Способ получения атомной энергии и устройство для его осуществления

(71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте(56) Кадомцев Б,Б, Природа, 1979, М 2, с,21,Пономарев Л,И, Природа, 1979, М 9, с,8, (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛ Е Н ИЯ(57) Использование; техника получения ядерной энергии с помощью синтеза легких ядер. Сущность изобретения; формируют два пучка "холодных" атомов дейтерия и трития, ионизируют их пучками электронов, получающиеся ионы ускоряют до энергии 13 - 14 эВ, затем нейтрализуют ионы до полИзобретение относится к технике получения атомной энергии с помощью синтеза легких ядер (изотопов водорода - дейтерия и трития) и может найти применение при создании энергетических установок,Для осуществления ядерной реакции синтеза необходимо сблизить ядра на рас стояние порядка 10 см или нагреть смесь атомов до 100 миллионов градусов, Эту задачу в настоящее время решают различными способами, Сжимают дейтерий или смесь дейтерия и трития магнитным полем тороидальной конфигурации, Нагревают смесь изотопов лазерным лучом или пучком релятивистских электронов, или ускоренным пучком ионов, В основе этих ме"адов лежит одна идея: нагреть до высокой темпеиз уу ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР учения нейтральной резонансной плазмы, в которой и происходит ядерная реакция синтеза. Атомные пушки, дающие пучки атомов дейтерия и трития, располагаются своими осями под углом, обеспечивающим пересечение пучков в камере синтеза, Кольцевые электронные пушки, расположенные соосно с атомными на их выходе, ионизируют атомы в начале их пути. Электрическое поле, создаваемое между пушками и специальными электродами, расположенными позади электронных пушек, обеспечивает ускорение ионов и их фокусировку перед зоной создания плазмы. Плазма создается облучением пучков ионов электронами из дополнительных электронных пушек. Для получения ядерных реакций синтеза плазма должна быть резонансной, т.е; ионы в ней должны (/) двигаться поступательно с определенной скоростью, 2 с,п,ф-ль, 1 ил,атуры все атомы смеси с тем, чтобы морореагировать ядра лишь некоторыхих. нПри таких способах сближения ядер превращают самые совершенные и дорогие виды энергии - магнитную, световую, энергию ускоренного пучка частиц - в самую несовершенную, тепловую.Известен метод с мюонным катализом ядерных реакций синтеза. Ядра сближают не за счет тепловой энергии, а под действием внутренних электрических сил притяжения, действующих между мю-мезонами и ядрами, кроме того, сближаются только те ядра, которые затем вступают в реакцию, поэтому отпадает необходимость нагревать все атомы. Мюоны в лаборатории получаютв реакции распада пионов на мюоны и мюонные анти-нейтрино: а пионы, в свою очередь, рождаются при столкновениях ускоренных протонов 600 - 800 МэВ) с ядрами атомов мишени.Попадая в смесь изотопов водорода мю-мезоны тормозятся в ней, образуя мезоатомы водорода рр, б,и, ср - и мезомолекулы рб,и, бб,и, б 1 р и т,д. Причем расстояния между ядрами в мезомолекулах оказываются равными 5 10 см, т.е. как раз такое, какое необходимо для начала интенсивной реакции синтеза ядер.Устройство включет в себя источник частиц - протонов, их ускоритель до энергии 600 - 800 ма В (синхроциклотрон), мишень, участок преобразования частиц - пространство дрейфа с давлением 10 мм Н 9, камеру-5синтеза, заполненную смесью изотопов водорода и окруженную теплоносителем.Недостатками способа и устройства с мюонным катализом являются сложность устройства вследствие того, что необходим ускоритель протонов на энергию 600 - 800 МэВ, а также очень сложна цепь превращений элементарных частиц, прежде чем наступит ядерная реакция, большая стоимость получения мюонов и потери мюонов в процессе превращения частиц.Цель изобретения - создание способа и устройства, позволяющего снизить энергетические затраты на подготовку ядерных реакций и упростить всю инженерную схему и роцесса.