CN114566296A - 一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变方法及其装置。所述装置包括：离子发生器单元，用于产生高频离子流或高频电子流；合金反应堆单元，设置有合金反应堆，合金反应堆储存氢、氘、氚气体形成氢、氘、氚合金反应堆，合金反应堆单元并用于产生核聚变反应；能量转换单元，用于将核聚变反应产生的能量转换为可利用的能源。该核聚变方法采用合金反应堆，能实现氢、氘、氚密集储存，每立方米能储存氢、氘、氚1125立方米，从而使得原子核碰撞产生核聚变的几率大大提高，从而能让核聚变反应难度小、反应能稳定进行。
Description
技术领域
本发明涉及核聚变技术领域，特别涉及一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变方法及其装置。
背景技术
自1769年瓦特发明第一台蒸汽轮机，人类进入内燃机时代，石油作为“工业的血液”，支持了人类两百多年高速发展。但由于化石能源的过度开采使用导致：（一）碳排放居高不下，全球生态环境严重破坏；（二）化石能源日益枯竭。因此，人类推广利用清洁能源替代石油能源已刻不容缓！
“可控核聚变”不仅能效比高，而且其原材料氢、氘、氚在自然界大量存在，同时是人类永久清洁能源，从而使得“可控核聚变”成为世界各国新能源的重要探索方向。
当前，人类研究“可控核聚变”主要采用托卡马克装置，其主要缺点是：
1、制备核聚变材料等离子体需要“一亿度”以上高温，没有一种物质能储存它，必须通过真空磁场约束；
2、等离子体核聚变需要持续维持“一亿度”以上高温，难度很大；
3、托卡马克装置十分庞大；
4、等离子体的密度很低，是空气的几百万分之一，从而原子核的密度也很低，使得原子核碰撞产生核聚变的几率非常低；
5、托卡马克装置目前输入电量大、产出电量少，经济效益低。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变方法及其装置，该核聚变方法采用合金反应堆，能实现氢、氘、氚密集储存，每立方米能储存氢、氘、氚1125立方米，从而使得原子核碰撞产生核聚变的几率大大提高，从而能让核聚变反应难度小、反应能稳定进行。
本发明中，氕元素符号为P或1H，氘元素符号为D或2H,氚元素符号为T或3H， 1MeV兆电子伏＝1000000电子伏特。
为了解决上述现有技术问题,本发明的技术方案是:
一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变装置，它包括：离子发生器单元，用于产生高频离子流和高频电子流；合金反应堆单元，用于储存氢、氘、氚气体形成氢、氘、氚合金反应堆，并用于产生核聚变反应；能量转换单元，用于将核聚变反应产生的能量转换为可利用的能源；
优选地，所述离子发生器单元包括高频离子源、加速管、集束管、真空阀、金属靶、控制棒，所述高频离子源包括离子出射端，所述离子出射端依次设置加速管、集束管，所述加速管上设置真空阀，用于加速管抽真空，所述集束管内径小于加速管内径，高频离子源产生的高频离子流或高频电子流经加速管加速，并经集束管聚集形成高速粒子束，所述金属靶设置于集束管后端，所述控制棒插设于金属靶中；
优选地，所述合金反应堆单元包括合金反应堆、冷却液回路、热交换器，所述合金反应堆由储氢合金和添加物制成，所述合金反应堆设置有氦气排气口、及加气口，所述加气口用于添加氢、氘、氚气体原料，合金反应堆储存氢、氘、氚气体后形成为氢、氘、氚合金反应堆，所述合金反应堆外设置冷却液回路，用于冷却降温和收集能量，所述冷却液回路上还设置有热交换器，用于把能量传送给能量交换单元。
所述高频离子源用于产生高频离子流或高频电子流，高频离子流经过加速和集束打到金属靶上产生高能中子，高频电子流经过加速和集束打到金属靶上产生高能伽马射线，控制棒用于控制金属靶的高能中子流或高能伽马射线的强度，进而调节可控核聚变强度；
