CN112530607A - 一种受控热核聚变反应堆 - Google Patents

Abstract

一种核聚变反应堆。本发明涉及高能物理，尤其是离子对撞技术。本发明公布了一种离子束对撞技术，其特征是在离子束运行的路径引入一个电场来改变离子束中前端部分离子的运行速度，从而引起离子束中的离子发生碰撞；以及用该技术制造的具有很高的核子反应截面的核聚变反应堆。本发明反应堆中子剂量与控制灵活的电压相关，因此，可以用来制造以中子而不是电磁波为媒介的通讯装置，轻松实现10000千米以上直线距离信息传播。本发明适合用来生产廉价的清洁能源。如果将纳米级粉末输入反应堆中，本发明也可以用来制成散裂中子源。

Description

一种受控热核聚变反应堆

技术领域

本发明涉及高能物理，尤其是离子对撞技术。

技术背景

热核聚变的基本物理过程是高速运动的低原子序数原子核相互碰撞、融合生成高原子序数原子。由于核聚变反应常伴随有巨大能量产生，因此，自1952年第一颗氢弹爆炸后，60多年来人们一直在寻求一种受控核聚变产能方式。目前，受控热核聚变探索技术主要是所谓的“托卡马克”，一种磁约束离子行为的装置。在金属制造的托卡马克腔内，高温离子行为受到磁场约束而不会碰撞到管壁。但由于托卡马克腔内高温等离子体间距很大并含有大量电子，托卡马克在发生核聚变反应时需要投入的能量远大于聚变反应可收集的输出能量，即能量的产出投入比(Q值)远小于1；同时输入托卡马克的气体需要极高温度的加热后才能使常温气体变为高温等离子体参与核聚变反应，所以托卡马克不能长时间连续工作，到目前为止所有型号的托卡马克始终没有实用价值。另外一种比较多用的受控热核聚变探索技术是“惯性约束”，由我国二弹一星专家王淦昌于上世纪60年代首先提出。目前美国军方对此技术研究较多，其主要方案是用多束激光同时射向一个D-T小丸，希望模拟氢弹爆炸过程形成对小丸内部氢同位素产生向心性高压实现核聚变。但由于激光束间隙过大，氢原子在激光照射时大量逃逸，此方案亦没有产生实用价值。

发明内容

本发明公布了一种离子束对撞技术和由该技术制造的一种可发生受控热核聚变的核反应堆。所述的反应堆基本结构如图1.所示。反应堆电器连接关系如图2所示。

工作流程：在气瓶(10)内充入工作气体，打开真空泵(8)，调节气体限流阀(9)使玻璃管内维持低气压10～100pa。然后，接通电源。反应堆通电后由于第一阳极(1)是圆柱形，电极周围形成高压电场，高电场将产生阳离子并击穿玻璃管内气体。阳离子在电场的作用下通过玻璃直管尾端开口(7)飞向阴极(3)。

工作原理：从图1可知，本发明反应堆离子传输途中一共有二个阳极一个阴极共三个电极。其中，第一阳极(1)为柱状电极，其余二个电极，第二阳极(2)和阴极(3)是面状电极。因此，当反应堆通电后只有第一阳极(1)附近产生阳离子并击穿气体，而电子被第一阳极(1)吸收。阳离子在通过玻璃直管(5)向阴极传输过程中会扩散到玻璃管内壁。由于没有电子的中和作用，扩散到玻璃管内壁的阳离子将在玻璃直管(5)管腔形成一个指向玻璃管轴心的电场，从而使管道内其它阳离子向玻璃管轴心汇聚。当阳离子到达高频线圈(4)附近时，在高频电场作用下，部分阳离子运动速度将下降甚至出现运动方向反转。这些速度下降或运动方向反转的阳离子将与第一阳极(1)后面过来的其它阳离子发生碰撞。在玻璃管壁电场作用下，所有阳离子都会自动向玻璃管轴心汇聚，从而使阳离子碰撞融合机会(反应截面)大幅升高。当阳离子到达阴极(3)时将在阴极(3)表面撞击出电子。由于第二阳极(2)的存在，这些电子将被第二阳极(2)大量吸收，从而减少了电子进入玻璃直管(5)机会，使玻璃直管(5)中指向玻璃管轴心的管壁电场得以维持。为了使阴极表面被阳离子撞出来的电子更多的被吸收，第二阳极(2)比阴极的面积更大且更靠近玻璃直管尾端开口(7)。

进一步的，为了增加离子碰撞机会，玻璃直管(5)与环形玻璃管(6)交叉贯通。

进一步的，为了增加离子由玻璃直管(5)进入环形玻璃管(6)的机会，在二者交叉贯通处放置了磁场(0)。

本发明反应堆有脉冲和点火二种工作模式。

1.[009]脉冲工作模式：即玻璃管内高压电场以高压电容器脉冲式充放电方式持续存在。在该工作方式下，中子的产额与高压电容器充电电压高低，放电频率正相关。适合制造以中子而不是电磁波为媒介的通讯链。脉冲工作模式具体过程将在实施例1详细描述。

2.[010]点火工作模式：其工作原理类似日光灯。即以脉冲工作模式引发玻璃管内核聚变反应后，用较低的电压维持玻璃管内电场状态，使核聚变反应得以持续，从而实现核聚变反应能量的低投入与高产出。点火工作模式详情将在实施例2详细描述。

本发明工作气体并不只限于氘(D)、氚(T)、氦(He)等低原子序数的特定气体原子。如果将某些特别物质，比如，富含中子的固体物质研磨成纳米级的小固体颗粒物，在本反应堆中施加做够高电压，这些小固体颗粒物原子团也可以像气体原子一样被电离、碰撞、散裂并产生中子。

附图说明

图1是本发明结构示意图。0是磁场，1是第一阳极，2是第二阳极，3是阴极，4是高频线圈，5是玻璃直管，6是环形玻璃管，7是玻璃直管尾端开口，8是真空泵，9是气体限流阀，10是气瓶。其中，磁场(0)是二片互吸的永久磁铁，第一阳极(1)是直径1毫米黄铜圆柱状体。第二阳极(2)和阴极(3)为不锈钢平板，分别位于环形玻璃管(6)二侧。并且，第二阳极(2)比阴极(3)面积大且更加靠近玻璃直管尾端开口(7)。玻璃直管(5)内径8mm，外径10mm，长度500mm。环形玻璃管(6)内径8mm，外径10mm；环的内径40mm，外径60mm。

图2是实施例1电器连接示意图。11是高压直流脉冲电源，12是第一直流电源，13是高频发生器。其中，高压直流脉冲电源(11)是10级马克思发生器。每级电容器容量2000pF，电压20kv。马克思发生器正极与第一阳极连接。第一直流电源(12)正极与第二阳极连接，输出3000v。高频发生器(13)频率30kHz，电压20kv。

图3是本发明实施例2电器连接示意图。14是第二直流电源，15是高压镇流堆。其中，第二直流电源(14)电压110kv，正极与高压镇流堆正极连接。高压镇流堆(15)耐压400kv，负极与第一阳极连接。

实施例

实施例1：脉冲工作模式

结构见图1，电器连接关系见图2。中子记录仪是上海新漫传感技术研究发展有限公司生产的SIMMAX N3130个人中子剂量计。本实施例用氦气(⁴He)和氘气(D)二种气体作为工作气体分别进行实验。实验时玻璃直管(5)内气压10～100pa，放电频率是3Hz。

结果：以⁴He为工作气体时，中子剂量计在玻璃直管(5)中部外侧1000毫米7秒钟的记录中子累计剂量是7.05mSv。由此推算的中子剂量率约为3600mSv/h。

推算：10000千米处中子剂量率：

Z＝3.6x10⁷/4 R²＝0.29x10^-7Sv/h。

结论：N3130个人中子剂量计使用说明书写明该产品最大灵敏度是0.1uSv/h。本实施例测算的10000千米外中子剂量率是0.29x10^-7μSv/h。因此，在可以忽略空气对中子传播的衰减作用下，比如人造卫星之间的通讯，即使使用已有技术，用10000根玻璃管在一处发射的中子可以被1000个为一组N3130个人中子剂量计在10000千米外探测到，从而实现10000千米以中子为媒介的通讯。

以氘气D做为工作气体，中子剂量计在玻璃直管(5)中部外侧1000毫米处7秒钟的记录中子累计量是639μSv。推算的中子剂量率约为360mSv/h。中子产额是同等条件下⁴He的10％。

实施例2：点火工作模式

所谓的点火工作模式就是首先用实施例1脉冲工作模式击穿玻璃管内工作气体并引发核聚变反应。然后，用较低电压维持玻璃直管(5)导通。本实施例主体结构与实施例1基本一致，只是在实施例1的基础上增加了一个高压镇流堆(15)和第二直流电源(14)。电器连接关系见图3。本实施例同时在玻璃直管(5)外侧500mm处放置了一个长200mm，宽300mm，高280mm充满自来水(轻水)的玻璃水缸。内插2只1/1000摄氏度敏感的温度计探头。第一只距离水缸边50mm，探头间距100mm。实验数据正在收集中。

Claims (8)

1.一种离子束对撞技术，其特征是在离子束运行的路径引入促使离子运动速度下降的电场。

2.一种热核反应堆，包括玻璃直管和环形玻璃管构成的离子运输通道以及电极和线圈等，其特征是在所述的离子运输通道上安置了二个阳极和一个阴极。

3.一种热核反应堆，其特征是离子运输通道上安置了二个环形线圈。

4.一种热核反应堆，其特征是玻璃直管和环形玻璃管交叉贯通。

5.一种热核反应堆，其特征是玻璃直管和环形玻璃管交叉贯通处放置了磁场。

6.一种以中子为媒介的通讯装置，其特征是包括了权利要求2所述的热核反应堆。

7.一种散裂中子源，其特征是包括了权利要求2所述的热核反应堆。

8.一种离子对撞机，其特征是包括了权利要求2所述的热核反应堆。

Images