Способ ядерного
разложения вещества и реактор для его осуществления
Изобретение относится к способам
получения энергии и ядерным реакторам и по этому признаку может соответствовать
индексу МПК G21C 5/00.
Изобретение содержит специальные электротехнические
устройства и по этому признаку может соответствовать индексу МПК H05H1/00 -
специальные области электротехники, не отнесенные к другим классам.
Известен способ получения энергии в
процессе деления ядер с помощью тепловых нейтронов [Кикоин И.К. и др.
Труды второй международной конференции по мирному использованию атомной энергии,
Женева, 1958, т. 2, с. 232,- М.: Атомиздат, 1959] включающий циркуляцию
делящегося вещества в газовой фазе в зоне и вне зоны деления, замедление и
диффузный возврат нейтронов
в зону деления, ввод делящегося вещества и преобразование выделившейся энергии,
вывод продуктов деления.
Известен способ получения энергии с ториевым топливным
циклом, реализуемым непосредственно на реакторе в процессе деления ядер на
тепловых нейтронах, включающий циркуляцию топливной
композиции в виде расплавов солей в зоне деления и вне ее, замедление и
диффузный возврат нейтронов в зону деления [Новиков В.М. и
др. Физика и техника ядерных реакторов, вып. 30, Жидкосолевые ЯЭУ: перспективы
и проблемы. -М.: Энергоатомиздат, 1990]. Способ включает подпитку делящегося
вещества, преобразование выделившейся энергии, а также вывод продуктов деления.
По патенту РФ № 2075116 известен способ получения
энергии в процессе управляемого деления ядер нейтронами, включающий
замедление и возврат тепловых нейтронов в зону деления, циркуляцию топливной
композиции, содержащей воспроизводящее вещество с изотопами образующихся
делящихся веществ через область быстрых нейтронов, область тепловых нейтронов
зоны деления и зону охлаждения, отличающийся тем, что проводят селектирование и
направленный возврат тепловых нейтронов в область тепловых нейтронов зоны деления,
циркуляцию топливной композиции осуществляют по двум контурам, причем один из
контуров проходит через область тепловых нейтронов и зону охлаждения, а
другой через область быстрых нейтронов и зону охлаждения, и вещество из
топливных композиций взаимообменивают. Реактор для осуществления этого способа содержит
замедляющее вещество топливную композицию в замкнутом контуре, проходящем через
зону охлаждения и зону деления с областью тепловых и областью быстрых нейтронов, отличающийся тем, что топливная композиция
размещена по крайней мере в двух контурах, причем один из них пересекает
область тепловых, а другой область быстрых нейтронов зоны
деления, и контуры соединены устройством взаимообмена их вещества, замедляющее
вещество выполнено в форме полого устройства формирования направленного потока
тепловых нейтронов, зона деления расположена в полости,
устройство содержит каналы формирования направленного потока нейтронов,
ориентированные только в направлении контура с топливной композицией пересекающего
область тепловых нейтронов зоны деления.
По патенту РФ №2176114 известен управляемый
источник ядерной энергии комбинированного типа совместного
использования реакций деления тяжелых атомных ядер и низкотемпературного ядерного
синтеза. Устройство, осуществляющее производство ядерной энергии путем
совместного использования ядерных реакций деления тяжелых атомных ядер и
низкотемпературного ядерного синтеза содержит ядерный реактор, разделенный на
две области, первая из которых предназначена для выполнения реакций деления
тяжелых атомных ядер, а вторая - для осуществления ядерных реакций
низкотемпературного ядерного синтеза, теплообменник, циркуляционные насосы,
турбогенератор, конденсатор, питательный насос, системы управления, системы
защиты, обслуживающие системы и генератор нейтронов,
отличающийся тем, что вторая область реактора для увеличения плотности потока нейтронов содержит генератор нейтронов,
использующий тяжелую воду, облучаемую гамма-лучами излучаемыми реагентом первой
и реагентом второй области и умножитель нейтронов, при этом
регулирование мощности производится с помощью притока и оттока тяжелой воды,
излучающей нейтроны, в активную зону реактора; во второй
зоне осуществляют ядерные реакции радиационного захвата нейтронов
и бета-минус распада.