Поставленная цель достигается тем, что используются квантовомеханические свойства частиц, описываемые автоколебательной квантовой механикой, для чего формируют два пучка "холодных" (с энергией 0,01 эВ) атомов дейтерия и трития, ионизуют их пучками электронов, которые направляются встречно пучкам атомов, получающиеся ионы ускоряются до энергии порядка (13 - 14) эВ, далее ионы вновь облучают электронами до образования двух пучков нейтральной резонансной плазмы дейтерия и трития, затем пучки совмещаются и в области совмещения начинаются ядерные реакции синтеза.Таким образом, устройство, включающее камеру синтеза, систему подачи дейтерия и трития и средства для получения пучков электронов, отличается от схемы мюонного катализа ядерных реакций синтеза тем, что система подачи выполнена в виде двух пушек холодных атомов дейтерия и трития, расположенных под углом одна к другой так, чтобы продолжение их осей совместилось (пересеклось) в камере синтеза,Средства для получения пучков электро нов представляют собой соосные кольцевыепушки, расположенные у выходов пушек атомов дейтерия и трития, для формирования встречных к атомным пучкам электронных пучков, На участках до камеры синтеза 10 расположены дополнительные электронные пучки, дающие электроны для нейтрализации ионных пучков и создания плазмы.Между указанными источниками электронов размещены ускоряющие электроды, на 15 которые подан отрицательный потенциал13 - 14 В относительно атомных пушек,Во всех перечисленных способах получения синтеза легких ядер, кроме реакции мюонного катализа, не принимаются во 20 внимание квантовомеханические эффекты,обычная квантовая механика и не дает возможности разглядеть многие эффекты, так как с самого начала принципиально не рассматриваются возможности знать конкрет ные движения электронов в атомах, а даетсятолько вероятность их нахождения втой или иной точке пространства вокруг ядра,Новая возможность решения всей проблемы синтеза легких ядер в предлагаемом 30 устройстве вытекает из явлений, наблюдаемых в природе и в ряде опытов и объясняемых автоколебательной квантовой механикой (АКМ), Суть явлений, которые лежат в основе предлагаемого способа, за ключается в том, что ядро атома водорода(Р), движущееся классически прямолинейно и равномерно, совершает дополнительное колебательное движение, обусловленное особым квантовым полем, возбуждаемым 40 частицей и которое, в свою очередь, воздействует на частицу. Это квантовое поле описывается волновым уравнением45где Л - оператор Лапласа; р - волновая функция; 50 Ч - скорость частицы и скорость волны,возбуждаемой частицей,Движение частицы будет описыватьсявыражением55х = Чт+ зп 2 кюкв т = х+2 лщ Чгде х - истинная координата частицы; х = ЧвЧУк = -- частота колебаний частикв -цы и волны;- длины волны де Бройля;ЬП 1 Чи - постоянная Планка;в - масса частицы;Ч - скорость частицы;с - время.Скорость частицыЧ=Ч.+=Ч(1+соз 2 крквс);; = Ч соз 2 йю кв 1Для энергии такой свободной квантовой частицы мы должны писать выраженияЕ = - +.Чг в 72 2Т,е. здесь местопребывание добавочной энергии, связанной с квантовыми колебаниями, меняется от одного полупериода квантового колебания к другому: когда добавочная скорость имеет направление классической скорости Ч - энергия складывается с классической энергией частицы, когда добавочная скорость направлена против классической скорости - квантовая энергия вычитается из классической и уходит в окружающую среду (в эфир), В результате усреднения по времени получим обычное классическое равномерное прямолинейное движение.Так же, как существование волны де БройляД= получило подтверждение вйвЧявлении дифракции электронов, существов Чвание квантовых частот мкв - проявляет себя в некоторых являениях резонансного типа.Как показывает автоколебательная квантовая механика, электрон в основном состоянии атома водорода совершает колебания вдоль радиуса с частотой2 Е 1 4 л вееРн --3Е = 2 лгвеЕ 1=Ь-8оставаясь в среднем на расстоянии 10 смот протона, т.е,.численно это будет=6,54 10 Гц. Если заставить сам атомЧа = 3,63 10 см/с; % = 2,94 10 см/с;45 Чр = 5,1 10 см/с.6 вбЧг энергия частицы Поскольку вЧгпропорциональны частотам2воЧ вЧ1 д = и и, = - , то резонанснаяйэнергия для ядер дейтерия и трития будет такой же, как и для водорода, т.е. 13,6 эВ.