一种高能正离子束轰击正离子堆的可控核聚变装置的制作方法

1.本发明涉及核能领域，具体涉及一种采用加速器使正离子束加速到高能以轰击正离子堆的可控核聚变装置，以下简称轰击式核聚变装置。


背景技术：

2.目前科学界研究可控核聚变反应装置的主要方向是托卡马克装置。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。是在20世纪50年代发明的。托克马克装置核聚变需要加热到1亿k，难度极大。
3.本发明另辟蹊径，采用加速器使正离子束轰击正离子堆实现可控核聚变的装置。粒子能量从电子伏特换算到开氏温度的关系为：1ev＝11605k，即1万ev的动能约折合为1.16亿k，这样就达到了托卡马克装置的核聚变温度。目前电压可高达100万v甚至更高，意味着正离子束的动能可以高达100万ev，折合为116亿k。
4.为了描述方便，本文进行以下定义和说明：
5.●
高压直流电源和高压脉冲电源统称为高压电源。
6.●
本文所述的“地”是指本轰击式核聚变装置所在的电源系统的地。
7.●
正高压电源有两个，为了区分，分别命名为驱力电源和聚束电源；负高压电源只有一个，保持原名。
8.●
因为原子在高电场强度下会产生电离，会变成正离子，所以将原子或正离子统称为正离子；将原子堆或正离子堆合称为正离子堆；将原子泵或正离子泵合称为正离子泵；
9.●
带上标“ ”的原子表示它们的离子，如氕

