СПОСОБ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИ ГЕНЕРИРОВАНИИ ЭНЕРГИИ И СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2020 года по МПК G21B3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу для применения при генерировании энергии. Точнее, настоящее изобретение относится к способу для применения при генерировании энергии, в котором используется захват нейтронов целевым материалом, в результате чего вырабатывается выходная энергия электромагнитного излучения. Настоящее изобретение также относится к соответствующему устройству.

Уровень техники

Расщепление ядер и захват нейтронов - это существующие методы ядерной физики. Расщепление ядер предполагает разрушение нуклидов посредством пучков частиц высокой энергии в ускорителях частиц, которые используются для создания пучков нейтронов высокой энергии. С другой стороны, захват нейтронов – это процесс слияния, посредством которого нуклиды захватывают нейтроны, увеличивая тем самым свою массу.

В первом случае расщепление требует подвода весьма высокой энергии. В последнем случае захват нейтронов изотопами нижней части таблицы нуклидов приводит к отдаче энергии. В силу того, что расщепление ядер посредством пучков частиц высокой энергии требует подвода гораздо большей энергии по сравнению с энергией, которую можно потенциально получить за счет захвата нейтронов, захват нейтронов обычно не рассматривают в качестве полезного средства получения энергии.

В силу вышесказанного, имеется потребность в новых технических решениях для достижения производства энергии, в которых будут преодолены вышеупомянутые проблемы.

Сущность изобретения

Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в обеспечении усовершенствованного способа применяемого при генерировании энергии, который является более управляемым. Дополнительно, цель настоящего изобретения также заключается в обеспечении соответствующего устройства.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен способ, применяемый при генерировании энергии. Способ содержит приведение первого целевого материала за счет волнового резонанса в более высокое энергетическое состояние путем воздействия на первый целевой материал подводимой энергией электромагнитного излучения для получения первого изотопного смещения в первом целевом материале и нейтронов, появляющихся вследствие первого изотопного смещения. Способ также содержит захват указанных нейтронов вторым целевым материалом для получения второго изотопного смещения во втором целевом материале и выходной энергии электромагнитного излучения.

Здесь и далее, первый целевой материал и второй целевой материал будут собирательно именоваться «топливом» или «реакторным топливом».

В настоящем документе «энергия, подводимая за счет воздействия электромагнитного излучения (ЭМ излучения)» означает, что ЭМ излучение облучает по меньшей мере часть первого целевого материала. Указанное излучение может содержать фотоны по меньшей мере одной частоты или частотной моды. Согласно первому примеру, излучение содержит фотоны, имеющие множество мод. Согласно второму примеру, излучение, по существу, монохроматическое и содержит фотоны фиксированной частоты. Кроме того, излучение может характеризоваться предпочтительным уровнем интенсивности и/или мощности. Данный предпочтительный уровень интенсивности и/или мощности может быть связан с конкретными частотами.

Подводимая энергия ЭМ излучения может передавать подводимую энергию и подводимый импульс первому целевому материалу. Передача энергии может осуществляться посредством взаимодействия «волна-частица». Опционально, ЭМ излучение может быть поляризованным.

По меньшей мере часть первого целевого материала может принимать высокоэнергетическое состояние. Когда первый целевой материал посредством волнового резонанса переводится в более высокое энергетическое состояние, могут высвобождаться, или испускаться, нейтроны. Иначе говоря, энергия резонансной волны может возбуждать первый целевой материал для получения энергии деления ядра и для получения нейтронов. Данный процесс можно называть расщеплением. Указанное высвобождение может происходить, когда подводимая энергия больше или равна некоторой пороговой энергии. Однако, дополнительно квантово-механический туннельный эффект может позволить высвобождать нейтроны при энергиях ниже данной пороговой энергии.

Первый целевой материал принимает более высокое энергетическое состояние, в силу чего энергия волн передается по меньшей мере части первого целевого материала. Процесс взаимодействия «волна-частица», или что эквивалентно, процесс волнового резонанса может быть выбран в зависимости от конкретных физических свойств геометрии реактора и содержащегося там топлива. Указанные физические свойства могут быть связаны с физическими свойствами первого целевого материала. Например, указанные физические свойства могут касаться типа вещества, содержащегося в первом целевом материале, типа строения кристаллической решетки вещества, физических величин, характеризующих вещество, таких как его атомная масса, число атомов, межатомное расстояние, скорость звука, характеристическая скорость распространения плазмы, локальная температура, средняя температура и т.п., размеры кристаллической решетки вещества, размеры зернистой структуры вещества и геометрия кристаллической решетки вещества. К физическим свойствам может также относиться локальная резонансная частота первого целевого материала. Энергия волнового резонанса, т.е. энергия, получаемая резонансным процессом взаимодействия «волна-частица» (процессом накачки), может быть передана первому целевому материалу с предпочтительной интенсивностью. Энергии W волнового резонанса соответствует связанная с ней частота ω и соответствующая длина λ волны. Ионам первого целевого материала за счет подвода энергии ЭМ излучения может быть сообщено ускорение.

Согласно заявленному способу осуществляют получение, или высвобождение, нейтронов. Согласно примеру, не имеющему ограничительного характера, указанные нейтроны могут представлять собой холодные нейтроны. Под холодными нейтронами в настоящей заявке подразумеваются нейтроны, кинетическая энергия которых лежит в интервале от 0 эВ до 0,025 эВ. В частности, холодными нейтронами могут быть тепловые нейтроны. Согласно другому примеру, который не имеет ограничительного характера, нейтроны могут обладать кинетическими энергиями в интервале между 0,025 эВ и 1 эВ. Согласно еще одному примеру, который не имеет ограничительного характера, нейтроны могут быть медленными нейтронами, обладающими кинетическими энергиями в интервале между 1 эВ и 10 эВ. Также можно представить себе кинетические энергии в интервале между 10 эВ и 50 эВ.

При постоянной подаче подводимой энергии ЭМ излучения число нейтронов, продуцируемых первым целевым материалом, может увеличиваться со временем. Согласно примеру, не имеющему ограничительного характера, число нейтронов, полученных после момента начала расщепления, может быть между 10¹⁰ и 10²⁰ нейтронов в секунду на см².

При высвобождении нейтронов первый целевой материал может находиться в ионизированном состоянии или в состоянии плазмы. При захвате нейтронов второй целевой материал может находиться в твердом состоянии или жидком состоянии.

Первый целевой материал может содержать по меньшей мере одно из дейтерия, D, и ⁷Li. Преимущество использования D заключается в его дешевизне. Другое преимущество состоит в том, что использование D в результате дает высокий полный коэффициент усиления.

Кроме того, второй целевой материал может содержать по меньшей мере одно из следующего: ⁴⁰Са, ⁴⁶Ti, ⁵²Cr, ⁶⁴Zn, ⁵⁸Ni, ⁷⁰Ge и ⁷⁴Se. Любое из этих веществ может выделять избыточную энергию за счет захвата нейтронов. Точнее, процесс захвата нейтронов может высвобождать больше энергии, чем та энергия, которая требуется для расщепления атомов с целью испускания нейтронов.

Второй целевой материал может также содержать более тяжелые изотопы вышеуказанных элементов. Эти элементы могут быть короткоживущими и стабильными. Следует отметить, что изотопы могут быть получены путем захвата нейтронов любым из указанных элементов. Например, второй целевой материал может содержать ⁶⁰Ni или ⁶²Ni, которые могут быть получены в результате захвата нейтронов ⁵⁸Ni.

Согласно идее настоящего изобретения, какие-либо трансмутации элементов обычно отсутствуют. Вместо этого имеют место изотопные смещения первого и второго целевых материалов. Под изотопами понимают ряд нуклидов с одним и тем же атомным номером Z, но с разными числами нейтронов N=A-Z, где А - массовое число. В процессе изотопного смещения массовое число А изотопа сдвигается по меньшей мере на один целый шаг. Первое изотопное смещение может представлять собой изотопное смещение от изотопа ^АР с массовым числом А к изотопу ^А-1Р с массовым числом А-1.

Изотопное смещение в изотопе ^АР может порождаться каналом реакции

где W_S - энергия расщепления, n - нейтрон, a «g.s.» означает основное состояние ^А-1Р. Данная реакция связана с определенной пороговой энергией, которую обычно выражают в электрон-вольтах (эВ). Данный тип реакции также связан с конкретными пороговыми энергиями.

Могут существовать подобные каналы реакции, начинающиеся от ^АР, которые могут приводить к изотопам ^А-kP, где k=1, 2, 3, ... Например, рассмотренные выше процессы, при которых атомный номер сдвигается на один шаг, могут быть повторены k раз, или может быть прямой переход на k шагов.

Энергия Ws расщепления - это энергия, сообщенная части первого целевого материала в виде дозы облучения, чтобы высвободить по меньшей мере один нейтрон. Энергетическое состояние первого целевого материала до облучения может быть за счет облучения преобразовано в более высокое энергетическое состояние. Это более высокое энергетическое состояние может быть достигнуто, благодаря поглощению энергии первым целевым материалом. Например, поглощенная энергия может быть превращена в кинетическую энергию и/или энергию колебаний первого целевого материала.

Согласно первому примеру, не имеющему ограничительного характера, изотопное смещение в литии может возникать от канала реакции

где Ws - энергия расщепления, a «g.s.» означает основное состояние ⁶Li.

Пороговая энергия для данной реакции равна 7,25 МэВ. Следует отметить, что ⁶Li и ⁷Li сами по себе являются стабильными изотопами, но вышеуказанная реакция может быть инициирована путем облучения энергией, превышающей вышеприведенную пороговую энергию.

Согласно второму примеру, не имеющему ограничительного характера, изотопное смещение может возникать от канала реакции D+Ws→n+¹Н, где D - дейтерий ²Н, а Н - протий, т.е. водород. Пороговая энергия для данной реакции составляет 2,25 МэВ.

Смещение элементов может также возникать за счет бета-распада. Например, захват нейтронов никелем и переход до изотопов ⁶³Ni и ⁶⁵Ni приводит через бета-распад (В), соответственно, к образованию ⁶³Cu и ⁶⁵Cu, т.е. к превращению нейтронов в протоны. И наоборот, захват нейтронов ⁵⁹Ni может через бета-распад (β⁺) приводить к образованию ⁵⁸Со, т.е. к превращению протона в нейтрон. Кстати, вышеуказанные нестабильные изотопы имеют большое сечение захвата нейтронов. Поэтому, процесс превращения энергии может включать в себя сложный каскад изотопных смещений, связанных с захватом нейтронов, и смещений элементов, вызванных бета-распадом (β^±), что в конечном счете приводит к образованию стабильных элементов.

Первый целевой материал может содержать по меньшей мере один изотоп ^АР. Согласно первому примеру, первый целевой материал содержит исключительно один изотоп. Согласно второму примеру, первый целевой материал содержит два изотопа. Согласно третьему примеру, первый целевой материал содержит множество изотопов. Предпочтительно, чтобы изотоп ^АР в первом целевом материале обладал низкой энергией связи ядра, чтобы дать возможность высвобождать нейтроны. Более того, предпочтительно, чтобы изотоп ^АР в первом целевом материале обладал энергией связи ядра, которая выше энергии связи ядра изотопа ^А-1Р.

Энергия связи ядра может быть измерена как общая энергия связи в ядре. Альтернативно, энергия связи ядра может быть измерена как энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре. В частности, энергия связи ядра может быть измерена как средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре. Второй целевой материал может содержать по меньшей мере один изотоп ^BQ, где В - массовое число. Согласно первому примеру, второй целевой материал содержит исключительно один изотоп. Согласно второму примеру, второй целевой материал содержит множество изотопов. Предпочтительно, изотоп ^BQ во втором целевом материале обладает энергией связи ядра, которая меньше энергии связи ядра изотопа или изотопов, в направлении которых он может быть смещен после процесса захвата нейтрона.

Под выходной энергией ЭМ излучения в настоящем документе понимают энергию, которая высвобождается в процессе захвата нейтрона. Данная энергия будет высвобождаться в виде электромагнитных волн/фотонов в широком диапазоне частот (основных, гармоник и т.п.).

Нейтроны могут захватываться стабильным изотопом или нестабильным изотопом. Согласно одному из примеров, захват нейтрона приводит к образованию стабильного изотопа. Согласно другому примеру, захват нейтрона приводит к образованию нестабильного изотопа. Один канал реакции для захвата нейтрона, в который вовлечен изотоп ^BQ, может быть записан следующим образом:

где W_c - энергия, высвобождаемая вследствие захвата нейтрона. Данная реакция может быть повторена, так что происходит захват двух или более нейтронов, что приводит к образованию изотопов ^B+2Q, ^B+3Q, ^B+4Q и т.п. Указанные типы изотопов можно собирательно записать как ^B+kQ, где k=1, 2, 3 ... В самом деле, согласно одному примеру, второй целевой материал захватывает только один нейтрон. Согласно другому примеру, второй целевой материал захватывает два, три или четыре нейтрона. Согласно еще одному примеру, второй целевой материал захватывает множество нейтронов. Число захватываемых нейтронов может коррелировать с потоком нейтронов, создаваемым первым целевым материалом. В частности, захват нейтронов может быть обусловлен критическим потоком нейтронов. Например, критический поток может составлять от 10¹⁴ до 10²⁰ нейтронов на см² в секунду.

Чтобы совместный процесс образования и захвата нейтронов был эффективным, предпочтительно, чтобы скорость образования нейтронов была достаточно высокой для того, чтобы показатель усиления по мощности (который определяют, как отношение выходной мощности к подводимой мощности) был больше единицы.

Согласно настоящему изобретению, предложен способ для применения при генерировании энергии. Первый целевой материал может продуцировать нейтроны за счет приведения его в резонансное состояние. Высвобождение нейтронов первым целевым материалом и захват нейтронов вторым целевым материалом происходят вместе для получения выходной мощности. Вещество во втором целевом материале может быть переведено в более низкое энергетическое состояние, в силу чего вырабатывается энергия. Например, ⁵⁸Ni, благодаря захвату двух нейтронов, может быть превращен в ⁶⁰Ni.

Кроме того, первый целевой материал можно нагревать. Тепло можно обеспечивать нагревательным устройством. Выполненное надлежащим образом нагревательное устройство может порождать волны, которые приводят первый целевой материал в резонансное состояние. Смешанный способ высвобождения нейтронов расщеплением и захвата нейтронов может быть осуществлен путем поддержания критической температуры топлива, и выполнения критериев резонанса. Критерии резонанса будут рассмотрены ниже.

Процесс высвобождения нейтронов требует подвода меньшей энергии, чем выделение энергии, обусловленное захватом нейтронов. Энергия, в частности, может высвобождаться в виде излучения. Например, могут высвобождаться фотоны, которые характеризуются величинами импульса р или энергиями W=|p|⋅c. Таким образом, заявленный способ может быть использован в качестве частичного этапа при генерировании энергии. Например, избыточная выделяемая энергия может быть использована для приведения в действие паровой турбины для выработки электроэнергии.

Другое преимущество использования захвата нейтронов состоит в том, что нейтрон может легче проникать в ядро, поскольку у нейтрона отсутствует заряд. В самом деле, процессы, в которые вовлечены заряженные частицы, такие как протоны, требуют значительно более высоких энергий для ядерного синтеза, поскольку требуется преодолевать кулоновский барьер ядра.

Кроме того, способ, соответствующий настоящему изобретению, является более управляемым способом для применения при генерировании энергии. В самом деле, скоростью высвобождения нейтронов можно легко управлять путем регулирования внешней энергии, и даже более того - путем регулирования интенсивности и частотного содержимого подводимого ЭМ излучения. Скорость высвобождения нейтронов напрямую коррелирует с мощностью и/или интенсивностью и частотами волн подводимого ЭМ излучения.

Ниже будет разъяснено понятие градиентной силы применительно к первому и второму целевому материалу. Как будет представлено ниже, градиентная сила может возникать в результате проникновения ЭМ волн в материал, находящийся в любом агрегатном состоянии.

В физике плазмы хорошо известна пондеромоторная сила, которая является эффективным описанием усредненной по времени нелинейной силы, которая действует на среду, содержащую заряженные частицы в присутствии неоднородного осциллирующего ЭМ поля. В основе усредненной по времени пондеромоторной силы лежит факт передачи материалу энергии и импульса ЭМ волнами.

Считается, что из пяти потенциальных пондеромоторных эффектов сила Миллера (Miller) и сила Абрахама (Abraham) являются самыми мощными в слабо намагниченной среде или среде с нулевым магнитным градиентом. Однако, в зависимости от способа нагрева нельзя исключать эффекты градиентной магнитной силы. Кроме того, сила Барлоу (Barlow), вызванная столкновениями частиц газа, может также влиять на динамику системы.

Общей пондеромоторной ускоряющей силой, которая рассматривается в настоящем описании, является сила Миллера или, что эквивалентно, градиентная сила.

Если допустить, что проводящее твердое тело можно рассматривать как плазму, или твердотельную плазму, то может быть применено понятие и градиентной силы. При выводе формулы для градиентной силы в твердых телах будет выбрана аналогия альвеновских () волн. Это будет сделано по двум причинам. Во-первых, потому, что альвеновские волны наблюдались в плазмах всех состояний, т.е. в плазменных состояниях, газообразных состояниях, жидких состояниях и твердых состояниях. Во-вторых, потому, что альвеновские волны обладают частотно независимым откликом в области ниже резонанса.

Однако, следует отметить, что вообще может существовать смесь альвеновских волн и других волн, таких как акустические волны, в твердом теле.

Таким образом, градиентная сила и связанное с ней градиентное давление возникают дополнительно к силам, создаваемым обычным давлением ЭМ излучения на тело, при этом тело может быть в любом агрегатном состоянии.