Аналоги изобретения раскрыты в книге
Емельянов И.Я. и др. Конструирование ядерных реакторов. - М.: Энергоиздат,
1982, с.146-152, в патентах SU 1141908 A1, 19.06.1995. RU 2075116 C1,
10.03.1997. GB 20008838 A, 06.06.1979. US 3986924 A, 19.10.1976.
Для получения интенсивных пучков
нейтронов используют ядерные реакции деления тяжелых ядер, фотонейтронные и
испарения.
Исторически первыми интенсивными
источниками нейтронов были ядерные реакторы, в которых непрерывный поток
нейтронов генерировался в процессе самопроизвольного деления урана
(стационарные реакторы). Реакция деления происходит самопроизвольно в делящихся
веществах, например 235U, с выходом 23 нейтронов на акт деления. Ядерные
реакторы имеют ограничения для дальнейшего развития по получению более высоких
выведенных потоков нейтронов, обусловленные технологическими причинами,
связанными главным образом с отводом тепла. В этом смысле реакторы достигают
предела потока выведенных тепловых нейтронов для стационарных реакторов - 45.1015
н/см2с. Пульсирующий
реактор ИБР-2 в настоящее время имеет самый высокий в мире импульсный поток
тепловых нейтронов - 1016
н/см2с.
Фотонейтронная реакция происходит на
тормозном излучении быстрых электронов в тяжелой мишени, например вольфраме, с
выходом одного нейтрона на 20 электронов с энергией 100 МэВ и выделением
энергии 2000 МэВ/нейтрон. Известен импульсный источник нейтронов с
использованием линейного электронного ускорителя.
В
реакции испарения в тяжелой мишени рождается 40 каскадных и испарительных
(>85%) нейтронов на один релятивистский протон с энергией 1000 МэВ и
выделяется энергии около 50 МэВ/нейтрон. Таким образом, с точки зрения
производства нейтронов и отвода тепла с мишени, наиболее выгодной является
реакция испарения.
Известны источники нейтронов на базе
протонных ускорителей (испарительные источники) с непрерывным потоком
нейтронов. При этом протонный пучок может быть как непрерывным, так и
импульсным, но импульс имеет высокочастотную микроструктуру. Такие источники
нейтронов создают поток нейтронов плотностью 1014 н/см2с, что соответствует большинству современных
стационарных реакторов.
Известны бустерные системы, содержащие
ускоритель и размножающую мишень. Размножающая мишень представляет собой мишень
из тяжелого металла, помещенную в подкритическую сборку. Фотоядерные нейтроны
инициируют цепную реакцию в сборке, что приводит к увеличению потока нейтронов
в 10-30 раз. Цепная реакция в подкритической сборке идет только при работающем
ускорителе, в этом принципиальное отличие такой системы от реактора.
Конструкция источников
нейтронов описана в литературе Бак М.А., Шиманская Н.С. Нейтронные источники.
М.: Атомиздат, 1969, С.82., Вертебный В.П. Исследование нейтронных резонансов
атомных ядер на стационарных ядерных реакторах. Труды IY Международной школы по
нейтронной физике. 8 - 18 июня 1982 Дубна, 1982, с.74-77. Бекурц К., Виртц К.
Нейтронная физика. М.: Атомиздат, 1968, с.34-35., Кирьянов Г.П. Ядернофизические методы анализа
вещества. М.: Атомиздат, 1971, с.279-287. 2. Авторское свидетельство СССР N
766048, кл. G 21G 4/02, 1979., патенты РФ № 893114, 1762667, 2052849, 2054717 и др.
Прототип
Наиболее близким к заявляемому
изобретению можно считать изобретение по патенту США № 20040017874 «Modulated
quantum neutron fusion» (January 29, 2004 Kind Code, A1, Gray, Matthew William) «Модулированное квантовое нейтронное
слияние». В соответствии с патентом производят нейтроны путем возбуждения электронов
водорода, а затем, используя
свойства распада нейтронов, формируют ядра гелия из четырех нейтронов и атомов
водорода. Процесс возбуждения водородных электронов осуществляют
высокочастотным способом, с использованием энергии света, или других комплексных
средств.
Недостатком прототипа является то,
что образование нейтронов невозможно осуществить путем возбуждения атомов
водорода никакими средствами, так как при возбуждении атома водорода его электрон
все дальше отдаляется от ядра, а его энергия возрастает настолько, что его
превращение в нейтрон становится
невозможным.
Целью настоящего изобретения является
осуществление возможности ядерного разложения вещества, путем синтеза нейтронов
из протонов вещества. Другой целью изобретения является создание всеядного
источника энергии, способного разлагать любые вещества и получать из них
энергию.
Цель изобретения достигается путем
создания благоприятных условий для электронного захвата протонами разлагаемого
вещества электронов с внутренних орбит за счет электронного захвата и
превращения их в нейтроны, последовательного распада ядер вещества
образующегося в результате электронного захвата, и получения на этой основе
энергии, заключенной в структуре разлагаемых ядер вещества.
Протон и нейтрон весьма похожи. Они обладают
спином и магнитным моментом. Протон лишен четкой границы. Плотность заряда в
протоне плавно убывает по экспоненциальной зависимости p(r) = p(0)exp(-r/a), где
p(0)
= 3 е/Фм3, a = 0.23 Фм. Среднее от квадрата радиуса протона равно 0.62Фм
(Фм =10-15 м). Размер протона соответственно ~0.8 Фм. Размер
нейтрона приблизительно такой же. В нейтроне центральная часть (r <
0.7 Фм) заряжена положительно, периферийная часть - отрицательно. Т.е. нейтрон
"намагничен" - имеет магнитный момент, однако усредненный по объему
электрический заряд нейтрона равен нулю. Экспериментальные данные
свидетельствуют о том, что нуклон имеет сложную внутреннюю структуру.
Существует мнение, что протон и нейтрон это различные состояния нуклона.
Поэтому возможно и наблюдается экспериментально превращение протона в нейтрон,
а нейтрона в протон.
Превращение протона в нейтрон
возможно в ядерной реакции,
называемой электронным захватом. Электронный захват, вид радиоактивного распада
ядер, при котором ядро захватывает электрон с одной из внутренних оболочек
атома (К, L, М и др.) и одновременно испускает нейтрино. При этом ядро с
массовым числом A и атомным номером Z превращается в ядро с тем же массовым
числом A, но с номером Z, меньшим на единицу: ZXA
+ е- >>> Z-1YA + νe.
Образовавшуюся вакансию в электронной оболочке атома заполняют электроны с
других оболочек, в результате чего испускается квант характеристического
рентгеновского излучения атома Z-1YA или
соответствующий электрон (Оже-электрон).
Электронный захват возможен, если масса
(в единицах энергии) атома ZXA больше массы атома Z-1YA
на величину, большую энергии связи захватываемого электрона. Если это
превышение больше, чем 2mc2 = 1,02 МэВ (m-масса покоя электрона,
с-скорость света), то с электронным захватом начинает конкурировать b+-распад.
По современным представлениям тяжелые
элементы образуются в реакциях захвата нейтронов. Различают быстрый (r) и
медленный (s) процессы захвата нейтронов (от английских слов rapid и slow). Эти
два механизма различаются отношением скорости захвата нейтронов к скорости
распада. При медленном захвате в цепочку процессов образования тяжелых
элементов будут вовлечены только стабильные и
радиоактивные ядра с большими периодами полураспада. Нейтроны добавляются
к ядрам последовательно. При этом могут образоваться только сравнительно
устойчивые ядра. Ядра с малыми периодами полураспада исчезают раньше, чем они
успевают захватить следующий нейтрон. По современным представлениям примерно
половина наблюдаемого количества элементов с A > 60 образуется в результате
s-процесса звездах типа «красный карлик». При быстром распаде эти ограничения
не действуют. Возможно последовательное образование ядер с любым количеством
нейтронов.
Захват нейтронов может привести не только
к образованию, но и к делению ядра атома.
Поглощение нейтрона способно привести к
делению практически любого ядра, однако для подавляющего большинства элементов
реакция деления возможна только в случае, если нейтрон до поглощения его ядром
обладал энергией, превышающей некоторое пороговое значение.
Следовательно, при электронном захвате,
количество нейтронов в ядре возрастает. Если проанализировать таблицу изотопов,
то можно заметить, что с ростом порядкового номера элемента количество
нейтронов в ядрах вначале равно, а затем постепенно превышает количество
протонов. В тяжелых ядрах количество нейтронов может превышать количество
протонов в 1.5 раза. В ядре урана-238 на
146 нейтронов имеется всего 92 протона.
Это наводит на мысль о том, что нейтроны
в ядре атома выполняют двоякую роль: с одной стороны они экранируют или
ослабляют электрические поля протонов, а с другой удерживают их в едином ядре.
Чем больше в ядре протонов, тем больше требуется нейтронов, для того чтобы
нейтрализовать их электростатическое отталкивание. Когда количество нейтронов
превышает определенный предел, ядро становится неустойчивым и распадается.
Поэтому если в результате электронного захвата количество протонов в ядре будет
уменьшаться, то рано или поздно ядро распадется.
Этот принцип используется в заявляемом изобретении для
осуществления реакции ядерного разложения вещества.
Для того чтобы эффективно превращать протоны
в нейтроны, необходимо создать условия, в которых внешнее электростатическое
давление на электрон оказывается настолько сильным, что он преодолевает
центробежные силы при движении на
внешней орбите вокруг протона (в классической модели) и переходит на внутреннюю
орбиту, чрезвычайно близкую к протону. В
результате перехода система протон-электрон превращается в нейтрон. Такие
условия можно создать в объемном заряде с высокой концентрацией электронов.
Получение объемного заряда высокой
плотности можно осуществить путем создания вращающегося кольца электронов и
постепенного увеличения его плотности путем принудительной эмиссии в него
дополнительных электронов. При попадании
в это кольцо атома вещества, он оказывается в среде с очень сильным внешним
электрическим полем и интенсивным движением электронов вокруг этого атома.
Естественно, что если скорость электронов в кольце будет близка световой, а скорость
атома будет мала, то атом будет интенсивно бомбардироваться потоком электронов.
При этом собственные электроны атома будут либо вбиты внутрь ядра или протонов
ударами внешних электронов кольца, либо сорваны со своих орбит. Ядро,
постепенно разгоняясь, будет непрерывно обстреливаться электронами кольца.
Вместо сорванных электронов, протоны будут захватывать те электроны из кольца,
траектория которых очень близко проходит мимо них. При этом сила притяжения
ближайших электронов к протонам будет складываться с силой действия внешнего
электрического поля, также направленного к протону. В условиях высокой
плотности электронов в объемном заряде и многократных соударений, процесс
электронного захвата должен иметь очень высокую вероятность. Поэтому протоны ядра
должны интенсивно превращаться в нейтроны. В результате процесса ядро станет
нестабильным и будет разрушено действием потока электронов или гамма-квантов,
которые будут образовываться в ряде сопутствующих процессов.
Разрушение ядра может идти до альфа-частиц
или полностью до нейтронов. При этом в процессе многостадийного деления ядер
будет выделяться большое количество энергии. Например, при разложении углерода
до нейтронов может выделиться 73,44 Мэв энергии, а железа до 492,26 Мэв. Это
исключительно большая энергия, которая превосходит энергию синтеза в десятки и
сотни раз.
Нейтроны, образующиеся в процессе
разложения ядер можно использовать для осуществления управляемых реакций
деления или синтеза в реакторах подкритического типа, работающих только при облучении
их потоком нейтронов. Это позволит еще больше увеличить выход энергии.
Конечно, для эмиссии и разгона электронов, а также для удержания
кольца в устройстве потребуется определенная энергия. Например, для разгона
электрона до субсветовой скорости потребуется от 1 до 10 Мэв. Для разложения
атома железа может потребоваться до 30
электронов, а с учетом потерь и еще больше. Это может соответствовать потерям
энергии от 30 до 400 Мэв. Но разница все равно остается достаточно большой, чтобы можно было
использовать этот процесс для получения энергии и нейтронов.
Получение объемного заряда высокой
плотности можно осуществить путем создания вращающегося кольца электронов. Устройства, создающие потоки электронов,
движущихся по круговым орбитам, существуют. Это различного рода циклические
ускорители электронов и магнетроны.
Циклические ускорители конструктивно приспособлены для разгона потока
электронов малой плотности. Принцип образования вращающегося кольца электронов
большой плотности реализован в магнетронах. Имеется опыт создания магнетронов
мощностью до 5-х мегаватт в импульсе и до 120-150 квт. в постоянном режиме
излучения.
Термин «магнетрон» был введён
американским физиком А. Халлом (A. Hull)
в 1921году. Генерирование электромагнитных колебаний посредством
магнетрона впервые открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек.
Задача увеличения выходной мощности генерируемых колебаний была решена в
1936—1937 советскими инженерами Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым. Они
увеличили мощность магнетрона на 2 порядка, применив в качестве анода массивный
медный блок, содержащий ряд резонаторов. В магнетронах применяют катод, имеющий
форму полого цилиндра, внутри которого располагается подогреватель.
Катодно-анодный блок размещен между полюсами электромагнита. В магнетроне на
электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком, действуют
3 поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле и
электрическое поле СВЧ (резонаторной системы). При перемещении электронов в
радиальном направлении (от катода к аноду) энергия источника анодного
напряжения преобразуется в кинетическую энергию электронов. Под влиянием
постоянного магнитного поля, направленного по оси катода (перпендикулярно
постоянному электрическому полю), электроны изменяют направление движения: их
радиальная скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной. За
счет этого происходит образование вращающегося облака электронов.
Из релятивистской
теории поля известно, что при скоростях движения заряженных частиц,
приближающимся к световым, напряженность
их собственного поля в направлении
параллельном направлению движения напряженность поля уменьшается по зависимости
ЕII
= e(1-V2/C2)/R2. (Л.Д. Ландау,
Е.М. Лившиц Теория поля, М., Главная ред. физ-мат. литературы, 1988 г.). «Можно
сказать наглядно, что электрическое поле движущегося заряда как бы сплющивается
по направлению движения». И далее «...Электрическое поле быстро движущегося
заряда, на заданном расстоянии от него, заметно отлично от нуля лишь в узком
интервале углов вблизи экваториальной плоскости… (стр. 129-130)». В
быстровращающемся кольце электронов их поля как бы сплющиваются в диски, а это
позволяет избежать взаимного электростатического отталкивания электронов во
вращающихся электронных структурах и достичь высокой плотности потока
электронов в них в направлении движения электронов. Аналогичная зависимость приводится для поля,
перпендикулярного к скорости электрона. Она имеет вид Еn=e/(1- V2/C2)0,5R2. Особенность этих формул в том, что при подстановке
реально получаемых значений скорости электрона в атоме, (а там получается V>>C, хотя в физике
этот факт не афишируется) напряженность поля ЕII меняет знак, а напряженность Еn становится комплексной величиной! Это говорит о том, что мы очень мало
знаем о процессах, которые происходят с электронами, движущимися по круговым
траекториям с критическими и может быть даже со сверхсветовыми скоростями.
Возникающее
собственное магнитное поле кольца при высокой плотности приводит к
возникновению пинч-эффекта (см. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы, 3.
изд. М. 1969 г.), которое сжимает тело электронного кольца в радиальном
направлении. В упорядоченных электронных кольцевых структурах существующих в
вакууме, в пинчах не действует соотношение Беннета, так как там нет плазмы и
хаотического движения частиц, есть только упорядоченное. Это позволяет
обеспечить очень высокие плотности потока электронов, сопоставимые и даже
превышающие плотности электронов в металлах.
Сущность способа
В отличие от известных способов ядерного
разложения вещества путем бомбардировки атомов вещества потоком электронов, заявляемый
способ имеет следующие отличия:
1. По пункту 1 формулы изобретения:
1. Создают вращающееся кольцо
электронов
2. Подают на кольцо или в
кольцо электронов разлагаемое вещество
3. Разлагаемое вещество подают в газообразном или диспергированном
виде или в виде плазмы или в виде положительно заряженных ионов
4. Полученные в результате
электронного захвата нейтроны отводят из зоны реакции
5. Продукты деления или промежуточного
синтеза и не прореагировавшее вещество вновь возвращают в кольцо.
Все признаки, перечисленные в п.1 являются новыми, они и их совокупность ранее
не применялись для ядерного разложения вещества или деления или синтеза или
иного получения энергии.
2. По зависимому пункту 2 формулы
способ отличается следующим признаком «Нейтроны
направляют на устройство содержащее замедлитель нейтронов, например, тяжелую
воду, или делящееся вещество или
вещество, способное к термоядерному синтезу под действием потока
нейтронов, или состав, содержащий смесь вышеперечисленных веществ, охлаждая которые получают энергию».
Этот признак известен и используется в ядреных реакторах.
Однако как зависимый признак для способа по п.1 он является новым.
3. По зависимому пункту 3 формулы
способ отличается следующими признаками.
Вращающееся кольцо электронов создают
следующим путем:
1. В герметичной камере эмитируют заряженные
частицы.
2. Разгоняют заряженные частицы с помощью
электронных пушек или иным способом.
3. Направляют заряженные частицы со
стороны внешней окружности камеры
радиально или тангенциально к центру.
