用于生成热和功率的离子束设备和方法

摘要

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。

说明书

技术领域

本公开涉及热和功率生成技术领域。

背景技术

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。

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

另一种方法是使用第10族金属，如镍或镍钯合金，有时与ZrO

第三种方法是使用第10族合金(如Ni-Pd-ZrO

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。

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。

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，该技术用于为直线加速器提供质子束。这项技术此前未用于富集用于冷聚变的靶，也没有用于产生热能或冷聚变。在引用的该论文中，绘制了离子束产生的热量，研究的目的是减少由于利用磁场扩散离子束而产生的热。

一旦利用离子束与靶的碰撞产生热，或者可选地通过与嵌入的核进行冷聚变，它可以直接用于加热例如水或碳氢化合物，产生的蒸气或蒸汽可以选择性地转换成电能。这种转换在现有技术中已得到一些讨论。例如，专利[CN206505727U]公开了一种控制系统，该系统使用蒸汽轮机来实现这一目的。这种方法的缺点是，它使用缪子/μ介子催化聚变来产生冷聚变，其附加了发电厂常用的常规蒸汽发电控制系统。缪子催化聚变在1947年首次提出[Frank,Nature.160(4048):525]。这种形式的冷聚变发生在氘核周围的电子被缪子——缪子比更靠近电子轨道的原子核重得多——取代之时，从而缩短了原子核之间的距离，增加了聚变反应发生的几率。缪子催化聚变有这样的缺点：缪子需要用大量的能量来产生，寿命很短，往往会粘在聚变的氦产物上，从而将自己从反应链中移除，而且通常似乎需要比它能产生的更多的输入功率。专利[DE19845223A1]公开了一种通过向蒸汽中注入结合/聚合元素来提高蒸汽机性能的方法，提高了发动机的功率。这并没有直接解决将外部可扩展聚变反应的热转化为电能的问题。与本发明更为相关的是Green,R.的专利[US8096787]，该专利公开了一种将蒸汽转化为动力以转动普通发电机从而产生电力的高效发动机。通过使用数字信号发生器，我们还包括了一个等效的交流发电机。这种类型的高效发动机将有助于最大限度地减小为其提供动力所需的发热装置的尺寸。Pritchard,E.在[US20060174613]中公开了这种装置的另一个例子。这些发动机是将热能转化为电能的潜在候选发动机，但比商用涡轮机复杂得多，后者应具有更长的使用寿命和更少的日常维护。关于将热转换为电能的所有现有技术的缺点是，不存在使用蒸汽涡轮机或发动机驱动发生器或发电机将来自产生离子束的低功率等离子体源的热转换为电能的现有技术。

在冷聚变实验中，通常使用靶来捕获金属晶格中的氢核或氘核。有实验证据表明，晶格结构的改变，例如通过在其形成过程中加入ZrO

发明内容

本公开涉及一种选择性地利用冷聚变产生/生成热能的设备和方法，其包括与在先实验相比的大量改进。在本公开中，冷聚变指的是改变反应原子核的核聚变反应，产生的热远远超过反应物的输入能量和已知的化学反应，比反应物的任何已知化学反应消耗更少的燃料来产生所述热，发生在相对较低的温度下(低于靶材料的熔点)，不会排放温室气体，也不会产生大量辐射或放射性副产物。

与大多数先例有共同之处，本公开的一个实施例在控制器的监督下产生热并可选地进行冷聚变反应以补充反应室中靶中的热，并将反应中产生的热传递给一组装置，这些装置可以直接将其用于多种应用中的加热。例如，用于加热水或进行空间加热，以及通过本领域技术人员熟知的方法进行发电/产生电能。与Yuki等人的方法(如上所述)一样，本公开的一个实施例将反应室保持在部分真空中，并与Neri等人的方法(如上所述)一样，提供一个也保持在部分真空中的附加等离子体室。在本公开中，部分真空指的是实际压力为6×10

本公开的实施例是对Yuki等人的方法(如上所述)的改进，因为本公开的实施例能从低功率低温等离子体中提取出更强的离子束。在使用“低功率”一词时，如果产生和加速束流的功率成本低于束流所能产生的热和/或功率，则该源可以被恰当地描述为低功率源。燃料箱是用来形成等离子体的原子源，连接在等离子体室上。利用带电电极的势能从等离子体室中提取的离子束将被这些电极加速，将电极的势能转换为离子的动能，然后这些离子将撞击反应室中的靶，从而在撞击时由于离子的动能而产生热。具有动能的离子撞击靶产生的热不需要冷聚变反应。因此，本公开的一个重要特征是能够通过动能产生热，这可以是足够的，以减少或消除通过冷聚变产生热。本公开的实施例可包括一种方法，其中控制器在任选地用冷聚变离子富集靶和/或任选地沉积可能已被束流烧蚀的附加靶材料之间反复交替，一旦实现了足够的富集和/或修复，并且对能量有需求，则使用离子束撞击选择性富集靶，并启动热并选择性地维持冷聚变。因为并不是所有进入等离子体室的燃料都会被捕获到等离子体中，而且一些撞击靶的离子不会产生核反应，而是会与施加在靶上的带有少量负电荷的电子重新结合成燃料气，对此另一个改进是，作为维持腔室真空度的副产品，从两个腔室收集多余的燃料气，并将其再循环到燃料箱和/或等离子体室中，以再次用作等离子体的燃料。

从等离子体中提取的离子的能量可以通过使用附加电极加速来增加，从而产生具有更高动能的离子。在医疗设备和物理研究的当前应用中，射频四极杆(Radio FrequencyQuadrupole，RFQ)被用于Neri等人的研究(如上所述)，但其需要高输入功率。为了克服这一障碍，建议还原Cockcroft和Walton早期设计的原始直线加速器，一旦电极充电，这种加速器可以以极低的输入功率成本提供高度加速的离子束[Cockcroft and Walton,Nature,Feb 13,1932]。使用这种设备，可以使用低功率电极将离子束加速到任何要求的水平，其仅受尺寸、重量的限制，并能保持足够低的能量，以避免离子与靶的碰撞产生不需要的辐射。

附图说明

本公开的示例性实施例以示例的方式在附图中示出，其中相同的附图标记表示相同或相似的元件。其中：

图1是一示例性设备的示意图，在该设备中可以部署本公开的实施例。

图2是一示例性设备的示意图，该设备能够显示靶用于富集、补给和产热的不同方面，其中，可选择性地由冷聚变补充产热。

图3是一示例性设备的示意图，该设备可将活性和非活性燃料组件分离，并回收多余的燃料组件以供再利用。

图4是一种控制选择性富集、产热模式和选择性冷聚变模式的方法的状态转换图的示例性实施例的示意图。

图5是一种用于当所需的热由撞击靶的离子束动能完全供应时控制产热和/或发电模式的方法的状态转换图的示例性实施例的示意图。

具体实施方式

在本节中，我们将提供本公开的优选实施例的详细说明，在少数情况下提及在某些应用中可能有用的替代方案。

优选的实施例可以按图1所示的示意图来部署。本公开的一个重要特征是本公开的实施例可以放大或缩小以适合实际应用，因此图1-3中没有标注比例。

参照图1，本公开的优选实施例包括控制器(101)，其用于选择性地利用冷聚变来管理产热。控制器接收来自整个设备中的各种传感器的输入，并控制启动、关闭、真空浓缩、燃料流量、等离子体产生、离子束提取、离子束速度和密度及聚焦、靶富集和靶内冷聚变，以及回收未使用的燃料组件以再次用作燃料、加热应用和发电，以及其他本领域技术人员熟知的范围。为了便于理解，图中仅在控制器与设备之间示出了少数的传感器，而没有示出连接关系(它们可以通过有线、光学连接或无线方式连接)，这是本领域技术人员容易理解的。深循环电池(117)可选地包括在优选实施例中，用于冷启动中设备的启动操作，之后控制器以能延长电池寿命的最佳方式保持电池电量，并以本领域技术人员已知的方式提供重启能力。由于发动机将长时间连续运行而不需要关闭或重启，因此可以由发动机提供的便携式电池为不经常的启动提供启动能量，从而无需可选的深循环电池(117)。

