专利名称:可控热核聚变反应器的制作方法
所属技术领域：
本发明属于核工程技术领域：
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背景技术：
现在实验上最有希望通过核聚变获得能源的方法是磁约束型热核聚变，其普遍使用的是利用磁场将氘氚气体压缩并加热使气体在高温下形成氘氚等离子体，再利用磁场对氘氚等离子体进一步压缩产生热核聚变的方法。就目前来说，这种方法的缺点是热核聚变反应持续时间短，提供的用于发生热核聚变反应的能量大于热核聚变所放出的能量。热核聚变反应持续时间短是由于氘氚等离子体会在瞬间在不可预测的地方穿过磁场的屏障飞散逃逸出去，这使得人类想通过热核聚变获得清洁的取之不尽的能源的努力屡屡失败。其失败的主要原因就在于这种类型的热核聚变实验都是采用磁场压缩的办法来实现聚变反应的，在压缩过程中，氘氚等离子体内部的压强产生的膨胀作用力与磁场压缩作用所产生的压缩作用力几乎是平衡的，这样核聚变引发的一些局部随机高温与超高温热点产生的突发高能脉冲的作用很容易使反应区的氘氚等离子体打破平衡摆脱束缚而飞散逃逸出去。由于膨胀作用力是随压缩作用力增大而增大的，因此，采用增大约束的办法是难以控制这种突发高能脉冲实现可控热核聚变的。面对现在日益紧张的能源危机与化石能源对环境的污染，世界各国还是不断的投入巨资来研究各种实现核聚变的方法。就目前来看，对于磁约束型热核聚变，只有采用一种能够在等离子体表面的局部发生突发高能脉冲时只在该局部提供一种扼制突发高能脉冲的力，才能有效抑制氘氚等离子体飞散逃逸，使通过磁约束型装置所获得的核聚变能量大于所提供的能量。磁约束型热核聚变还存在另一个问题是氘氚等离子体要非常纯净，不能混入其它重元素离子。这是由于轫致辐射与原子序数的立方成正比，氘氚等离子体中混入重元素离子后，会使等离子体的温度迅速降低，高速运动的氘氚离子数减少，因此，使得热核聚变反应难以进行。
发明内容
本发明可控热核聚变反应器仍然采用传统的通过磁场来压缩氘氚等离子体的方法，最大的不同点是在氘氚等离子体的外围又环绕着一层由重元素原子组成的重元素等离子层。这种设计的原理是这样的设分子A，B为质量分别为m1，m2的完全弹性球体，碰撞发生前分子A静止，分子B以速度u。碰撞分子A后，分子A的速度为u=2m2m1+m2u0]]>由上式得分子A的动能为EA=2m1m22(m1+m2)2u02]]>这一能量是由分子B通过碰撞转移到分子A上的。将其除以碰撞前分子B的动能得到碰撞过程中分子B向分子A的能量转移率为
η=EAEB=4m1m2(m1+m2)2---(1)]]>设m1＝am2上式变为η=4a(1+a)2---(2)]]>由式(1)(2)式可以看出在分子B的质量大于分子A的区间，分子B相对分子A的质量越大，能量转移率越小，随着分子B的质量不断增大，能量转移率逐渐减小，在这区间，分子B碰撞分子A后，分子B与分子A的运动方向相同，分子B的质量越大，分子A被碰撞后速度越大，最大极限速度是分子B的两倍；当分子B的质量与分子A的质量相同时，能量转移率达到最大值1，这时分子B的能量全部转移到分子A上，分子B碰撞分子A后，分子B静止，分子A以分子B相同的速度运动；在分子B的质量小于分子A的区间，分子B相对于分子A的质量越小，能量转移率越小，随着分子B的质量不断减小，能量转移率逐渐减小，在这区间，分子B碰撞分子A后，分子B与分子A的运动方向相反，即分子B碰撞分子A后将被分子A反弹回来，分子B的质量越小，反弹后的速度越大，最大极限速度是原速率返回。利用上面的特性，若我们能将氘氚等离子体的外围包上一层在高温状态下不会发生核反应的重元素原子组成的等离子层，则重元素等离子层对氘氚等离子体会产生三种作用(一)反射汇聚作用。高速运动的氘氚等离子体中的离子碰到重元素等离子层中的离子后会被重元素等离子层反射并向中心汇聚；(二)缓冲作用。当氘氚等离子体在重元素等离子层的接触面的局部区域形成突发高能脉冲时，重元素等离子层会起到缓冲作用，再结合反射作用，突发高能脉冲将被重新反射回氘氚等离子体中，从而起到抑制氘氚等离子体飞散逃逸的作用；(三)降低轫致辐射的作用。氘氚等离子体与外面包的一层重元素等离子层分开后，轫致辐射会相应减小。这样做还可以使外层的重元素等离子层的温度比内部的氘氚等离子体的温度低，氘氚等离子体的温度也可以适当降低一些，这样一来重元素等离子层在低温下电离度减小会使重元素等离子层的轫致辐射大大减小，而氘氚等离子体的温度降低可以减小突发高能脉冲的能量，使氘氚等离子体处于更加稳定的状态。若重元素等离子层采用几种元素的原子组成，由于不同质量的离子间相互碰撞比单一离子间相互碰撞时相互间的能量转移率低，这会使重元素等离子层中高速率离子在相同温度下的数目减少，使离子的速率向中速率集中。这就是说，在相同温度下，由多种元素的原子组成的重元素等离子层比单一元素的原子组成的重元素等离子层的热能损失率会更慢些。这也提示我们，及时地将聚变反应后的产物氦离子从氘氚等离子体中分离出来是非常必要的，这样做会使同样温度下的纯氘氚等离子体的聚变反应速率不至于减慢。
