第三种低温可控核聚变的装置与方法与流程

第三种低温可控核聚变的装置与方法
1.技术领域 第三种低温可控核聚变的装置与方法属核能源领域。
2.

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，还要满足劳逊条件。对于一亿度以上高温的等离子体，劳逊条件是不容易满足的。鉴于此，我们提出了低温实现核聚变的途径
[1]-[4]
。文献[4]对文献[1]-[3]已有评述，并对其不足作出改进，这里不再赘述。文献[4]改进了文献[1]-[3]的某些不足，但效率仍较低，也没有提出具体提出控制核聚变反应强度的方法，另一方面，文献[1]-[4]中的核聚变物质主要是单原子分子。针对文献[1]-[4]的这些不足，提出本发明。
[0003]
本发明的特点在于，不同于[1]-[4]，用于核聚变的主要物质是多原子分子，即氘化锂6、氘化锂7和铍9，提出了具体的控制核聚变反应强度的方法。按这项技术，中子产生后，形成了中子增殖反应和自循环持续核聚变反应。主要反应是，首先氘核与氘核反应产生中子，然后中子与锂6核反应产生氚核t，t与锂7核反应、及中子与铍9核反应最后都释放2个中子与2个氦4核。在这些过程中，释放核能。这种核聚变反应，没有放射性的子核产生；入射离子能量低，.核能更容易释放，效率更高，结构简单造价低。
[0004]


技术实现要素：
本发明提出以下两种方法实现上述目的。
[0005]
第一种方法的特征是，这种装置由原子核束流j发生部分、装填有核聚变物质的反应釜 v、控制核反应强度和开、关的系统c，电加热系统w，热能输出系统h和电能输出系统e构成；
[0006]
核束流j有多种选择，其中三种核束流是单原子核能量为50kev-1mev的氚核t束流，单原子核能量为100kev-5mev的氘核d束流，单原子核能量为2-10mev的质子p束流；核束流j发生部分由电离室和正离子直线加速器两部分按已知成熟技术制作。
[0007]
反应釜v的壁有两层，内层是中子反射层、外层是中子吸收层，中子反射层由铍原子9be 板制作；中子吸收层由硼原子
10
b板制作；反应釜v中装填有核聚变物质，核聚变物质由重量比为30％-70％的氘化锂6分子6lid和70％-30％的氘化锂7分子7lid构成，核聚变物质的原子核也是核束流的靶核。
[0008]
反应釜v形状有三种：长方体形、圆柱形、和球形；核束流入射聚变物质后会产生中子，中子在聚变物质中由于多次作用，动能减小，中子吸收截面增大，反应釜v壁厚不小于使中子动能减小到25.3mev时的厚度，即，v壁厚由中子的平均动能决定；当反应釜的形状、壁厚与容积都确定时，反应釜v中核聚变反应强度就决定于其中中子数与聚变物质的数量n；中子数决定于核束流j与n；控制加速器中加速电压，使得核束流j中核的平均能量en确定，这时核束流j的强度只决定于加速器中的核数平均密度nn；nn由电离室中原子的数密度和其中电压决定；这样，按已知的常规方法控制电离室中原子的数密度、电压，与加速器中的电压就控制了核束流j与核的平均能量en。
[0009]
核束流j中核与靶核碰撞后产生中子的截面决定于en，仅当en在一个确定的范围 (e
n1
，e
n2
)之内时，这个截面σn才显著不等于零；对于选定的入射核与靶核，(e
n1
，e
n2
)是确定的，且当en取相应的特定值e
n0
时，σn取极大值；选取加速器中的加速电压，使得en在 (e
n1
，e
n2
)范围内。
[0010]
控制核反应强度和开、关的系统c由核束流j强度控制装置、聚变物质数量n控制装置、和聚变物质蒸汽冷却为液态、最后回流到反应釜这三部分组成。控核束流j强度与核的平均能量en的装置是按已知的常规方法制作的控制电离室中原子的数密度、电压，与加速器中的电压的装置，j越大，聚变反应越强。
[0011]
反应釜v的底板是能够开、闭的阀门，阀门开口o的大小根据输入信号自动控制；熔融状态的聚变物质，即熔液，能够从开口o流出，聚变物质减少，聚变反应减弱；关闭加速器，完全放出聚变物质，则聚变反应停止；反应釜v中装填好聚变物质，打开加速器、输入核束流j，则聚变反应开始；与开口o连通的是多个深度为d的浅管道p，d是浅管道p中核聚变反应不能持续进行的最大深度，浅管道p的数量根据需要确定。熔液也能够在铍原子9be 制成的推杆推动下重新由浅管道p从开口o流入反应釜v，v中聚变物质增加，反应增强、温度升高；控制了核束流j的强度和聚变物质的数量n就控制核反应强度和开、关。
[0012]
通过控制聚变反应的温度控制聚变反应的强度。在反应釜v的上方安装有温度测量器t、 t将测量结果转变为相应的电信号，并将这个电信号输送到核束流j控制系统和阀门控制系统。将聚变反应的温度控制在其沸点t0以下。当温度接近t0时，温控装置将信号输出到控制核反应强度和开、关的系统c，减小束流j和聚变物质的数量，从而减小核反应强度与温度；当聚变物质温度低于700℃时，打开阀门，将浅管道p中的聚变物质推回反应釜，提升核束流j，则聚变反应增强，温度升高。
[0013]
当聚变反应使得聚变物质温度超过其熔点时，会有聚变物质的蒸汽产生；达到沸点时，大量蒸汽产生。蒸汽流出后，聚变物质减少，反应强度降低。这些蒸汽从反应釜上面的蒸汽出口流到蒸汽管道，蒸气管道连通到反应釜底板下面的圆筒，蒸汽管道由硼10制作，蒸汽管道外是冷却流体管道，冷却流体管道中循环流动的流体将蒸汽管道中的聚变物质蒸汽冷却为液态；蒸汽管道的出口在反应釜底板下面的圆筒上，出口处安装有单向开启阀门。聚变物质蒸汽被冷却为液态后，沿着管道，推开单向阀门流到反应釜底板下面的圆筒里、最后被推回反应釜v，单向阀门阻挡圆筒里的熔液流向蒸汽管道。
[0014]
核束流j由直线加速器加速到设定的能量后，垂直入射到核聚变物质上，与核聚变物质发生核反应，释放出中子，中子引发聚变物质系列核反应，释放出中子及其它粒子与核能；相应于氚核t束流、释放出中子的主要核反应如下
