用于生成热和功率的离子束设备和方法技术

一种通过控制来自等离子体室(106)中低功率等离子体(107)的离子束的密度、焦点和速度来产生热和电能的设备和方法，从等离子体室(106)中提取离子束(111)到反应室(103)，选择性地将靶(102)富集到靶氢化物中以产生和维持热，并在所述靶中选择性地进行冷聚变反应，从所述反应中回收热能(105)以提供加热和/或发电(119)，在不需要额外的热的情况下选择性地为靶补充额外的离子燃料和/或沉积额外的靶材料，在加热以及可选的富集/沉积和冷聚变循环期间，从腔室中提取多余的燃料以进行重新组合，若有必要，则与源燃料(109)的任何燃料副产物一起再用作源燃料。物一起再用作源燃料。物一起再用作源燃料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生成热和功率的离子束设备和方法


[0001]本公开涉及热和功率生成


技术介绍

[0002]自从1989年发现冷聚变/冷核聚变以来[M.Fleischmann,S.Pons and M.Hawkins,J.Electroanal.Chem.,261(1989)301.]，它的特点是有能力产生超过输入能量并且也远远超过任何已知的化学反应的热。在过去的几十年中，该领域已经有数以千计的学术文章以及数百项专利申请。由于难以再现实验观测结果，且对观测结果缺乏充分的理论解释，人们对“冷聚变”产生了一些误解，由此产生了诸如LENR(Low-Energy Nuclear Reaction，低能核反应)，LANR(Lattice Assisted Nuclear Reactions，晶格辅助核反应)或CANR(Chemically Assisted Nuclear Reactions，化学辅助核反应)等委婉说法。
[0003]这种现象最早是由Fleischmann和Pons(如上所述)在电解实验中观察到的。在300
°
K、形成LiO-和D
+
离子的0.1M LiOD的重水(99.5％D2O，0.5％H2O)溶液中，在铂阳极(带正电荷)和钯阴极(带负电荷)之间施加1.54V电压。在初始富集过程中，钯首先将氘离子吸收到钯晶格内的空隙中，这是周期表的第10族元素的已知性能。最终，检测到过量的热，该热远远超出了任何已知的化学反应所能解释的程度，从而得出结论：核聚变发生在额外进入的D/>+
离子和先前束缚在金属晶格中的富集D
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离子之间，产生氦(4He)。许多科研论文和专利都遵循了这一范例的变型，有些论文和专利将富集阶段与冷聚变阶段完全分开。最近采用这种方法的专利代表是[JP2015090312A,2013]。这种方法的缺点是很难精确地控制晶格富集停止和冷聚变反应开始的点。通过单独地富集靶晶格、然后在冷聚变反应室中利用制备的靶晶格，克服了这一困难。但一旦富集物耗尽，这种分离本身就使得连续操作变得困难。另一个问题是，在富集或反应阶段，很难控制进入晶格的离子的速度和方向，也很难独立地改变它们的体积。在实践中使用这种方法的一个重要障碍是，为了产生足够的热来提供有用的功率的量，电解液自身会迅速蒸发。
[0004]另一种方法是使用第10族金属，如镍或镍钯合金，有时与ZrO2结合，形成纳米颗粒或金属颗粒，并被D2(或H2)气体包围。通过制造纳米颗粒，金属合金暴露在气体中的表面积增加。这是有利的，因为实验观察到大多数聚变反应发生在靶合金表面附近。为了获得持续的反应，气体被提升到300℃到500℃的中等温度(与1亿℃下的热聚合相比)，这将充分激发D以富集合金晶格，并最终引发聚合反应。最近一篇记载这种方法的文章是[Kitamura,A.,et.al.,J.Condensed Matter Nucl.Sci.24(2017)202-213]。建议使用这种方法的专利是[CA2924531C，2013]。这种方法的一个优点是从业者声称冷聚变是100％可重复的，这是多年来一直追求的目标。然而，这种方法有一个缺点，即必须消耗相当多的热能来维持这一过程，因此还不完全确定能从聚变产生足够多的过量热来克服设备运行的消耗。即使有足够的聚变热来克服消耗，任何能以较低功耗运行的设备也将更有效。没有办法控制D气体原子与粒子表面接触的方向或速度，从而导致大量无效碰撞，而这些碰撞不会导致聚变。很难在整个靶区内保持纳米粒子的均匀分布，从而导致随机热区。当粒子在运动中被抛来抛去时，
依赖于一组纳米颗粒作为靶将导致不可预测的操作。从一组粒子中提取热也是个问题。此外，设备在长时间内的连续操作是困难的，因为一旦颗粒耗尽富集的D，则必须关闭整个设备，同时纳米颗粒会重新吸收更多的D；没有简单的方法可以在某些粒子吸收D和其他粒子产生冷聚变之间进行交替。
[0005]第三种方法是使用第10族合金(如Ni-Pd-ZrO2)从纳米颗粒中生成固体，向固体中注入氘，将产物形成一个像固体电阻器一样的包封件，并使电流通过它而产生聚变热。最近一篇关于这种方法的文章是[Swartz,M,et.al.,J.Condensed Matter Nucl.Sci.15(2015)66-80]。这种类型的最新专利是[US20160329118A1,2015]。在过去，支持者曾提到过关于部件经历“雪崩”失效模式的一些困难，其中聚变变得不受控制并伴随着部件熔化，从业者通过限制电流来解决这个问题。这种方法的一个缺点是，很难将这种现象调整到能够产生实用的热量或电量的水平。专利技术人声称使用此技术为斯特林发动机(1816年专利技术)提供动力，然而，这种技术的缺点是功率相对较低，因此最适合低功率应用，例如为深循环电池充电。化石燃料发动机的许多实际应用需要的动力比斯特林发动机能产生的动力更多。这种方法的缺点是对晶格中D
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离子的速度和路径的控制是间接的和近似的。这种方法也很难长期运行，因为一旦D
+
耗尽，就无法在不重建的情况下重现设备。
[0006]所有这些方法遇到的一个困难是阴极的整个表面都会被撞击离子进入。因此，没有一部分靶材可用于冷聚变反应，而另一部分富集或全部耗尽的电极部分则再次用原子核富集或再次沉积靶材，使得无法长期运行。所有这些方法所遇到的第二个困难是，如果冷聚变反应产生的功率不足以应用，则没有可供选择的运行模式来将功率补充到所需的水平。
[0007]在[Yuki,H.,et.al.,Metal.J.Phys.Soc.Japan,1997.64(1):p.73-78]的一系列文章中记载了利用双等离子体发射器装置进行了将氘加载到金属中的实验，该装置在部分真空中产生质子束或氘束，撞击被保持在真空室中的镱或钛制成的靶。在这一系列的实验中，电极被涂上一层糊剂，然后在使用前干燥。然后通过施加大功率电流来加热装置。形成等离子体，用带负电的电极从该等离子体中提取离子束，以研究各种金属吸收离子的能力。实验表明，所产生的冷聚变热量直接由所提取的离子束的电流强度控制。这克服了其他方法的缺点，因为可以精确控制进入离子的数量和速度，从而控制所产生的冷聚变热量。但是这种方法的缺点是需要为双等离子体离子源提供高功率的输入，由于双等离子体糊剂受侵蚀而导致使用期很短，产生的低电流束流只有1mA，不能产生足够的冷聚变来克服输入功率的成本。最近，已经部署一种产生200mA的更高射束电流的双等离子体发射器[R.Scrivens,et.Al.,Proc.IPAC2011,San Sebastian,Spain 2011 3472-4]，然而，在这种案例中该双等离子体发射器的缺点是需要甚至更高的50kW的输入功率。
[0008]低功率低温的用于提供离子的等离子体可以通过使用低功率微波发生器产生，如[Neri,L.,et.AL,Review of Scientific Instruments 85,02A723(2014)]的举例，该技术用于为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种设备(图1)，该设备包括控制器(101)，用于在保持部分真空的反应室(103)中的靶(102)中产生冷聚变反应，从等离子体室向所述反应室(103)供送离子束以使所述离子束撞击所述靶从而产生冷聚变热；由所述反应产生的热被热交换机构(105)传送到第二组装置(104)，所述第二组装置中的一部分装置可能将热转换为电能，而另一部分装置可能直接使用热；其中，改进包括：低功率微波装置(108)，用于在与所述反应室连接的所述等离子体室(106)中产生并维持等离子体(107)；与所述等离子体室连接的燃料箱(109)，用于向所述等离子体室供应燃料；以下方法：借此方法控制器在首先富集靶以用于冷聚变与其次启动并维持冷聚变(401-409)之间反复交替；以及一种用于从两个腔室中提取未使用的燃料以便再次用作供应给所述燃料箱和/或所述等离子体室的燃料的装置(110)。2.一种设备(图1)，该设备包括控制器(101)，用于在反应室(103)中的靶(102)中产生冷聚变反应，由所述反应产生的热被热交换机构(105)传送到第二组装置(104)，所述第二组装置中的一部分装置可能将热转换为电能，而另一部分装置可能直接使用热；其中，改进包括：所述反应室从由微波装置(108)产生的低能低温等离子体(107)中提取离子束(111)，所述离子束(111)在所述靶(102)中产生冷聚变，所述微波装置(108)与连接至所述反应室的等离子体室(106)连接；所述等离子体由与所述等离子体室连接的燃料箱(109)提供燃料，以将离子束供应到所述反应室；还包括一种装置(110)，用于从所述反应室及与所述反应室连接的等离子体室中提取未使用的燃料，以再循环至所述燃料箱或所述等离子体室以便再次用作燃料。3.一种设备(图1)，该设备包括控制器(101)，用于在保持部分真空的等离子体室中产生等离子体，从所述等离子体中抽出离子束以在反应室(103)中的靶(102)中引发冷聚变反应，所述反应室(103)也保持部分真空且与所述等离子体室连接；由所述反应产生的热量被热交换机构(105)传送到第二组装置(104)，所述第二组装置中的一部分装置可能将热转换为电能，而另一部分装置可能直接使用热；其中，改进包括：等离子体室(106)，在所述等离子体室(106)中由微波装置(108)产生并由燃料箱(109)提供燃料的低温低能等离子体(107)向所连接的反应室提供离子束以撞击所述靶；还包括一种装置(110)，用于从所述等离子体室及与所述等离子体室连接的反应室提取未使用的燃料，以再循环至所述等离子体室或所述燃料箱中以便再次用作燃料。4.一种由控制器(101)控制的方法，所述方法用于通过以下方式在反应室(103)中启动和维持冷聚变反应：首先富集靶(102)以为冷聚变做准备，然后启动冷聚变，所述冷聚变的热能由第二组装置(104)使用，所述第二组装置中的一部分装置可能将热转换为电能，而另一部分装置可能直接使用热；其中，改进包括：作为起点的空闲状态(401)；用于对启动命令作出响应、导致释放用于安全运输和存储的惰性气体的状态(402)；用于启动燃料的生成的状态(403)；用于调整燃料流量和用于富集的离子束的状态(404)；将靶的未富集侧或部分富集侧转向离子束的状态(405)；待机状态(406)，其中等离子体被保留，但既不进行富集也不进行冷聚变；用于调整用于冷聚变的燃料流量和离子束的状态(407)；维持冷聚变以主动地产生热、从而使热可能被直接利用和可能被用于产生电能的状态(408)；以及，靶的最少消耗侧被转向离子束以继续由冷聚变供热的状态(409)。5.根据权利要求1所述的设备和方法，其中改进包括：附加的低功率电极(113)和磁体(114)，用以加速和聚焦离子束，从而减少或消除对于冷聚变反应的需求，并可能地消除可
选的以下方法：借此方法控制器在首先富集靶以用于冷聚变与其次启动并维持冷聚变(401-409)之间反复交替。6.根据权利要求2所述的设备，其中改进包括：可选地使用低功率电极(113)进一步加速离子束(111)，并用低功率或永久磁体(114)聚焦所述离子束，从而使离子束与靶碰撞产生热，以减少或消除对于冷聚变反应的需求以及对于所述离子束还可选地使靶(102)富集的需求。7.根据权利要求3所述的设备，其中改进包括：附加的低功率电极(113)用以加速离子，附加的磁体(114)用以聚焦离子，使离子撞击靶，从而从撞击中产生热并减少或消除对于冷聚变的需求。8.根据权利要求4所述的方法，其中改进包括：所述方法易于修改以包含一组更简单的状态(图5)，其中减少或不需要冷聚变，从而减少或消除了对于存在于图4中的许多状态(403-405和407-409)的需求。9.一种由控制器(101)控制的方法，所述方法用于在反应室(103)中启动和维持热，所述热能被第二组装置(104)使用，所述第二组装置中的一部分装置可能直接使用热，而另一部分装置可能将热转换为电能；改进包括：作为起点的空闲状态(501)，所述空闲状态(501)用于响应启动命令；待机状态(502)，其中等离子体被保持，但离子束未被提取；以下状态(503)：在该状态中使用低功率电极(113)调整离子束的体积和速度，使用低功率或永久磁体(114)调整离子束的形状到所需的热量；以下状态(504)：在该状态中离子与靶碰撞产生热，所述热可能被直接利用，以及可能被用于产生电能；所述方法易于修改以包含需要冷聚变的模式(图4)，以及另外地包含靶需要补充由于离子束烧蚀而损失的原子的模式。10.根据权利要求1-3和5-7任一所述的设备，或者根据权利要求4或权利要求8所述的方法，进一步包括：用于控制器确定靶的一部分是否充分富集以允许冷聚变开始的器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉塞尔，
申请(专利权)人：广达斯柏瑞研究有限公司，
类型：发明
国别省市：