Твердое тело может быть описано, как содержащее ионы и электроны, которые в результате дают общий нейтральный заряд. Поскольку масса иона обычно более, чем в 1800 раз превышает массу электрона, массой электрона можно пренебречь. Поэтому, плотность материала и соответствующая сила, действующая на плазму, определяются массой m ионов. Альвеновские волны, обладающие частотой ω, распространяются вдоль силовых линий магнитного поля k=(0, 0, k) в декартовых координатах, и имеют линейную поляризацию. Следующее выражение применимо для продольной градиентной силы (в единицах СГС), обусловленной альвеновскими волнами в текучей среде:

Где е - элементарный заряд, a Ω - частота циклотронного резонанса. Пространственный градиент квадрата напряженности Е² электрического поля в направлении z определяет величину указанной силы. Следует отметить, что выражение (1) имеет особую точку при ω²=Ω². Кроме того, градиентная сила является силой притяжения при ω²<Ω² и силой отталкивания при ω²>Ω². Таким образом, низкочастотные альвеновские волны, для которых ω²<Ω², притягивают заряженные частицы в направлении источника волн, а высокочастотные альвеновские волны, для которых ω²>Ω², отталкивают частицы. Притяжение при низких частотах может интуитивно восприниматься, как неправильное. Однако, это очевидным образом применимо к плазме, и было теоретически и экспериментально подтверждено для нейтрального материала в твердом состоянии. Помимо того, что имеет место такое биполярное изменение направления градиентной силы при волновом резонансе, указанная градиентная сила не зависит от знака заряда частицы в силу умножения на е².

Это означает, что указанная сила для положительных ионов и электронов направлена в одном и том же направлении.

Следует отметить, что нейтральный материал может находиться в жидком состоянии, газообразном состоянии, состоянии плазмы или в твердом состоянии. Поскольку нейтральный материал на атомном и ядерном уровнях содержит заряды, можно рассматривать колебания атомов (например, броуновское движение) и межатомные колебания в качестве «основных частот». Поэтому, член электрического поля ЭМ волн должен влиять на связь атомных «сред», например, посредством ван-дер-ваальсовых сил аналогично тому, как плазму связывает сильное магнитное поле.

Для ненамагниченных нейтральных материалов применима аналогия, состоящая в возможности проникновения энергии волны, поскольку градиентная сила действует на протоны атомов и электроны совокупным образом.

Для низкочастотных волн, таких что ω²<<Ω², выражение в уравнении (1) упрощается, поскольку переменной ω можно пренебречь. В данном случае сила становится слабо притягивающей независимо от атомной структуры или массы.

Однако, при приближении к резонансной частоте ω²=Ω² градиентная сила увеличивает нелинейность. Резонансные частоты в физике плазмы связывают с собственными свойствами текучей среды, такими как плотность плазмы, масса частиц, инерция частиц и магнитное поле. Признано, что, то же самое применимо к материалу в твердом состоянии за исключением того, что вовлекаются также механические и межатомные ван-дер-ваальсовы силы связи.

По аналогии, при допущении, что ЭМ волны, облучающие нейтральное текучее/твердое тело, являются линейно поляризованными, градиентная сила, действующая на индивидуальные частицы/атомы массы m_a посредством линейно поляризованных ЭМ волн с напряженностью Е электрического поля излучения, становится равной:

В частности, данное выражение может быть справедливым для первого целевого материала. Теоретическая зависимость градиентной силы от частоты в выражении (2) напоминает зависимость в выражении (1), за исключением того, что была введена резонансная частота Ωa. Резонансная частота Ωа может представлять собой резонансную частоту для материала в любом агрегатном состоянии, т.е. твердом, жидком, газообразном или плазменном. Градиентная сила снова является силой притяжения во всем диапазоне частот ниже резонансной частоты, т.е. для ω²<(Ωa)². Выше резонансной частоты ω²>(Ωa)² указанная сила является силой отталкивания. При частотах значительно более низких, чем резонансная частота, ω²<<(Ωa)² градиентная сила не зависит от частоты волны, и работает следующее выражение:

Если материал находится в твердом агрегатном состоянии, то резонансная частота может быть записана как Ωа=с/а, где а - межатомное расстояние, а с - локальная скорость света в среде. В данном случае мы получаем для ω²<<(Ωа)² приближенное выражение:

Здесь сила зависит от материальной константы (а, m_a) и пространственного градиента квадрата напряженности Е² электрического поля волны, распространяющейся в веществе. Волновая энергия может пойти на нагревание и/или на кинетическую энергию. Волновое притяжения определяется пространственным градиентом Е², который может быть записан, как частное δE²/δz, где δЕ² - разность Е² на элементарной длине δz взаимодействия. Материальная константа (а, m_a), градиент δE²/δz и поперечная компонента Е электрического поля электромагнитной волны теперь определяют градиентную силу, действующую на отдельные атомы в физическом теле. Следует обратить внимание, что межатомное расстояние определяет силу связи или напряжение по аналогии с магнитным полем, управляющим движением плазмы. Коэффициент «а» может представлять собой параметр, определяющий резонанс. Могут существовать дополнительные параметры, определяющие резонанс.

В более общем смысле, переменная u в выражении Ωa=u/a связана с локальной скоростью ЭМ волн в среде (например, акустических, ионно-акустических).

Аналитические результаты, полученные из выражения (4) продемонстрировали хорошее согласие с экспериментальными данными вакуумного опыта Кавендиша.

Для первого или второго целевого материала для градиентной силы из вышеприведенного выражения (4) может быть получено следующее выражение для градиентной силы:

Здесь K(а, m_a) - характеристические свойства первого и/или второго целевого материала. В качестве характеристических свойств могут выступать соответствующая атомная масса, число атомов и межатомное расстояние и т.п.

Градиентная сила может становиться сильнее, когда мощность подводимого ЭМ излучения увеличивается. Например, градиентная сила в низкочастотном диапазоне ω²<<(Ωa)² прямо пропорциональна мощности подводимого ЭМ излучения.

Как было отмечено выше, в твердом теле могут также возникать силы Абрахама. По аналогии с плазмой, продольная сила Абрахама в данном случае может быть описана выражением , и быть пропорциональной изменению по времени квадрата напряженности электрического поля. Параметр с_А - альвеновская скорость, а В - магнитная индукция. Знак плюс или минус соответствует распространению волны параллельно или антипараллельно направлению магнитного поля В, соответственно. Сила Абрахама может быть значимой для быстрых изменений Е или слабых магнитных полей. Последнее может быть связано с низкими частотами циклотронного резонанса, что может давать низкие скорости высвобождения нейтронов. Вместо этого, достоинством силы Абрахама может быть то, что она способствует разогреву за счет быстрых изменений направления ЭМ поля. Кроме того, сила Абрахама может поддерживать продольное фокусирование в реакторе.

Тот факт, что ЭМ волны в плазме могут приводить к притяжению не очевиден. Магнитогидродинамические волны (МГД волны) представляют собой класс волн в текучих средах, где плазма и магнитное поле демонстрируют взаимное колебание, при этом плазму считают «замороженной» в магнитном поле. В пространственно-однонаправленном магнитном поле резонансная частота плазмы, а не направление распространения волны (направление +z) определяет направление силы. Из выражения Ω=еВ/mc для низкочастотных волн ω²<<(Ωa)² мы получаем, что

Это означает, что сила является постоянной и не зависит от частоты волны в однородной среде при постоянной В и очень низких частотах, при этом сила пропорциональна градиенту интенсивности ЭМ волны. Из-за того, что во время взаимодействия интенсивность волны снижается (воздействие силы на материал), указанная сила направлена противоположно направлению распространения волны.

Идея МГД волн берет начало из описания плазмы, как текучей среды. МГД волны обусловлены магнитным напряжением в намагниченной плазме. Чем сильнее магнитное напряжение, тем слабее групповая скорость волны и градиентная сила. Аналогичным образом, МГД волны в твердотельной плазме обусловлены диэлектрическими свойствами и межатомным напряжением. В то время как локальная резонансная частота в газообразной намагниченной плазме определяется циклотронной частотой ионов, локальная резонансная частота в нейтральных твердых телах и нейтральных газах, содержащих атомы, менее очевидна. Однако, как уже отмечалось, градиентная сила нейтральна в отношении заряда, что означает, что сила, действующая на положительно заряженные частицы (протоны) и отрицательно заряженные частицы (электроны), действует в одном направлении. Аналогия с МГД волнами в плазме полезна, поскольку идеальная МГД означает, что перенос частиц как таковых в материале отсутствует. Вместо этого материал является объектом воздействия путем локального высвобождения энергии волны, что характеризуется пространственным градиентом электрического поля волны. Чтобы организовать захват нейтронов в соответствии с настоящим изобретением, требуется определенная смесь «расщепляющихся ядер», таких как ⁷Li или D, и ядер высокоэффективного захвата нейтронов, таких как ⁵⁸Ni или ⁴⁰Са. В ходе данного ядерного процесса, и в зависимости от окружающей среды, могут иметь место другие переходы состояний, например, захват электронов. Однако, при адекватном конструировании системы эти процессы могут оказывать незначительное влияние на баланс при генерировании энергии. В зависимости от температуры топлива и волнового резонанса скорость высвобождения нейтронов в смеси целевых материалов ⁷Li-⁵⁸Ni или ⁷Li-⁴⁰Ca может достигнуть уровня, при котором обусловленная захватом нейтронов выделяемая энергия будет существенно превышать подводимую энергию.

Помимо нагревания реактора, излишек энергии от захвата нейтронов может также увеличивать скорость расщепления. Последнее может быть достигнуто увеличением энергии ЭМ излучения, подводимой к реактору. Кроме того, энергия волн вблизи резонанса может дополнительно увеличивать скорость расщепления. Из-за того, что теоретическое соотношение процесса высвобождения нейтронов и процесса захвата нейтронов ⁵⁸Ni→⁶⁰Ni варьирует между 1,4 для ⁷Li и 3,6 для дейтерия, единственно только внешнее возбуждение высвобождения нейтронов при расщеплении может обеспечить лишь вышеуказанный показатель усиления по мощности. Однако, избыток энергии, связанный с захватом нейтронов, может в обратном направлении воздействовать на процесс высвобождения нейтронов (внутренняя температурная обратная связь), и приводить к дополнительному увеличению скорости расщепления. Данный процесс расщепления, возбуждаемый процессом захвата нейтронов, может дополнительно увеличивать показатель усиления по мощности. Например, усиление по мощности может быть увеличено на порядок по сравнению с процессом однонаправленного возбуждения. Принимая во внимание биполярное изменение направления градиентной силы, о чем шла речь выше, следует избегать чрезмерного нагрева или частот волн, превышающих частоту резонанса. В противном случае система может разрушиться градиентной силой отталкивания.

Ниже будут рассмотрены различные варианты осуществления изобретения.

Согласно одному варианту осуществления, подводимая энергия обеспечивается ЭМ излучением, содержащим по меньшей мере одну резонансную частотную моду, принадлежащую некоторому частотному интервалу. Подводимая энергия ЭМ излучения может также содержать широкий спектр гармоник, при этом ЭМ излучение содержит множество частот с гармониками, приближающимися по меньшей мере к одной резонансной частотной моде. Акт воздействия на первый целевой материал ЭМ излучения, содержащего резонансную моду, может приводить первый целевой материал в состояние близкое к резонансному, но все же не доходящее до резонансного.

Указанная резонансная частота может быть частотой механического резонанса. С другой стороны, резонансная частота может быть частотой резонанса ЭМ колебания.

Указанная резонансная частота может быть связана с агрегатным состоянием первого целевого материала. В частности, может существовать одна резонансная частота первого целевого материала в твердом состоянии, одна резонансная частота первого целевого материала в газообразном состоянии, и еще одна резонансная частота первого целевого материала в состоянии плазмы.

Предпочтительно, чтобы резонансная частотная мода представляла собой частоту, которая близка к критической резонансной частоте. Это может служить критерием резонанса. Критической резонансной частотой может быть частота, при которой градиентная сила отклоняется и/или при которой градиентная сила меняет направление.

Например, можно считать, что резонансная частота близка к критической резонансной частоте, если отношение данной резонансной частоты к критической резонансной частоте находится в интервале между 0,8 и 0,999, или более предпочтительно - между 0,9 и 0,99.

Кроме того, в предпочтительном случае резонансная частотная мода представляет собой частоту, которая меньше вышеупомянутой критической резонансной частоты. Это может быть критерием резонанса. Резонансная частота более низкая, чем критическая резонансная частота, может приводить к сжатию топлива, как было указано выше, и что будет дополнительно рассмотрено ниже.

Важно, что резонансная частотная мода может представлять собой частоту из любой части частотного интервала. Однако, количество высвобождаемых нейтронов может зависеть от того, какая резонансная частотная мода используется.

Частотный интервал может проходить от нижней частоты до критической резонансной частоты. Например, внешний генератор волн может выдавать первую резонансную частотную моду и вторую резонансную частотную моду, при этом первая резонансная частотная мода расположена ближе к критической резонансной частоте, чем вторая резонансная частотная мода. Если подвергать первый целевой материал воздействию ЭМ излучения с первой резонансной частотной модой, можно получить больше нейтронов, чем если подвергать тот же материал воздействию ЭМ излучения со второй резонансной частотной модой. Кроме того, путем увеличения подводимой мощности можно также увеличить скорость высвобождения нейтронов.

Таким образом, передача энергии волн предпочтительно является резонансной передачей энергии. Однако, может также иметь место и нерезонансная передача энергии. Под резонансной передачей энергии подразумевается, что частота ЭМ излучения находится в частотном интервале близком к критической резонансной частоте.

Указанная по меньшей мере одна резонансная частотная мода может содержать кратные значения одной резонансной частоты. Это может быть критерием резонанса. Например, резонансная частота ω может порождать кратные резонансные частоты 2⋅ω, 3⋅ω, 4⋅ω, 5⋅ω, ... и т.д.

Резонансная частотная мода может быть выбрана так, чтобы связанная с ней энергия была равна пороговой энергии или превышала пороговую энергию, необходимую для высвобождения нейтронов за счет расщепления ядер в первом целевом материале.

Например, когда резонансная частотная мода близка к критической резонансной частоте, величина градиентной силы может быть между 10^-5 Н и 1 Н. Согласно другому примеру, величина градиентной силы может быть между 0,01 Н и 0,1 Н. Однако, понятно, что в равной степени можно себе представить и другие величины градиентной силы.

Скорость высвобождения нейтронов может зависеть по меньшей мере от одного из следующих факторов: величины градиентной силы, температуры топлива и резонансной частоты.

Согласно первому примеру, критическая резонансная частота, связанная с газом/плазмой для ⁷Li составляет Ωa=1,3*10¹⁶ Гц. Величина Ωa тогда определяется длиной волны, межатомным расстоянием а=1,1*10^-8 м, и скоростью распространения волн равной скорости (с) света.

Согласно второму примеру, критическая резонансная частота для ⁷Li⁺, которая представляет резонанс ионно-акустической волны соответствующего газа/плазмы, составляет Ωа=7,9*10¹³ Гц. Среднее межатомное расстояние в газе/плазме a=1,1*10^-9 м

Согласно третьему примеру, критическая частота и среднее межатомное расстояние для D+, для ионно-акустических волн соответствующего газа/плазмы дейтерия, составляет Ωa=1,3*10¹³ Гц и соответственно а=6,1*10^-9 м.

Согласно одному из вариантов осуществления, по меньшей мере одна резонансная частотная мода связана с межатомным расстоянием первого целевого материала. У данной части первого целевого материала атомы могут быть расположены в трехмерной кристаллической решетке. Если первый целевой материал содержит несколько изотопов, то указанная часть может относиться к одному конкретному изотопу, обладающему фиксированной структурой решетки. Межатомные расстояния в направлениях х, у и z решетки могут быть записаны соответственно, как а_х, а_у и a_z. Понятно, что межатомные расстояния а_х, а_у и a_z могут, в общем, быть различными и зависеть от конкретного типа решетки.

Резонансная частотная мода ω_i может быть связана с межатомным расстоянием a_i соотношением ω_i=u_i/a_i, где u_i - постоянная, a i=x, у или z. Постоянная u_i имеет размерность скорости, т.е. [u_i]=L*T^-1, где L и Т - соответственно параметр расстояния и параметр времени. Постоянная u_i может представлять собой компоненту скорости в определенном направлении или величину скорости. Согласно первому примеру, не имеющему ограничительного характера, постоянная u_i - это скорость звука для части первого целевого материала. Данная скорость звука может представлять собой ионную скорость звука. Согласно второму и третьему примерам, которые не носят ограничительного характера, постоянная u_i - это скорость u_w плазменной волны для части первого целевого материала.

Согласно одному из вариантов осуществления, указанная по меньшей мере одна резонансная частотная мода представляет собой резонансную частотную моду газообразного или плазменного состояния первого целевого материала, моду плазменного резонанса, которая характеризует намагниченную и/или ненамагниченную плазму первого целевого материала, или резонансную частотную моду твердого/жидкого/газообразного/плазменного состояния второго целевого материала.

Согласно одному из вариантов осуществления, способ дополнительно содержит приведение первого целевого материала в состояние плазмы. Фактически, градиентная сила может становиться преобладающей при плазменном состоянии первого целевого материала.

Согласно одному из вариантов осуществления, способ дополнительно содержит перевод первого целевого материала из твердого состояния в жидкое состояние. Способ может дополнительно содержать перевод первого целевого материала из жидкого состояния в газообразное состояние. Также способ может дополнительно содержать перевод первого целевого материала из газообразного состояния в состояние плазмы.

Согласно одному из вариантов осуществления, второй целевой материал поддерживают в твердом состоянии в виде мелкозернистого порошка (низкотемпературный режим). Согласно варианту осуществления, способ дополнительно содержит перевод второго целевого материала в жидкое или газообразное состояние.

Согласно одному из вариантов осуществления, способ дополнительно содержит нагревание по меньшей мере одного из первого целевого материала и второго целевого материала. Благодаря данному варианту, может быть высвобождено больше нейтронов. В самом деле, более горячее топливо может подвергаться сжатию за счет градиентной силы, что полезно как для высвобождения нейтронов, так и для захвата нейтронов.

Согласно одному из вариантов осуществления, нагревание осуществляют путем индукционного нагрева. Индукционный нагрев может быть двухфазным или трехфазным. Преимущество данного варианта состоит в том, что нагревание топлива может быть выполнено посредством нагревательного устройства, которое может не иметь физического контакта с топливом. Напротив, нагревание может осуществляться посредством вихревых токов, что предполагает нагревание джоулевым теплом, выделяющимся в топливе. Также, нагревание может быть осуществлено за счет магнитных потерь на гистерезис в топливе.

Как было указано выше, еще одно значение градиентной силы заключается в том, что горячий материал может притягивать холодный материал. Например, первый целевой материал может становиться холоднее при высвобождении или излучении нейтронов. Тем самым первый целевой материал может притягиваться ко второму целевому материалу. В частности, первый целевой материал может притягиваться к активной зоне второго целевого материала.

Нагревание топлива может иметь последствия для активной зоны топлива, даже когда первый целевой материал подвергают воздействию ЭМ излучения с частотами значительно более низкими, чем критическая резонансная частота. Высокие температуры топлива могут приводить к сжатию активной зоны градиентной силой и притяжению окружающих частиц. Независимо от агрегатного состояния материала, нагрев ЭМ волнами вблизи резонанса может приводить к существенному возбуждению первого целевого материала. Накопленное резонансное возбуждение может в конечном счете достигать энергий расщепления для первого целевого материала.

Нагревание, испарение и ионизация первого целевого материала могут приводить к высвобождению нейтронов в реактор за счет расщепления ядер, благодаря только высокой температуре активной зоны, но в этом случае скорость образования нейтронов должна быть низкой. Интенсивность образования может быть на порядки выше вблизи резонансной частоты.

Можно представить себе существование ряда резонансов, каждый из которых относится к своему соответствующему агрегатному состоянию. Что касается мощности ЭМ возбуждения, то ЭМ возбуждение будет преобладающим также и в случае нейтрального газа. В частности, это справедливо в среде, где скорость ионизации превышает 0,01%. По этой причине процесс расщепления ядер можно рассматривать, как процесс, обусловленный плазменными резонансами. Скорость ионизации для первого целевого материала (литий и ионы дейтерия) это результат баланса ионизации и рекомбинации. Рекомбинация означает процесс обратного перехода ионов в нейтральные атомы. Чтобы поддерживать высокую скорость ионизации в среде плотного газа, требуется избыточное ЭМ возбуждение. Согласно одному из вариантов осуществления, энергию ЭМ излучения подводят в виде сигнала прямоугольной формы или синусоидального сигнала. Сигнал прямоугольной формы содержит множество гармоник, т.е. частотных мод. В частности, сигнал прямоугольной формы может содержать по меньшей мере одну резонансную частотную моду. Равным образом можно рассматривать возможность использования сигналов других типов. Например, может быть предусмотрен сигнал пилообразной формы. Дополнительно могут быть предусмотрены нерегулярные сигналы.

Согласно одному из вариантов осуществления, в случае, если выходная мощность ЭМ излучения вырабатывается выше порогового значения мощности, способ дополнительно содержит поддержку получения выходной энергии ЭМ излучения путем воздействия на первый целевой материал поддерживающей энергии ЭМ излучения. Преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что как только вырабатываемая энергия ЭМ излучения на выходе оказывается выше порогового значения мощности, то можно получать дополнительную выходную энергию ЭМ излучения, подводя к первому целевому материалу поддерживающую энергию. В частности, этого можно достичь, постепенного выключая нагрев. Кроме того, поддерживающую энергию можно обеспечивать, когда нагрев будет уже полностью выключен. Поддерживающую энергию можно подавать от источника, который является отдельным от вышеупомянутого нагревательного устройства.

Согласно одному из примеров, первый целевой материал подвергают воздействию только поддерживающей энергии ЭМ излучения. В частности, отсутствует какой-либо нагрев первого целевого материала, например, внешний нагрев. Согласно другому примеру, первый целевой материал подвергают нагреву, а также воздействию поддерживающей энергии ЭМ излучения.

Согласно альтернативному варианту осуществления, если нейтроны вырабатываются выше порогового значения, способ дополнительно содержит поддержание получения выходной энергии ЭМ излучения, воздействуя на первый целевой материал поддерживающей энергией ЭМ излучения.

Итак, может существовать экономичный и энергосберегающий способ для осуществления процесса захвата нейтронов при подводе небольшой мощности. По достижении первого квазистационарного состояния захвата нейтронов при высокой мощности, управление может взять на себя маломощный источник ЭМ волн высокой частоты, работающий близко к резонансной частоте, но все же ниже резонансной частоты, что приводит ко второму квазистационарному состоянию. Под вторым квазистационарным состоянием здесь подразумевается, что для подержания процесса захвата нейтронов и, следовательно, генерировании энергии требуется подвод меньшей мощности. Высокочастотных волн небольшой мощности близких к критическому резонансу оказывается достаточно для увеличения скорости высвобождения нейтронов от температурной базовой линии, поддерживаемой внутренним нагревом.

По достижении требуемой выделяемой мощности реактор может работать при постоянной, почти самоподдерживающейся выходной мощности, которую регулируют незначительными корректирующими воздействиями со стороны источника волн. Источником волн может служить маломощный высокочастотный источник. Кроме лучшего контроля процесса захвата нейтронов, вышеописанный процесс может поддерживать высокий показатель усиления по мощности, и обеспечивать устойчивую работу реактора.

Согласно одному из вариантов осуществления, поддерживающую энергию ЭМ излучения обеспечивают ЭМ излучением, содержащим по меньшей мере одну резонансную частотную моду, принадлежащую частотному интервалу.

Согласно одному из вариантов осуществления, поддерживающую энергию ЭМ излучения обеспечивают посредством источника волн. Источник волн или генератор волн может служить источником ЭМ волн. Согласно примеру, не имеющему ограничительного характера, источником волн является разрядный электрод. При помощи источника волн поддерживающую энергию можно подавать более управляемым образом. Кроме того, для поддержания высвобождения нейтронов может требоваться более низкая мощность. В самом деле, посредством источника волн устойчивую работу можно поддерживать при уменьшенной мощности. Такая уменьшенная мощность может быть значительной по сравнению с мощностью, обеспеченной посредством объединения нагрева и подводимой энергией ЭМ излучения.

Согласно одному из вариантов осуществления, способ может содержать приведение в действие легкого термоэлектрического генератора для зондов, предназначенных для исследования дальнего космоса. Узел источника, работающий в поддерживающем режиме малой мощности, способен к длительной (более 30 лет) работе, при этом требуется мизерное количество целевого материала. Преимущество по сравнению с другими техническими решениями заключается в том, что для обеспечения генерировании энергии не требуются какие-либо радиоактивные элементы.

Согласно альтернативному варианту осуществления, способ может дополнительно содержать приведение в действие турбины посредством энергии ЭМ излучения, генерируемой на выходе, и выработку электроэнергии посредством данной турбины. Турбиной может служить паровая турбина.

Следует отметить, что рассмотренные выше шаги осуществления способа или любого из вариантов его осуществления не обязательно выполнять в том порядке, в котором они были раскрыты выше.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложено устройство для генерировании энергии, содержащее: узел источника для получения подводимой энергии ЭМ излучения., первый целевой материал и второй целевой материал. Узел источника выполнен с возможностью воздействовать на первый целевой материал подводимой энергией ЭМ излучения с целью приведения первого целевого материала за счет резонанса волн в более высокое энергетическое состояние для получения первого изотопного смещения в первом целевом материале и нейтронов, возникающих в результате первого изотопного смещения, а также захвата указанных нейтронов вторым целевым материалом для получения второго изотопного смещения во втором целевом материале и получения выходной энергии электромагнитного излучения.

Детали и преимущества второго аспекта изобретения в большой степени аналогичны деталям и преимуществам первого аспекта изобретения там, где ссылки делаются на вышеизложенное.

Согласно одному из вариантов осуществления, устройство дополнительно содержит узел источника ЭМ для получения магнитных и электрических полей. Согласно примеру, который не носит ограничительного характера, узел источника ЭМ и узел источника для получения подводимой энергии ЭМ излучения представляют собой один и тот же источник.

Согласно одному из вариантов осуществления, устройство дополнительно содержит топливный контейнер для размещения первого целевого материала и второго целевого материала. Топливный контейнер может содержать материал, которое поглощает излучение и/или поглощает нейтроны. В частности, топливный контейнер может содержать материал, который поглощает мягкое излучение и/или поглощает тепловые нейтроны. Топливный контейнер может содержать керамический материал. Керамический материал может содержать оксид алюминия.

Согласно одному из вариантов осуществления, топливный контейнер представляет собой камеру давления. Посредством камеры давления давление реакторного топлива в топливном контейнере можно регулировать и контролировать более совершенным способом. Например, когда первый целевой материал переводят из твердого состояния в газообразное состояние, объем первого целевого материала может увеличиваться, вследствие чего может увеличиваться давление в топливном контейнере. Этим давлением можно управлять посредством дренажной системы, связанной с камерой давления. Дренажная система может также быть использована для подачи первого целевого материала в газообразной форме и/или в жидкой форме в реактор.

Согласно одному из вариантов осуществления, первый целевой материал и второй целевой материал смешаны друг с другом. Первый и второй целевые материалы могут быть смешаны в определенной пропорции, вследствие чего количество первого целевого материала и количество второго целевого материала будут адаптированы для получения большего количества нейтронов. Благодаря смешиванию целевых материалов, можно поддерживать стабильную и продолжительную работу устройства. Стабильность может быть обеспечена при заданных уровнях усиления.

Согласно первому примеру, не имеющему ограничительного характера, по меньшей мере один из первого целевого материала и второго целевого материала предусмотрен в виде зерен. Согласно второму примеру, не имеющему ограничительного характера, второй целевой материал предусмотрен в виде сетки. Согласно третьему примеру, не имеющему ограничительного характера, второй целевой материал предусмотрен в виде струны или нити.

В общем, все термины, используемые в формуле изобретения, следует толковать в соответствии с их обычным значением в данной области техники, если явным образом не оговорено иное. Все ссылки на «какие-либо/ конкретные элемент, устройство, компонент, средства, шаг и т.п.» следует толковать открытым образом, т.е. как ссылку по меньшей мере на один пример такого элемента, устройства, компонента, средств, шага и т.п., если явным образом не оговорено иное.

Краткое описание чертежей

Вышеизложенное, а также дополнительные задачи, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения должны стать более понятными из последующего подробного описания, иллюстративного и не носящего ограничительного характера, предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где одинаковым элементам присвоены одинаковые позиционные обозначения, при этом:

на фиг. 1 схематически в разрезе показано устройство, соответствующее одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,

на фиг. 2 схематически показан вид сбоку устройства с фиг. 1,

на фиг. 3 представлена блок-схема алгоритма, иллюстрирующая вариант осуществления заявленного способа,

на фиг. 4 представлена блок-схема алгоритма, иллюстрирующая шаг поддержания генерировании энергии, соответствующий блок-схеме по фиг. 3,

на фиг. 5 представляет результат моделирования зависимости энергии от времени для устройства на основе ⁷Li и ⁵⁸Ni,

фиг. 6 представляет результат моделирования зависимости энергии от времени для устройства на основе D и ⁵⁸Ni.

Подробное раскрытие предпочтительных вариантов изобретения

Далее будет раскрыта идея настоящего изобретения со ссылками на фиг. 1 и фиг. 2, которые схематически иллюстрируют устройство 100, соответствующее варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг. 1 изображает устройство 100 в разрезе, а фиг. 2 - вид устройства 100 сбоку с разрезом по линии А-А на фиг. 1. Устройство 100 может быть названо цилиндрическим реактором или просто реактором, и содержит камеру 110, индукционную катушку 120, топливный контейнер 130 и боковую конструкцию 140.

Камера 110 представляет собой керамический цилиндр, образующий внешнюю границу устройства 100, и заключающий в себе индукционную катушку 120 и топливный контейнер 130. Камера 110 имеет поперечное сечение кольцевой формы. Кроме того, камера 110 герметично соединена с боковой конструкцией 140.

Индукционная катушка 120 расположена симметрично вокруг топливного контейнера 130, закручиваясь спирально вокруг последнего. Тем самым обеспечивается геометрическое фокусирование устройства 100 на центр реактора. Индукционная катушка 120 содержит по меньшей мере один виток. Первый провод 122 присоединен к левому концу индукционной катушки 120, а второй провод 124 присоединен к правому концу индукционной катушки 120. При работе устройства 100 первый и второй провода 122, 124 соединены с источником электропитания (не показан), который запитывает индукционную катушку 120. Источник электропитания предусмотрен для того, чтобы пропускать переменный ток через электромагнит индукционной катушки 120.

Согласно настоящему изобретению, источник питания предназначен для подачи в индукционную катушку 120 сигнала прямоугольной формы. Сигнал прямоугольной формы имеет фиксированную амплитуду и ширину импульсов, и выбран так, что содержит по меньшей мере одну резонансную частотную моду. Мощность сигнала, поступающего от источника питания является фиксированной.

Топливный контейнер 130 имеет поперечное сечение кольцевой формы, как видно на фиг. 1. Кроме того, топливный контейнер 130 выполнен из стали. В центральной части топливного контейнера 130 помещено топливо 200 и распределено в продольном направлении вдоль части топливного контейнера 130. Топливо 200 содержит первый целевой материал и второй целевой материал. Изначально, т.е. перед тем, как устройство 100 начнет работать, первый целевой материал 210 содержит литий-7, ⁷Li, а второй целевой материал 220 содержит никель-58, ⁵⁸Ni. Согласно настоящему изобретению первый и второй целевые материалы 210, 220 представлены в виде зерен и смешаны.

Опционально, топливный контейнер 130 может содержать экран, поглощающий нейтроны (не показан) для блокирования нейтронов. Также, топливный контейнер 130 может содержать экран, поглощающий излучение (не показан) для блокирования излучения. Такой экран, поглощающий нейтроны и/или излучение может быть расположен по меньшей мере на участках топливного контейнера 130. Например, экран, поглощающий нейтроны и излучение, может быть выполнен в виде одного экрана.

Следует понимать, что вышеприведенный пример не имеет ограничительного характера, и что в первом целевом материале 210 могут содержаться другие вещества, такие как дейтерий. Более того, следует понимать, что и во втором целевом материале 220 могут содержаться другие вещества, такие как ⁴⁰Са, ⁴⁶Ti, ⁵²Cr, ⁶⁴Zn, ⁷⁰Ge и ⁷⁴Se.

Боковая конструкция 140 содержит первую боковую часть 142 и вторую боковую часть 144. Боковая конструкция 140 содержит узел 150 разрядного электрода, который размещен в первой боковой части 142 и второй боковой части 144. Третий провод 126 присоединен к левому разрядному электроду, входящему в узел 150 разрядного электрода, а четвертый провод 128 присоединен к правому разрядному электроду, входящему в узел 150 разрядного электрода. При работе устройства 100 третий и четвертый провода 126, 128 соединены с источником электропитания (не показан), который запитывает узел 150 разрядного электрода.

Согласно данному варианту осуществления, узел 150 разрядного электрода пространственно отделен от топливного контейнера 130. Разрядный электрод может возбуждать высоковольтные наносекундные импульсы с контролируемыми интервалами. Напряжение импульсов может быть порядка киловольт, кВ. Следует понимать, что в соответствии с другим вариантом осуществления, узел 150 разрядного электрода может быть пространственно соединен с топливным контейнером 130.

Далее, со ссылками на блок-схемы фиг. 3 и фиг. 4 будет рассмотрен вариант осуществления способа (блок 300) для применения при генерировании энергии. Указанный способ осуществляют в устройстве, или цилиндрическом реакторе, 100, раскрытом выше.

Вначале топливо 200 помещают в топливный контейнер 130 (блок 310). Топливо 200 содержит первый целевой материал 210 и второй целевой материал 220, которые содержат соответственно ⁷Li и ⁵⁸Ni. Более конкретно, топливо 200 содержит ⁷Li, который смешан с ⁵⁸Ni. И ⁷Li и ⁵⁸Ni помещают в контейнер в твердом виде.

Затем, топливо 200 облучают ЭМ излучением (блок 320) посредством индукционной катушки 120, как было раскрыто выше. Тем самым первый целевой материал 210 приводят в газообразное и частично ионизированное состояние, и как следствие - в более высокое энергетическое состояние за счет волнового резонанса. Точнее, ЭМ излучение содержит по меньшей мере одну резонансную частотную моду с частотой, которая близка к критической резонансной частоте, но является более низкой, чем критическая резонансная частота. Критическая резонансная частота -это частота, при которой градиентная сила, вызываемая ЭМ излучением, становится сингулярной. Характеристики градиентной силы были подробно рассмотрены ранее в разделе «Сущность изобретения». В частности, объяснялось, что градиентная сила действует в различных направлениях в областях выше и ниже критической резонансной частоты. Эти направления могут быть противоположны друг другу. В частности, градиентная сила действует так, чтобы сжать материал топлива 200 в области ниже критической резонансной частоты.

Интенсивность ЭМ излучения постепенно увеличивают до фиксированной подводимой мощности.

Индукционная катушка 120 вызывает дополнительный нагрев топлива 200 (блок 330). Следует отметить, что совместное действие центрального канала разряда и геометрического фокусирования индукционного нагрева приводит к усиленному поглощению энергии излучения в топливе 200.

Геометрическое фокусирование может соотносится с размером устройства 100. Согласно примеру, не имеющему ограничительного характера, геометрическое фокусирование в устройстве 100 может усиливать излучение в фокальной точке в 2-6 раз в зависимости от геометрии фокусирования. Тем самым, могут быть усилены градиентные силы, зависящие от времени, для первого и второго целевых материалов. Следует отметить, что в данном случае имеются в виду значения силы для длин волн, которые лежат значительно ниже резонанса.

По мере того как топливо 200 нагревают, первый целевой материал 210 переходит в газообразное состояние и впоследствии ионизируется и достигает состояния плазмы. Кроме того, второй целевой материал 220 будет оставаться в твердом или жидком виде. Действительно, благодаря относительно низкой точке кипения, составляющей 1342°С, литий можно легче перевести в состояние плазмы. Это было бы также справедливо для дейтерия. С другой стороны, сравнительно высокая точка кипения никеля 2913°С предполагает, что он будет оставаться в твердом или жидком виде, по меньшей мере в течение более продолжительного периода времени.

Узел 150 разрядного электрода ионизирует и нагревает газ в цилиндрическом реакторе 100. Разрядные электроды 150 на обоих концах цилиндрического реактора 100 создают там канал разряда, в силу чего топливо 200 в топливном контейнере 130 может сохранять заданное ионизированное состояние.

Следовательно, предполагается, что температура ⁷Li в топливной смеси будет выше его температуры кипения, за счет чего будет повышено содержание газа/ионов ⁷Li в разрядной трубке. И наоборот, при перегреве 58Ni будет оставаться в твердой или расплавленной форме, оставаясь в реакторе основным аттрактором градиентной силы. Одна причина этого заключается в том, что первый целевой материал 210, в данном варианте содержащий ⁷Li благодаря высокой температуре испаряется, ионизируется и быстро распределяется по топливному контейнеру 130. С другой стороны, второй целевой материал 220, в данном варианте содержащий никель, будет постепенно становиться самым горячим объектом в топливном контейнере 130, благодаря процессу захвата нейтронов. Таким образом, второй целевой материал 220 будет самым сильным аттрактором в устройстве 100. Высокая точка плавления второго целевого материала 220 препятствует испарению второго целевого материала 220. Вследствие этого, второй целевой материал 220 может более длительное время пребывать в прежнем состоянии, и тем самым может притягивать окружающий газ и/или плазму.

Помимо нагревания, комбинированное излучение, создаваемое индукционной катушкой и разрядом, содержит широкий спектр гармоник, которые лежат близко к критической резонансной частоте, но находятся ниже последней.

Критическая резонансная частота постепенно изменяется в процессе нагрева топлива 200, пока не будет достигнуто равновесие, при котором весь литий будет испарен и/или ионизирован. Состоянием равновесия может быть состояние, при котором в равновесии находятся процессы ионизации и рекомбинации. Состояние равновесия может определяться частотой рекомбинации.

По мере того, как температура топлива 200 повышается, сжатие активной зоны топлива 200 за счет градиентной силы и притяжение окружающих частиц усиливается. Как только топливо 200 достигает энергий раскалывания/расщепления для первого целевого материала 210, первый целевой материал 210 высвобождает нейтроны, и испытывает изотопное смещение от ⁷Li до ⁶Li

Высвобожденные нейтроны захватываются вторым целевым материалом 220, который испытывает по меньшей мере одно изотопное смещение. Дополнительно, когда захватывается нейтрон, высвобождается энергия в виде ЭМ излучения. Например, ⁵⁸Ni во втором целевом материале 220 может превратиться в изотоп ⁶⁰Ni в результате захвата двух нейтронов или в изотоп ⁶²Ni в результате захвата четырех нейтронов.

Если энергия, выделяемая на выходе устройства 100, больше порогового значения энергии (блок 340), устройство 100 может войти в поддерживающий режим (блок 350). Поддерживающий режим будет рассмотрен ниже согласно фиг. 4.

Если выходная мощность, вырабатываемая устройством 100, меньше порогового значения энергии (блок 340), то топливо 200 дополнительно подвергают действию ЭМ излучения (блок 320), и обеспечивают дополнительное тепло (блок 330). Облучение и нагревание посредством индукционной катушки 120 и узла 150 разрядного электрода продолжают до тех пор, пока выходная мощность ЭМ излучения, вырабатываемая за счет захвата нейтронов, не превысит порогового значения мощности.

Согласно данному варианту осуществления, устройство 100 входит в поддерживающий режим (блок 400), выходная мощность ЭМ излучения, вырабатываемая устройством 100, становится выше порогового значения мощности.

Вначале, выключают работу индукционной катушки 120 (блок 410). Это выключение осуществляют постепенно. Тем самым, прекращают облучение и нагрев топлива 200, и в частности, первого целевого материала, за счет индукционной катушки 120.

Затем первый целевой материал 210 подвергают действию поддерживающей энергии ЭМ излучения (блок 420). Согласно данному варианту осуществления, поддерживающую энергию ЭМ излучения подают исключительно от узла 150 разрядного электрода. Таким образом, процесс расщепления, т.е. высвобождения нейтронов можно поддерживать, используя меньшую подводимую мощность. Поддерживающая энергия ЭМ излучения предпочтительно содержит резонансную частотную моду, частота которой близка к критической резонансной частоте, но ниже последней. Кроме того, процесс расщепления можно лучше контролировать, поскольку узлом 150 разрядного электрода можно лучше управлять по сравнению с индукционной катушкой 120. Действительно, узел 150 разрядного электрода может обеспечивать более точные частоты. В частности, улучшенное управление узлом 150 разрядного электрода означает, что можно лучше управлять выходной мощностью.

Это состояние устройства 100 можно называть квазистационарным состоянием, КСС, поскольку требуется меньше подводимой мощности для поддержания процесса захвата нейтронов, и, следовательно, генерировании энергии. В самом деле, небольшая подводимая мощность может обусловить высокий показатель усиления по мощности.

Во время работы устройства 100, или что эквивалентно - реактора, в частности, во время КСС, полезная мощность, генерируемая внутри устройства 100, уравновешивается потерями устройства 100 на излучение, т.е. мощностью, исходящую от поверхности устройства 100, например, от поверхности камеры 110. Мощность, исходящую от данной поверхности, можно использовать для приведения в действие какого-либо устройства, что будет дополнительно рассмотрено ниже.

Внешнее нагревание ⁷Li и ⁵⁸Ni в наилучшем случае устанавливает высвобождение нейтронов в первом целевом материале 210 и захват нейтронов во втором целевом материале 220 на теоретическом уровне КСС. В иллюстративных целях, и основываясь на классической задаче теплообмена, для описания роста мощности, вырабатываемой комбинированным устройством 100, можно использовать функцию

Здесь Р₀ - это энергия КСС, т.е. Р_{реактора}=Р_{излучения}=Р₀. Отметим, что это - идеализированное КСС. В действительности процесс может изменяться во времени, например, он может включать в себя захват нейтронов другими элементами, или постепенную «деградацию» исходного изотопа со временем, например, ⁵⁸Ni до ⁶⁰Ni или до ⁶²Ni. Последнее иллюстрирует то, что ведущими для КСС в большой степени являются внутренние процессы. Внутренний разогрев за счет захвата нейтронов может увеличивать скорость расщепления в первом целевом материале 210 и скорость захвата нейтронов во втором целевом материале 220, что ведет к увеличению показателя усиления по мощности по сравнению с тем, который возможен при внешнем нагреве. В конечном счете внутренний разогрев может стать для устройства 110 ведущим фактором, определяющим показатель усиления по мощности. Таким образом, показатель усиления по мощности (определяемый как отношение выходной мощности к подводимой мощности) может быть увеличен на большой коэффициент. Согласно примеру, который не несет ограничительного характера, такой коэффициент усиления может составлять от 3 до 20 или от 5 до 10. Как следствие вышесказанного, может быть получено новое КСС.

В свете вышесказанного, важным вопросом является обеспечение правильной конструкции реактора, и выбор надлежащего вещества, чтобы он мог сохранять и/или выдерживать температуру стенки реактора.

Таким образом, процесс расщепления может в конечном счете стать почти самоподдерживающимся за счет внутреннего разогрева, вызванного захватом нейтронов, и вдобавок подвода незначительной энергии резонирующих волн от узла 150 разрядного электрода. Это может привести к эффективному процессу реакции, требующему подвода лишь незначительной мощности.

Опционально, устройство 100 дополнительно содержит блокирующее устройство (не показано), которое предназначено для прекращения вырабатывания нейтронов, как только устройство 100 достигнет квазистационарного состояния. Посредством блокирующего устройства генерирование энергии может быть прекращено или ослаблено за счет уменьшения скорости образования нейтронов. Генерирование энергии можно ослаблять, когда выходная мощность превышает требуемую. Блокирующее устройство может быть расположено вблизи центра топливного контейнера 130. Блокирующее устройство может содержать вещество, поглощающее нейтроны, который можно вводить в топливный контейнер 130 для задержки нейтронов, которые были высвобождены из первого целевого материала 210. Согласно примерам, которые не носят ограничительного характера, веществом, поглощающим нейтроны, может служить ксенон-135 или самарий-149.

Вышеописанное генерирование энергии можно продолжать до тех пор, пока некоторая фиксированная часть топлива 200 не превратится в отработавшее топливо, или пока выходная мощность не упадет ниже нижней выходной мощности. Под отработавшим топливом здесь подразумевается, что первый целевой материал, изначально содержавший ⁷Li, превратился в изотоп ⁶Li, и/или второй целевой материал, изначально содержавший ⁵⁸Ni, превратился в другие изотопы никеля, такие как ⁶⁰Ni или ⁶²Ni.

Как только исходное топливо 200 превратится в отработавшее топливо, в устройство 100 может быть загружено новое топливо 200. Опционально, прежде чем исходное топливо 200 превратится в отработавшее, можно регулярно загружать новое топливо. Согласно другому варианту осуществления, дейтерий в жидкой форме или в газообразной форме можно вводить непрерывно.

Вышеописанное устройство 100 может быть размещено на энергетической установке (не показана) для выработки электроэнергии. Энергетическая установка может содержать устройство 100, паровую турбину и дополнительное оборудование для выработки электроэнергии, которое известно специалистам в данной области. Электричество можно вырабатывать, используя выходную мощность устройства 100.

В частности, вышеописанный способ может быть частью способа для выработки электроэнергии на энергетической установке. Последний способ может содержать дополнительные этапы для выработки электроэнергии.

Следует понимать, что выходная мощность устройства 100, может быть использована для приведения в действие различных типов устройств. Согласно примерам, которые не носят ограничительного характера, таким устройством может быть двигатель Стирлинга, паровой двигатель и т.п. Между устройством 100 и другим устройством может быть предусмотрен теплообменник.

Кроме того, два или более устройств 100 могут быть соединены последовательно или параллельно для обеспечения большей выходной мощности.

На фиг. 5 представлен результат моделирования зависимости мощности от времени для устройства на основе ⁷Li и ⁵⁸Ni, и изображены различные рабочие фазы (A)-(D). (А) - начальная фаза превращения в газ и ионизации первого целевого материала. (В) - переходная фаза, приводящая к первому квазистационарному состоянию. (С) - фаза, сочетающая постепенное снижение мощности внешнего нагревателя при внутренней температурной обратной связи и внешней подпитке ЭМ колебаниями вблизи резонанса. (D) - фаза работы с внутренней температурной обратной связью и внешней подпиткой ЭМ колебаниями на втором уровне квазистационарного состояния, отличающаяся тем, что усиление по мощности увеличивается с коэффициентом 10-50. (1) Мощность газификации/ионизации. (2) Подводимая мощность индукционной катушки. (3) Мощность поддерживающих волн для получения второго уровня квазистационарного состояния. (4) Мощность, генерируемая реактором. (5) Избыточная мощность (расщепление, вызываемое захватом нейтронов).

На фиг. 6 представлен результат моделирования зависимости мощности от времени для устройства на основе D и ⁵⁸Ni, и изображены рабочие фазы, как на фиг. 5. Следует заметить, что устройство на основе D - ⁵⁸Ni в целом приблизительно в три раза эффективнее устройства на основе Li - ⁵⁸Ni, и способно работать при низкой внешней мощности и подводимой мощности волн.

Изобретение в основном было раскрыто со ссылками на несколько вариантов осуществления. Однако, специалистам в данной области должно быть понятно, что в рамках объема настоящего изобретения, которые определены прилагаемой формулой изобретения, равным образом возможны и другие варианты осуществления, кроме тех, что были рассмотрены выше. В частности, конкретные выбранные варианты первого и второго целевых материалов следует рассматривать, не как ограничение, а лишь как пример целевых материалов. Например, первый целевой материал может содержать дейтерий или смесь ⁷Li и дейтерия, а второй целевой материал может содержать ⁴⁰Са, ⁴⁶Ti, ⁵²Cr, ⁶⁴Zn, ⁵⁸Ni, ⁷⁰Ge или ⁷⁴Se, или смесь двух или более указанных изотопов.

Изобретение относится к способу и устройству для генерирования энергии. Первый целевой материал посредством волнового резонанса приводят в более высокое энергетическое состояние, воздействуя на первый целевой материал подводимой энергией электромагнитного излучения для получения первого изотопного смещения в первом целевом материале и нейтронов, появляющихся вследствие первого изотопного смещения, и обеспечивают захват указанных нейтронов вторым целевым материалом для получения второго изотопного смещения во втором целевом материале и выходной энергии электромагнитного излучения. Техническим результатом является возможность повышения эффективности управления процессом генерирования энергии за счет возможности управления скоростью высвобождения нейтронов путем регулирования внешней энергии и путем регулирования интенсивности и частотного содержимого подводимого ЭМ излучения. 5 н. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ для применения при генерировании энергии, содержащий следующее:

приводят первый целевой материал c помощью волнового резонанса в более высокое энергетическое состояние, воздействуя на первый целевой материал подводимой энергией электромагнитного излучения, для получения первого изотопного смещения в первом целевом материале и нейтронов, получаемых вследствие первого изотопного смещения, захватывают указанные нейтроны вторым целевым материалом для получения второго изотопного смещения во втором целевом материале и выходной энергии электромагнитного излучения,

причем, если вырабатывают выходную мощность электромагнитного излучения выше порогового значения мощности, то поддерживают выработку выходной энергии электромагнитного излучения путем воздействия на первый целевой материал поддерживающей энергией электромагнитного излучения.

2. Способ по п. 1, в котором источником подводимой энергии электромагнитного излучения является электромагнитное излучение, содержащее по меньшей мере одну резонансную частотную моду, принадлежащую определенному частотному диапазону.

3. Способ по п. 2, в котором указанная по меньшей мере одна резонансная частотная мода связана с межатомным расстоянием первого целевого материала.

4. Способ по п. 2 или 3, в котором указанная по меньшей мере одна резонансная частотная мода представляет собой резонансную частотную моду газообразного или плазменного состояния первого целевого материала, плазменный резонанс, который характеризует намагниченную и/или ненамагниченную плазмы первого целевого материала, или резонансную частотную моду твердого/ жидкого/ газообразного/ плазменного состояния второго целевого материала.

5. Способ по любому из пп. 1-4, дополнительно содержащий нагревание по меньшей мере одного из первого целевого материала и второго целевого материала.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором подводимую энергию электромагнитного излучения обеспечивают в виде сигнала прямоугольной формы или синусоидального сигнала.

7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором источником поддерживающей энергии электромагнитного излучения является электромагнитное излучение, содержащее по меньшей мере одну резонансную частотную моду, принадлежащую определенному частотному диапазону.

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором поддерживающую энергию электромагнитного излучения обеспечивают посредством источника волн.

9. Способ по любому из пп. 1-8, дополнительно содержащий обеспечение третьего целевого материала, содержащего каталитическое вещество.

10. Способ по любому из пп. 1-9, дополнительно содержащий приведение первого целевого материала в состояние плазмы.

11. Устройство для генерирования энергии, содержащее:

узел источника для получения подводимой энергии электромагнитного излучения,

первый целевой материал (210),

второй целевой материал (220), и

топливный контейнер (130) для размещения в нем первого целевого материала и второго целевого материала,

причем узел источника выполнен с возможностью воздействовать на первый целевой материал подводимой энергией электромагнитного излучения для приведения первого целевого материала с помощью волнового резонанса в более высокое энергетическое состояние, для получения первого изотопного смещения в первом целевом материале и нейтронов, образующихся в результате первого изотопного смещения, а также для захвата указанных нейтронов вторым целевым материалом для получения второго изотопного смещения во втором целевом материале и выходной энергии электромагнитного излучения, при этом указанный топливный контейнер представляет собой камеру давления.

12. Устройство для генерирования энергии, содержащее:

узел источника для получения подводимой энергии электромагнитного излучения,

первый целевой материал (210),

второй целевой материал (220), и

топливный контейнер (130) для размещения в нем первого целевого материала и второго целевого материала,

причем узел источника выполнен с возможностью воздействовать на первый целевой материал подводимой энергией электромагнитного излучения для приведения первого целевого материала с помощью волнового резонанса в более высокое энергетическое состояние, для получения первого изотопного смещения в первом целевом материале и нейтронов, образующихся в результате первого изотопного смещения, а также для захвата указанных нейтронов вторым целевым материалом для получения второго изотопного смещения во втором целевом материале и выходной энергии электромагнитного излучения, при этом указанные первый целевой материал и второй целевой материал смешаны.

13. Устройство для генерирования энергии, содержащее:

узел источника для получения подводимой энергии электромагнитного излучения,

первый целевой материал (210),

второй целевой материал (220), и

топливный контейнер (130) для размещения в нем первого целевого материала и второго целевого материала,

причем узел источника выполнен с возможностью воздействовать на первый целевой материал подводимой энергией электромагнитного излучения для приведения первого целевого материала с помощью волнового резонанса в более высокое энергетическое состояние, для получения первого изотопного смещения в первом целевом материале и нейтронов, образующихся в результате первого изотопного смещения, а также для захвата указанных нейтронов вторым целевым материалом для получения второго изотопного смещения во втором целевом материале и выходной энергии электромагнитного излучения, при этом указанный узел источника содержит индукционную катушку (120).

14. Устройство для генерирования энергии, содержащее:

узел источника для получения подводимой энергии электромагнитного излучения,

первый целевой материал (210),

второй целевой материал (220), и

топливный контейнер (130) для размещения в нем первого целевого материала и второго целевого материала,

причем узел источника выполнен с возможностью воздействовать на первый целевой материал подводимой энергией электромагнитного излучения для приведения первого целевого материала с помощью волнового резонанса в более высокое энергетическое состояние, для получения первого изотопного смещения в первом целевом материале и нейтронов, образующихся в результате первого изотопного смещения, а также для захвата указанных нейтронов вторым целевым материалом для получения второго изотопного смещения во втором целевом материале и выходной энергии электромагнитного излучения, при это указанное устройство для генерирования энергии дополнительно содержит узел (150) разрядного электрода.

15. Устройство для генерирования энергии, содержащее:

источник волн для получения подводимой энергии электромагнитного излучения,

первый целевой материал,

и второй целевой материал,

причем источник волн выполнен с возможностью воздействовать на первый целевой материал подводимой энергией электромагнитного излучения для приведения первого целевого материала с помощью волнового резонанса в более высокое энергетическое состояние, для получения первого изотопного смещения в первом целевом материале и нейтронов, образующихся в результате первого изотопного смещения, при этом второй целевой материал обладает возможностью захвата указанных нейтронов, а его изотоп характеризуется меньшей энергией связи ядра по сравнению с энергией связи ядра изотопа или изотопов, в направлении которых он смещается после процесса захвата нейтронов.

16. Способ для применения в генерировании энергии, содержащий следующее:

приводят первый целевой материал с помощью волнового резонанса в более высокое энергетическое состояние, воздействуя на первый целевой материал энергией электромагнитного излучения, подводимой от источника волн, для получения первого изотопного смещения в первом целевом материале и нейтронов, получаемых в результате первого изотопного смещения, захватывают указанные нейтроны вторым целевым материалом, изотоп которого характеризуется меньшей энергией связи ядра по сравнению с энергией связи ядра изотопа или изотопов, в направлении которых он смещается, для получения второго изотопного смещения во втором целевом материале и выходной энергии электромагнитного излучения.