На расстояниях порядка 10 см вступают в действие особые квантовые силы. Нейтроноподобные частицы бе и (е могут оказаться достаточно прочными и могут 50 и водорода двигаться со скоростью Ч =6 трЧг= 13,6 эВ), то частота колебаний прото 5в Чгна юр = -- будет совпадать с частотойколебаний электронов в атоме водорода.В этом случае имеет место резонансныйэффект, в результате которого правильноеквантовое колебательное движение электрона относительно протона прекращается,Электрон начинает двигаться беспорядоч+но. Получается фактически ион Н (илипротон) и электрон, не образующие квантово-механической системы. Это явлениеможно назвать самоионизацией атома водорода,При падении электрона на протон (кулоновское поле создает именно это движениепрежде всего) имеет место электромагнитное и неэлектромагнитное излучения, однако зто излучение не будет иметь квантовойприроды, т,е. не будет связано с вращательными моментами (речь идет все время обосновном состоянии атома водорода),На неэлектромагнитное излучение может расходоваться значительная часть изобщей потери энергии электрона, На малых-1 Орасстояниях электрона от протона (10 см)вступают вновь в действие квантовые силы,Это ведет к образованию нейтроноподобной частицы.Описанные явления имеют место нетолько для атомов водорода (1 Н), но и длядейтерия (1 О = 1 Н) и для трития (1 Т = 1 Н).Поскольку частота колебаний электрона вэтих атомах практически будеттакой же, каки в атоме водорода, то квантовая частота40 ядер о и с будет такой же, хотя скорости длярезонанса частоты будут другими;подпускать к себе свободные ядра б и 1 на расстояния, на которых действуют ядерные силы (10 см)(как с мюонами) и начинаются реакции ядерного синтеза с выделением энергии: б+ 1 -ф 2 Не+ и+17,6 МэВ; б+ б -фгНе+ и+3,27 МэВ; 0+ 6 +Т+ р+4,12 МэВ;Здесь по крайней мере одно из ядер б, т, является нейтроноподобным, т,е. с "прилипшим" к нему электроном, Другие ядра могут быть нормальными.Таким образом, в предлагаемом способе не нужны такие экзотические частицы, как мюоны, и соответственно все дорогие и сложные устройства, связанные с их получением.Вместо мюонов используются электроны ("свои" или захватывающиеся из плазмы), образующие вместе с ядрами своего рода нейтроноподобные частицы ре,деле, у которых электрон находится на расстояниях порядка 10 - 10 см.Для получения такого рода частиц необходимо получить достаточное количество атомов б,с при резонансной скорости, при которой разрушается закономерное квантовое движение электрона, имеющее место в основном состоянии атома водорода,На чертеже приведена схема устройства для осуществления способа.Устройство содержит дейтериевую 1 и тритиевую 2 атомные пушки для получения "холодных" атомов О и Т, электронные кольцевые пушки, электроды 5 и 6, которые подключены к(-)-полюсу источника чапряжения для создания электрического поля между электродами и атомными пушками, Эти электроды выполняют благодаря своей форме роль фокусирующих электродов для ионов, Устройство содержит также дополнительные электронные пушки 7 и 8 для нейтрализации ионных пучков; траектории 9 и 10 пучков дейтерия и трития, камеру 11 синтеза и рубашку 12 с теплоносителем.Цифрами 1, 11, 111 обозначены, соответственно: участок образования ионов дейтерия и трития, участок образования нейтральной плазмы, участок ядерных реакций синтеза,Атомные пушки 1 и 2 установлены под углом одна к другой так, что их оси пересекаются в камере 11 синтеза. Электронные кольцевые пушки 3 и 4 расположены у выхо 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 дов атомных пушек 1 и 2 соосно с последними. Электроды 5 и 6 подключены к источнику напряжения (не показан), создающему на них отрицательный относительно атомных пушек 1 и 2 потенциал в 13 - 14 В. На участке до камеры 11 синтеза перпендикулярно к осям атомных пушек размещены дополнительные электронные пушки 7 и 8,Пушки 1 и 2 располагаются рядом на расстоянии нескольких сантиметров с осями под углом 5 одна к другой с тем, чтобы пересечение пучков имело место в области реакции(Ш).Энергия атомов, получаемых от этих пушек не превышает 0,01 эВ, Соответственно разброс частиц по энергиям будет небольшой. Поскольку для резонансных эффектов мы должны иметь атомы с энергией 13,6 эВ, необходимо их ускорять, Для ускорения атомы необходимо прежде ионизировать, Электронные кольцевые пушки 3 и 4 создают трубчатые сходящиеся пучки электронов, которые ускоряются в электрическом поле между электродами 5 и 6 и атомными пушками 1 и 2 и ионизируют пучки атомов дейтерия и трития. Ионы трития и дейтерия ускоряются в этом же поле до энергии порядка 10 - 14 эВ, фокусируются благодаря форме электродов 5 и 6 и выходят через отверстия в электродах 5 и 6 на участок образования нейтральной плазмы.Поскольку электроны имеют массу массы б и 1, то разброс ионов по скоростям возрастает незначительно.Участок образования нейтральной плазмы. На этом участке целесообразно наложить фокусирующее продольное магнитное поле, Разогнав ионы до нужных скоростей, надо их превратить в нейтральные атомы, Но поскольку скорости б и 1 являются резонансными и устойчивых атомов получить в этом случае нельзя, то остается удовлетвориться созданием нейтральной резонансной плазмы. Плазма будет в этом случае как бы результатом самоионизации атомов, На этом участке ионы вновь облучают электронами с энергией до 14 эВ из пушек 7 и 8 в пропорции, соответствующей нейтральной плазме, Далее идет участок, на котором возможны ядерные реакции.Участок ядерных реакций (111). Длина этого участка 1 м. Резонансная плазма создает условия для "падения" электронов на ядра б и т. На расстояниях порядка 10 см вступают в действие вновь квантовые силы. Образуются нейтроноподобные частицы бе и те. Такие частицы могут подпускать к себе свободные ядра б и 1 на расстояния, на которых действуют ядерные силы (10 см)(как с мюонами) и начинаются реакции ядерного синтеза с выделением энергии; Такие пушки не представляют собой технических проблем. Электронные пушки, используемые в устройстве, также просты, источниками питания их могут служить даже простые батареи аккумуляторов,б+т -+ 2 Не+ и+17,7 МэВ; Э Аб+ 2 Не -+,Не+ и+ 18, 3 МэВ;3б+ б -ф 2 Не+.п+ 3,28 МэВ; Формула изобретения 3б+ б -1 Т+ р+4,12 МэВ. 10 Составитель Б,РодимовТехред Л.Моргентал Корректор О. Кравцова Редактор Н.Яцола Заказ 1820 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Кинетическая энергия гНе-частиц расходуется на нагревание стенок камеры 11 синтеза, которая окружается рубашкой с теплоносителем 12, Вдоль всего тракта (от 15 пушек до участка ядерной реакции) поддерживается вакуум.Предлагаемые способ и устройство получения ядерной энергии по сравнению с известными позволяют построить более 20 дешевый и простой ядерный реактор. Действительно в известных установках необходимо создавать сильные магнитные поля около десятков кГс, высокие электрические напряжения десятки-сотни кВ, сверхнизкие 25 температуры, токи порядка сотен ампер. Для создания таких параметров необходимы сложнейшие установки, потребляющие большие энергии. В предлагаемом способе требуются электрические напряжения всего 30 в 10 - 20 В, токи вА, естественно, что и энергетические затраты на осуществление способа будут значительно ниже. чем в известном способе,В предлагаемом устройстве самой 35 сложной частью являются атомные пушки. 1, Способ получения атомной энергии путем воздействия на дейтерий и тритий активирующими частицами, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения энергозатрат, формируют два пучка "холодных" атомов дейтерия и трития, ионизируют их электронами, ускоряют ионы дейтерия и трития до энергии 13 - 14 эВ, нейтрализуют ускоренные пучки ионов электронами и совмещают оба плазменных пучка в пространстве.2, Устройство для получения атомной энергии, содержащее камеру синтеза, систему подачи дейтерия и трития и средства для получения пучков электронов, о т л и ч аю щ е е с я тем, что его система подачи дейтерия и трития выполнена в виде двух пушек "холодных" атомов дейтерия и трития, установленных под углом одна к другой так, что их оси пересекаются в камере синтеза, а средства для получения пучков электронов представляют собой соосные кольцевые электронные пушки у выходов пушек атомов дейтерия и трития и дополнительные электронные пушки на участках до камеры синтеза, а междууказанными источниками электронов размещены ускоряющие электроды, на которые дан отрицательный потенциал 13 - 14 В относительно атомных пушек,