(p

)、氘

(d

)、氚

(t

)、氦

(he

)、锂

(li

)等，都是表示它们的离子。
10.●
螺栓、密封垫、泵，控制器等公知器件和结构不作详细说明。


技术实现要素：

11.发明思路：通过加速器产生一个高能正离子束，飞过加速管，轰击一个正离子堆靶，使它们产生核聚变。例如，当高能氘

束撞击氚

堆时，该氘

和氚

会产生核聚变。问题是有两个难题：(1)正离子束飞行过程中，因为正电荷相互排斥，离子束会散开，如何约束正离子束使其不散开；(2)如何形成和维持正离子堆靶。
12.本发明提出了一种高能正离子束轰击正离子堆的可控核聚变装置，简称轰击式核聚变装置，其基本技术特征为：
13.包括一个将飞行的正离子束聚拢的正高压电源(命名为聚束电源)100和一个将飞行的正离子束聚拢的加速管(命名为聚束管)102，该聚束电源的一端接地，另一端输出聚束正高压，聚束正高压通过聚束高压线101连接到聚束管102，所述聚束管102由导电材料制成，聚束电源使整个聚束管处于聚束正高压状态；假定有一个正离子束132在聚束管中飞行，在没有聚束正高压的情况下，由于正离子互相排斥，飞行的正离子束会很快散开成散射
状，这是不利的；在有聚束正高压的情况下，聚束管的聚束正高压会抵消和压制正离子束中正离子之间的斥力，使得正离子束在飞行全程都不会散开，成为聚拢成束状的正离子束，在电场力驱动下射向聚集在负高压电极122处的正离子堆；通过调节聚束正高压值的大小对正离子束截面积的大小进行调节；
14.还包括一个驱动正离子束加速的正高压电源(命名为驱力电源)110和一个驱力电极112，驱力电源的一端接地，另一端输出一个正高压，命名为驱力正高压，该驱力正高压通过驱力高压线111连接到所述驱力电极112，一个绝缘套113套住驱力电极112，装配在所述聚束管102的一端，绝缘套113使驱力电极112与聚束管102绝缘隔开，驱力电极112驱动正离子束132射向聚集于负高压电极122处的正离子堆；通过调节驱力电源电压值的大小对正离子束的动能大小进行调节；
15.还包括一个负高压电源120、一个负高压电极122以及一个正离子堆133，该负高压电源的一端接地，另一端输出负高压，负高压通过负高压线121连接到负高压电极122，一个绝缘杯123将负高压电极122的端部包络起来，装配在所述聚束管102的另一端；如果正离子堆与负高压电极122相接触，负高压电极的电子会与正离子相结合，还原成为原子，对于正离子堆而言这是不希望发生的事情，所以，绝缘杯123像一个杯子，它的杯底将负高压电极122与正离子堆133绝缘隔开以保证正离子不会还原成原子，杯身使负高压电极122与聚束管102绝缘隔开，负高压电极122将正离子堆133吸拉在绝缘杯123的底部，并且吸拉正离子束132呈加速状态射向自己处的正离子堆133；通过调节负高压电源电压值的大小进行两个控制，一个是控制正离子束132动能的大小，一个是控制正离子堆133的厚度及密度；
16.驱力正高压和负高压形成一个总电压，命名为总驱力电压，通过调节总驱力电压的大小对正离子束的动能大小进行调节，驱动正离子束132超过核聚变所需的动能阈值的高能状态，射向聚集于负高压电极122处的正离子堆133；
17.还包括一个正离子产生及注入器130以及电控阀131，向聚束管102的驱力电极112侧注入正离子，通过控制正离子的输入数量以控制核聚变量；
18.还包括一个抽真空机210和一个抽真空机控制器211，抽真空机控制器211控制抽真空机210的开或关，对聚束管抽真空；
19.技术特征2：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述聚束电源是高压直流电源，所述驱力电源和负高压电源，是包括高压直流电源和高压脉冲电源在内的电源，三个电源的电压值可调；某种正离子束轰击某种正离子堆产生核聚变，正离子束所需的动能阈值是不相同的，所以，需要将总驱力电压调节到大于产生核聚变的阈值电压。
20.技术特征3：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述的地为本轰击式核聚变装置所处电源系统的地。
21.技术特征4：根据基本技术特征，其进一步特征是：正离子产生及注入器130的简化型是分子原子注入器，将分子原子注入聚束管后，在强大的电场作用下，分子原子被电离，电子被驱力电极112夺走，只剩下正离子，所以，注入分子原子相当于只是注入了正离子；
22.技术特征5：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述聚束管102的外层被一个导热良好的绝缘层103所包裹，该绝缘层外面紧贴装配一个能量收集装置，收集核聚变所对外释放的能量
23.技术特征6：根据技术特征5，其进一步特征是：采用螺线管式能量收集装置，一根
管道呈螺旋方式缠绕在聚束管绝缘层103的外壁而形成螺旋管220，流体流经螺旋管进行热能输出。
24.技术特征7：根据技术特征5，其进一步特征是：采用热交换片式能量收集装置，一组热交换片230安装在聚束管绝缘层103外壁，一个密封罐231将聚束管绝缘层103和热交换片230包围密封起来，流体流经密封腔进行热能输出。
25.技术特征8：根据基本技术特征，其进一步特征是：驱力电极绝缘套改成导电套，聚束电源共用驱力电源。
26.技术特征9：根据基本技术特征，其进一步特征是：如果轰击式核聚变装置充当改变靶材料原子序号的装置，可将所述负电极绝缘杯123改成绝缘套，负电极与靶原子堆之间导电；正离子束轰击靶原子堆后会有残存正离子，负电极给残存正离子提供电子，使其还原成气态的分子，被气泵抽走，加大靶原子被轰击的概率。
27.技术特征10：根据基本技术特征，其进一步特征是：获取重水的方法和装置，用于抽取海沟底部的水。因为重水的比重大于普通水，所以就海洋中重水的比例而言底部要高于上部，即，海沟底部重水比例较大。提取氘氚的办法之一是：抽取海沟底部的水，以得到大比例重水的海水。
28.技术特征11：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述轰击式核聚变核能产生装置中，所述正离子堆或原子堆的原子核的质子数不小于中子数，以减小产生核辐射；所述原子堆的原子序数包括全部原子序数，所述正离子堆包括原子序数为前20位的正离子，采用完全电离或深度电离的正离子。
29.技术特征12：根据基本技术特征，其进一步特征是：所述轰击式核聚变的单能中子产生装置中，所述正离子束、正离子堆和原子堆的原子核的中子数大于质子数。
30.技术特征13：根据基本技术特征，其进一步特征是：聚束管的负电极侧形成原子堆或正离子堆16的方法，原子堆形成的方法是将负电极卸开，将原子堆放入聚束管；正离子堆形成的方法是通过正离子产生及注入器向聚束管输入正离子，对聚束管施加高电压后，正离子聚集到负电极处，形成正离子堆。
31.技术特征14：根据技术特征7，其进一步特征是：所述密封罐231采用碳纤维复合材料制造。
附图说明
32.图1_——本发明的一种包括螺旋管能量收集装置的轰击式核聚变装置示意图；
33.图2_——本发明的一种热交换片能量收集装置的轰击式核聚变装置示意图；
34.附图编号
35.1字头的编号为与核聚变的核心对象，2字头的编号为辅器件。
36.100——聚束电源；101——聚束高压线；102——聚束管；103——聚束管绝缘层；
37.110——驱力电源；111——驱力高压线；112——驱力电极；113——驱力电极绝缘套；
38.120——负高压电源；121——负高压线；122——负高压电极；123——负高压电极绝缘杯；
39.130——正离子产生及注入器；131——注入正离子电控阀；132——正离子束；
133——正离子堆或靶原子堆；
40.210——抽真空泵；211——抽真空泵电控阀；
41.220——螺线管式热能输出器；221——螺线管式热能输出器局部截面；222——螺旋管入口；223——螺旋管出口；
42.230——热交换片；231——密封罐罐体；232——流体输入口；233——流体输出口；
43.242——螺栓螺母组；243——螺栓；
具体实施方式
44.下面结合附图描述本发明的一部分实施例。设想一种理想化的可控核聚变发电装置，应该具有以下特征：
●
可以产生核聚变向外输出热能；
●
输出能量控制方便；
●
输出热效率高；
●
核原料廉价；
●
不产生放射性污染；
●
装置制造简单廉价；
45.实施例1：高能氘

