受控核聚變方法

專利名稱:受控核聚變方法
技術領域：
本發明涉及能源領域，尤其涉及由受控核聚^A^產生能量的方法。 賄M
在物理學中，核聚變是將兩個原子核聚合形成另一個具有更大原子量的原 子核并隨^^故能量的過程。新原子核的質量小于聚合形成它的原子核的質量
之和。這個質量差作為能量被釋改出來。所釋改的能對M^被聚合的原子核種
類和才^1^^1產物而 。所#^的能量的量符合公式￡=^2，其中m;l^前 后的系統的質量差。
原子核由于帶正電而傾向于相互排斥。因此，聚變只育汰生在允許抵消這 種排斥力的非常高的溫度和壓力殺—牛下。高溫增加了原子核的熱擾動，而這會
導致它們通過^ii^發生聚變。為了獲得這種效果需要約數百萬度的溫度。
通i^t原子核^P極高的壓力迫使它們非常靠近，也可以獲得相同的M。
與核裂變相反，尚未使用核聚變作為有益的能源，因為該方法所用的能量 ^i過M獲得的能量高，盡管^il個方向具有眾多研究計劃。
已知氫的三種同位素氫、氖和氖。每^fit氬原子的原子核中包^-個 質子。氘(D)在天然水中的天然豐度在0.0184至0.0082y之間，與氬原子之比 約為1: 6500，并JL其原子核包^"個質子和一個中子，原子量為2。當該同位 素失去電子時，所產生的離^i皮稱^^。氖(T)是一種不穩定的;^t性同位 素，在原子核中包^個質子和兩個中子，原子量為3。
在尋常溫度下，氫的反應活性低。它在低溫下不與^A反應，但是如果 溫度增至70(TC以Ji^者如果添;^^口細粒把或鉑的催化劑，它就會與氧^jl 劇, iia應，獲#^為反應產物的水。
為了將襯氫離解^^子氫，必須提供非常高的溫度，從而吸收大量的能 量，但是這種^I是可逆的，這些氪原子重新結合以形成分子，并#^之前所 吸收的能量。
在1989年，Pons和Fleishman公開了在電解重水時^^4灘化劑在溫和的溫度和壓力條件下進行氖原子聚變的實驗結果。許多研究人員已經嘗試重現所 述實驗，甚至試圖對該方法進行優化，但悉是使用固態金^f^^作為聚變過 程的催化劑。
AmasaS. Bishop 1958. Ed. Addison-Wesley Pub的"Project Sherwood-The US program in controlled fusion" —書強調聚變過程^ ^可被利用則必須 是自持的。因此，在自持核聚^J^中，所#^文的能量必須足以夠維持所需要 的溫度，因此所產生的能量必須大fi皮,的能量。因此，高于某一臨界溫度， 著火溫度，所^Ml將是自持的。對于D~D fJtMl來說，所錄火溫度約為 400， 000， OOO'C。
4封可重核在等離子中的存在將大;Wt力—皮,的能量比，因此它將提升 著火溫度。這導致需要以高純度的等離子^it行工作。
如當前已知的，受控核聚tt于某些金屬(特別是4e^鈥)能夠吸收大量 tA其同位素的特性。特別地，當^f、^f皮約絲所述金屬的晶胞內時紐氘
原子的核聚U應，從而才 下列反應形成氦(He) +中子并^#^能量 D + D2「> He32+ n>3. 27MeV
或者，氛原子可聚變形成;f^子+氬，并相應釋放能量 D2" D2「〉 T + tf一4， 03MeV
所形成的皿著可以與M生聚變，也形成氦+中子并JUW能量 DV T3「> He42+ n、+17. 50MeV
DE 19845223公開了一種M動才;L^^^機中實施的核聚變方法，該方法包 括在作為催化劑的氙-象存在下注射氖和其然后t生電離。在該申請中，鍵對 沒有7/HHM其它類型的催化劑的可能。itk^卜，所^Hf方法的主^"4t征是^L前 不進行燃燒、甚至不產生等離子體。
在美國專利申請US 2004028166中，/^Hf了絲奴i^呈的^Jl室中引入 氣態催化劑、尤其是甲烷的裝置。在這種情況下，所涉及的過程不是低溫下的 核聚變過程(受控聚變)，而是d^兌明書的第1頁第[0004]^;斤述的那樣，在 所述專利申請中M的核^i^呈是高溫核^或者熱核聚^A應。
ES 482832 />開了一種事先通過電>^|射而電離的氣態氫的燃燒方法。
因此仍然存樹^f、子受控核聚變方法的需求，以^J^尋穩^JL^^本的 能量產生。
發明內容
本發明人已經驚奇M現可能在燃燒室內進行氖原子的受控核聚變的方
法，其包括在氧化氣體和氣態催化劑的存在下，在至少10.13巴(IO個大氣 壓)下燃燒包含氖原子的氣態燃料。或者，該受控核聚變方法包括在反應器 內部在至少0.1毫巴的壓力下，在氣態催化劑的存在下由包含氖原子的氣態燃 料產生等離子體。
才 本發明，術語"受控核聚變"是指在溫度低于熱核聚變過程所需的溫 度條件下的核聚變過程。特別地，才 本發明的一個實施方案，該受控核聚變 i^呈的溫;！A在所逸醫力條降下的氣態燃料的燃;^i程的一個結果。
在本發明的上下文中，術語"燃料"是指當改變^f匕學結構時，能夠#^文 負巨量的4封可材料。因此，該術語不僅僅限于當燃燒時(與氧^JI) #^文能量 的物質，而例如tA其同位素當^^4^^聚變過程中提供能量時^M皮理解為 燃料。
才Nt本發明，術語"催化劑"被理解為一種能夠加速化學^但^#其本 身不改變的物質(化合物或元素)，即其在反應中不被消耗。催化劑不會改變 化學^的最終能量平衡，但它們僅僅使得或多或少i^kiSiiiit立平衡。
在本發明中^fM的催化劑是作為碳、氯、氮、磷、氧、M其^^的來 源的氣態^^f勿。
因此，才娥本發明的一個方面，提供了一種通過^f、子的受控核聚變產生 能量的方法，*##于它包括在氧化氣體和氣態催化劑的存在下燃燒包含氖 原子的氣態燃料，所述氣態催化劑是碳、氯、氮、硫、磷、氧、氬或其混* 的來源。
作為本發明第一方面的實施方案，該氣態燃M自旨由氖與H2紐威的混 ^7。
才娥另一個實施方案，該氣態燃料處于電離原子態，包辨離子態。因而， 該氣態燃料可以在引A^燒室之前或在燃燒過程期間被電離。M地，在燃燒 it禾呈期間i^f亍電離。
反應物(氣態燃料、氧化氣體)和氣態催化劑可以獨立地供^燒室內， 即由獨立的注射器或通過^f^^it合用于將氣^^AM燒室的方式，或它們 可以在燃燒室外進^^^后被供A^斤，燒室。才 本發明的實施方案，該氣態燃料是通ii7JC分子的分解過程產生的H2。 所產生的氬氣包t定量的氖，如前所述，其為1個^f、子6500個lL^子。 已知一些分解7]c襯的方法，例如電解和熱解。
才^本發明的一個實施方案，該氣態燃#氧化氣#^#作為電解質的 氯^4內存在下、^JII碳陽極而電解7K的過程生成的。^Li^，電解池中的7j^ 通常的7M目比具有更高的氖含量。更M地，^^重水(020)。
如已經知道的，在電解水的過程中，經過水的電流產生將水分子的成分氫 和氧離解的作用。在陰極收集氫氣，在陽極收集氧氣。在氯^4^作為電解質的 電解水的過程中發生下面的電化學反應
陰極
2 H20(/)+2 e;H2(g)+2 0H"(aq) 陽極
2 CI——Cl2+2 e—五二 = —1.36F 2 H20-02+4『+4 e-《=-L，
產生氧V熱力學上A^有利的，因此，才W本發明^i^fM其中氯氣形 成在動力學上有利(更大的交換電流密度和更小的過電壓)的陽極。因而，優
逸地，陽極是石墨陽極。在陽極形成的氯氣由所生成的氧氣的流動拖曳并^ 燃燒室，充當所述核聚變方法的催化劑。
如已經說明的，碳陽極有利于形^lt離子，它也可以凈錄氣的流動拖曳 ^m燒室，用作本發明的受控核^JtSj^的催化劑。
或者，^f可，類型的產生如下氣態^^物的化學和/或電化學反應均可作 為氣態催化劑的來源，該氣態^^可用作碳、氯、氮、硫、磷、氧、氬或其 ;^^的來源。
因而，可以^JD商業可獲得的氣體作為氣態燃料、作為氧化氣體和另夕卜作 為催化劑。
