一种低温可控核聚变装置及其实现方式的制作方法

一种低温可控核聚变装置及其实现方式
[0001]
所属技术领域：本发明属于核能核聚变领域。
[0002]


背景技术：
：迄今为止，可控核聚变未能实现。这是由于，可控核聚变不仅仅需要一亿度 以上的高温，而且还要满足劳逊条件。对于一亿度高温的等离子体，劳逊条件是不容易满足 的。根本原因在于，带正电荷的裸原子核之间有强大的静电排斥势能。鉴于此，我们考虑利 用中子实现核聚变。相对于传统设计的核聚变，不足之处在于，这种核聚变释放的能量和能 量密度较小；而且，在产生中子束过程中，还要消耗很多能量。需要有效地回收利用这个过 程所产生的热能，才能保证这种核聚变全过程输出能量大于输入能量。好处是，这种核聚变 的全过程都能够在低温下实现，容易控制，不存在劳逊条件问题，不产生放射性核乏燃料。
[0003]


技术实现要素：
：实现低温可控核聚变的基础是，单能电子束和单能离子束能够形成，伽马射 线已经在世界多个实验室实现；伽马激光实现方案也已经提出
[1]-[4]
；能量适当的电子和丰中 子核对撞能够产生中子，利用伽马激光或伽马射线辐照丰中子核产生单能性好中子的方案也 已经提出。当然，现在已经实现的裂变中子源和反应堆中子源都可以利用。因此，只要能有 效地利用产生中子过程中伴随产生的热能，这种核聚变的方式就是有意义的。
[0004]
本发明有六个要点。第一个是，一种低温可控聚变的装置由中子源，含有靶核的物质及 使这种物质更新流动的输送系统，能量传输系统，及吸收残余中子的屏蔽层构成；用中子源 辐射出的中子辐照靶核物质，根据所选定的靶核调整中子的能量，吸收中子的靶核裂变为几 个子核，同时放出能量，所释放的能量被能量传输系统传送出去，这里的子核包含质子与中 子；靶核的厚度能够吸收99％以上的中子，没有被靶核吸收的残余中子被屏蔽层完全吸收； 裂变产生的子核及电子最后结合为原子并放出能量；
[0005]
这里所用中子源有五种选择：电子中子源，伽马光中子源，散裂中子源，反应堆中子源， 自发辐射中子源；
[0006]
中子与所有核都能反应，所以这里的靶核有许多种选择，其中两种选择是6li核和
10
b核， 所用的中子是热中子，所依据的聚变反应分别是
[0007]
n+6li
→
α+3t+4.783mev，σ
li0
＝936b，
[0008]
n+
10
b
→
α+7li+2.792mev，σ
b0
＝3840b，
[0009]
式中σ
li0
和σ
b0
分别是热中子与6li核和
10
b核的反应截面。
[0010]
核能释放的本质是，一定数量核子的一种结合方式a相对于另一种结合方式b有更高的 能量，因此，当通过一种物理过程，使得核子结合方式由a转化为b时，就将有核能释放。 无论核裂变，传统设计的核聚变，还是这里的低温可控核聚变的物理原理都是如此。
[0011]
这里，一个氘核与一个6li核的总能量是
[0012]
[(m
d
+m
li
)-(m
α
+m
t
+m
p
)]c2＝
[0013]
[(2.014102+6.015123)-(4.002603+3.016050+1.007825)]
×
931.494
[0014]
＝2.55881mev。
[0015]
当通过上述物理过程，输入能量2.224mev，使得d
→
p+n时，
[0016]
[(m
p
+m
n
+m
li
)-(m
α
+m
t
+m
p
)]c2＝
[0017]
[(1.007825+1.008665+6.015123)-(4.002603+3.016050+1.007825)]
×
931.494
[0018]
＝4.78322mev。
[0019]
在产生所需要热中子的过程中，消耗的能量e
n
显然要大于2.224mev。设 δe＝e
n-2.224，那么，如果δe＜2.55881mev，这个核聚变反应就释放能量；如果 δe≥2.55881mev，这个聚变反应就不能释放能量。δe一般情况是以热能形式存在，其中一 部分可以被有效利用的。这样，实际损耗的能量就小于δe。可见，用这种核聚变方式释放核 能是可能实现的。
[0020]
这里所提出的核聚变与传统设计的核聚变方式的本质差别在于，全过程没有质子的聚合， 不必克服质子之间的静电排斥势能。
[0021]
第二个要点是，这里低温可控核聚变中电子中子源的特征是，在真空室中，将丰中子核 离解为电子与裸核，按传统技术、用电场与磁场将电子与裸核分离，并分别调制成单能电子 束和离子束；将单能电子束与单能离子束用垂直于输送电子与离子管道的磁场分别输送到对 撞区，在对撞区有平行于电子束和裸核离子束强度大于1t的强磁场，电子束与裸核离子束反 平行运动并对撞；电子相对于裸核的动能大于裸核最后中子的结合能；由于电子与核子中夸 克的电磁和弱作用，对撞后裸核碎裂为几个子核，中子是子核之一；其中99％以上中子是原 来裸核的中子，1％以下是由质子转化而来；
[0022]
这里所用的丰中子核有许多种选择，其中两种丰中子核是氘核d与铍核9be；用相对于 氘核动能大于氘核结合能2.224mev的电子与氘裸核对撞，有以下反应，
[0023]
e-+d
→
e-′
+p+n-2.224mev，
[0024]
用相对于铍核9be动能大于铍核9be结合能1.665mev的电子与9be核对撞，有以下反应，
[0025]
e-+9be
→
e-′
+8be+n-1.665mev，