通过离子发生器单元产生高频离子流或高频电子流，并分别依次经过加速管、集束管，当被加速管加速的高频离子流轰击金属靶时，金属靶产生密集的中子流射入氢、氘、氚合金反应堆，氢、氘、氚合金反应堆中的氢、氘、氚原子核因为排列紧密，发生碰撞并产生核聚变反应，当被加速管加速的高频电子流轰击金属靶时，产生强烈的高能伽马射线射入氢、氘、氚合金反应堆，高能伽马射线能加速氢、氘、氚合金反应堆中的中子运动，进而与氢、氘、氚合金反应堆中的氢、氘、氚原子核发生碰撞并产生核聚变反应。
进一步，所述储氢合金包含Mg、Ti、Nb、Er、V、Zr中的一种或几种，所述添加物包含Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu中的一种或几种；
进一步，所述金属靶表面设置有金属保护膜，所述控制棒为碳化硼控制棒；
进一步，所述高频离子源设置有离子源电源和脉冲发生器，脉冲发生器通过离子源电源的高压产生高频离子流或高频电子流；
进一步，所述高频离子源还包括高压终端外壳、均压电阻，所述均压电阻串联于离子源电源的高压电路中，所述加速管还设置有用于管壳降温的水冷线圈；
进一步，所述能量交换单元设置有蒸汽轮机，所述蒸汽轮机包括蒸汽发生器，所述能量交换单元通过热交换器收集核聚变产生的热能，同时给氢、氘、氚合金反应堆降温，并通过蒸汽发生器将收集到的热能转换为水蒸气，通过水蒸气驱动蒸汽轮机发电，将热能转化为电能。
一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变方法，它包括如下步骤：
（一）、选取Mg、Ti、Nb、Er、V、Zr中的一种或几种作为储氢合金，选取Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu中的一种或几种作为添加物，选取储氢合金和添加物高温熔融并混合均匀，制成合金反应堆，通过加气口添加氢、氘、氚气体原料至合金反应堆中，合金反应堆储存氢、氘、氚气体后形成为氢、氘、氚合金反应堆；
（二）、通过高频离子源产生高频离子流或高频电子流，高频离子流或高频电子流经加速管加速，并经集束管聚集形成高速粒子束轰击金属靶，加速管上设置真空阀用于加速管抽真空，金属靶中插设有控制棒，高频离子流经过加速和集束打到金属靶上产生高能中子，高频电子流经过加速和集束打到金属靶上产生高能伽马射线，控制棒用于控制金属靶的高能中子流或高能伽马射线的强度；
（三）、被加速和集束的高频离子流轰击金属靶，金属靶产生密集的中子流射入步骤（一）中的氢、氘、氚合金反应堆，氢、氘、氚合金反应堆中的氢、氘、氚原子核因为排列紧密，发生碰撞并产生核聚变反应，被加速和集束的高频电子流轰击金属靶，产生强烈的高能伽马射线射入步骤（一）中的氢、氘、氚合金反应堆，高能伽马射线加速氢、氘、氚合金反应堆中的中子运动，进而与氢、氘、氚合金反应堆中的氢、氘、氚原子核发生碰撞并产生核聚变反应，通过控制棒控制金属靶的高能中子流或高能伽马射线的强度，进而调节可控核聚变强度；
（四）、合金反应堆外设置冷却液回路，用于冷却降温和收集核聚变反应的能量，冷却液回路通过热交换器把能量传送给能量交换单元；
（五）、能量转换单元将步骤（四）中的核聚变反应产生的能量转换为可利用的能源。
进一步，所述步骤（三）中的氢、氘、氚核聚变反应的反应式为M+xH2=MHx+xH，M代表储氢合金和添加物中的金属元素，x为任意常数，具体核聚变反应如下：
D+D→T+P+4.04MeV，
D+D→He3+n+3.37MeV，
D+He3→He4+P+18.14MeV；
进一步，所述步骤（一）中的控制棒为碳化硼控制棒。
本发明一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变方法及其装置,其有益效果有：
1、该核聚变方法采用氢、氘、氚合金反应堆，每立方米能储存氢、氘、氚1125立方米，密度是纯氢、氘、氚的1125倍，是等离子体的约百亿倍，使得原子核碰撞产生核聚变的几率大大提高，从而提高反应几率，降低核聚变难度；