4i^,可以4H個或多個儲存器用于儲存該方法中使用的^t氣體。 這些氣體可以》'^gvft存或甜儲存。因而，^^I所^M的氣體向燃燒室中供入， 在那里受控核^^的過禾對Nt本申請而進行。
所述氣,，化劑是作為碳、氯、氮、硫、磷、氧、氬或其混合物的來源的 ^1^。
7^^發明中，術語"碳、氯、氮、硫、磷、氧的來源"，是指在襯中具 有至少一個碳、氯、氮、疏、磷、或氧原子或其混合物的氣態組合物。也包括
由這些元素的同位素形成的那些氣態^^物。根據一^Lit實施方案，催化劑 A^、子量為9-14的碳同位素的來源，^hk/C、 1QC、 UC、 12C、 13C。
作為另一個實施方案，氣態催化劑選自氯氣(a) 、 ^t^(C0Cl2)、四
氯^^(CCl4) 、 t^化物(C120、 C102、 C1206、 C1207 )、碳氧化物(co、 co2)、 氮氣(N2) 、 iLf肖酸(HN0J 、氮氧化物(NO、 N02、 N20)、硝酸(HN03)、石綠 化物(S03、 S02)、氬、及其》1^。
作為另一個實施方案，催化劑選自Cl2、 C0C12、 CC14、 HN02、 HN03、 N0、 C120、 C102、 CIA、 C1207、及其;^^。
通常，小于總燃燒^^物的1。/。的催化劑的量;IA夠的。^i^，催化劑存 在的比例相對于總燃燒;^^大約為0. 05%到1%。 ％，催化劑的J^目對 于總燃燒^^大約為0.1 %到0. 5 % 。
本發明中公開的方法在包括燃燒室的受控核聚^A應器中進行。通常，該 燃燒室是汽缸，經常敘沐一封閉端和與內部S5^非常緊密的活塞。活塞的外 部和內部位置改變活塞的內表面和燃燒室的壁之間的^K，因jH^L^本發明方 法向被^i內的氣^^口至少10.13巴(10個大氣壓)的壓力。^地，所述的 口壓力為10.13到151. 99巴(10到150個大氣壓)。^i^地，所述的;^a壓 力為20. 26到141. 85巴，更M地，所述的;^0壓力為40. 53到136. 79巴。
在該方法包括由氣態燃料產生等離子體的情況下，反應器內部的壓力為至 少0.1毫巴，優逸0.1到100毫巴，更M 0. 5到80毫巴；進一步更優逸1 到70毫巴。
一^燃燒室內部^p所ii^力，將引^^斤述氣體的燃燒。已知不同的方 法引^^斤 燒，例如^JU放電的方法。因此，實施本文公開的方法的合適的 燃燒室可以是內^4幾的活塞。
作為本發明的第二個方面，提供了受控核IW^器，其特征在于它包括 a)其中引入氣態可燃物、氧化氣體和氣態催化劑的燃燒室；b)用于供7^斤述不 同氣體的裝置；c)用于 0至少10個大氣壓的正壓的裝置；d)用于i秀導燃燒的 裝置。
或者，##本發明的受控核聚變的方法包括在催化劑的存在下產生等離子體，本發明的^器的特絲于包括a)其中引入氣態燃種氣,娜化劑的燃
燒室；b)用于供A^斤述不同氣體的裝置；c)用于^口至少0.1毫巴的壓力的裝
置；d)用于誘導產生等離子體的裝置。
存在用于產生等離子體的許多已知方法，因而，例如^pl^中放電將使得
由包含氖原子的氣體產生等離子體。
^it^,發動機的不同組件由耐受高溫的合it^料制得。
通常，用于供入所述氣體的裝_￡^^^頁域中已知的注射系統。
在反應器的燃燒室中？ I T^斤述氣體可以通過包^先在燃燒室外混合的所
有氣體的混合物的單一氣流實現，或者所述氣體可以被獨立地引入。或者，所
述氣流的流動的引入獨立于還包含氣,，化劑的氧化氣體的流動。
具有適當^以包括本發明的受控核聚^Ji器的已知內^^^是本發明
的一個方面。因此，本發明的第三個方面涉及內燃機，其特征在于它包樹娥
本發明的受控核^A^器，要么該^Jl器在氧化氣體的存在下燃燒氣態燃料，
要么在該^JS器內產生等離子體。
在本發明的^中，"內;)5^幾"是指一種直接 燒室內的燃料燃燒產生
的化學E^得機械能的機器，該燃燒室M動機的主要部分。已知有四種類型
i) 等容(Otto)循環發動機，其中通過壓縮沖程結束時激起的火花點燃燃 料^^物，這是>^幾動車和航空產品中使用的傳統的汽油發動機。
ii) 柴油發動機，其中通ii^塞壓縮空^jL到ii^合適的壓力和溫度，從而 導致點燃在系統的壓縮沖程結束時注射的燃料且通常消耗撚料油。柴油發動機 用在&電廠、海軍^i悉系統、卡車、，氣車和一些轎車中。
iii) ^:轉發動才幾。餘又稱為汪克爾發動機。該發動才A^橢圓室內^J )三 角形4H"代替活S^汽缸。通過吸氣口抽5§^#空氣的濕合物，并被捕lt^ 轉子的一面和室壁之間。轉子的旋轉壓縮該混合物，該混^通過火M點燃。 通過針運動，使得氣體由排氣口排出。在^個針面U—次循環，在每 一周期中產生三個能量階段。
iv) 燃^^機。由壓縮機、 一個或多個燃燒室和氣^^l^身組成。在那些 輪機中，氣體的熱力學循環對應于布雷頓循環，并且其包紛色熱壓縮，之后多 變壓縮，以絕熱壓縮結束。這類機器的最常見用途是噴氣機的推進，發電中使
9用的輪機是^f汴生物。
才條本發明，燃^c動才;t^有一個或多個上述的受控核^A^器。 一旦氣^I^^AM燒室內并已^^了^^適的壓力，將引M燒過程，例
^fit^自火花塞的火花，該火;f^i常在燃燒室的活Sii5ij燃燒循環的燃燒階
段時點燃所述"^^。
本發明的第四個方面提供包括本發明的內^4幾的交通工具。
說明書和權利要求
中的"包含"(comprise)和該用詞的變化形式不是旨 在排除^f^支^Mt征、添加劑、組分或步驟。本發明的M目的、優勢和特點 當閱讀了本說明書時對于本領域技術人員而言是明了的，或者可以通過實#
發明而了解。下面的實施例和
附圖旨在說明，而不是對;^發明的限制。 實施例
實施例l:在催化劑存在下的燃燒
炸彈量熱器纟M于實施該實驗，這些量熱器類似用于確定^^4勿和化學產 品的燃燒熱的量熱器，但是它們適于承受30將電離的氫氣;綠另一氧氣流引AiU溫度維持在450°C在一連串的連續爆炸中，炸彈量熱器的溫度升高了 10。C至2(TC。先前所有 事實均符合"能量守恒定舉，。
將少量的四氯^^添加到炸彈濕合物中導 炸溫度升高40。C至6(TC。
發現該溫度升高是由于^^子之間U的核聚變過程，因為添加的催化劑 的量非常少以致于額外的燃燒能量不育辦銜顯度的這種升高。
對比實施例在催化劑^^在下的皿聚變過程
為了^ffii種實驗，利用樹電fei且合對7Kii行電解。
將蒸條7j^在具有用于使水分子的氬氧分離的不辦岡電極的電解池中， 并且添加少量^以形成電解質。電解池的能量直接由連續電流源提供。在將
產生于電解池中的氫氧;^^直接i^包括本發明的受控核聚u應器的內燃
才;i^t前，向該混^;J^加5kg的正壓。該發動才;ulfcM在經特別設計的測試 器中以測量所獲得的性能。 一旦氣^^皮引7^I器的燃燒室內，則# 15至
20kg的正壓，M過火;^S產生的火花引g燒。
由燃燒中^^]每立方米的氫^^斤獲得的能量處于2. 7-3kWh的等效范圍內。
10實施例2:催化劑作用下的皿M過禾呈
用來自同一容器中的同種類型的水重復對比實施例的實驗，但是這次電解 池的電極之一itt^。陰極堅持^不#^電極，并;5MJ碳電極作為陽極。
以約0.2-0. 5g/l的量向電解液添加氯化鈉，然后)^溶^ii行電解。因此， 結果是在陽極#^文碳和氯的化合物，其充當受控核聚變過程中的催化劑。jH^卜，
在直##形'』 于相同測試器的內燃才;i^前，向通過電解產生的氣體》'^^
(氬氣+氧氣,匕劑)脅5kg的正壓。
》!^的量與前一實驗中使用的完全相同，但是這次，由燃燒中使用的每 立方米的氫^^得的能量處于8.1考慮到氫氣具有119. 6MJ/Kg (33.2kwh/Kg)到141,6MJ/Kg (39. 3kwh/Kg)之 間的能量^*,并且每立方米的氫氣重89. 9g，得出結皿iW比實施例的燃燒 過程得到的3kwh與氫氣的常雄^t禾到目等，其中能 ^狄于該類型的過程
