受控核聚变方法及其反应堆.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201110414490.6

申请日:

2011.12.13

公开号:

CN103165196A

公开日:

2013.06.19

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G21B 1/00申请公布日:20130619|||公开

IPC分类号:

G21B1/00; G21B1/11

主分类号:

G21B1/00

申请人:

王亚平; 张亚美

发明人:

王亚平; 张亚美

地址:

510431 广东省广州市番禺区大石镇洛溪新城海棠居5街31号

优先权:

专利代理机构:

广州三环专利代理有限公司 44202

代理人:

刘宇峰

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内容摘要

本发明提供了一种利用特殊电位分布电场的库伦力来约束核燃料粒子的运动行为产生聚变反应的方法,命名为反常电场约束受控核聚变方法。本发明所述的一种受控核聚变方法,在一个有限空间内设置电位绝对值较低的等势面被电位绝对值较高的等势面包裹的电场,然后将参与聚变反应的阳离子放入所述的电场。本发明所述的受控核聚变方法能使核燃料粒子在足够长的时间内保持一定数密度而引发核聚变反应。反常电场约束受控核聚变反应堆很容易满足核聚变所需要的点火条件,对氘氚聚变反应的物理能量增益因子(Q)大于1000,是一种具有实用价值的受控核聚变方法。

权利要求书

权利要求书一种受控核聚变方法,其特征是:在一个有限空间内设置电位绝对值较低的等势面被电位绝对值较高的等势面包裹的电场,然后将参与聚变反应的阳离子放入所述的电场。
一种受控核聚变反应堆,其特征是,包括:导体,分布在一个有限空间周围;所述的导体带电后,在所述的有限空间内产生电位绝对值较低的等势面被电位绝对值较高的等势面包裹的电场;所述电场接纳进入的阳离子,产生核聚变反应。
根据权利要求2所述的受控核聚变反应堆,其特征是,还包括:用于产生阳离子的离子发生器。
一种能量输出装置,其特征是:包括如权利要求2所述的受控核聚变反应堆。
根据权利要求4所述的能量输出装置,其特征是:所述的能量输出装置是选自:电能输出装置、动力输出装置、热能输出装置、爆炸装置。
一种物质输出装置,其特征是:包括如权利要求2所述的受控核聚变反应堆。
根据权利要求6所述的物质输出装置,其特征是:所述的物质输出装置是选自:中子发生装置、阳离子发生装置。
一种原子合成装置,其特征是:包括如权利要求2所述的受控核聚变反应堆。
一种材料合成装置,其特征是:包括如权利要求2所述的受控核聚变反应堆。

