Способ получения атомной энергии и устройство для его осуществления

 

Использование: техника получения ядерной энергии с помощью синтеза легких ядер. Сущность изобретения; формируют два пучка холодных атомов дейтерия и трития, ионизируют их пучками электронов, получающиеся ионы ускоряют до энергии 13-14 эВ, затем нейтрализуют ионы до получения нейтральной резонансной плазмы, в которой и происходит ядерная реакция синтеза . Атомные пушки, дающие пучки атомов дейтерия и трития, располагаются своими осями под углом, обеспечивающим пересечение пучков в камере синтеза. Кольцевые электронные пушки, расположенные соосно с атомными на их выходе, ионизируют атомы в начале их пути. Электрическое поле, создаваемое между пушками и специальными электродами, расположенными позади электронных пушек, обеспечивает ускорение ионов и их фокусировку перед зоной создания плазмы. Плазма создается облучением пучков ионов электронами издополнительных электронных пушек. Для получения ядерных реакций синтеза плазма должна быть резонансной, т.е. ионы в ней должны двигаться поступательно с определенной скоростью. 2 с.п,ф-ль, 1 ил. ел с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 21 В 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 ) 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

) а 4

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3030652/25 (22) 04.12.81 (46) 23.05.92, Бюл, ¹ 19 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте (72) Б.Н,Родимов (53) 621,039. 6(088.8) (56) Кадомцев Б.Б, Природа, 1979, ¹ 2, с,21, Пономарев Л,№ Природа, 1979, ¹9,,с,8, (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АТОМНОЙ

ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛ Е Н ИЯ (57) Использование: техника получения ядерной энергии с помощью синтеза легких ядер. Сущность изобретения; формируют два пучка "холодных" атомов дейтерия и трития, ионизируют их пучками электронов, получающиеся ионы ускоряют до энергии

13 — 14 эВ, затем нейтрализуют ионы до полИзобретение относится к технике получения атомной энергии с помощью синтеза легких ядер (изотопов водорода — дейтерия и трития) и может найти применение при создании энергетических установок, Для осуществления ядерной реакции синтеза необходимо сблизить ядра на рас-11 стояние порядка 10 см или нагреть смесь атомов до 100 миллионов градусов, Эту задачу в настоящее время решают различными способами. Сжимают дейтерий или смесь дейтерия и трития магнитным полем тороидальной конфигурации. Нагревают смесь изотопов лазерным лучом или пучком релятивистских электронов, или ускоренным пучком ионов, В основе этих ме..-адов лежит одна идея: нагреть до высокой темпе„„53J ÄÄ 1735909 А1 учения нейтральной резонансной плазмы, в которой и происходит ядерная реакция синтеза. Атомные пушки, дающие пучки атомов дейтерия и трития, располагаются своими осями под углом, обеспечивающим пересечение пучков в камере синтеза, Кольцевые электронные пушки, расположенные соосно с атомными на их выходе, ионизируют атомы в начале их пути. Электрическое поле, создаваемое между пушками и специальными электродами, расположенными позади электронных пушек, обеспечивает ускорение ионов и их фокусировку перед зоной создания плазмы. Плазма создается облучением пучков ионов электронами из дополнительных электронных пушек. Для получения ядерных реакций синтеза плазма должна быть резонансной, т.е; ионы в ней должны двигаться поступательно с определенной скоростью. 2 с,п,ф-ль, 1 ил, ратуры все атомы смеси с тем, чтобы могли () прореагировать ядра лишь некоторых из у них.

При таких способах сближения ядер ! превращают самые совершенные и дорогие ГЪ виды энергии — магнитную, световую, энергию ускоренного пучка частиц — в самую несовершенную, тепловую.

Известен метод с мюонным катализом, а ядерных реакций синтеза. Ядра сближают не за счет тепловой энергии, а под действием внутренних электрических сил притяжения, действующих между мю-мезонами и ядрами, кроме того, сближаются только те ядра, которые затем вступают в реакцию, поэтому отпадает необходимость нагревать все атомы. Мюоны в лаборатории получают

1735909 в реакции распада пионов на мюоны и мюонные анти-нейтрино: а пионы, в свою очередь, рождаются при столкновениях ускоренных протонов (600—

800 МэВ) с ядрами атомов мишени.

Попадая в смесь изотопов водорода мю-мезоны тормозятся в ней, образуя мезоатомы водорода рр, d è, tp — и мезомолекулы pd è, dd è, dt è и т.д. Причем расстояния между ядрами в мезомолекулах

-11 оказываются равными 5 10 см, т.е. как раз такое, какое необходимо для начала интенсивной реакции синтеза ядер.

