CN1489157A - 一种利用热核聚变能发电的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用热核聚变能发电的方法，它包括以下步骤：在地下熔洞中注入占该熔洞1/3～2/3的水，并在该熔洞水中放入轻核聚变弹体，引爆该弹体后使熔洞中的水达到300～400℃、30～40Mpa的高温高压水蒸汽状态，并使之驱动汽轮发电机旋转发电，作功后的乏汽经冷凝器冷凝；在另一熔洞水中再引爆一轻核聚变弹体，使该熔洞中的水达到300～400℃、30～40Mpa的高温高压水蒸汽状态，并驱动汽轮发电机旋转发电。由此利用两熔洞交替地引爆轻核聚变弹体即可实现用高温高压水蒸汽循环发电。采用这种轻核聚变能量发电的方法，可为人类找到取之不尽和非常清洁的烧氘新能源，因此具有极大的商业开发价值和应用前景。

Description

一种利用热核聚变能发电的方法
技术领域
本发明涉及发电领域，具体为一种利用热核聚变的能量进行发电的方法。
背景技术
自20世纪50年代出现核电站以来，至今核电在全世界年发电总量中已占17％。这种以核裂变的途径获得能源的方法相对比较容易，但是以核裂变作为能源有许多难以克服的问题。一方面铀、钍的储量有一定的限度；另一方面核裂变所产生的放射性碎片越来越多，这些放射性废物日积月累，如何安全有效地处理它们是一个很棘手的问题。因此，利用核能的另一个途径——核聚变，成为世界各国非常关心的问题，核聚变在解决以上两大问题方面，有着绝对的有利条件和优势。
核能的开发利用，按其难度的不同，分为热中子反应堆、快中子增殖堆和可控聚变堆。热中子反应堆早已进入实用阶段，目前世界上正在运行的400多座核电机组绝大部分都是热中子反应堆。1975年法国开始建造快中子增殖堆核电站，1986年并网发电，我国的快中子增殖堆核电站已从研究设计阶段走向工程实用阶段。但如何实现可控核聚变，将它释放的巨大能量加以利用，人们进行了长期的探索。几十年来，世界上已经投入并正在投入巨资和人力，努力寻找核聚变的能量能够在受人控制的条件下释放出来并加以和平利用，在这方面，前苏联首先提出托卡马克方案，即利用交变磁场加热使氘、氚成为等离子状态，使氘核和氚核碰撞合成较重的氦核，从而释放能量发电；另外，前苏联、美国、法国等主要有核国家曾进行过上百次核试验，其中有几十次是利用核爆炸来建造地下储库。我国于1984年制成可控核聚变实验装置“环流器1号”。所有关于可控核聚变和平利用研究的努力，寄希望实现利用核聚变能量造福人类的目标，但至今尚未取得实质性进展。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用核聚变能量发电的方法，以解决现有技术不能和平利用核聚变能量的问题。
本发明的目的是这样实现的：所述热核聚变能发电的方法，它包括以下步骤：在地下熔洞1中注入水，并在该熔洞水中放入轻核聚变弹体，关闭该熔洞各出口，使熔洞1内形成一个密闭的等容系统，然后引爆所放入的轻核聚变弹体，使该熔洞1中的水形成高温高压水蒸汽，开启该熔洞1与汽轮发电机3间的蒸汽管阀，使高温高压水蒸汽驱动汽轮发电机旋转发电，作功后的乏汽经冷凝器4冷凝后进入与该熔洞1体积相配的另一熔洞2，当熔洞1中的高温高压水蒸汽作功发电运行结束时，再在熔洞2水中放入一轻核聚变弹体，关闭熔洞2各出口，关闭熔洞1与汽轮发电机3间的蒸汽管阀，引爆该弹体，使熔洞2中的水形成高温高压水蒸汽，然后开启熔洞2与汽轮发电机3间的蒸汽管阀，使高温高压水蒸汽驱动汽轮发电机旋转发电，作功后的乏汽经冷凝器冷凝后进入熔洞1。由此利用两熔洞交替地引爆轻核聚变弹体即可实现用高温高压水蒸汽循环发电。其中在地下熔洞1中注入的水量占该熔洞容积的1/3～2/3，以使水达到高温高压水蒸汽状态时有充分的膨胀空间，引爆熔洞2水中轻核聚变弹体时该熔洞中的水量占其容积的1/3～2/3，这部分水量由来自冷凝器的冷凝水和补充的水构成。所述的高温高压水蒸汽为300～400℃、30～40Mpa。为使不同压力的水蒸汽适合于不同的汽轮机，在两熔洞与冷凝器间可连接若干汽轮机，如亚临界汽轮机、高压汽轮机、中压汽轮机、低压汽轮机，以充分利用高、中、低压的水蒸汽的能量。为保证发电作业的连续性，可采用两个以上的熔洞通过管道分别同时与汽轮发电机相连接，同时冷凝水出口通过管道分别与各熔洞冷凝水进口相连接，其中两个熔洞在发电运行即将结束时，另一个熔洞水中的轻核聚变弹体可及时引爆并产生高温高压水蒸汽，并及时给汽轮发电机提供动力发电，这样即可连续不间断为汽轮发电机提供动力，使整个发电工作过程保持连续，又能使其它熔洞有充分的降温和消除内应力的过程。
本发明所述的熔洞采用核爆炸形成，可选择岩层的岩性、厚度、空隙度、渗透率等指标良好的地质条件区域进行地下核爆炸，以获取适于本发明的地下熔洞。由于地下核爆炸产生的高温高压可把周围的硅酸盐介质熔融成坚固的玻璃体，这种利用核爆炸形成熔洞的方法可使所有放射性废物在熔岩中固化，核爆炸形成的这种地下熔洞空腔，可安全无泄露地储存液体和气体，并可承受上千万个大气压。本发明采取用两个利用该方法形成的熔洞，每个熔洞的工作容积基本相同，如在一40万立方米容积的熔洞中加入常温(如30℃)20万立方米水，为使该熔洞中的水达到400℃、压力达到35Mpa，约需要8×1010Kcal的能量，可在该熔洞水中放入一颗折合8万吨TNT当量(相当于能量为8×1010kcal)的轻核聚变弹体，由于该地下熔洞近似为绝热体系(忽略热损失)，故该氢弹热核聚变所产生的能量大部分用于增加系统的内能，即用于提高熔洞中水的温度和压力，并使其具备对外作功的能力。本发明若选用其它体积的熔洞，加入的水量和折合TNT当量的轻核聚变弹体等参数见下表：
熔洞容积(M3) 加入的水量(吨) 需要的能量(Kcal) 折合TNT当量(万吨) 达到的温度(℃) 达到的压力(Mpa)
  100000   50000   2×1010     2     400     35
  200000   100000   4×1010     4     400     35
  300000   150000   6×1010     6     400     35
  400000   200000   8×1010     8     400     35
  500000   250000   10×1010     10     400     35
本发明所述的轻核聚变弹体优选氢弹，即以氘、氚为聚变燃料，其反应为：
1Kg(2D+3T)完全聚变将释放108kw·h的能量，这相当于燃烧1.2万吨标准煤释放出的能量。而另一种燃料氚可以用中子与锂(包括6Li和7Li)的核反应产生，即：
除此之外，还可以选择如3He、6Li、7Li、9Be等作为轻核聚变燃料，其反应式为：
。
由于核聚变如氢弹的聚变裂变比很高，可达90％以上，故其爆炸产生的放射性污染物是很微量的，另外，本发明的热核聚变反应是在地下熔洞的水中进行，所产生的微量放射性金属碎片都沉降在水下，而且本发明的工作循环中的介质水是从一个熔洞流进另一个熔洞，与外界隔离，故不会对外界造成污染；本发明方法工艺流程中聚变反应中可能泄漏的氚以及聚变时释放的中子、质子，以及本发明方法工艺流程中对外界可能造成污染的如井口、管道接口等设备、设施可采取距离防护、时间防护、屏蔽防护(铅玻璃、铸铁体)等解决方案。
本发明取得的技术进步：
以热核反应作为动力源，不仅单位质量释放的能量比裂变反应的多，而且具有燃料来源无穷、各地都有、价格便宜等优点。另一方面，由于本发明采用的聚变是轻核聚变，它不会像裂变堆产生很多的放射性同位素。聚合后的原子核质量数也不算大，没有多余的质子-中子转变，不会发生衰变，也没有伴生的放射性。本发明热核聚变采用裂变能量点火，其产生的污染物主要是金属放射性碎片，它沉降在地下深处的熔洞底部，不会对外界造成放射性污染。由于本发明热核聚变产生的放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时释放的中子、质子、材料活化产生的放射性固体废物，这比裂变产生的放射性废物的处理要容易得多，因此利用热核聚变能是比裂变能更安全的能源。
本发明利用热核聚变产生的高温高压水蒸汽直接驱动汽轮发电机作功发电，而不必应用价值昂贵且效率低下的热机，因此可大大提高热效率。
利用本发明发电的方法建造电站，与核裂变电站相比，具有施工周期短、用料少、安全可靠等优越性，可大大降低建设周期和建设投资。故本发明利用热核聚变能发电的方法，比裂变反应能的发展前途，有相当大的优势。另外，目前全球所需电力90％以上来源于有限的煤炭资源，这本来可作为化工、纺织、医药等产品的原料却长期作为燃料烧掉了。所以在贯彻可持续发展战略并努力选择后续能源的今天，利用这种热核聚变能发电的方法，可为人类找到取之不尽和非常洁净的烧氘新能源，因此它具有极大的商业开发价值和应用前景。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明方法工艺流程图。
实施例1：在40×104M3容积的地下熔洞1中注入20×104M3的常温水，并在熔洞1水中放入折合8万吨TNT当量的氢弹，关闭该熔洞各出口，使熔洞1内形成一个密闭的等容系统，然后引爆所放入的氢弹，使该熔洞中的水形成400℃、35Mpa的高温高压水蒸汽状态，开启该熔洞1与汽轮发电机3间的蒸汽管阀，使高温高压水蒸汽驱动汽轮发电机旋转发电，作功后的乏汽经冷凝器4冷凝后进入另一40×104M3容积的地下熔洞2，当熔洞1中的高温高压水蒸汽作功发电运行结束时，将熔洞2中的水调整到20×104M3后，再在该熔洞水中放入一折合8万吨TNT当量的氢弹，关闭熔洞2各出口，并关闭熔洞1与汽轮发电机3间的蒸汽管阀，引爆该弹体，使熔洞2中的水形成400℃、35Mpa的高温高压水蒸汽状态，开启该熔洞2与汽轮发电机3间的蒸汽管阀，使高温高压水蒸汽驱动汽轮发电机旋转发电，作功后的乏汽经冷凝器冷凝后进入熔洞1，由此利用两熔洞交替地引爆氢弹即可实现用高温高压水蒸汽循环发电。
其它实施例见下表：
Figure A0314328800081
实施例6：本实施例与上述实施例不同之处是采用三个地下熔洞通过管道分别同时与汽轮发电机相连接，各熔洞冷凝水进口通过回水管分别与冷凝器出口相连接。其中两个熔洞在发电运行即将结束时，另一个熔洞水中的氢弹可及时引爆并产生高温高压水蒸汽，并及时给汽轮发电机提供动力发电，这样可连续不间断为汽轮发电机提供动力，使整个发电工作过程保持连续，又能使熔洞有充分的降温和消除内应力的过程。

Claims (5)

1.一种利用热核聚变能发电的方法，其特征在于它包括以下步骤：
a.在地下熔洞(1)中注入水，并在该熔洞(1)水中放入轻核聚变弹体；
b.关闭熔洞(1)各出口，引爆所放入的轻核聚变弹体，使熔洞(1)中的水形成高温高压水蒸汽；
c.开启熔洞(1)与汽轮发电机间的蒸汽管阀，使高温高压水蒸汽驱动汽轮发电机(3)旋转发电，作功后的乏汽经冷凝器(4)冷凝后进入与熔洞(1)体积相配的另一熔洞(2)；
d.熔洞(1)中的高温高压水蒸汽作功发电运行结束时，再在熔洞(2)水中放入一轻核聚变弹体，关闭熔洞(2)各出口并关闭熔洞(1)与汽轮发电机(1)间的蒸汽管阀，引爆该弹体，使熔洞(2)中的水形成高温高压水蒸汽；
e.开启熔洞(2)与汽轮发电机(3)间的蒸汽管阀，使高温高压水蒸汽驱动汽轮发电机(3)旋转发电，作功后的乏汽经冷凝器冷凝后进入熔洞(1)；
f.然后利用两熔洞交替地引爆轻核聚变弹体即可实现用高温高压水蒸汽循环发电。
2.根据权利要求1所述的利用热核聚变能发电的方法，其特征在于所述的熔洞(1、2)采用核爆炸形成。
3.根据权利要求2所述的利用热核聚变能发电的方法，其特征在于所述的轻核聚变弹体优选氢弹。
4.根据权利要求3所述的利用热核聚变能发电的方法，其特征在于所述在地下熔洞中注入的水量占该熔洞容积的1/3～2/3。
5.根据权利要求4所述的利用热核聚变能发电的方法，其特征在于所述水形成的高温高压水蒸汽为300～400℃、30～40Mpa。
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