优选的实施例包括容纳靶(102)的反应室(103)。为了简洁起见，在本节的其余部分中，我们所说的“靶”是指当被离子束击中时产生热且选择性使用冷聚变产生额外热的靶。靶保持在负电位，以提供电子与离子束核结合，其中离子束核不会因冷聚变或与靶发生其他反应而消耗。在一个优选实施例中，在需要冷聚变时，靶是从通常由周期表的第10族元素组成的组中选择的金属或金属合金与惰性分子相结合，如ZrO

假设除了来自与靶撞击的离子束产生的热外，还需要冷聚变，优选实施例保留用于富集冷聚变靶和在箱/容器(109)中启动和维持冷聚变的燃料。在一个更复杂的实施例中，如果靶被离子束中的离子碰撞而烧蚀，可以提供一个额外的靶离子源对靶进行补充。对等离子体室的这种附加输入并未示出，但可以以类似于燃料箱/燃料室(109)的方式容易地设计并在需要时切换运行。在优选实施例中，燃料向等离子体室提供D

当需要时，控制器在等离子体室中维持低功率、低温等离子体(107)，并且在优选实施例中，该低功率、低温等离子体(107)由连接到等离子体室的低功率微波发生器(108)产生，如背景部分引用的直线加速器质子源的文献综述(Neri等人)。在此情形下，低功率一词意味着相对于装置能产生的功率而言是低的。

当需要用于进行靶富集、靶补充或者热及可选地冷聚变时，控制器激活至少一个(但通常是多个)电部件(电极)，以从等离子体中提取离子束，该电部件具有面向等离子体且中心有用于离子束(113)通过的孔的圆盘状前端，以及零个或多个圆盘状低功率和/或永久聚焦磁性组件(114)，其中心有用于离子束(113)通过的孔。为了简化附图，图1中只示出了组件(113，114)中的一个。但是在优选实施例中，如背景中引用的文章中Neri等人所讨论的并且为本领域技术人员所知的，每个组件都有多个以紧密地控制离子束的速度和焦点。在优选实施例中，多个低功率电极和永磁体彼此交错以获得最佳的离子束形状和速度，以撞击靶表面的期望部分。它们的数量和强度取决于离子束的能量需求。在优选实施例中，除了常规提取离子束外，还安装了附加的电极和磁体来进一步加速和聚焦离子束，以获得富集模式下有效地富集靶晶格所需的速度和焦点，在烧蚀后补充靶(如有)，通过与靶碰撞产生热，以及在选择性冷聚变模式中协助克服在晶格中富集的D

在优选实施例中，离子束与靶撞击和选择性冷聚变反应的热通过热交换器(105)传输到一组部件(104)，这些部件(104)可以直接利用热，例如加热水和/或空间加热器，以及/或者将热转化为电能。在优选实施例中，热交换器(105)是闪点锅炉，因为本公开具有热聚焦点，这与使用大型燃烧室中燃烧化石燃料或利用地热热源的传统能源锅炉截然不同。在优选实施例中，部件(104)是包括热交换器(105)的封闭系统，热交换器(105)包含液体(例如水)，但优选地，包含碳氢化合物(例如戊烷)，该碳氢化合物通过热转化为蒸气。为了清楚起见，我们应该说明，在使用“蒸气”一词时，我们指的是热交换器(105)中材料的气态，例如，如果换热器中的材料是水，则指水蒸汽，或者如果材料为戊烷，则为戊烷气体。在优选实施例中，在热交换器(105)中使用戊烷，因为戊烷沸点低，且不会形成液滴，从而延长涡轮机或蒸汽发动机的寿命。蒸气驱动蒸气驱动式发动机或涡轮机(118)。在优选实施例中，由于蒸气驱动式涡轮机结构简单，寿命长，我们将使用蒸气驱动式涡轮机，但其他合适的蒸气驱动式发动机也是可以的。蒸气驱动式涡轮机(118)驱动发生器或发电机(119)产生电力，然后用过的蒸汽在冷凝器(120)中冷凝回液态。