加入重元素原子后最大的问题是轫致辐射增大，轫致辐射会消耗大量能量，重元素等离子层温度会迅速降低，解决的办法之一是将热核聚变反应装置的内壁做成高反射面，这样可以将轫致辐射的能量反射并向中心会聚，提高重元素等离子层和中心的氘氚等离子体的温度；解决办法之二是采用上述的由多种元素的原子组成的重元素等离子层；解决办法之三是可以直接将部分轫致辐射能作为可控热核聚变反应器的能量输出。
本发明可控热核聚变反应器的另一个问题是，如何形成重元素等离子层，由于重力的作用，重元素离子会下降，重元素离子还会与氘氚等离子混合，解决的办法是使重元素等离子体与氘氚等离子体绕中心高速旋转，在离心作用下，由于重元素离子在相同温度下比氘氚离子的速率小的多，所受到的洛伦兹力也小的多，因此，重元素离子会在旋转作用下向外围移动最终形成重元素等离子层。为了减少轫致辐射和容易形成重元素等离子层，可以适当增加重元素等离子层的厚度，形成内高外低的温度梯度，使重元素等离子层的内面与氘氚等离子体外面接触的部分为高电离的，而重元素等离子层的外面是低电离的，由于低电离的离子在同样磁场强度下受到的磁场力比高电离的离子小，这样一来，重元素等离子体就更容易分布在外围了。若旋转作用强到可以便内部的氘氚等离子体中的氘离子和氚离子以及反应产物氢离子也发生分离或部分分离，由于单一离子间相互碰撞时相互间的能量转移率最高，这会使高速运动的氘离子和氚离子的数目增多，因此，在温度相同的情况下，可以使氘氚等离子体的热核聚变反应的速率相应增大，或在相同的热核聚变速率下，氘氚等离子体的温度可以更低。
由于重元素等离子层与氘氚等离子体是分开的，因此，不但对内部的氘氚等离子体的温度影响不大，而且可以通过向内部的氘氚等离子体加入不同比例的重元素离子来调节内部的氘氚等离子体的热核聚变反应的速率，这可以通过改变等离子体的旋转速率来实现。
可控热核聚变反应器可以做成环形，柱形，球形和椭球形等等。对于不同形状的可控热核聚变反应器，形成重元素等离子层的方法也相应的有些改变。核聚变材料也可选用氘，氚，锂的组合。下面以环形可控热核聚变反应器为例对本发明可控热核聚变反应器加以说明。
图(1)是一种环形磁约束可控热核聚变反应器的沿中轴线的截面示意图。
图(1)中，1为氘氚等离子体，2为重元素等离子层，3为真空室，真空室3为内面有反射层的环形管，4为围绕环形管的外围设备。
实施例通过外围设备(4)上所设的电磁场将真空室(3)中的氘氚气体压缩并加热成氘氚等离子体(1)后，通过外围设备(4)上所设的高速旋转磁场使氘氚等离子体(1)绕环形管中心线高速旋转，然后将重元素原子或分子加入到氘氚等离子体(1)中，并使混合后的等离子体在高速旋转磁场作用下继续绕环形管中心线高速旋转，在离心作用下重元素离子会沿径向向外运动，在氘氚等离子体(1)的外部形成重元素等离子层(2)。进一步通过磁场压缩氘氚等离子体(1)和重元素等离子层(2)使氘氚等离子体(1)发生热核聚变反应，同时适当取走热核聚变反应所放出的能量。当氘氚等离子体(1)外部表面的局部发生突发高能脉冲欲使氘氚等离子体(1)在该局部飞散逃逸时，重元素等离子层(2)会在该局部产生一个力来部分或全部抵消突发高能脉冲的作用，抑制氘氚等离子体飞散逃逸，并将突发高能脉冲反射回氘氚等离子体(1)中，使热核聚变反应能够持续进行。
权利要求
1.一种可控热核聚变反应器其特征是由氘氚等离子体(1)，包围氘氚等离子体(1)的重元素等离子层(2)，真空室(3)，外围设备(4)组成。
2.权利要求
1所述的可控热核反应器其特征是氘氚等离子体(1)和重元素等离子层(2)是绕氘氚等离子体(1)和重元素等离子层(2)的中心线高速旋转的。
3.权利要求
1所述的可控热核聚变反应器其特征是重元素等离子层(2)是由原子序数高的，在高温状态下不会发生核反应的重元素原子组成的。
4.权利要求
1所述的可控热核反应器其特征是氘氚等离子体(1)中可以加入锂。
专利摘要
一种可控热核聚变反应器是由氘氚等离子体，重元素等离子层，真空室和外围设备组成。本可控热核聚变反应器是通过包围在氘氚等离子体的外围的重元素等离子层对氘氚等离子体的飞散逃逸进行抑制与反射达到使氘氚等离子体的热核聚变反应持续进行的目的的。
文档编号G21B1/00GKCN101071653SQ200610084321
公开日2007年11月14日 申请日期2006年5月8日
发明者林诗俊 申请人:林诗俊导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan