SU1735909A1 - Способ получени атомной энергии и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Использование: техника получени   дерной энергии с помощью синтеза легких  дер. Сущность изобретени ; формируют два пучка холодных атомов дейтери  и трити , ионизируют их пучками электронов, получающиес  ионы ускор ют до энергии 13-14 эВ, затем нейтрализуют ионы до получени  нейтральной резонансной плазмы, в которой и происходит  дерна  реакци  синтеза . Атомные пушки, дающие пучки атомов дейтери  и трити , располагаютс  своими ос ми под углом, обеспечивающим пересечение пучков в камере синтеза. Кольцевые электронные пушки, расположенные соосно с атомными на их выходе, ионизируют атомы в начале их пути. Электрическое поле, создаваемое между пушками и специальными электродами, расположенными позади электронных пушек, обеспечивает ускорение ионов и их фокусировку перед зоной создани  плазмы. Плазма создаетс  облучением пучков ионов электронами издополни- тельных электронных пушек. Дл  получени   дерных реакций синтеза плазма должна быть резонансной, т.е. ионы в ней должны двигатьс  поступательно с определенной скоростью. 2 с.п,ф-ль, 1 ил. ел с

Description

Изобретение относитс  к технике получени  атомной энергии с помощью синтеза легких  дер (изотопов водорода - дейтери  и трити ) и может найти применение при создании энергетических установок.

Дл  осуществлени   дерной реакции синтеза необходимо сблизить  дра на рассто ние пор дка см или нагреть смесь атомов до 100 миллионов градусов. Эту задачу в насто щее врем  решают различными способами. Сжимают дейтерий или смесь дейтери  и трити  магнитным полем тороидальной конфигурации. Нагревают смесь изотопов лазерным лучом или пучком рел тивистских электронов, или ускоренным пучком ионов. В основе этих методов лежит одна иде : нагреть до высокой температуры все атомы смеси с тем, чтобы могли прореагировать  дра лишь некоторых из них.

При таких способах сближени   дер превращают самые совершенные и дорогие виды энергии - магнитную, световую, энергию ускоренного пучка частиц - в самую несовершенную, тепловую.

Известен метод с мюонным катализом  дерных реакций синтеза. Ядра сближают не за счет тепловой энергии, а под действием внутренних электрических сил прит жени , действующих между мю-мезонами и  драми, кроме того, сближаютс  только те  дра, которые затем вступают в реакцию, поэтому отпадает необходимость нагревать все атомы. Мюоны в лаборатории получают

ч| СО

СЛ Ю О

ю

в реакции распада пионов на мюоны и мю- онные анти-нейтрино:

 

Р

+ %

а пионы, в свою очередь, рождаютс  при столкновени х ускоренных протонов (600- 800 МэВ) с  драми атомов мишени.

Попада  в смесь изотопов водорода мю-мезоны тормоз тс  в ней, образу  мезоатомы водорода р/л dju , t/г- и мезомо- лекулы pd /г, dd /и. , dt ц и т.д. Причем рассто ни  между  драми в мезомолекулах оказываютс  равными 5 см, т.е. как раз такое, какое необходимо дл  начала интенсивной реакции синтеза  дер.

Устройство включет в себ  источник частиц - протонов, их ускоритель до энергии 600-800 мэВ (синхроциклотрон), мишень, участок преобразовани  частиц - пространство дрейфа с давлением Нд, камеру синтеза, заполненную смесью изотопов водорода и окруженную теплоносителем.

Недостатками способа и устройства с мюонным катализом  вл ютс  сложность устройства вследствие того, что необходим ускоритель протонов на энергию 600-800 МэВ, а также очень сложна цепь превращений элементарных частиц, прежде чем наступит  дерна  реакци , больша  стоимость получени  мюонов и потери мю- онов в процессе превращени  частиц.

Цель изобретени  - создание способа и устройства, позвол ющего снизить энергетические затраты на подготовку  дерных реакций и упростить всю инженерную схему процесса.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что используютс  квантовомеханические свойства частиц, описываемые автоколебательной квантовой механикой, дл  чего формируют два пучка холодных (с энергией 0,01 эВ) атомов дейтери  и трити , ионизуют их пучками электронов, которые направл ютс  встречно пучкам атомов, получающиес  ионы ускор ютс  до энергии пор дка (13-14) эВ, далее ионы вновь облучают электронами до образовани  двух пучков нейтральной резонансной плазмы дейтери  и трити , затем пучки совмещаютс  и в области совмещени  начинаютс   дерные реакции синтеза.

Таким образом, устройство, включающее камеру синтеза, систему подачи дейтери  и трити  и средства дл  получени  пучков электронов, отличаетс  от схемы мю- онного катализа  дерных реакций синтеза тем, что система подачи выполнена в виде двух пушек холодных атомов дейтери  и

трити , расположенных под углом одна к другой так, чтобы продолжение их осей совместилось (пересеклось) в камере синтеза. Средства дл  получени  пучковэлектронов представл ют собой соосные кольцевые пушки, расположенные у выходов пушек атомов дейтери  и трити , дл  формировани  встречных к атомным пучкам электронных пучков. На участках до камеры синтеза

расположены дополнительные электронные пучки, дающие электроны дл  нейтрализации ионных пучков и создани  плазмы. Между указанными источниками электронов размещены ускор ющие электроды, на

которые подан отрицательный потенциал 13-14 В относительно атомных пушек.

Во всех перечисленных способах получени  синтеза легких  дер, кроме реакции мюонного катализа, не принимаютс  во

внимание квантовомеханические эффекты, обычна  квантова  механика и не дает возможности разгл деть многие эффекты, так как с самого начала принципиально не рассматриваютс  возможности знать конкретные движени  электронов в атомах, а даетс  только веро тность их нахождени  в той или иной точке пространства вокруг  дра.

Нова  возможность решени  всей проблемы синтеза легких  дер в предлагаемом

устройстве вытекает из  влений, наблюдаемых в природе и в р де опытов и объ сн емых автоколебательной квантовой механикой (АКМ). Суть  влений, которые лежат в основе предлагаемого способа, заключаетс  в том, что  дро атома водорода (Р), движущеес  классически пр молинейно и равномерно, совершает дополнительное колебательное движение, обусловленное особым квантовым полем, возбуждаемым

частицей и которое, в свою очередь, воздействует на частицу. Это квантовое поле описываетс  волновым уравнением

#Ј

Рд

л

где А-оператор Лапласа; р- волнова  функци ;

5Q V - скорость частицы и скорость волны, возбуждаемой частицей.

Движение частицы будет описыватьс  выражением

55

х Vt +

зт2 1Л в t х + Ё,

х

2лгт V истинна  координата частицы; х

VKB

m V4

- частота колебаний частицы и волны;

А -у- длины волны де Бройл ;

h - посто нна  Планка; m - масса частицы; V - скорость частицы; t - врем . Скорость частицы

V V + V(i + cos2 Ttv KBt);

| VCOS2 JtVKBl

Дл  энергии такой свободной квантовой частицы мы должны писать выражени 

m V2 ... 2 - 2

Т.е. здесь местопребывание добавочной энергии, св занной с квантовыми колебани ми , мен етс  от одного полупериода квантового колебани  к другому: когда добавочна  скорость имеет направление классической скорости V - энерги  складываетс  с классической энергией частицы, когда добавочна  скорость направлена против классической скорости - квантова  энерги  вычитаетс  из классической и уходит в окружающую среду (в эфир). В результате усреднени  по времени получим обычное классическое равномерное пр молинейное движение.

Так же, как существование волны де

Бройл ,-- получило подтверждение в m V

 влении дифракции электронов, существо-

вание квантовых частот VKB

m V

водорода двигатьс  со скоростью

5,1 -10 см/с (т.е. с энергией Е

«Q

10

15

20

25

30

13,6 эВ), то частота колебаний

m V2 на vp -2-- будет совпадать с частотой

колебаний электронов в атоме водорода. В этом случае имеет место резонансный эффект, в результате которого правильное квантовое колебательное движение электрона относительно протона прекращаетс . Электрон начинает двигатьс  беспор дочно . Получаетс  фактически ион Н+ (или протон) и электрон, не образующие кванто- во-механической системы. Это  вление можно назвать самоионизацией атома водорода .

При падении электрона на протон (куло- новское поле создает именно это движение прежде всего) имеет место электромагнитное и неэлектромагнитное излучени , однако это излучение не будет иметь квантовой природы, т.е. не будет св зано с вращательными моментами (речь идет все врем  об основном состо нии атома водорода).