在优选实施例中，靶(102)和热交换器(105)的构造使得靶的部分可以等待富集或补充，而其他部分可以用于冷聚变，反之亦然。在优选实施例中，(102)的组合是所谓的“现场可更换单元”，以便可以以最小的努力对靶进行定期检查和/或更换。在优选实施例中，如本领域技术人员所知的，传感器可用于确定靶的一侧的富集程度。例如，在一个实施例中，传感器可以测量与其他侧绝缘的靶的一侧的电阻。另一个可替换的实施例是控制器简单地跟踪用于富集所花费的时间以及烧蚀和/或耗尽靶侧所花费的时间，并使用先前测量的靶的属性来确定何时需要补充一侧或者确定一侧何时完全富集或部分富集。图2是一个示例性设备的示意图，该设备能够显示用于富集、烧蚀置换以及冷聚变和/或动能产热的靶的替代侧。优选的实施例包括固定在此处示出的作为立方体目标物的靶(201)上的空心轴(202)，但是根据应用的不同，侧面也可以采用其他的几何形状。穿过靶的轴的部分由在热膨胀时与靶紧密匹配的材料组成。例如，如果是钯靶，热膨胀系数(在25℃)为11.8μm/(m·K)，其与铜基合金C46400(也称为海军黄铜)匹配良好。靶外部的轴(203)的其余部分优选由隔热材料构成。

固定在靶上的轴的端部连接到耐高温旋转接头(204)，该旋转接头允许靶按照控制器的指示转动以面对离子束。旋转接头的其他侧连接到通向热交换器(105)的固定空心轴(203)。齿轮(205)连接到固定到靶的轴的部分，以允许由步进电机或本领域技术人员熟知的类似部件驱动的蜗轮(未示出)使轴精确地转动。图2设备的另一种替代方法或与图2设备结合使用的功能(未示出)是垂直和/或水平移动靶以呈现靶的不同部分，用于选择性富集、选择性补给、碰撞产热和选择性冷聚变。只需要将靶移动略大于束流的直径的距离，就可以为任何模式呈现一个新的靶的表面。

图3是一个示例性设备的示意图，该设备能够保留由非活性组分和活性组分组成的液体燃料，这些组分可根据需要分为活性燃料和非活性副产品。在需要冷聚变的优选实施例中，燃料箱(301)最初主要包含D

在优选实施例中，箱(301)包括用于将活性组分与非活性组分隔离的腔室(302，304)。使用简单的电解，阴极(303)产生D

在运行期间，非活性燃料组分O

优选实施例包括一种用于引导控制器(101)活动的方法，以进行启动、利用燃料离子富集靶、启动和维持冷聚变、在不需要来自冷聚变的热时恢复到靶富集、在需要热时恢复到冷聚变，进入待机状态，以及关机。图4是假设使用了冷聚变时，控制这些状态的方法的状态转移图的示例性实施例的示意图。控制器(101)具有图4未示出的监视和控制的附加功能，本领域技术人员可以容易地理解这些功能。另外，如果不需要冷聚变，并且热仅通过离子束与靶的碰撞来提供和/或辅助热由运行部件提供，则本领域技术人员可以修改图4，而图5是示例性结果。同样，如果靶需要用离子束补充烧蚀损失的靶原子，则本领域技术人员也可以修改图4以适应这种情况。下面是一个简化的实施方案，在这个方案上可以引入许多改进，假设使用冷聚变来产生热，并且在这个过程中靶没有明显的烧蚀。我们在此处的目的是公开一个示例性实施例，该实施例将使本领域技术人员能够在实施本发明时进行任何修改，以适合本领域技术人员所要求的容易采用的应用。

在优选实施例中，在处于状态(401)中时，设备控制器(101)通过排放存储在收集室(306，307)中用于运输的惰性气体进行启动。当惰性气体被排出时，一些初始电解分别向收集室(306)和(307)填充活性和非活性燃料组件，一旦腔室充满到启动压力，控制器进入空闲状态(402)。除了可选的电池(117)(如果存在的话)可以为控制器、加热器(323)和本文未详细说明的任何其他关键部件供电以外，在这种状态下所有功能都被关闭。当打开本领域通用的启动开关时，设备进入状态(403)，其中电解重新开始并且活性燃料组分再次生成。一旦燃料是连续可用的，进入状态(404)，其中燃料流和离子束被设置为用离子富集靶。只要燃料在流动，腔室就主动地处于局部真空状态，任何未使用的燃料都会被回收再利用。当离子束准备好时，进入状态(405)，在该状态中呈现最低消耗、未完全富集的一侧对准/呈现于离子束。如果靶侧被束缚在耗尽状态，则需要执行一个中断指令，例如选择距离离子束最近的一侧。当通过计时或传感器确定该侧被富集后，如果不需要产热，则重新进入状态(405)，以向离子束呈现下一个最少消耗、未完全富集的一侧。

当所有侧均被完全富集，且不需要立即产热时，进入待机状态(406)。等离子体保持活性，但燃料只需缓缓流动就可以替换等离子体室失去的任何等离子体。根据需要来保持燃料的再循环，以在两个腔室中保持部分真空。为了在长时间内节省电池，控制器可以被配置成在操作员命令下或在待机状态下经过一定时间后自动进入空闲状态(402)。一旦需要产热，从待机状态(406)进入状态(407)。

再回到状态(405)，如果一侧富集并且急需产热，则推迟进一步的富集，并且该方法进入状态(407)。在该状态中，燃料流和离子束被调节以用于冷聚变。一旦离子束准备就绪，冷聚变就维持在状态(408)。如果在冷聚变期间控制器暂时检测到已经产生足够的热，重新进入状态(404)。另一方面，如果状态(408)一直持续到当前侧的富集耗尽(由传感器或计时确定)，则进入状态(409)，并且将下一个最少消耗的一侧对准离子束。假设至少一侧保留了一些富集，重新进入状态(408)。如果所有侧都耗尽，则通过重新进入状态(404)来越过状态(409)。

控制器能够对该方法进行各种各样的改进，这在具体的应用中可能是有用的。举例来说，当处于状态(405)时，可能希望在任何一侧完全富集之前过渡到状态(407)。这将取决于开始产生热的紧迫性，以及在需要进一步富集之前需要产热的时间长度。大量这样的细节最好留给具体应用，并且容易由本领域技术人员实现。

图5是当不需要冷聚变、因为加热和发电所需的所有热都由撞击靶的选择性加速离子束提供时，用于控制(101)设备的方法的状态转换图的示例性实施例的示意图。这显然是比图4简单得多的控制机制，因为它不需要维持冷聚变反应所需的许多特征。在优选实施例中，所有热都是由离子撞击靶的动能产生的，燃料可以是

在由与靶撞击的入射离子的动能提供热以及选择性地由运行部件提供辅助热的情况下，不再需要冷聚变，控制器(101)从空闲状态(501)开始。控制器(101)具有图5未示出的监视和控制的附加功能，本领域技术人员可以容易地提供这些功能。当启动开关接通时，控制器进入产生等离子体的待机状态(502)。当需要产热时，进入状态(503)，并通过激活所需数量的电极将束流调整到所需的热量。一旦离子束被调整，控制器进入状态(504)，其中离子束与靶撞击，产生所需的热量。如果发热量需要调整，重新进入状态(503)。如果不再需要更多的热，重新进入状态(502)。一旦关闭，控制器返回空闲状态(501)。可以向图5添加多种可能的改进，例如(添加)这样的状态——靶因入射的离子束而经历烧蚀，从而向靶补充靶离子，或者若在应用中需要，合并图4的各种元素以支持冷聚变。我们将这些改进留待本领域技术人员根据具体应用的需要添加。

图4和图5代表了可以在给定应用中实现的两种控制方式的极端情况。如上所述，在给定的实现方式中，由动能、辅助部件和冷聚变提供的热量是设计要点，实际上，在应用过程中可能会根据需要而变化。如果在给定的应用中需要综合的动能热、辅助部件热和冷聚变热，则优选实施方式中的燃料将为D

当在具体应用中使用了一些综合的运动离子束碰撞热、辅助热和冷聚变热，则实际控制区域将是图4和图5的某种组合，燃料可能是混合材料或变性材料，靶可能是混合材料或变性材料。由于这些组成部分可能有大量的组合，单独描述所有可能性是不可行的。对于本领域的任何技术人员而言，将立即意识到存在广泛的灵活性，然后他们可以根据具体应用对控制方式和材料进行最佳选择。本公开的一个明显益处是广泛的设计选择允许创建专门针对该应用而定制的设备。本公开的许多最重要的属性对所有可能的设计都是有益的。例如，所有实施方式都具有简化的机械设计的优点，该机械设计具有很少的运动部件，其中大多数是已知具有很长使用寿命的轴承。