说明书

说明书受控核聚变方法及其反应堆
技术领域
本发明属于受控核聚变领域,涉及一种受控核聚变方法,具体是涉及一种特殊电位分布电场约束受控核聚变方法,命名为反常电场约束受控核聚变方法,还涉及应用该方法的反常电场约束受控核聚变反应堆。
背景技术
人类对受控核聚变的研究进行了60年,至今尚未取得具有实用价值的受控核聚变反应堆。制造受控核聚变反应堆的最大困难是在地球上没有任何一种材料可以用来装载高温核燃料,而地球的万有引力又非常低不足以保持聚变所要求的核燃料粒子数密度。目前研究的受控聚变方法主要有对核燃料粒子运动行为的磁约束和惯性约束两种。磁约束聚变过程中,由于聚变反应环境中有电子存在,会产生轫致辐射,使核燃料粒子能量大量逃逸。因此,很难长时间约束核燃料粒子以达到聚变所要求的点火条件。惯性约束亦因为不能有足够长时间维持高温下核燃料粒子的数密度而达不到聚变点火条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全新的受控核聚变方法,是一种利用特殊电位分布电场的库伦力来约束核燃料粒子的运动行为产生聚变反应的方法,命名为反常电场约束受控核聚变方法。
本发明所述的一种受控核聚变方法,其特征是:在一个有限空间内设置电位绝对值较低的等势面被电位绝对值较高的等势面包裹的电场,由于这种电场电位在空间的分布和一般单个导体在空间电位分布相反,我们称这种电场为电位反常规分布电场,简称“反常电场”(Anti‑conventional Electric Field, AEF)。然后将参与聚变反应的阳离子放入所述的电场。AEF库伦力约束核燃料粒子运动范围,使核燃料粒子在足够长的时间内保持一定数密度而引发受控核聚变。
相比于现有的磁约束和惯性约束两种受控核聚变方法,本发明所述的反常电场约束受控核聚变方法具有以下明显的优势:
(1)反常电场约束受控核聚变反应堆结构相对非常简单,而以托卡马克为代表的磁约束受控核聚变堆以及惯性约束受控核聚变堆的结构非常复杂;
(2)反常电场约束受控核聚变反应过程中能量逃逸非常低,因而,很容易满足聚变点火条件,也就是满足劳逊判据。
这是因为: 
首先,反常电场约束受控核聚变反应环境中没有电子,即使因污染等原因,在反应区出现等离子,因AEF周边区域电压高过中央区域电压,电子很快会被吸引出反应区。由于反应环境中没有电子存在,几乎不产生轫致辐射,热扩散很少;
其次,同种粒子因库仑碰撞引起质心偏移所产生的能量损失非常低;
最后,参与核聚变反应阳离子在AEF中做加速运动时因电磁辐射输出的能量非常低。对氘氚粒子为核聚变反应物的反常电场约束受控核聚变反应,根据已有参数可计算出,阳离子在AEF中做加速运动时因电磁辐射输出的能量低于10‑20焦耳,对于7keV的粒子动能可以忽略不计。
(3)电约束核聚变反应堆运行时,对于氘氚聚变反应,由于聚变反应产生的α‑离子的动能远远超过核燃料粒子的动能,因此,这些α‑离子会自动脱离聚变反应现场,不需要人工清理。而且,α‑离子的能量可以直接以电能方式回收,避免了低效的涡轮发电过程,使反应堆能效进一步提高。在一个特定实施例中,用于产生反常电场的金属线电压超过3.5MV,α‑离子不会与金属线碰撞,避免了因为碰撞引起的溅射对聚变反应区的污染。
本发明所述的反常电场约束受控核聚变方法和现有的磁约束受控核聚变方法的主要不同之处见表1。
表1:磁约束受控核聚变方法和反常电场约束受控核聚变方法的对比
比较项目磁约束电场约束对核燃料粒子约束力磁力库仑力聚变堆结构复杂非常简单聚变点火条件很难满足容易满足能量逃逸很多很少物理能量增益因子Q<10>1000聚变反应过程间隙进行连续进行运行维护复杂简单
本发明还提供了应用所述的受控核聚变方法的一种受控核聚变反应堆,称为反常电场约束受控核聚变反应堆。
本发明所述的一种受控核聚变反应堆,包括:导体,分布在一个有限空间周围;所述的导体带电后,在所述的有限空间内产生电位绝对值较低的等势面被电位绝对值较高的等势面包裹的电场;所述电场接纳进入的阳离子,产生核聚变反应。 
根据本发明所述的受控核聚变反应堆的进一步特征,还包括:用于产生阳离子的离子发生器。
本发明还提供了一种能量输出装置,该装置包括本发明所述的受控核聚变反应堆。优选地,所述的能量输出装置是选自:电能输出装置、动力输出装置、热能输出装置、爆炸装置。
本发明还提供了一种物质输出装置,该装置包括本发明所述的受控核聚变反应堆。优选地,所述的物质输出装置是选自:中子发生装置、阳离子发生装置。
本发明还提供了一种原子合成装置,该装置包括本发明所述的受控核聚变反应堆。
本发明还提供了一种材料合成装置,该装置包括本发明所述的受控核聚变反应堆。
附图说明
图1是本发明所述的反常电场约束受控核聚变反应堆的结构示意图。
图2是AEF发生器产生的电场的想象图;其中,(a)是AEF发生器壁上导体周围电位分布的想象图;(b)是AEF发生器横断面电位分布简单想象图。
 图3是AEF中阳离子运动行为想象图。
其中:1为AEF发生器;2为导体;3为粒子输出管;4为导体周围电场;5为高压电发生器;6为反常电场发生器横断面电位叠加想象图;7为粒子云,8为w点。
具体实施方式
本发明提供了一种全新的受控核聚变方法,是一种利用特殊电位分布电场的库伦力来约束核燃料粒子的运动行为产生聚变反应的方法,命名为反常电场约束受控核聚变方法。本发明所述的原理、方法和操作可以结合附图以及相应描述而得到更清楚的理解。
图1是一种反常电场约束受控核聚变反应堆的结构示意图。该受控核聚变反应堆包括:高压电发生器4,用于产生高压电;AEF发生器1,AEF发生器内互不连接的若干导体2(例如,金属线);各导体2单独与高压电发生器4的不同输出端连接,通电后,在AEF发生器内产生AEF;以及粒子输出管4用于将参与聚变反应的粒子注入AEF内。
本发明所述的受控核聚变方法,即反常电场约束受控核聚变方法,以及相应的反常电场约束受控核聚变反应堆的工作原理是:反应堆工作时,高压电发生器输出高压电。因此,AEF发生器壁面上每一根金属线都被充上高压电。由于金属线互不连接且离地面较远,金属线周围有近似圆柱体电位分布规律的电场,AEF发生器壁面上金属线电位分布假想图如图2(a)所示。这些金属线上的高压电位在AEF发生器内部空间叠加后会形成一个中央电位低而周围电位高的电场,即AEF。显然,在AEF发生器壁面上,二根金属线之间的中点的电位最低,该点位置称为“w点”。AEF发生器内部横断面叠加电位想象图见图2(b)。
所述反应堆工作时由离子发生器向所述的AEF中注入阳离子(例如,带正电荷的粒子)。在不考虑核燃料粒子动能的前提下,随着AEF发生器中粒子数量的增加,阳离子之间的距离将缩小,阳离子之间的排斥力增大,阳离子云在AEF发生器中所占据的空间将扩大。由于在AEF发生器中,越远离中央区,空间电场强度越高,因此,阳离子云的扩大使阳离子受到来自AEF的排斥力加大。当阳离子之间的排斥力与AEF对阳离子的排斥力相等时,离子云空间将不再扩大。此时,AEF发生器中离子云边界等势面所包括的空间被称为聚变反应区,简称反应区。AEF发生器中反应区以外的空间称为势垒区。反应区内的阳离子在自身动能的作用下将向势垒区移动。只要AEF周边区域电位与中央区域电位之差足够大,核燃料离子从反应区向势垒区移动时,因核燃料离子动能被完全转变为电势能而使核燃料粒子不能逃离AEF发生器,并且,在势垒的作用下阳离子将返回反应区,此过程物理想象图见图3。在势垒区,由于核燃料粒子动能下降,因此,很难发生聚变反应。在反应区,燃料粒子保持着从离子发生器带来的初始动能,并可能因为与从势垒区返回的燃料粒子碰撞而发生聚变反应。
显然,参加聚变反应的核燃料粒子的数密度和反应区的大小受到离子发生器离子输出速度的调节。另外一个调节反应区体积大小的因素是高压发生器输出的高电压,因为金属线电位的高低将改变w点的电位,而只有当w点的电位与反应区边界电位之差对核燃料粒子产生的电势能大于或等于核燃料粒子动能时,核燃料粒子才可能被限制在AEF内。高电压的另一个作用是防止粒子碰撞金属线产生溅射对聚变反应环境造成污染。对于氘(D)离子和氚(T)离子反应(简称“氘氚反应”),当金属线电位与反应区边界电位之差大于3.5MV时,α‑粒子不会撞到金属线上。
 