中可掩l:的間隔內。
在實施例2的燃;^對比實施例的燃燒中使用了相同量的氣體，但;1^斤釋 放的能量要大得多，AUi可以得出結論實施例2的方'^#^文了氫氣流中包含 的附加能量。^^助，于燃燒室內的催4匕劑的存在，這種附加能量將來自于燃
燒^j i的氣體';^^中所包，jyt的f^。
權利要求
1、通過氘原子的受控核聚變而產生能量的方法，其特征在于所述受控核聚變在氣態催化劑的存在下進行，所述氣態催化劑是碳、氯、氮、硫、磷、氧、氬、其同位素或混合物的來源。
2、 才^^5U'J要求1所迷的方法，其中所述核聚變方法包括在至少10.13巴 的正壓下在氣^f^化劑的存在下燃燒a) 包含氖原子的氣態可燃物；和b) 氧化氣體，所述氣,絲化劑是碳、氯、氮、硫、砩、氧、或其》'^^勿的來源。
3、 才^t權利要求
1所迷的方法，其中所述核鼓方法包括在氣^ft化劑的 存在下由包含氖原子的氣態燃料產生等離子體，所述氣,，化劑是碳、氯、氮、 疏、礴、氧、氬、或其混合物的來源；反應器內部的壓力為至少0.1毫巴。
4、 才^^UN要求1-3任一項所述的方法，其特征在于所述氣態燃員自氘 和H2與氘的混合物。
5、 才Mt擬y^求i-4任一項所述的方法，^#征在于所述氣,^|化劑選自Cl2、 C0C12、 C120、 C102、 C1A、 C1207、 CO、 C02、 CC14、 N2、 NO、 N02、 N20、 HN02、鵬3、 so3、 so2、氬、及其';^^。
6、 才^^5U'J要求5所述的方法，^##于所^^^^匕劑選自C0C12、 CC14、 HN02、 HN03、 NO、 C120、 C102、 C1206、 C1207、及其;^^4勿。
7、 才n^u'j要求i-6 ^^項所述的方法，^Nr棘于所述碳的來源a^、子量為9-14的同位素。
8、 才M^UU要求l-7 ^^項所述的方法，^Jt;^于所述氣態燃^F處于電 離原子態。
9、 才^^u'j要求8所述的方法，^nn^于所述氣態燃料在引A^燒室之1^或在燃^±禾呈期間#皮電離。
10、 #^權矛|^求1-9 項所述的方法，^##于所述氣態燃料是通 過分解水分子而產生的H2。
11、 才^^^'j要求l-l(H—項所述的方法，^#4^于所述氣態催化劑的 比例相對于總燃燒》V^^為約0. 05 %到約1 % 。
12、 ##權利要求
1-2 4—項所述的方法，其特#于在開始所 ;^ 前在燃燒室內脅10.13到151. 99巴的正壓。
13、 用于實施:MX^要求卜12^-項所述的方法的受控核^A^器，其 包括a) 其中引A/斤述氣態燃料、氧化氣#氣,，化劑的燃燒室；b) 用于供A^斤述不同氣體的裝置；c) 用于^。至少10.13巴的正壓的裝置；和d) 用^i秀導燃燒的裝置。
14、 實施如權利要求
1-12 ^-項所述的方法的受控核聚MJl器，其包括a) 其中引入所述氣態燃料、氧化氣體和氣態催化劑的燃燒室；b) 用于^^^斤述不同氣體的裝置；c) 用于^口至少0. l毫巴的正壓的^置；和d) 用于誘導產生等離子體的裝置。
15、 內^^幾，其包:M^U，J要求13-14^f—項所述的受控核聚^jS器。
16、 交通工具，其包^5Uf'J要求15所述的內^K
專利摘要
本發明包括在正壓下、在氧化氣體和氣態催化劑的存在下，在燃燒室內燃燒包含氘原子的氣態燃料后實現的氘原子受控核聚變的方法。本發明還包括用于實施所述方法的受控核聚變反應器，以及包括所述受控核聚變反應器的內燃機和包括所述內燃機的交通工具。
文檔編號G21B1/00GKCN101473385SQ200780017011
公開日2009年7月1日 申請日期2007年5月11日
發明者J·I·加林多卡貝羅, J·阿爾瓦茲洛佩茲 申請人:Alset技術有限責任公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan