室(306、307)能填充有用于运输的惰性气体。
19.根据权利要求16所述的设备，还包括：一种装置和方法，其中，能将单独的气体室(306、307)排空以准备启动运行，并填充它们各自的运行组件。
20.根据权利要求16所述的设备，还包括：监测器(315、316)，用于检测气体提取室中由于运输或事故期间的干扰而填充有液体燃料；包括在所述检测之后阻止燃料流动并将整个反应置于关停模式的方法。
21.根据权利要求18所述的设备，还包括：一种仅在气体室(306、307)已排空惰性气体并分别用活性和非活性组分重新填充后才启动设备运行的方法。
22.根据权利要求16所述的设备，还包括：一种装置和方法，其中非活性组分(307)能基于控制器(101)的判断被排放到大气(313)。
23.根据权利要求16所述的设备，还包括：一种装置和方法，其中所收集的非活性组分(307)能在重组室(310)中与从室中回收的活性组分(311)重新组合，以通过泵(320)和导管(321)再次补充所述燃料罐(图中示出)和/或所述等离子体室(未示出)。
24.根据权利要求12或13所述的设备，还包括：装置(图2)和方法(图4)，其中，在需要富集且不需要热的期间将所述设备切换到富集模式，并且当需要产热时，将所述设备切换到产热和可选的冷聚变模式，并可选地类似地用于在离子束烧蚀后补充靶表面。
25.根据权利要求24所述的设备，还包括：一种方法，借此方法使靶(102、201)转动，使得目前不完全富集的靶侧被呈现给离子束以便富集，或可选地，类似地在靶侧被烧蚀的情况下该靶侧被呈现以便补充。
26.根据权利要求12所述的设备，还包括：一种装置，其中，所述靶连接至与所述离子束正交且平行于转动轴线的轴(202)，并且与所述靶(202)连接的所述轴被固定到所述靶(201)上，并使用旋转接头(204)将所述轴成直线地连接到固定轴(203)，使得连接靶的第一轴部分能借助于齿轮(205)转动以将靶的适当侧呈现给离子束。
27.根据权利要求1-3和5-7任一所述的设备，或者根据权利要求4、8或9所述的方法，还包括：轴(202、203)与靶接触的部分优选由导热材料制成，所述轴(202、203)的其余部分由绝热材料制成，所述轴(202、203)是空心的，并在其中流动有液体或气体，用于将热从靶传递到用于加热和/或将热转换为电能的装置。
28.根据权利要求27所述的设备，还包括以下部件，该部件包括：热交换器(105)，蒸气驱动式涡轮机或发动机(118)，用于产生电能的发电机(119)和冷凝器(120)，其中，所述蒸气为戊烷或另一种碳氢化合物或水。
29.根据权利要求1-3和5-7任一所述的设备，或者根据权利要求4或8所述的方法，还包括：一种方法，用以修改靶的创建以提高富集过程和/或产热或冷聚变反应的效率，其中靶通过3D打印形成。
30.根据权利要求1-3和5-7任一所述的设备，或者根据权利要求4、8或9所述的方法，还包括：用于扩展热交换器(105)以从所述设备的各个部件获得辅助热的装置，所述各个部件可能包括等离子体室(106)、泵(115、116)、蒸汽驱动式涡轮机或发动机(118)和/或发电机(119)，从而减少或者甚至消除了对于由冷聚变和/或由离子束的动能产生热的需求。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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