2、通过氢、氘、氚合金反应堆中的大量金属电子，便于氢、氘、氚原子核克服库仑斥力，密集储存，从而能让反应堆稳定工作；
3、通过控制棒控制反应速度，能控制产生的核聚变能量的大小，从而可控性好、便于利用，同时让核聚变发电投入商业运用成为可能。
附图说明
图 1，为本发明一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变装置的整体结构图；
图 2，为图1所示实施例中的离子发生器单元的结构图；
图 3，为图1所示实施例中的合金反应堆单元、能量转换单元的结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1:
如图1~3，图3中，27为冷却水泵,32为循环水泵，33为送水泵，一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变装置，它包括：离子发生器单元1，用于产生高频离子流和高频电子流；合金反应堆单元2，用于储存氢、氘、氚气体形成氢、氘、氚合金反应堆，并用于产生核聚变反应；能量转换单元3，用于将核聚变反应产生的能量转换为可利用的能源；
所述离子发生器单元1包括高频离子源、加速管11、集束管12、真空阀13、金属靶14、控制棒15，所述高频离子源包括离子出射端，所述离子出射端依次设置加速管、集束管，所述加速管上设置真空阀，用于加速管抽真空，所述集束管内径小于加速管内径，高频离子源产生的高频离子流或高频电子流经加速管加速，并经集束管聚集形成高速粒子束，所述金属靶设置于集束管后端，所述控制棒插设于金属靶中；
所述合金反应堆单元2包括合金反应堆21、冷却液回路22、热交换器23，所述合金反应堆由储氢合金和添加物制成，所述合金反应堆设置有氦气排气口24、及加气口25，所述加气口用于添加氢、氘、氚气体原料，合金反应堆储存氢、氘、氚气体后形成为氢、氘、氚合金反应堆，所述合金反应堆外设置冷却液回路，用于冷却降温和收集能量，所述冷却液回路上还设置有热交换器26，用于把能量传送给能量交换单元；
所述高频离子源用于产生高频离子流或高频电子流，高频离子流经过加速和集束打到金属靶上产生高能中子，当离子能量为2.8MeV、中子能量为1.2MeV时，中子产生的数量为4.35*10^4个，高频电子流经过加速和集束打到金属靶上产生高能伽马射线，控制棒用于控制金属靶的高能中子流或高能伽马射线的强度，进而调节可控核聚变强度；
通过离子发生器单元产生高频离子流或高频电子流，并分别依次经过加速管、集束管，当被加速管加速的高频离子流轰击金属靶时，金属靶产生密集的中子流射入氢、氘、氚合金反应堆，氢、氘、氚合金反应堆中的氢、氘、氚原子核因为排列紧密，发生碰撞并产生核聚变反应，当被加速管加速的高频电子流轰击金属靶时，产生强烈的高能伽马射线射入氢、氘、氚合金反应堆，高能伽马射线能加速氢、氘、氚合金反应堆中的中子运动，进而与氢、氘、氚合金反应堆中的氢、氘、氚原子核发生碰撞并产生核聚变反应。
所述储氢合金为Zr，所述添加物包含Cr、Fe；所述储氢合金为金属Er，一立方米储氢合金的原子核数量为5.43*10^4摩尔，每摩尔金属原子核能储存两摩尔的氢、氘、氚气体，即1.086*10^5摩尔的氢、氘、氚气体，密度为托卡马克装置中等离子体的近百亿倍；
进一步，所述金属靶表面设置有金属保护膜16，所述控制棒为碳化硼控制棒；
进一步，所述高频离子源设置有离子源电源17和脉冲发生器18，脉冲发生器通过离子源电源的高压产生高频离子流或高频电子流；
进一步，所述高频离子源还包括高压终端外壳19a、均压电阻19b，所述均压电阻串联于离子源电源的高压电路中，所述加速管11还设置有用于管壳降温的水冷线圈11a。
进一步，所述能量交换单元3设置有蒸汽轮机31，所述蒸汽轮机包括蒸汽发生器31a，所述能量交换单元通过热交换器收集核聚变产生的热能，同时给氢、氘、氚合金反应堆降温，并通过蒸汽发生器将收集到的热能转换为水蒸气，通过水蒸气驱动蒸汽轮机发电，将热能转化为电能。
进一步，所述合金反应堆采用钨钢合金做反应堆的防护壳。
进一步，所述金属靶为锂靶。
一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变方法，它包括如下步骤：
（一）、选取Zr作为储氢合金，选取Cr、Fe作为添加物，选取储氢合金和添加物高温熔融并混合均匀，制成合金反应堆，通过加气口添加氢、氘、氚气体原料至合金反应堆中，合金反应堆储存氢、氘、氚气体后形成为氢、氘、氚合金反应堆；
（二）、通过高频离子源产生高频离子流或高频电子流，高频离子流或高频电子流经加速管加速，并经集束管聚集形成高速粒子束轰击金属靶，加速管上设置真空阀用于加速管抽真空，金属靶中插设有控制棒，高频离子流经过加速和集束打到金属靶上产生高能中子，高频电子流经过加速和集束打到金属靶上产生高能伽马射线，控制棒用于控制金属靶的高能中子流或高能伽马射线的强度；
（三）、被加速和集束的高频离子流轰击金属靶，金属靶产生密集的中子流射入步骤（一）中的氢、氘、氚合金反应堆，氢、氘、氚合金反应堆中的氢、氘、氚原子核因为排列紧密，发生碰撞并产生核聚变反应，被加速和集束的高频电子流轰击金属靶，产生强烈的高能伽马射线射入步骤（一）中的氢、氘、氚合金反应堆，高能伽马射线加速氢、氘、氚合金反应堆中的中子运动，进而与氢、氘、氚合金反应堆中的氢、氘、氚原子核发生碰撞并产生核聚变反应，通过控制棒控制金属靶的高能中子流或高能伽马射线的强度，进而调节可控核聚变强度；
（四）、合金反应堆外设置冷却液回路，用于冷却降温和收集核聚变反应的能量，冷却液回路通过热交换器把能量传送给能量交换单元；
（五）、能量转换单元将步骤（四）中的核聚变反应产生的能量转换为可利用的能源。
进一步，所述步骤（三）中的氢、氘、氚核聚变反应的反应式为M+xH2=MHx+xH，M代表储氢合金和添加物中的金属元素，x为任意常数，所述合金反应堆添加氘气体，具体核聚变反应如下：
D+D→T+P+4.04MeV，
D+D→He3+n+3.37MeV，
D+He3→He4+P+18.14MeV；
进一步，所述步骤（一）中的控制棒为碳化硼控制棒；
进一步，所述步骤（一）中的储氢合金和添加物可按任意比例选取，所述合金反应堆可按任意质量比添加氢、氘、氚气体。
实施例2:
本实施例的储氢合金为Mg、Ti，添加物包含Fe，其它技术特征与实施例1相同。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作一般技术手段的增减或替换，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变装置，其特征在于，它包括：
离子发生器单元，用于产生高频离子流和高频电子流，合金反应堆单元，用于储存氢、氘、氚气体形成氢、氘、氚合金反应堆，并用于产生核聚变反应，能量转换单元，用于将核聚变反应产生的能量转换为可利用的能源；
所述离子发生器单元包括高频离子源、加速管、集束管、真空阀、金属靶、控制棒，所述高频离子源包括离子出射端，所述离子出射端依次设置加速管、集束管，所述加速管上设置真空阀，用于加速管抽真空，所述集束管内径小于加速管内径，高频离子源产生的高频离子流或高频电子流经加速管加速，并经集束管聚集形成高速粒子束，所述金属靶设置于集束管后端，所述控制棒插设于金属靶中；
所述合金反应堆单元包括合金反应堆、冷却液回路、热交换器，所述合金反应堆由储氢合金和添加物制成，所述合金反应堆设置有氦气排气口、及加气口，所述加气口用于添加氢、氘、氚气体原料，合金反应堆储存氢、氘、氚气体后形成为氢、氘、氚合金反应堆，所述合金反应堆外设置冷却液回路，用于冷却降温和收集能量，所述冷却液回路上还设置有热交换器，用于把能量传送给能量交换单元。
2.根据权利要求1所述的一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变装置，其特征在于，所述储氢合金包含Mg、Ti、Nb、Er、V、Zr中的一种或几种，所述添加物包含Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变装置，其特征在于，所述金属靶表面设置有金属保护膜，所述控制棒为碳化硼控制棒。
4.根据权利要求1所述的一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变装置，其特征在于，所述高频离子源设置有离子源电源和脉冲发生器，脉冲发生器通过离子源电源的高压产生高频离子流或高频电子流。
5.根据权利要求1所述的一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变装置，其特征在于，所述高频离子源还包括高压终端外壳、均压电阻，所述均压电阻串联于离子源电源的高压电路中，所述加速管还设置有用于管壳降温的水冷线圈。
6.根据权利要求1所述的一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变装置，其特征在于，所述能量交换单元设置有蒸汽轮机，所述蒸汽轮机包括蒸汽发生器，所述能量交换单元通过热交换器收集核聚变产生的热能，同时给氢、氘、氚合金反应堆降温，并通过蒸汽发生器将收集到的热能转换为水蒸气，通过水蒸气驱动蒸汽轮机发电，将热能转化为电能。
7.一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变方法，它包括如下步骤：
（一）、选取Mg、Ti、Nb、Er、V、Zr中的一种或几种作为储氢合金，选取Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Cu中的一种或几种作为添加物，选取储氢合金和添加物高温熔融并混合均匀，制成合金反应堆，通过加气口添加氢、氘、氚气体原料至合金反应堆中，合金反应堆储存氢、氘、氚气体后形成为氢、氘、氚合金反应堆；
（二）、通过高频离子源产生高频离子流或高频电子流，高频离子流或高频电子流经加速管加速，并经集束管聚集形成高速粒子束轰击金属靶，加速管上设置真空阀用于加速管抽真空，金属靶中插设有控制棒，高频离子流经过加速和集束打到金属靶上产生高能中子，高频电子流经过加速和集束打到金属靶上产生高能伽马射线，控制棒用于控制金属靶的高能中子流或高能伽马射线的强度；
（三）、被加速和集束的高频离子流轰击金属靶，金属靶产生密集的中子流射入步骤（一）中的氢、氘、氚合金反应堆，氢、氘、氚合金反应堆中的氢、氘、氚原子核因为排列紧密，发生碰撞并产生核聚变反应，被加速和集束的高频电子流轰击金属靶，产生强烈的高能伽马射线射入步骤（一）中的氢、氘、氚合金反应堆，高能伽马射线加速氢、氘、氚合金反应堆中的中子运动，进而与氢、氘、氚合金反应堆中的氢、氘、氚原子核发生碰撞并产生核聚变反应，通过控制棒控制金属靶的高能中子流或高能伽马射线的强度，进而调节可控核聚变强度；
（四）、合金反应堆外设置冷却液回路，用于冷却降温和收集核聚变反应的能量，冷却液回路通过热交换器把能量传送给能量交换单元；
（五）、能量转换单元将步骤（四）中的核聚变反应产生的能量转换为可利用的能源。
8.根据权利要求7所述的一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变装置，其特征在于，所述步骤（三）中的氢、氘、氚核聚变反应的反应式为M+xH2=MHx+xH，M代表储氢合金和添加物中的金属元素，x为任意常数。
9.根据权利要求8所述的一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变装置，其特征在于，所述核聚变反应具体如下：
D+D→T+P+4.04MeV，
D+D→He3+n+3.37MeV，
D+He3→He4+P+18.14MeV。
10.根据权利要求7所述的一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变装置，其特征在于，所述步骤（一）中的控制棒为碳化硼控制棒。
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