消除来自反应堆中的核反应、特别是清洁激光硼11聚变的中子而无二次污染的制作方法

本发明涉及一种用于消除来自反应堆中的裂变、聚变或无中子核反应的中子的方法，特别是用于消除来自核聚变反应堆、例如用氢和硼同位素11操作的激光驱动核聚变反应堆中的聚变反应的中子的方法。本发明还涉及一种核反应堆、特别是一种激光核聚变反应堆，其被布置用于使用硼同位素11通过基于激光的质子的聚变产生电能。本发明应用于电能的产生中。

背景技术：

在解释技术现状时，参考以下出版物：

[1]wo2015/144190a1；

[2]h.hora，g.korn，l.giuffrida，d.margarone，a.picciotto，j.krasa，k.jungwirth，j.ullschmied，p.lalousis，s.eliezer，g.h.miley，s.moustaizisandg.mourou，fusionenergyusingavalancheincreasedboronreactionsforblockignitionbyultrahighpowerpicosecondlaserpulses.laserandparticlebeams.33，607-619(2015)；

[3]h.hora，s.eliezer，n.nissimandp.lalousis.non-thermallaserdrivenplasma-blocksforprotonboronavalanchefusionasdirectdriveoption.matterandradiationatextremes(elsevier)2，177-189(2017)；

[4]h.hora，commentonfinkel-report：australiangovernmentcommissionheadedbychiefscientistdralanfinkel2017onenergy(reportderacademyoftechnologicalscienceandengineering(atse)melbourne，symposiumsydney1.11.2017)；

[5]h.horalaserplasmaphysics2nded2016，spiebookbellinghamwa，usa；以及

[6]shalomeliezer，heinrichhora，georgkorn，noaznissimandjosèmariamartinez-val.avalancheproton-boronfusionbasedonelasticnuclearcollisions.physicsofplasmas23，050704(2016)。

众所周知，电能的清洁生产避免了碳质燃料燃烧或从核裂变反应堆产生的放射性废物对地球大气的污染。文献[1]中描述了一种清洁的电力发电机，主要使用通过以极端激光脉冲进行非热点火的氢和硼同位素11的无中子聚变反应(hb11聚变)。通过激光脉冲电磁场结合超高磁场的非线性力将核聚变的反应体积保持在一起来实现等离子体加速点火。

虽然hb11聚变完全不含中子，但主要氦核(α粒子)通过与燃料中存在的硼-11核反应而发生包括无害、稳定的氮气和中子的产生的次级反应。该反应很弱，不到hb11反应数的0.1％，并且产生的0.85mev的中子的能量相对很低。这些中子以14分钟的半衰期衰变为电子和质子。然而，在这种衰变之前，中子会以危险的方式产生放射性废物。由于中子没有电荷，所以它们可以接近并穿透其他原子核(所谓的中子俘获)，从而使通常无害的稳定原子核变成放射性核。

hb11反应堆实际上可以使用具有高重复率的霹瓦(petawatt)量级的激光脉冲通过以可用的技术实现。硼聚变一直被认为是特别困难和几乎不可能的。然而，如finkel提出的不含中子也不含放射性废物的“清洁能源目标”解决方案的目标一直是人们非常感兴趣的(见[4])。目前已经用激光测量了作为下文所述hb11核聚变反应堆的基础的hbi1反应(2005年belyaev等在莫斯科，2013年labaune等在巴黎和2014年picciotto等在布拉格)。然而，基于氢与硼-11的完全无中子反应作为完全清洁能源的目标的实现方式，已知污染的次级反应中的上述限制。在第一步是完全清洁的hb11反应产生α粒子的清洁氦核，但这些氦核与聚变燃料中的硼-11核反应，并通过分裂出非高能中子来将硼-11核转化为稳定的氮核。