Устройство включет в себя источник частиц — протонов, их ускоритель до энергии

600 — 800 ма В (синхроциклотрон), мишень, участок преобразования частиц — пространство дрейфа с давлением 10 мм Hg, камеру

-5 синтеза, заполненную смесью изотопов водорода и окруженную теплоносителем.

Недостатками способа и устройства с мюонным катализом являются сложность устройства вследствие того, что необходим ускоритель протонов на энергию 600 — 800

МэВ, а также очень сложна цепь превращений элементарных частиц, прежде чем наступит ядерная реакция, большая стоимость получения мюонов и потери мюонов в процессе превращения частиц.

Цель изобретения — создание способа и устройства, позволяющего снизить энергетические затраты на подготовку ядерных реакций и упростить всю инженерную схему и роцесса.

Поставленная цель достигается тем, что используются квантовомеханические свойства частиц, описываемые автоколебательной квантовой механикой, для чего формируют два пучка "холодных" (с энергией 0 01 эВ) атомов дейтерия и трития, ионизуют их пучками электронов, которые направляются встречно пучкам атомов, получающиеся ионы ускоряются до энергии порядка (13 — 14) эВ, далее ионы вновь облучают электронами до образования двух пучков нейтральной резонансной плазмы дейтерия и трития, затем пучки совмещаются и в области совмещения начинаются ядерные реакции синтеза.

Таким образом, устройство, включающее камеру синтеза, систему подачи дейтерия и трития и средства для получения пучков электронов, отличается от схемы мюонного катализа ядерных реакций синтеза тем, что система подачи выполнена в виде двух пушек холодных атомов дейтерия и трития, расположенных под углом одна к другой так, чтобы продолжение их осей совместилось (пересеклось) в камере синтеза, Средства для получения пучков электро5 нов представляют собой соосные кольцевые пушки, расположенные у выходов пушек атомов дейтерия и трития, для формирования встречных к атомным пучкам электронных пучков, На участках до камеры синтеза

10 расположены дополнительные электронные пучки, дающие электроны для нейтрализации ионных пучков и создания плазмы.

Между указанными источниками электронов размещены ускоряющие электроды, на

15 которые подан отрицательный потенциал

13 — 14 В относительно атомных пушек, Во всех перечисленных способах получения синтеза легких ядер, кроме реакции мюонного катализа, не принимаются во

20 внимание квантовомеханические эффекты, обычная квантовая механика и не дает возможности разглядеть многие эффекты, так как с самого начала принципиально не рассматриваются возможности знать конкрет25 ные движения электронов в атомах, а дается только вероятность их нахождения втой или иной точке пространства вокруг ядра.

Новая возможность решения всей проблемы синтеза легких ядер в предлагаемом

30 устройстве вытекает из явлений, наблюдаемых в природе и в ряде опытов и объясняемых автоколебательной квантовой механикой (АКМ), Суть явлений, которые лежат в основе предлагаемого способа, за35 ключается в том, что ядро атома водорода (Р), движущееся классически прямолинейно и равномерно, совершает дополнительное колебательное движение, обусловленное особым квантовым полем, возбуждаемым

40 частицей и которое, в свою очередь, воздействует на частицу. Это квантовое поле описывается волновым уравнением

45 где Л вЂ” оператор Лапласа;

p — волновая функция;

50 V — cKopocT частицы и скорость волны, возбуждаемой частицей, Движение частицы будет описываться выражением

* h х = Vt+ з!п2л укв t = х+ (2 Л п1 Ч где х —; х =

Vt;

1735909

E= —m V2 гпда

2 2

Поскольку

2 Е1 4л mee

1 н— 13

Е 2 л2п1 е

Е1=

Ь2 гпЧ

= — — частота колебаний частикв— цы и волны;

А = — длины волны де Бройля;

mV

h — постоянная Планка;

m — масса частицы;

V — скорость частицы;

t — время.

Скорость частицы

Ч* = V.+ $ = Ч(1 + cos2 к v к, );

i;=Vcos2 zv„t

Для энергии такой свободной квантовой частицы мы должны писать выражения

Т.е. здесь местопребывание добавочной энергии, связанной с квантовыми колебаниями, меняется от одного полупериода квантового колебания к другому: когда добавочная скорость имеет направление классической скорости V— энергия складывается с классической энергией частицы, когда добавочная скорость направлена против классической скорости— квантовая энергия вычитается из классической и уходит в окружающую среду (в эфир).

В результате усреднения по времени получим обычное классическое равномерное прямолинейное движение.

Так же, как существование волны де

Бройля л= получило подтверждение в

mV явлении дифракции электронов, существоmЧч вание квантовых частот v<> — проявляет себя в некоторых являениях резонансного типа.