На неэлектромагнитное излучение может расходоватьс  значительна  часть из общей потери энергии электрона. На малых рассто ни х электрона от протона ( см) вступают вновь в действие квантовые силы. Это ведет к образованию нейтроноподоб- ной частицы.

Описанные  влени  имеют место не ос только дл  атомрв водорода (iH), но и дл  дейтери  (TD iH) и дл  трити  (iT iH). Поскольку частота колебаний электрона в этих атомах практически будеттакой же, как и в атоме водорода, то квантова  частота  дер бит будет такой же, хот  скорости дл  резонанса частоты будут другими:

л ет себ  в некоторых  вл ени х резонансного типа.

Как показывает автоколебательна  квантова  механика, электрон в основном состо нии атома водорода совершает колебани  вдоль радиуса с частотой

,i - 2Е1 -4л2 тее4 .

VH hт

пк3

Ei

2л2

т е

-8

остава сь в среднем на рассто нии 10 см от протона, т.е. численно это будет VH 6,54 -1015 Гц. Если заставить сам атом

45

Vd 3,63- 10ьсм/с; Vt 2,94 -106 см/с; VP 5,1 -106см/с.

ШсЛг

частотам

резонансна 

энерги  дл   дер дейтери  и трити  будет 55 такой же, как и дл  водорода, т.е. 13,6 эВ.

На рассто ни х пор дка см вступают в действие особые квантовые силы. Ней- троноподобные частицы de и te могут оказатьс  достаточно прочными и могут

подпускать к себе свободные  дра d и t на рассто ни , на которых действуют  дерные силы( см)(каксмюонами)и начинаютс  реакции  дерного синтеза с выделением энергии:

d + t 2Не + п + 17,6 МэВ;

з d + d +п +3,27 МэВ;

з d + d -мТ+р + 4,12 МэВ;

d + 2He + 18,3 МэВ.

Здесь по крайней мере одно из  дер d, t,  вл етс  нейтроноподобным, т.е. с прилипшим к нему электроном. Другие  дра могут быть нормальными.

Таким образом, в предлагаемом способе не нужны такие экзотические частицы, как мюоны, и соответственно все дорогие и сложные устройства, св занные с их получением .

Вместо мюонов используютс  электроны (свои или захватывающиес  из плазмы ), образующие вместе с  драми своего рода нейтроноподобные частицы pe,de,te, у которых электрон находитс  на рассто ни х пор дка 10 12-Ю 11 см.

Дл  получени  такого рода частиц необходимо получить достаточное количество атомов d,t при резонансной скорости, при которой разрушаетс  закономерное квантовое движение электрона, имеющее место в основном состо нии атома водорода,

На чертеже приведена схема устройства дл  осуществлени  способа.

Устройство содержит дейтериевую 1 и тритиевую2 атомные пушки дл  получени  холодных атомов D и Т, электронные кольцевые пушки, электроды 5 и 6, которые подключены к (-)-пол юсу источника напр жени  дл  создани  электрического пол  между электродами и атомными пушками. Эти электроды выполн ют благодар  своей форме роль фокусирующих электродов дл  ионов. Устройство содержит также дополнительные электронные пушки 7 и 8 дл  нейтрализации ионных пучков; траектории 9 и 10 пучков дейтери  и трити , камеру 11 синтеза и рубашку 12 с теплоносителем.

Цифрами I, II, III обозначены, соответственно: участок образовани  ионов дейтери  и трити , участок образовани  нейтральной плазмы, участок  дерных реакций синтеза.

Атомные пушки 1 и 2 установлены под углом одна к другой так, что их оси пересекаютс  в камере 11 синтеза. Электронные кольцевые пушки 3 и 4 расположены у выходов атомных пушек 1 и 2 соосно с последними . Электроды 5 и 6 подключены к источнику напр жени  (не показан), создающему на них отрицательный относительно атомных

пушек 1 и 2 потенциал в 13-14 В. На участке до камеры 11 синтеза перпендикул рно к ос м атомных пушек размещены дополнительные электронные пушки 7 и 8.

Пушки 1 и 2 располагаютс  р дом на

рассто нии нескольких сантиметров с ос ми под углом 5° одна к другой с тем, чтобы пересечение пучков имело место в области реакции (III).

Энерги  атомов, получаемых от этих пушек не превышает 0,01 эВ. Соответственно разброс частиц по энерги м будет небольшой . Поскольку дл  резонансных эффектов мы должны иметь атомы с энергией 13,6 эВ, необходимо их ускор ть. Дл  ускорени  атомы необходимо прежде ионизировать. Электронные кольцевые пушки 3 и 4 создают трубчатые сход щиес  пучки электронов, которые ускор ютс  в электрическом поле между электродами 5 и б и атомными пушками 1 и 2 и ионизируют пучки атомов дейтери  и трити . Ионы трити  и дейтери  ускор ютс  в этом же поле до энергии пор дка 10-14 эВ, фокусируютс  благодар  форме электродов 5 и 6 и выход т через

отверсти  в электродах 5 и 6 на участок образовани  нейтральной плазмы.

Поскольку электроны имеют массу « массы d и t, то разброс ионов по скорост м возрастает незначительно.

Участок образовани  нейтральной плазмы . На этом участке целесообразно наложить фокусирующее продольное магнитное поле. Разогнав ионы до нужных скоростей, надо их превратить в нейтральные атомы.

Но поскольку скорости d и t  вл ютс  резонансными и устойчивых атомов получить в этом случае нельз , то остаетс  удовлетворитьс  созданием нейтральной резонансной плазмы. Плазма будет в этом случае как

бы результатом самоионизации атомов, На этом участке ионы вновь облучают электронами с энергией до 14 эВ из пушек 7 и 8 в пропорции, соответствующей нейтральной плазме. Далее идет участок, на котором возможны  дерные реакции.

Участок  дерных реакций (III). Длина этого участка 1 м. Резонансна  плазма создает услови  дл  падени  электронов на  дра d и t. На рассто ни х пор дка см

вступают в действие вновь квантовые силы. Образуютс  нейтроноподобные частицы de и te. Такие частицы могут подпускать к себе свободные  дра d и t на рассто ни , на которых действуют  дерные силы ( см)

(как с мюонами) и начинаютс  реакции  дерного синтеза с выделением энергии:

4

d+t - 2Не +п + 17,7 МэВ;

3 d + 2He

„Не + п + 18, 3 МэВ;

d+d 3,28 МэВ;

d + d + p + 4,12 МэВ.

ч

Кинетическа  энерги  2Не-частиц расходуетс  на нагревание стенок камеры 11 синтеза, котора  окружаетс  рубашкой с теплоносителем 12. Вдоль всего тракта (от пушек до участка  дерной реакции) поддерживаетс  вакуум.

Предлагаемые способ и устройство получени   дерной энергии по сравнению с известными позвол ют построить более дешевый и простой  дерный реактор. Действительно в известных установках необходимо создавать сильные магнитные пол  около дес тков кГс, высокие электрические напр жени  дес тки-сотни кВ, сверхнизкие температуры, токи пор дка сотен ампер. Дл  создани  таких параметров необходимы сложнейшие установки, потребл ющие большие энергии. В предлагаемом способе требуютс  электрические напр жени  всего в 10-20 В, токи тА, естественно, что и энергетические затраты на осуществление способа будут значительно ниже чем в известном способе.

В предлагаемом устройстве самой сложной частью  вл ютс  атомные пушки.

Такие пушки не представл ют собой технических проблем. Электронные пушки, используемые в устройстве, также просты, источниками питани  их могут служить даже простые батареи аккумул торов.

Claims (2)

1.Способ получени  атомной энергии путем воздействи  на дейтерий и тритий активирующими частицами, отличающий- с   тем, что, с целью снижени  энергозатрат, формируют два пучка холодных атомов дейтери  и трити , ионизируют их электронами , ускор ют ионы дейтери  и трити  до энергии 13-14 эВ, нейтрализуют ускоренные пучки ионов электронами и совмещают оба плазменных пучка в пространстве.

2.Устройство дл  получени  атомной энергии, содержащее камеру синтеза, систему подачи дейтери  и трити  и средства дл  получени  пучков электронов, отличающеес  тем, что его система подачи дейтери  и трити  выполнена в виде двух пушек холодных атомов дейтери  и трити , установленных под углом одна к другой так, что их оси пересекаютс  в камере синтеза , а средства дл  получени  пучков электронов представл ют собой соосные кольцевые электронные пушки у выходов пушек атомов дейтери  и трити  и дополнительные электронные пушки на участках до камеры синтеза, а между указанными источниками электронов размещены ускор ющие электроды, на которые дан отрицательный потенциал 13-14 В относительно атомных пушек.

11

Ю

ш