中子辐射风险或中子与反应堆部件中或反应堆附近的原子相互作用的后果也存在于裂变、聚变或其他中子核反应堆的其他核反应中。

技术实现要素：

本发明的目的

本发明的目的是提供一种用于消除来自反应堆中的裂变、聚变或无中子核反应的中子的改进的方法，其避免了传统方法的缺点和局限性，特别是允许减少反应堆附近中子的数量和/或减少中子与反应堆部件中或反应堆附近的原子的相互作用。本发明的另一个目的是提供一种改进的核反应堆，特别是一种核聚变反应堆，其避免了传统技术的缺点和局限性，特别是，其特征在于减少中子数和中子与原子的相互作用。

本发明的概述

这些目的通过具有独立权利要求的特征的中子消除方法和核反应堆来实现。本发明的有利实施例和应用来自从属权利要求。

根据本发明的第一总体方面，通过用于消除来自反应堆中的裂变、聚变或无中子核反应的中子的方法来实现上述目的，其中，使至少部分慢化的中子与锡发生核反应。

根据本发明的第二总体方面，上述目的通过被配置为用于借助于裂变、聚变或无中子核反应进行能量转换并且用于产生电能的反应堆来实现，所述反应堆包括包含锡的中子消除装置，其被布置使得慢化的中子至少部分地与锡进行核反应。

本发明的第三总体方面是使用锡消除作为反应堆中的裂变、聚变或无中子核反应的结果产生的中子。通过初级反应或通过次级反应在反应堆中产生的中子全部或部分被锡吸收、特别是被以纯金属或化合物形式(例如，合金)的锡吸收。

本发明基于这样一种认识：通常从无害的稳定原子核产生放射性辐射核的中子俘获对于那些具有尽可能多的不同的稳定同位素的元素来说是不重要的。在这些元素中，锡由于其高有效剖面而已被证明是特别有利的。

通过衰变为非放射性破坏性电子和质子(氢核)的14分钟半衰期的有限寿命对辐射危险中子进行消除可应用于具有裂变或聚变的所有产生能量的核反应堆、特别是用于借助于“激光硼聚变”的无中子核聚变的示例。这是创新的“清洁能源目标”，其远远超出了以往的“可再生能源”倡议。

优选地，通过与锡的核反应，中子通过中子俘获将锡核转变为具有更高原子量的稳定核。有利的是，没有辐射残留物遗留。

特别优选激光驱动的核聚变反应堆，其主要与氢和硼同位素11进行工作而不产生中子，从而通过α粒子与硼同位素11的反应而产生的次级中子至少部分地被消除。如[2]所述，不需要的中子、特别是在hb11核聚变反应堆中的中子的数量相对很少，并且它们的能量相对很低。所述反应堆优选为激光驱动的核聚变反应堆，其具有被配置为能够容纳聚变燃料并在圆柱形反应空间中产生场强大于或等于1kt的磁场的磁场装置、被配置为能够发射脉冲持续时间小于10ps且功率大于1霹瓦的聚变激光脉冲并且被配置为能够在聚变燃料中启动核聚变的聚变脉冲激光源、以及用于将从核聚变期间所产生的核释放的能量转换为发电装置输出的能量转换器装置，其中，中子消除装置被布置为反应堆的壁材。中子消除装置优选地在各个面包围激光驱动核聚变反应堆的反应堆空间。

激光驱动的核聚变反应堆优选地具有如[1]所述的核聚变反应堆的特性。因此，wo2015/144190a1关于核聚变反应堆的构造及其操作的细节、特别是关于用于保持聚变燃料的磁场的产生和能量转换器装置的设计，通过引用被并入本发明的本说明书中。

有利的是，锡可以以各种形式被用于消除中子。根据第一种变型，使用金属锡，在核反应期间初级或次级产生的中子通过金属锡飞逸。优选地，中子消除装置由纯锡构成。在这种情况下，优势可来自于中子消除的高效性。替代地，使用至少一种锡化合物、例如至少一种锡合金。在这种情况下，优势可来自于这个事实：所述至少一种锡化合物可以用作制造反应堆部件、例如反应堆壁的材料。

特别优选地，金属锡或所述至少一种锡化合物被用作反应堆的壁材。换言之，围绕反应堆的反应堆空间的反应堆壁可由金属锡或所述至少一种锡化合物组成，或由支撑物和金属锡或所述至少一种锡化合物的层分层堆放而成。

例如，如果通常通过材料长距离传播的快中子与质子或氘核发生弹性碰撞，则它们的射程可以大大减小。例如，这种所谓的快中子热化可以用足够厚的水或重水或固体或液体石蜡来实现。因此，根据本发明的另一优选实施例，说明了中子通过在穿过热化的液体时的弹性碰撞降低其能量。优选地，提供了一种热化装置，其包含热化液，并且其被布置为通过在穿过热化液时的弹性碰撞减小中子的能量。优选地，热化液包括质子、氘核、碳、氧和/或它们的组分和/或尺寸大于一纳米的金属锡颗粒。

有利的是，热化装置可以实现除减速功能之外的另外的功能，并且还可以被布置为热交换器，用于将在反应堆操作期间产生的能量转移到热交换介质。在反应堆的操作期间，热化液被加热并用于向热交换介质传热。

根据本发明的另一优选实施例，锡包括同位素114至119以及少于0.01％的同位素112和122。本实施例最小化了不期望的核反应的可能性。特别优选地，锡包含各自纯度至少99.9％的同位素114、115和/或116或它们的混合物。

特别优选地，中子消除装置被配置为使得在电产生操作期间，在包括屏蔽层的反应堆的外壁上，中子密度小于环境清洁操作的预定极限浓度所规定的中子密度。这种极限浓度是根据文献中已知的估计值得出的。

在下文中，总结了本发明的基本特征：

1)消除来自裂变、聚变和无中子聚变反应的中子，其特征在于至少部分慢化的中子与锡发生核反应；

2)根据1)消除来自裂变、聚变和无中子聚变反应的中子，其特征在于中子穿过固体金属锡或化合物；

3)根据1)至2)消除来自裂变、聚变和无中子聚变反应的中子，其特征在于金属锡被用作反应堆的壁材；

4)根据1)至3)消除来自裂变、聚变和无中子聚变反应的中子，其特征在于，在穿过包含质子、氘核、碳、氧或它们的组分的液体时，中子通过弹性碰撞降低其能量；

5)根据1)至4)消除来自裂变、聚变和无中子聚变反应的中子，其特征在于所述液体包含超过纳米大小的金属锡颗粒。

6)根据1)至5)消除来自裂变、聚变和无中子聚变反应的中子，其特征在于除同位素114至119外，锡还包含少于0.01％的同位素112和122。

7)根据1)至5)消除来自裂变、聚变和无中子聚变反应的中子，其特征在于使用的锡包含在每种情况下都至少99.9％纯度的同位素114、115和/或116或它们的混合物；

8)根据1)至7)消除来自裂变、聚变和无中子聚变反应的中子，其特征在于，在电产生操作期间，在包括屏蔽层的反应堆外壁上，中子密度小于环境清洁操作的极限浓度所规定的中子密度。

附图说明

下面参照附图说明本发明的进一步细节和优点，在附图中示出：

图1：根据本发明的本发明核聚变反应堆的一个实施例的示意图；

图2：具有热化装置的核聚变反应堆的示意图。

具体实施方式

以下主要参考如[1]中限定的核聚变反应堆描述本发明的优选实施例的特征。然而，本发明不限于此核聚变反应堆，也适用于在操作期间产生中子的其他反应堆。未描述核聚变反应堆的细节、例如激光脉冲源的细节、hb11反应的物理原理、聚变反应堆与发电装置的更多组件的连接、特别是聚变燃料的制备和供应、聚变反应堆的控制、对于热影响和/或电场的环境保护，因为它们可由技术人员根据本发明的具体应用条件基于已知的聚变和等离子体物理知识以及传统的发电装置技术来实现。举例说明了具有单个反应室的聚变反应堆。然而，本发明不限于此设计。相反，聚变反应堆可以设置有多个反应室，每个反应室具有用于容纳聚变燃料的磁场装置。反应室可以按顺序交替操作，以便能够连续或准连续地产生电能。