Как показывает автоколебательная квантовая механика, электрон в основном состоянии атома водорода совершает колебания вдоль радиуса с частотой

-8 оставаясь в среднем на расстоянии 10 см от протона, т.е,.численно это будет v>

=6 54 10 Гц. Если заставить сам атом водорода двигаться со скоростью V =

6 = т2Ч г

= 5,1 10 см/с (т,е, с энергией Е =

= 13,6 эВ), то частота колебаний прото5

m V2 на vð = — — будет совпадать с частотой ь колебаний электронов в атоме водорода.

В этом случае имеет место резонансный эффект, в результате которого правильное квантовое колебательное движение электрона относительно протона прекращается.

Электрон начинает двигаться беспорядоч+ но. Получается фактически ион Н (или протон) и электрон, не образующие квантово-механической системы. Это явление можно назвать самоионизацией атома водорода.

При падении электрона на протон (кулоновское поле создает именно это движение прежде всего) имеет место электромагнитное и неэлектромагнитное излучения, однако это излучение не будет иметь квантовой природы, т,е. не будет связано с вращательными моментами (речь идет все время об основном состоянии атома водорода).

На неэлектромагнитное излучение может расходоваться значительная часть из общей потери энергии электрона, На малых

-1О расстояниях электрона от протона (10 см) вступают вновь в действие квантовые силы, Это ведет к образованию нейтроноподобной частицы.

Описанные явления имеют место не

I только Для атомов водорода (1Н), но и Для дейтерия (10 = 1Н) и для трития (1Т = 1Н).

Поскольку частота колебаний электрона в этих атомах практически будеттакой же, как и в атоме водорода, то квантовая частота

40 ядер d и с будет такой же, хотя скорости для резонанса частоты будут другими:

Vd = 3,63 10 см/с;

V1 = 2,94 10 см/с;

45 VP = 51 10 GM/c.

6 п1дЧ г энергия частицы

m Ч2 пропорциональны частотам

2 тоЧ m1V

vg = и и1 = —, то резонансная

h h энергия для ядер дейтерия и трития будет такой же, как и для водорода, т.е. 13,6 эВ. -11

На расстояниях порядка 10 см вступают в действие особые квантовые силы. Нейтроноподобные частицы de u te могут оказаться достаточно прочными и могут

1735909

15 подпускать к себе свободные ядра d u t на расстояния, на которых действуют ядерные силы (10 см)(как с мюонами) и начинаются реакции ядерного синтеза с выделением энергии:

I„

d+ t — Не+ и + 17,6 МэВ;

d+ d -гНе+ и+3,27 МэВ;

d+ d — Т+ р+ 4,12 МэВ;

1 l(d+ zHe — Не+ 18,3 МэВ.

Здесь по крайней мере одно из ядер d, т, является нейтроноподобным, т.е. с "прилипшим" к нему электроном. Другие ядра могут быть нормальными.

Таким образом, в предлагаемом способе не нужны такие экзотические частицы, как мюоны, и соответственно все дорогие и сложные устройства, связанные с их получением.

Вместо мюонов используются электроны ("свои" или захватывающиеся из плазмы), образующие вместе с ядрами своего рода нейтроноподобные частицы ре,деде, у которых электрон находится на расстояниях порядка 10 — 10 см.

Для получения такого рода частиц необходимо получить достаточное количество атомов d,t при резонансной скорости, при которой разрушается закономерное квантовое движение электрона, имеющее место в основном состоянии атома водорода, На чертеже приведена схема устройства для осуществления способа.

Устройство содержит дейтериевую 1 и тритиевую 2 атомные пушки для получения

"холодных" атомов D и Т, электронные кольцевые пушки, электроды 5 и 6, которые подключены к (-)-полюсу источника чапряжения для создания электрического поля между электродами и атомными пушками, Эти электроды выполняют благодаря своей форме роль фокусирующих электродов для ионов, Устройство содержит также дополнительные электронные пушки 7 и 8 для нейтрализации ионных пучков; траектории

9 и 10 пучков дейтерия и трития, камеру 11 синтеза и рубашку 12 с теплоносителем.

Цифрами I, II, 1II обозначены, соответственно: участок образования ионов дейтерия и трития, участок образования нейтральной плазмы, участок ядерных реакций синтеза.

Атомные пушки 1 и 2 установлены под углом одна к другой так, что их оси пересекаются в камере 11 синтеза. Электронные кольцевые пушки 3 и 4 расположены у выхо20

55 дов атомных пушек 1 и 2 соосно с последними. Электроды 5 и 6 подключены к источнику напряжения (не показан), создающему на них отрицательный относительно атомных пушек 1 и 2 потенциал в 13 — 14 B. На участке до камеры 11 синтеза перпендикулярно к осям атомных пушек размещены дополнительные электронные пушки 7 и 8.

Пушки 1 и 2 располагаются рядом на расстоянии нескольких сантиметров с осями под углом 5 одна к другой с тем, чтобы пересечение пучков имело место в области реакции (! И).

Энергия атомов, получаемых от этих пушек не превышает 0,01 эВ, Соответственно разброс частиц по энергиям будет небольшой. Поскольку для резонансных эффектов мы должны иметь атомы с энергией 13,6 эВ, необходимо их ускорять, Для ускорения атомы необходимо прежде ионизировать, Электронные кольцевые пушки 3 и 4 создают трубчатые сходящиеся пучки электронов, которые ускоряются в электрическом поле между электродами 5 и 6 и атомными пушками 1 и 2 и ионизируют пучки атомов дейтерия и трития. Ионы трития и дейтерия ускоряются в этом же поле до энергии порядка 10 — 14 эВ, фокусируются благодаря форме электродов 5 и 6 и выходят через отверстия в электродах 5 и 6 на участок образования нейтральной плазмы.

Поскольку электроны имеют массу

«массы d и t, то разброс ионов по скоростям возрастает незначительно.

Участок образования нейтральной плазмы. На этом участке целесообразно наложить фокусирующее продольное магнитное поле, Разогнав ионы до нужных скоростей, надо их превратить в нейтральные атомы, Но поскольку скорости d u t являются резонансными и устойчивых атомов получить в этом случае нельзя, то остается удовлетвориться созданием нейтральной резонансной плазмы. Плазма будет в этом случае как бы результатом самоионизации атомов, На этом участке ионы вновь облучают электронами с энергией до 14 эВ из пушек 7 и 8 в пропорции, соответствующей нейтральной плазме. Далее идет участок, на котором возможны ядерные реакции.

Участок ядерных реакций (III). Длина этого участка 1 м. Резонансная плазма создает условия для "падения" электронов на ядра d u t. На расстояниях порядка 10 см вступают в действие вновь квантовые силы.

Образуются нейтроноподобные частицы de и te. Такие частицы могут подпускать к себе свободные ядра б и 3 на расстояния, на которых действуют ядерные силы (10 см) 10

1735909 (как с мюонами) и начинаются реакции ядерного синтеза с выделением энергии;

Такие пушки не представляют собой технических проблем. Электронные пушки, используемые в устройстве, также просты, источниками питания их могут служить даже простые батареи аккумуляторов, d+ t - 2He+ и+ 177 МэВ; 3 д

d+ гНе - Не+ n+ 18, 3 МэВ;

d+ d 2He+-п+ 3,28 МэВ;

Формула изобретения з

d+ d — Т+ р+ 4,12 МэВ.

- -Р

Составитель Б,Родимов

Техред Л.Моргентал Корректор О.Кравцова

Редактор Н.Яцола

Заказ 1820 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Кинетическая энергия zHe-частиц расходуется на нагревание стенок камеры 11 синтеза, которая окружается рубашкой с теплоносителем 12. Вдоль всего тракта (от 15 пушек до участка ядерной реакции) поддерживается вакуум.

Предлагаемые способ и устройство получения ядерной энергии по сравнению с известными позволяют построить более 20 дешевый и простой ядерный реактор. Действительно в известных установках необходимо создавать сильные магнитные поля около десятков кГс, высокие электрические напряжения десятки-сотни кВ, сверхнизкие 25 температуры, токи порядка сотен ампер.

Для создания таких параметров необходимы сложнейшие установки, потребляющие большие энергии. В предлагаемом способе требуются электрические напряжения всего 30 в 10 — 20 В, токи mA, естественно, что и энергетические затраты на осуществление способа будут значительно ниже. чем в известном способе, B предлагаемом устройстве самой 35 сложной частью являются атомные пушки.

1, Способ получения атомной энергии путем воздействия на дейтерий и тритий активирующими частицами, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения энергозатрат, формируют два пучка "холодных" атомов дейтерия и трития, ионизируют их электронами, ускоряют ионы дейтерия и трития до энергии 13 — 14 эВ, нейтрализуют ускоренные пучки ионов электронами и совмещают оба плазменных пучка в пространстве.

2, Устройство для получения атомной энергии, содержащее камеру синтеза, систему подачи дейтерия и трития и средства для получения пучков электронов, о т л и ч аю щ е е с я тем, что его система подачи дейтерия и трития выполнена в виде двух пушек "холодных" атомов дейтерия и трития, установленных под углом одна к другой так, что их оси пересекаются в камере синтеза, а средства для получения пучков электронов представляют собой соосные кольцевые электронные пушки у выходов пушек атомов дейтерия и трития и дополнительные электронные пушки на участках до камеры синтеза, а междууказанными источниками электронов размещены ускоряющие электроды, на которые дан отрицательный потенциал 13 — 14 В относительно атомных пушек,