实施例一:大型发电厂用反常电场约束聚变反应堆,最大物理输出功率Pout为1011W级。
聚变核燃料为氘(D)离子和氚(T)离子;比例:各50%;反应截面σ 是10‑22m2;D、T离子动能都是约7keV,运动速度v约为6.69×105m/s,通过调节离子发生器的离子输出速度设定聚变反应区边界电位等于4000V。
结构:如图1所示。主要包括:高压电发生器,离子发生器和AEF发生器。
AEF的产生:AEF由AEF发生器产生。本例中,AEF发生器有6个布有金属线的壁面。每个壁面上有25根间隔0.4m的金属线。这些金属线互不相连,每一根长10m,半径1×10‑3m。工作时金属线带4000kV电压,离地面较远。金属线周围产生的电场的想象图如图2(a)所示。金属线产生的电场叠加后便会在AEF发生器内部形成一个AEF。AEF发生器横断面电位分布简单想象图如图2(b)所示。
下面对聚变反应堆的主要参数进行计算。
由于金属线很细,间距很大,因此,金属线周围电场的分布符合圆柱体电场分布。每一根金属线周围的电位
                              E=E0R/r                           (1)
式中,E0是工作时金属线所带电压,R是金属线的半径;r是空间中某一点离金属线轴心的距离。
由于金属线轴心之间的距离是0.4m,因此,金属线之间,离金属线轴心0.2m处w点是电位最低的地方,此处电位
Ew=4000000×1×10‑3/0.2=20000V。
而当E=4000V时,反应区边界距AEF壁面的距离:
Rw=4000000×1×10‑3/4000=1m;
由库伦定理可知,反应区内核燃料离子之间的静电排斥力
                               F1=kq2/r2                                    (2)
式中,k是静电力常量,q是电子电量,r是核燃料离子之间的距离。
AEF对阳离子的排斥力
                               F2=Ewq                          (3)
当F1等于F2时,阳粒子的数密度即参与聚变反应的核燃料粒子数密度。
因为本例设受控核聚变反应发生在AEF电位低于4000V的空间内,阳粒子的间距
            r = (9×109×1.6×10‑19/4×103)1/2=6×10‑7m;
阳粒子的数密度:
              n = 1/(6×10‑7 )3 = 4.63×1018m3;
单位体积粒子聚变反应速度:
                             R12=n2σ v/4                        (4)
式中,n是阳粒子的数密度,σ是D、T粒子反应截面,v是D、T粒子运动速度。
            R12 = 4.632×1036×10‑22×6.69×105/4=3.59×1020/m3/s;
最大物理输出功率:
                          Pout=FR12VR                           (5)
式中,F是一对D、T离子聚变反应产生的能量17.6MeV,VR是反应区的总体积。由于反应区边界距AEF壁面的距离Rw等于1m,金属线长是10m;
                         VR=(10‑2)3=512m3;
因此,
                Pout=17.6×106×1.6×10‑19×3.59×1020×512;
                        Pout=5.18×1011W。
l  净输入功率:
                        Pin=2×FDTR12VR                        (6)
式中,FDT是一个D或T离子的动能,约7keV。
                        Pin=4.12×108W。
l  物理增益因子:
                        Q=(Pout‑Pin)/Pin                                    (7)
                        Q=1.26×103。
实施例二:高功率密度反常电场约束受控聚变反应堆,适合做一次性动力推进器,如火箭发动机。
本实施例结构和应用条件除以下三点外其余同实施例1。
1.金属线长:0.1m。
2.反常电场壁面上金属线间隔0.04m。
3.受控核聚变反应区设置在3.3MV以下区域。
通过计算可知,本实施例的:
最大物理输出功率Pout=7.12×1014W。
最大物理输出功率密度Pn=7.12×1017W/m3。
由于本发明所述的反常电场约束受控核聚变反应堆可以产生巨量动能,这些动能可转换为热能,经过热电转换后以电能形式输出,因此,本发明所述的反常电场约束受控核聚变反应堆可以用来制造电能输出装置、动力输出装置以及热能输出装置。
由实施例2可知,本发明所述的反常电场约束受控核聚变反应堆的体积可以做得很小,功率密度很高。这种小体积高功率密度的反应堆可以直接用来制造动力推进装置。
由实施例2可知,反常电场约束受控核聚变反应堆体积可以做得很小,功率密度很高。这种小体积高功率密度的反应堆可以用来制成爆炸物。
由于上述实施例所述的氘氚反应会产生中子及阳离子,因此,本发明所述的反常电场约束受控核聚变反应堆可以用来制造中子输出装置以及阳离子输出装置。
由以上叙述和实施例可以得出,反常电场约束受控核聚变反应堆本质上是一个低能量泄漏的高温阳离子容器。通过适当设置有关参数,氘氚以外的高温阳离子也可以在反常电场中发生受控核聚变反应。因此,本发明所述的反常电场约束受控核聚变反应堆可以制成原子合成装置。
由以上叙述和实施例可以得出,采用本发明所述的电场约束受控核聚变反应堆,可以实现原子间通过深层电子结合,产生一种新的材料,因此,本发明所述的反常电场约束受控核聚变反应堆可以制成材料合成装置。

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1、(10)申请公布号 CN 103165196 A (43)申请公布日 2013.06.19 CN 103165196 A *CN103165196A* (21)申请号 201110414490.6 (22)申请日 2011.12.13 G21B 1/00(2006.01) G21B 1/11(2006.01) (71)申请人 王亚平 地址 510431 广东省广州市番禺区大石镇洛 溪新城海棠居 5 街 31 号 申请人 张亚美 (72)发明人 王亚平 张亚美 (74)专利代理机构 广州三环专利代理有限公司 44202 代理人 刘宇峰 (54) 发明名称 受控核聚变方法及其反应堆 (57) 摘要。

2、 本发明提供了一种利用特殊电位分布电场的 库伦力来约束核燃料粒子的运动行为产生聚变反 应的方法, 命名为反常电场约束受控核聚变方法。 本发明所述的一种受控核聚变方法, 在一个有限 空间内设置电位绝对值较低的等势面被电位绝对 值较高的等势面包裹的电场, 然后将参与聚变反 应的阳离子放入所述的电场。本发明所述的受控 核聚变方法能使核燃料粒子在足够长的时间内保 持一定数密度而引发核聚变反应。反常电场约束 受控核聚变反应堆很容易满足核聚变所需要的 点火条件, 对氘氚聚变反应的物理能量增益因子 (Q) 大于 1000, 是一种具有实用价值的受控核聚 变方法。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 。