[5]
：
[0015]2h(t，n)4he，q＝17.6mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0016]7li(t，n2α)n，q＝8.864mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]
相应于氘核d束流、释放出中子及质子的主要核反应如下
[6]
：
[0018]2h(d，n)3he，q＝3.26891mev，，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0019]7li(d，nα)4he，q＝15.12168mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0020]7li(d，p)8li，q＝-0.19194mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0021]8li
→
β- 2α 16mev，t
1/2
＝838m，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0022]
相应于质子p束流、释放出中子的主要核反应如下
[7]
：
[0023]2h(p，np)1h，q＝-2.22457mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0024]7li(p，n)7be，q＝-1.64424mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0025]7be e-→7li 0.8819mev，t
1/2
＝53.29d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0026]
中子导致的主要聚变反应如下
[8]
：
[0027]6li(n，t)4he，q＝4.783mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0028]6li(n，nd)4he，q＝-1.47515mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0029]2h(n，2n)1h，q＝-2.224mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0030]7li(n，nα)3h，q＝-2.46515mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0031]3he(n，p)3h，q＝0.764mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0032]
由(1)-(14)可看出，这些反应构成循环、可持续反应；例如，由(10)与(2)可看出，只要锂6、锂7比例适当、数量足够，适当数量的中子，这个反应就能进行多个循环，从而释放的核能远大于初始为产生中子输入的电能。
[0033]
铍对中子、特别是低能中子的反射截面较大，σ(10μev)＝120b，所以用9be制作中子反射层；在包围反应釜v的外表面上有中子吸收层；硼对中子的吸收截面很大，σ(10μev)＝2
×
105b，所以用
10
b制作中子吸收层。有关反应如下
[8]
，
[0034]
10
b(n，α)7li，，q＝2.79055mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0035]
10
b(n，tα)4he，，q＝2.79055mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0036]
核反应产生的热能输出系统h由在中子吸收层和外壳层之间的空隙和与其连通的管道中冷却流体及推动这些流体循环流动的动力装置构成。
[0037]
电能输出系统e由直流电源、用电器和在反应釜v中相对的两点分别与直流电源正负电极连通的导体接线柱构成，使得核反应产生的正离子和电子经过用电器分别流向电源的负极和正极，输出电能。
[0038]
在与阀门开口o连接的多个浅管道p下面有电加热装置w，能够将冷却固化的聚变物质根据需要重新加热熔化。
[0039]
按上述方式，在反应釜v中按比例装填聚变物质氘化锂6和氘化锂7，开动加速器，输入核束流，就有核能释放；反之，关闭加速器，从反应釜中流出聚变物质，核反应就停止。
[0040]
2.第二种方法的特征是，在聚变物质中按重量比加入铍粉9be，这个比例是，氘化锂6 为20％-60％，氘化锂7为60％-20％，铍粉9be为20％-40％；与铍有关的主要核反应是
[5]-[9]
，
[0041]9be(d，α)7li，q＝7.15215mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0042]9be(d，t)8be，q＝4.59269mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0043]8be
→
2α 0.09188，t
1/2
＝6.7ev
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0044]9be(d，γ)
11