[0026]8be
→
2α+0.092218mev，t/2＝0.07fs；
[0027]
这里所产生的中子辐射到聚变靶核区，与靶核发生聚变反应。
[0028]
第三个要点是，这种核聚变所用的伽马光中子源是以伽马激光或伽马射线辐照丰中子核 产生单能中子的装置，这里所用的丰中子核有许多种选择，其中两种丰中子核是氘核d与铍 核9be；用相对于静止氘核能量大于氘核结合能2.224mev的伽马光子与氘裸核对撞，有以下 反应，
[0029]
γ+d
→
p+n-2.224mev，
[0030]
用相对于静止铍核9be能量大于铍核9be结合能1.665mev的电子与9be核对撞，有以下 反应，
[0031]
γ+9be
→8be+n-1.665mev；
[0032]
有多种传统方式可以将原子离解为裸核与电子，其中一种方式是用单光子能量大于电子 与核结合能的激光或射线辐照靶原子，使其靶核与电子解离；用电场与磁场将裸核分离出来， 并调制成单能裸核束，输送到对撞区；未电离和未完全电离的粒子继续被同样频率的光辐照、 离解；
[0033]
另一种伽马光中子源的实现方式是，用单光子能量相对于靶核大于靶核与其电子结合能 的伽马激光或伽马射线直接辐照靶原子，使靶核离解为中子与其它子核，用电场与
磁场将其 它子核分离出去备用，而中子辐射到与中子聚变的靶核上。
[0034]
第四个要点是，这种核聚变所用的自发辐射中子源的特征是，这种中子源的原子核是不 稳定的，衰变产物的一种是中子，所辐射出的中子能量与数量决定于衰变的原子核，辐射出 的中子能量和聚变所需能量相匹配；自发辐射中子源中的一种是
252
cf，其半衰期 t/2＝2.645a，中子产额为2.31
×
10
12
s-1
g-1
，能谱分布为麦克斯韦分布， c是归一化常数，e
t
＝(1.453
±
0.017)mev，其中部分中子能够与靶核6li、9be聚变。
[0035]
第五个要点是，当用氘核产生中子时，在产生中子的同时产生同样数量的质子，这些质 子与电子复合为氢原子时，将放出能量大于13.6ev的光子，用这些光子辐照氘原子，将氘原 子离解为氘核与电子，再用电场与磁场将氘核与电子分离开备用；
[0036]
在产生伽马光的过程中，也产生热能；在伽马光辐照氘核，导致氘核离解为质子与中子 的过程，以及中子被屏蔽层吸收时都导致热能产生，所有这些热能都被能量传输系统传送出 去，被利用。
[0037]
第六个要点是，靶核物质输送系统使得靶核物质处于更新流动之中；吸收中子后的靶核 裂变为几个子核，由于热运动和相互作用，靶核物质变成由正、负离子、电子和未电离的原 子组成的等离子体；对这个等离子体除了直接利用其热能外，还应用磁流体发电技术利用其 能量，即，使等离子体高速流过一个强度大于1特斯拉的强磁场，正、负带电粒子将反向运 动，形成正、负电极，产生电动势，而中性靶核粒子与其它靶核物质一起输送回中子辐射区。
[0038]
附图说明：附图1是低温核聚变主要结构原理图。图中，1是电子与丰中子裸核对撞区； 2是靶原子区；3是磁铁；4是屏蔽层。
[0039]
具体实施方式：将氘原子电离后，首先用电场将电子与离子分离，然后用磁场将电子、 离子按速度分类，对不同速度的带电粒子用不同的电场加速，使得电子束和氘核束的速度分 别为0.98245c和-0.00143c。将电子束和氘核束反平行地输入对撞区。这时，在实验室系中， 系统总动量为零，在氘核静止系中，电子速度和能量分别为0.98245c和(2.224+0.51)mev。 在氘核静止系中，电子与氘核数密度均为10
20
/cm3。对撞区间长度为100cm。靶原子取为6li， 数密度为2.67
×
10
19
/cm3。对撞区间是圆筒形，长1000cm，内半径为3cm。靶原子区内半径 为3.1cm外半径为44.1cm。屏蔽层为铅板，厚1cm。靶原子区的靶原子是流动的。以30m/s速 度流过方向垂直于流速的磁场强度为3t磁场区，产生电动势。电子和离子复合后成为高温气 体，热能可以利用。没有电离的原子与其它氘原子混合在一起，重新输入到靶原子区。
[0040]
参考文献
[0041]
[1]陈世浩，大功率连续辐射伽马激光器，发明专利号zl 2012 1 0127100.1，授权公告日： 2018.6.5授权公告号：cn103378542 b，。
[0042]
[2]chen shi-hao，chen ziwei，electron-photon backscattering laser[j]，laser physics，2014， 24，045805.
[0043]
[3]chen ziwei，chen shi-hao，a discussion on electron-photon backscattering lasers and electron-photon backscattering laser in a laser standing wave cavity[j]，laser physics， 20154，25，045803.
[0044]
[4]chen shi-hao，chen ziwei，coherent conditions of electron-photon backscattering light in a wiggle magnetic field[j]，laser physics，2016，26，025807.