3、说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103165196 A CN 103165196 A *CN103165196A* 1/1 页 2 1. 一种受控核聚变方法, 其特征是 : 在一个有限空间内设置电位绝对值较低的等势面 被电位绝对值较高的等势面包裹的电场, 然后将参与聚变反应的阳离子放入所述的电场。 2. 一种受控核聚变反应堆, 其特征是, 包括 : 导体, 分布在一个有限空间周围 ; 所述的 导体带电后, 在所述的有限空间内产生电位绝对值较低的等势面被电位绝对值较高的等势 。

4、面包裹的电场 ; 所述电场接纳进入的阳离子, 产生核聚变反应。 3. 根据权利要求 2 所述的受控核聚变反应堆, 其特征是, 还包括 : 用于产生阳离子的离 子发生器。 4. 一种能量输出装置, 其特征是 : 包括如权利要求 2 所述的受控核聚变反应堆。 5.根据权利要求4所述的能量输出装置, 其特征是 : 所述的能量输出装置是选自 : 电能 输出装置、 动力输出装置、 热能输出装置、 爆炸装置。 6. 一种物质输出装置, 其特征是 : 包括如权利要求 2 所述的受控核聚变反应堆。 7.根据权利要求6所述的物质输出装置, 其特征是 : 所述的物质输出装置是选自 : 中子 发生装置、 阳离子发生。

5、装置。 8. 一种原子合成装置, 其特征是 : 包括如权利要求 2 所述的受控核聚变反应堆。 9. 一种材料合成装置, 其特征是 : 包括如权利要求 2 所述的受控核聚变反应堆。 权 利 要 求 书 CN 103165196 A 2 1/5 页 3 受控核聚变方法及其反应堆 技术领域 0001 本发明属于受控核聚变领域, 涉及一种受控核聚变方法, 具体是涉及一种特殊电 位分布电场约束受控核聚变方法, 命名为反常电场约束受控核聚变方法, 还涉及应用该方 法的反常电场约束受控核聚变反应堆。 背景技术 0002 人类对受控核聚变的研究进行了 60 年, 至今尚未取得具有实用价值的受控核聚 变反应堆。。

6、 制造受控核聚变反应堆的最大困难是在地球上没有任何一种材料可以用来装载 高温核燃料, 而地球的万有引力又非常低不足以保持聚变所要求的核燃料粒子数密度。目 前研究的受控聚变方法主要有对核燃料粒子运动行为的磁约束和惯性约束两种。磁约束 聚变过程中, 由于聚变反应环境中有电子存在, 会产生轫致辐射, 使核燃料粒子能量大量逃 逸。因此, 很难长时间约束核燃料粒子以达到聚变所要求的点火条件。惯性约束亦因为不 能有足够长时间维持高温下核燃料粒子的数密度而达不到聚变点火条件。 发明内容 0003 本发明的目的在于提供一种全新的受控核聚变方法, 是一种利用特殊电位分布电 场的库伦力来约束核燃料粒子的运动行为产。

7、生聚变反应的方法, 命名为反常电场约束受控 核聚变方法。 0004 本发明所述的一种受控核聚变方法, 其特征是 : 在一个有限空间内设置电位绝对 值较低的等势面被电位绝对值较高的等势面包裹的电场, 由于这种电场电位在空间的分布 和一般单个导体在空间电位分布相反, 我们称这种电场为电位反常规分布电场, 简称 “反常 电场” (Anti-conventional Electric Field, AEF) 。然后将参与聚变反应的阳离子放入 所述的电场。 AEF库伦力约束核燃料粒子运动范围, 使核燃料粒子在足够长的时间内保持一 定数密度而引发受控核聚变。 0005 相比于现有的磁约束和惯性约束两种受控。

8、核聚变方法, 本发明所述的反常电场约 束受控核聚变方法具有以下明显的优势 : (1) 反常电场约束受控核聚变反应堆结构相对非常简单, 而以托卡马克为代表的磁约 束受控核聚变堆以及惯性约束受控核聚变堆的结构非常复杂 ; (2) 反常电场约束受控核聚变反应过程中能量逃逸非常低, 因而, 很容易满足聚变点火 条件, 也就是满足劳逊判据。 0006 这是因为 : 首先, 反常电场约束受控核聚变反应环境中没有电子, 即使因污染等原因, 在反应区出 现等离子, 因 AEF 周边区域电压高过中央区域电压, 电子很快会被吸引出反应区。由于反应 环境中没有电子存在, 几乎不产生轫致辐射, 热扩散很少 ; 其次,。

9、 同种粒子因库仑碰撞引起质心偏移所产生的能量损失非常低 ; 最后, 参与核聚变反应阳离子在 AEF 中做加速运动时因电磁辐射输出的能量非常低。 说 明 书 CN 103165196 A 3 2/5 页 4 对氘氚粒子为核聚变反应物的反常电场约束受控核聚变反应, 根据已有参数可计算出, 阳 离子在 AEF 中做加速运动时因电磁辐射输出的能量低于 10-20焦耳, 对于 7keV 的粒子动能 可以忽略不计。 0007 (3) 电约束核聚变反应堆运行时, 对于氘氚聚变反应, 由于聚变反应产生的 - 离 子的动能远远超过核燃料粒子的动能, 因此, 这些 - 离子会自动脱离聚变反应现场, 不需 要人工清。

10、理。而且, - 离子的能量可以直接以电能方式回收, 避免了低效的涡轮发电过 程, 使反应堆能效进一步提高。 在一个特定实施例中, 用于产生反常电场的金属线电压超过 3.5MV, - 离子不会与金属线碰撞, 避免了因为碰撞引起的溅射对聚变反应区的污染。 0008 本发明所述的反常电场约束受控核聚变方法和现有的磁约束受控核聚变方法的 主要不同之处见表 1。 0009 表 1 : 磁约束受控核聚变方法和反常电场约束受控核聚变方法的对比 比较项目磁约束电场约束 对核燃料粒子约束力磁力库仑力 聚变堆结构复杂非常简单 聚变点火条件很难满足 容易满足 能量逃逸很多很少 物理能量增益因子 Q1000 聚变反应。

11、过程间隙进行 连续进行 运行维护复杂简单 本发明还提供了应用所述的受控核聚变方法的一种受控核聚变反应堆, 称为反常电场 约束受控核聚变反应堆。 0010 本发明所述的一种受控核聚变反应堆, 包括 : 导体, 分布在一个有限空间周围 ; 所 述的导体带电后, 在所述的有限空间内产生电位绝对值较低的等势面被电位绝对值较高的 等势面包裹的电场 ; 所述电场接纳进入的阳离子, 产生核聚变反应。 0011 根据本发明所述的受控核聚变反应堆的进一步特征, 还包括 : 用于产生阳离子的 离子发生器。 0012 本发明还提供了一种能量输出装置, 该装置包括本发明所述的受控核聚变反应 堆。优选地, 所述的能量输。

12、出装置是选自 : 电能输出装置、 动力输出装置、 热能输出装置、 爆 炸装置。 0013 本发明还提供了一种物质输出装置, 该装置包括本发明所述的受控核聚变反应 堆。优选地, 所述的物质输出装置是选自 : 中子发生装置、 阳离子发生装置。 0014 本发明还提供了一种原子合成装置, 该装置包括本发明所述的受控核聚变反应 堆。 0015 本发明还提供了一种材料合成装置, 该装置包括本发明所述的受控核聚变反应 堆。 附图说明 0016 图 1 是本发明所述的反常电场约束受控核聚变反应堆的结构示意图。 0017 图 2 是 AEF 发生器产生的电场的想象图 ; 其中,(a) 是 AEF 发生器壁上导。

13、体周围电 位分布的想象图 ;(b) 是 AEF 发生器横断面电位分布简单想象图。 0018 图 3 是 AEF 中阳离子运动行为想象图。 说 明 书 CN 103165196 A 4 3/5 页 5 0019 其中 : 1 为 AEF 发生器 ; 2 为导体 ; 3 为粒子输出管 ; 4 为导体周围电场 ; 5 为高压电 发生器 ; 6 为反常电场发生器横断面电位叠加想象图 ; 7 为粒子云, 8 为 w 点。 具体实施方式 0020 本发明提供了一种全新的受控核聚变方法, 是一种利用特殊电位分布电场的库伦 力来约束核燃料粒子的运动行为产生聚变反应的方法, 命名为反常电场约束受控核聚变方 法。。

14、本发明所述的原理、 方法和操作可以结合附图以及相应描述而得到更清楚的理解。 0021 图 1 是一种反常电场约束受控核聚变反应堆的结构示意图。该受控核聚变反应堆 包括 : 高压电发生器4, 用于产生高压电 ; AEF发生器1, AEF发生器内互不连接的若干导体2 (例如, 金属线) ; 各导体 2 单独与高压电发生器 4 的不同输出端连接, 通电后, 在 AEF 发生器 内产生 AEF ; 以及粒子输出管 4 用于将参与聚变反应的粒子注入 AEF 内。 0022 本发明所述的受控核聚变方法, 即反常电场约束受控核聚变方法, 以及相应的反 常电场约束受控核聚变反应堆的工作原理是 : 反应堆工作时。