b，q＝15.81646mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0045]9be(d，d2α)n，q＝-1.5727mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0046]9be(d，2α)3h，q＝4.68453mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0047]9be(n，2n)8be，q＝-1.6655mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0048]9be(n，α)6he，q＝-0.598mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0049]6he
→
β- 6li 3.5067mev，t
1/2
＝806.7m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)
[0050]9be(t，n)
11
b，q＝9.55924mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0051]9be(t，t2α)n，q＝-1.5727mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0052]9be(t，nd2α)n，q＝-1.5727mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0053]9be(α，n)
12
c，q＝5.70205mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)
[0054]9be(α，nα)8be，q＝-1.66454mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)
[0055]9be(p，n)9b，q＝-1.66454mev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0056]9b
→
p 2α 0.2771mev，t
1/2
＝0.54kev，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)
[0057]
附图说明 图1是低温可控核聚变装置垂直剖面示意图。图中，1是正离子产生、并输送到加速器中的电离室；2是正离子加速器，正离子通过加速器开口垂直入射到核聚变反应釜；3是反应釜壁的内层，即铍9制作的中子反射层；4是反应釜壁的外层，即硼10制作的中子吸收层；5是反应釜；6是根据输入信号自动控制底板开口大、小，及全开、全闭的装置； 7是从反应釜流出的熔液散布后流入的浅管道；8是将浅管道中的熔液重新推动回反应釜的推杆；9是铍9制作的熔液浅管道p壁的内层；10是硼10制作的浅管道p壁的外层；11是温度测量及测量结果输出装置；12是环绕反应釜的冷却流体循环流动的管道；13是连接到直流电源负极的接线柱；14是连接到直流电源正极的接线柱；15是加热熔液浅管道的加热器； 16是聚变物质蒸汽管，蒸汽管壁用硼10制作；17是聚变物质蒸汽管的循环冷却流体管；18 是聚变物质蒸汽冷却为液态后出口处的单向开启阀门。
[0058]
图2是反应釜下面熔液浅管道部分俯视剖面图。图中，19是浅管道正面；20是浅管道之间的隔壁；21是浅管道周边的中子吸收层；22是与反应釜底部管道连通、铍9制作的管道壁内层；23是与反应釜底部管道连通、硼10制作的管道壁外层。
[0059]
图3是浅管道侧面剖视图。图中，24是浅管道；25是浅管道之间的隔壁；26是浅管道周边的中子吸收层。
[0060]
具体实施方式 按传统方式，从重水中电离出氘离子d，输送d到加速器，加速电压为 20万伏，电流50μa。取50g氘化锂6，30g氘化锂7，20g铍粉，填入圆筒形容器v中。v内部高度62mm，内直径64mm，容积为200ml、壁厚40mm，其中由9be制作的中子反射层厚20mm，由
10
b制作的中子吸收层厚度也是20mm。圆筒的底板是根据需要能自动全开、全闭，或打开适当开口的阀门。与底部连通的是内直径也是64mm的圆管，圆管与50个寛 10mm、深1.1mm、长400mm、水平放置、截面为矩形的浅管道p连通，打开阀门后，反应釜v中熔液流入到这些浅管道p中。浅管道p由5mm厚的硼10制作。在浅管道p的末端有与矩形截面的管道相匹配的熔液推杆，推杆能够将熔液重新推回到反应釜v中。在底板下面的圆管和浅管道p周围有能够将圆管和熔液管道中的聚变物质加热熔化的加热电阻丝。
[0061]
在中子吸收层外部有钢制外壳，两者相距5cm，在这个空隙及与其连接的管道里有在泵的带动下循环流动的冷却水。
[0062]
在反应釜v内、直径相对的两点分别用导线及串联的用电器连接到100伏直流电源的正负极，使得v中聚变产生的电子和正离子分别流到直流电源的正、负极。
[0063]
在反应釜v的上方安装好红外线温度测量、并将测量结果转变为相应的电信号的装置t，电信号输送到核束流控制系统和阀门控制系统。
[0064]
按上述方式制作好这种核聚变装置后，将加速电压和氘离子电流分别调整为20万伏与 50μa，氘离子垂直入射到已经按上述比例填充好氘化锂6、氘化锂7和铍9的容器中。聚变物质中发生中子增殖及(1)-(32)的各种反应，释放出核能，这些核能转化为热能及电能输送出去。
[0065]
当聚变温度接近1000℃，则温度控制装置自动启动，核束流j自动减小，同时阀门开口打开一部分，容器v中聚变物质减少，核聚变反应减弱，温度降低；当温度达到或超过1000℃时，j减小到零，聚变物质完全流出并分散到浅管道p中，核聚变反应停止。当温度降
低到700度时时，再次升高j到极大，打开阀门，用推杆将管道p中熔融的聚变物质重新推回容器v中，使反应加强。
[0066]
参考文献
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