束轰击氚

堆靶产生核聚变的能源装置。
46.驱力电源110的电极和负高压电源120的电极分别安装于聚束管的两端，形成总驱力电压。核聚变操作分两步：
47.第一步是在负高压电极处建立氚

堆靶。正离子注入器130向聚束管内靠近驱力电源侧注入氚气，将总驱力电压调节到使氚气被电离的大小，氚气电子被驱力电源夺走，只剩下一些氚

，在总驱力电压作用下氚

被驱驶到负高压电极处。由于负高压电极被绝缘杯挡住，氚

无法与负电极接触，得不到电子，只能保持氚

状态聚集于绝缘杯杯底处，随着氚

的数量逐步增加，成为氚

堆靶。
48.第二步是形成高能氘

束轰击氚

堆靶。将驱力电源和负高压电源之间的电压调节到超过核聚变阈值电压，然后正离子注入器130向聚束管内靠近驱力电源侧注入氘气，氘气电子被驱力电源夺走，只剩下一些氘

形成氘

束，将总驱力电压调节到大于核聚变阈值，氘

束在该电压作用下射向氚

堆靶，产生核聚变能量。为了避免氘

束散开，需要采用聚束电源和聚束管。聚束电源100的高压端连接到金属聚束管102，使整个聚束管处于聚束正高压状态，该聚束正高压会抵消和压制正离子束中正离子之间的斥力，使得正离子束在飞行全程都不会散开，成为聚拢成束状的正离子束，在总驱力电压的驱动下射向聚集在负高压电极122处的正离子堆；通过调节聚束正高压值的大小对正离子束截面积的大小进行调节；
49.实施例2：高能正离子束轰击正离子堆靶产生核聚变的能源装置
50.装置的结构和原理与实施例1相同，所不同的是正离子的材料。包括原子序号前20的原子都可以作为核聚变的正离子束和正离子堆。例如：氘

束轰击氘

堆；氘

束轰击氦

堆；氘

束轰击氦

堆；氕

束轰击氦

堆；氦

束轰击氦

堆；氘

束轰击锂

堆；氕

束轰击锂

堆；等等。
51.实施例3：高能正离子束轰击靶原子堆产生核聚变的炼金术装置
52.核聚变可以改变靶材料的原子序号，例如氘 束轰击ru原子堆产生铑原子；硼 束轰击钨原子堆产生金原子；等等。为此，需要对负电极进行改动。
53.将所述负电极绝缘杯123改成绝缘套，负电极与靶原子堆之间导电；正离子束轰击靶原子堆后会有残存正离子，负电极给残存正离子提供电子，使其还原成气态的分子，被气泵抽走，加大靶原子被轰击的概率。
54.实施例4：核聚变的能源装置的能量收集装置
55.所述聚束管102的外层被一个具有高绝缘性、优良的导热性及机械强度的绝缘层103所包裹，该绝缘层材料可采用氮化铝陶瓷，该绝缘层外面紧贴装配一个能量收集装置，收集核聚变所对外释放的能量。能量收集装置有两大类：
56.一类是螺线管式能量收集装置，一根管道呈螺旋方式缠绕在聚束管绝缘层103的外壁而形成螺旋管220，流体流经螺旋管进行热能输出；
57.一类是热交换片式能量收集装置，一组热交换片230安装在聚束管绝缘层103外壁，一个高强度并绝缘的密封罐231将聚束管绝缘层103和热交换片230包围密封起来，该密封罐可采用碳纤维复合材料制造；流体流经其密封腔进行热能输出。
58.实施例5：因为重水的比重大于普通水，所以就海洋中重水的比例而言底部要高于上部，即，海沟底部重水比例较大。提取氘氚的办法之一是：将海沟底部的水抽上来，以得到大比例的重水。