15、, 高压电发生器输出高压电。 因 此, AEF 发生器壁面上每一根金属线都被充上高压电。由于金属线互不连接且离地面较远, 金属线周围有近似圆柱体电位分布规律的电场, AEF 发生器壁面上金属线电位分布假想图 如图 2(a) 所示。这些金属线上的高压电位在 AEF 发生器内部空间叠加后会形成一个中央 电位低而周围电位高的电场, 即AEF。 显然, 在AEF发生器壁面上, 二根金属线之间的中点的 电位最低, 该点位置称为 “w 点” 。AEF 发生器内部横断面叠加电位想象图见图 2(b) 。 0023 所述反应堆工作时由离子发生器向所述的 AEF 中注入阳离子 (例如, 带正电荷的 粒子) 。在不。

16、考虑核燃料粒子动能的前提下, 随着 AEF 发生器中粒子数量的增加, 阳离子之 间的距离将缩小, 阳离子之间的排斥力增大, 阳离子云在 AEF 发生器中所占据的空间将扩 大。由于在 AEF 发生器中, 越远离中央区, 空间电场强度越高, 因此, 阳离子云的扩大使阳离 子受到来自 AEF 的排斥力加大。当阳离子之间的排斥力与 AEF 对阳离子的排斥力相等时, 离子云空间将不再扩大。此时, AEF 发生器中离子云边界等势面所包括的空间被称为聚变 反应区, 简称反应区。 AEF发生器中反应区以外的空间称为势垒区。 反应区内的阳离子在自 身动能的作用下将向势垒区移动。只要 AEF 周边区域电位与中央区。

17、域电位之差足够大, 核 燃料离子从反应区向势垒区移动时, 因核燃料离子动能被完全转变为电势能而使核燃料粒 子不能逃离 AEF 发生器, 并且, 在势垒的作用下阳离子将返回反应区, 此过程物理想象图见 图 3。在势垒区, 由于核燃料粒子动能下降, 因此, 很难发生聚变反应。在反应区, 燃料粒子 保持着从离子发生器带来的初始动能, 并可能因为与从势垒区返回的燃料粒子碰撞而发生 聚变反应。 0024 显然, 参加聚变反应的核燃料粒子的数密度和反应区的大小受到离子发生器离子 输出速度的调节。另外一个调节反应区体积大小的因素是高压发生器输出的高电压, 因为 金属线电位的高低将改变 w 点的电位, 而只有。

18、当 w 点的电位与反应区边界电位之差对核燃 料粒子产生的电势能大于或等于核燃料粒子动能时, 核燃料粒子才可能被限制在 AEF 内。 高电压的另一个作用是防止粒子碰撞金属线产生溅射对聚变反应环境造成污染。对于氘 (D) 离子和氚 (T) 离子反应 (简称 “氘氚反应” ) , 当金属线电位与反应区边界电位之差大于 3.5MV 时, - 粒子不会撞到金属线上。 0025 说 明 书 CN 103165196 A 5 4/5 页 6 实施例一 : 大型发电厂用反常电场约束聚变反应堆, 最大物理输出功率 Pout 为 1011W 级。 0026 聚变核燃料为氘 (D) 离子和氚 (T) 离子 ; 比例。

19、 : 各 50% ; 反应截面 是 10-22m2; D、 T离子动能都是约7keV, 运动速度v约为6.69105m/s, 通过调节离子发生器的离子输出速 度设定聚变反应区边界电位等于 4000V。 0027 结构 : 如图 1 所示。主要包括 : 高压电发生器, 离子发生器和 AEF 发生器。 0028 AEF 的产生 : AEF 由 AEF 发生器产生。本例中, AEF 发生器有 6 个布有金属线的壁 面。每个壁面上有 25 根间隔 0.4m 的金属线。这些金属线互不相连, 每一根长 10m, 半径 110-3m。工作时金属线带 4000kV 电压, 离地面较远。金属线周围产生的电场的想。