在[1]至[3]中描述并在图1和图2中示出的激光驱动核聚变反应堆基于超高千特斯拉磁场以及使用皮秒持续时间且超过30霹瓦功率的激光脉冲的hb11聚变反应的非热点火，其中，例如，14mg的硼-11每秒释放277kwh的能量增益。与具有纳秒持续时间的2兆焦耳激光脉冲的具有96束的球形辐射的激光nif的激光驱动的氘氚核聚变相比，hb11反应堆只使用一束激光借助于电动激光场的极高非线性力进行非热点火来操作。布拉格pals激光项目的相关测量已表明，非热方法产生的能量是经典热反应的数十亿倍，这与理论完全一致(见[6])。

图1示出了例如根据[1]的本发明的核聚变反应堆100的一个实施例的示意图，其包括用于将圆柱形反应室2中的聚变燃料1保持在磁场下的磁场装置10、用于发射磁场激光脉冲3(或：产生磁场的激光脉冲)的磁场脉冲激光源20、用于发射聚变激光脉冲4(或：块聚变激光脉冲)的聚变脉冲激光源30、用于转换从核聚变期间产生的核释放的能量的能量转换器装置40(如虚线所示)和中子消除装置50。核聚变反应堆100优选地具有如[1]的图3所示的球形结构。

中子消除装置50以基本封闭的外壳的形式在各个面包围磁场装置10和能量转换器装置40。中子消除装置50的形状可以是如图所示的盒形或替代地球形。中子消除装置50包括包含锡或锡化合物的壁材。锡或锡化合物的厚度根据核聚变反应堆100的操作条件来选择。优选地，厚度被选择为使得中子数通过中子消除装置的作用被降低到可忽略的程度、特别是降低到避免进一步的核反应的程度。

用于在反应室2中产生具有例如4.5kt强度的磁场的磁场装置10包括由例如镍制成的两个平行金属板11、12，它们具有例如为2mm的厚度和例如为3cm的典型延伸长度。金属板11、12通过形成线圈的两匝13的导电体连接。其中一个金属板11具有孔14，具有例如1ns至2ns的持续时间和例如10kj的能量的磁场激光脉冲3通过孔14照射。由每个磁场激光脉冲3产生的等离子体在线圈13中产生电流脉冲，其具有立方毫米的磁场体积、几ns的持续时间。

孔14是图1所示的上面的金属板11中的圆形开口。孔14的直径以及可选地几何形状根据磁场激光脉冲3的特性、特别是磁场激光脉冲3的强度、直径和轮廓来选择。例如，孔14的直径为5mm。例如，区别于圆形，可以提供椭圆形。可以优化孔14以使磁场最大化，以获得最大可能的聚变产量。

与孔14相对的第二金属板12可设置有用于减少磁场激光脉冲3的光反射和增加通过金属板11形成的电容器的介电特性的吸收层。优选地，吸收层(未示出)布置在金属板12的整个表面上，并且优选地由泡沫材料、例如聚乙烯形成。泡沫材料被选择为使激光照射后电子密度分布形成双瑞利分布(doublerayleighprofile)。

利用示意性示出的磁场脉冲激光源20产生磁场激光脉冲3，例如，磁场脉冲激光源20包括nd-yag激光器和用于将磁场激光脉冲3定向到磁场装置10的更多光学组件(未示出)。可选地，通过使用具有100ps的脉冲长度的碘激光器和/或通过cpa功率增大后的较短激光脉冲，可以在时间上缩短持续时间在纳秒范围内的磁场激光脉冲3。有利地，通过磁场装置10产生的磁场可因此被放大。