20、象图如 图 2(a) 所示。金属线产生的电场叠加后便会在 AEF 发生器内部形成一个 AEF。AEF 发生器 横断面电位分布简单想象图如图 2(b) 所示。 0029 下面对聚变反应堆的主要参数进行计算。 0030 由于金属线很细, 间距很大, 因此, 金属线周围电场的分布符合圆柱体电场分布。 每一根金属线周围的电位 E=E0R/r (1) 式中, E0是工作时金属线所带电压, R 是金属线的半径 ; r 是空间中某一点离金属线轴 心的距离。 0031 由于金属线轴心之间的距离是0.4m, 因此, 金属线之间, 离金属线轴心0.2m处w点 是电位最低的地方, 此处电位 Ew=400000011。

21、0-3/0.2=20000V。 0032 而当 E=4000V 时, 反应区边界距 AEF 壁面的距离 : Rw=4000000110-3/4000=1m ; 由库伦定理可知, 反应区内核燃料离子之间的静电排斥力 F1=kq2/r2 (2) 式中, k 是静电力常量, q 是电子电量, r 是核燃料离子之间的距离。 0033 AEF 对阳离子的排斥力 F2=Ewq (3) 当 F1 等于 F2 时, 阳粒子的数密度即参与聚变反应的核燃料粒子数密度。 0034 因为本例设受控核聚变反应发生在 AEF 电位低于 4000V 的空间内, 阳粒子的间距 r = (91091.610-19/4103)1。

22、/2=610-7m ; 阳粒子的数密度 : n = 1/(610-7 )3 = 4.631018m3; 单位体积粒子聚变反应速度 : R12=n2 v/4 (4) 式中, n 是阳粒子的数密度, 是 D、 T 粒子反应截面, v 是 D、 T 粒子运动速度。 0035 R12 = 4.632103610-226.69105/4=3.591020/m3/s ; 最大物理输出功率 : Pout=FR12VR (5) 式中, F 是一对 D、 T 离子聚变反应产生的能量 17.6MeV, VR是反应区的总体积。由于反 说 明 书 CN 103165196 A 6 5/5 页 7 应区边界距 AEF 。

23、壁面的距离 Rw 等于 1m, 金属线长是 10m ; VR=(10-2) 3=512m3 ; 因此, Pout=17.61061.610-193.591020512 ; Pout=5.181011W。 0036 l 净输入功率 : Pin=2FDTR12VR (6) 式中, FDT是一个 D 或 T 离子的动能, 约 7keV。 0037 Pin=4.12108W。 0038 l 物理增益因子 : Q=(Pout-Pin) /Pin (7) Q=1.26103。 0039 实施例二 : 高功率密度反常电场约束受控聚变反应堆, 适合做一次性动力推进器, 如火箭发动机。 0040 本实施例结构和。

24、应用条件除以下三点外其余同实施例 1。 0041 1. 金属线长 : 0.1m。 0042 2. 反常电场壁面上金属线间隔 0.04m。 0043 3. 受控核聚变反应区设置在 3.3MV 以下区域。 0044 通过计算可知, 本实施例的 : 最大物理输出功率 Pout=7.121014W。 0045 最大物理输出功率密度 Pn=7.121017W/m3。 0046 由于本发明所述的反常电场约束受控核聚变反应堆可以产生巨量动能, 这些动能 可转换为热能, 经过热电转换后以电能形式输出, 因此, 本发明所述的反常电场约束受控核 聚变反应堆可以用来制造电能输出装置、 动力输出装置以及热能输出装置。。

25、 0047 由实施例 2 可知, 本发明所述的反常电场约束受控核聚变反应堆的体积可以做得 很小, 功率密度很高。这种小体积高功率密度的反应堆可以直接用来制造动力推进装置。 0048 由实施例 2 可知, 反常电场约束受控核聚变反应堆体积可以做得很小, 功率密度 很高。这种小体积高功率密度的反应堆可以用来制成爆炸物。 0049 由于上述实施例所述的氘氚反应会产生中子及阳离子, 因此, 本发明所述的反常 电场约束受控核聚变反应堆可以用来制造中子输出装置以及阳离子输出装置。 0050 由以上叙述和实施例可以得出, 反常电场约束受控核聚变反应堆本质上是一个低 能量泄漏的高温阳离子容器。通过适当设置有关参数, 氘氚以外的高温阳离子也可以在反 常电场中发生受控核聚变反应。因此, 本发明所述的反常电场约束受控核聚变反应堆可以 制成原子合成装置。 0051 由以上叙述和实施例可以得出, 采用本发明所述的电场约束受控核聚变反应堆, 可以实现原子间通过深层电子结合, 产生一种新的材料, 因此, 本发明所述的反常电场约束 受控核聚变反应堆可以制成材料合成装置。 说 明 书 CN 103165196 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103165196 A 8 2/2 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103165196 A 9 。

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