聚变脉冲激光源30被配置为能够产生具有小于5ps的持续时间且大于10¹⁹w/cm²的强度的聚变激光脉冲4。在聚变激光脉冲4到达聚变燃料1之前，聚变激光脉冲4优选地对于小于5ps的持续时间具有至少10⁶的对比度。此外，聚变激光脉冲4优选地具有除了在光束剖面的外5％边缘区域之外在光束剖面上呈现小于5％起伏的强度分布。这有利于优化聚变燃料1中的聚变反应的块状点火。例如，通过聚变脉冲激光源30来实现上述强度分布，聚变脉冲激光源30具有一束光纤放大器，每个单独的光纤具有单模发射。此外，聚变脉冲激光源30包含用于产生ps级激光脉冲的脉冲激光器、例如固态脉冲激光器。

磁场脉冲激光源20和聚变脉冲激光源30耦合到控制装置70。控制装置70被配置为使得磁场激光脉冲3和聚变激光脉冲4时间上彼此同步。在反应室2中，在每个聚变激光脉冲4到达聚变燃料1之前，立即产生最大磁场。

例如，聚变燃料1是基于hb11的具有1cm长度和0.2mm直径的固态致密圆柱形体。聚变燃料1的表面在激光相互作用区域具有厚度为三个激光真空波长的覆盖层。覆盖层由原子量大于100的元素、例如银组成。覆盖层改进了用于在聚变燃料1中产生聚变火焰的脉冲传输。聚变燃料1通过石英丝被保持在磁场装置中。

能量转换器装置40通常包括导电组件(示意性地如图1中的虚线所示，也见图2)，其在各面围绕磁场装置10。磁场装置10在能量转换器装置40内部被支撑(图1中未示出载体，例如，参见图3中的载体棒44)。能量转换器装置40优选地连接到地电位，而负高压、例如-1.4mv通过电压源15被施加到磁场装置10。能量转换器装置40被布置为能够捕获在聚变燃料1的聚变反应期间释放的高能氦核(α粒子)，并借助于电压直流传输(hvdc)将它们转换成放电电流。放电电流提供电能，在聚变反应期间释放的能量转化为所述电能。

区别于附图中所示，磁场激光脉冲3的入射方向可以在由垂直入射方向定义的平面内的垂直入射与磁场的法向之间旋转80°的角度，旋转方向在与线圈13平行的平面内。

如图2示意性所示，中子消除装置50可在其面向聚变燃料1的一侧设置有热化装置60。热化装置60包含热化液、例如液体石蜡。

根据本发明，可以获得在实际条件下足够清洁的hb11核聚变反应堆、特别是通过由纯锡或者-在经济上完全可行的情况下-由锡同位素114或115以及经常使用的116制成核聚变反应堆的球形反应堆容器来获得。来源于氮的中子通过中子俘获将锡核转变成具有更高原子量的洁净的、稳定的核。为了减缓因过量的飞逸而产生的中子，在热化装置60(图2)中使用大约10cm厚的水或固体石蜡或石蜡油的液体实施热化。在中子消除装置50的锡层具有进一步外层护套的情况下，核聚变反应堆100于是作为完全足够清洁的能源操作。在热化装置60具有液体中间层的情况下，如果氦核的能量只能通过反应堆壁中的减速来获得并且不可能通过在反应堆中心、特别是球体中心与反应堆壁、特别是球体壁之间的静电场中的能量转换以优选方式获得，则热交换也可以进行。

对于核聚变反应堆的测试和反应堆组件开发的实施，可以使用来自于氮核形成的中子的非常灵敏的测量，因为hb11反应的测量处理起来更困难也更不精确。

在以上说明书、附图和权利要求中公开的本发明的特征可以以单独的、组合的或子组合的各种形式与本发明的实现相关。