4. Внутри камеры создают отклоняющее
магнитное поле, сконфигурированное и ориентированное так, чтобы оно закручивало
заряженные частицы по спирали или по окружности и удерживало вращающееся кольцо
заряженных частиц внутри камеры.
5. Внутри камеры создают или не создают
радиальное электрическое поле, дополнительно ускоряющее заряженные частицы и
удерживающее кольцо заряженных частиц внутри камеры.
Признаки 1, 2, 4 и 5 известны и
используются в магнетронах и ускорителях заряженных частиц. Однако для цели ядерного
разложения вещества они используются впервые. Пункт 3 является новым.
Совокупность признаков и порядок выполнения действий по ним являются новыми и
дают эффект образования кольца заряженных частиц, в данном случае, конкретно,
электронов.
4. По зависимому пункту 2 формулы
способ отличается следующими признаками.
Количество разлагаемого вещества, выход
нейтронов и количество получаемой энергии
изменяют путем:
1.Изменения количества
разлагаемого вещества, подаваемого на кольцо электронов.
2. Изменения:
- скорости вращения кольца
электронов,
- плотности
кольца электронов,
- размеров кольца электронов,
которые в свою очередь
осуществляют путем изменения:
- напряженности
отклоняющего магнитного поля,
- напряженности
радиального электрического поля,
- скорости
и плотности потока электронов
- угла
направления подлета потоков к
вращающемуся кольцу электронов
3. Изменяют или один или
несколько параметров сразу.
По зависимому пункту 4 формулы все
признаки являются новыми, они и их
совокупность ранее не применялась для ядерного разложения вещества. Новая
последовательность действий позволяет управлять процессом ядерного разложения.
Сущность устройства
Реактор для осуществления способа по п.1,
содержащий корпус, внутри которого размещена герметичная камера цилиндрической,
конусовидной, эллисоидной или иной формы, отличается следующими признаками:
Признак 3 известен из устройства
магнетронов, но в реакторах не применялся. Признаки 1, 2, 4 и 5 являются
новыми. Совокупность признаков 1-5 является новой и дает технический эффект,
заключающийся в осуществлении способа по п.1, создании кольца заряженных частиц,
использующегося для ядерного разложения вещества.
По пункту 6 формулы реактор отличается
следующими признаками:
1. Отклоняющие соленоиды (катушки,
электромагниты) имеют цилиндрическую или коническую или иную форму
2. Отклоняющие соленоиды установлены на
торцевых сторонах камеры сверху и снизу и подключены к источнику питания так,
чтобы полюс магнитного поля верхнего соленоида (катушки, электромагнита)
обращенный к кольцу заряженных частиц был противоположен верхнему полюсу
нижнего соленоида (катушки, электромагнита) также обращенного к кольцу
заряженных частиц.
Признаки 1 и 2 зависимого пункта 6 в
принципе известны, но в реакторах для осуществления способа по п.1 не
применялись. Совокупность признаков является новой.
По пункту 7 формулы реактор отличается
следующими признаками:
1. Удерживающие и фокусирующие соленоиды (катушки,
электромагниты) установлены на верхней и
нижней торцевой поверхности камеры напротив кольца заряженных частиц
2. Удерживающие и фокусирующие соленоиды (катушки,
электромагниты) установлены с
возможностью взаимного перекрытия или без него
3. Удерживающие и фокусирующие соленоиды (катушки,
электромагниты) подключены к источнику питания так, чтобы их поля, направленные
на вращающееся кольцо заряженных частиц,
создавали силу отталкивания или притяжения в зависимости от управляющих
сигналов системы управления
4. Удерживающие и фокусирующие соленоиды (катушки,
электромагниты) подключены к источнику питания так, чтобы их поля, направленные
на вращающееся кольцо заряженных частиц,
создавали либо бегущее, либо изменяющееся магнитное поле.
Все признаки этого пункта и их
совокупность являются новыми и дают эффект, заключающийся в возможности
управления
По пункту 8 формулы реактор отличается
следующими признаками:
2.1. Камера имеет внутреннюю оболочку в виде
резервуара охватывающего внутреннюю поверхность камеры
2.2. Камера может быть заполнена рабочим
веществом:
- замедлителем нейтронов,
например, тяжелой водой;
- делящимся веществом;
- веществом, способным к
термоядерному синтезу под действием потока нейтронов, например, литий или его соединения;
- составом, содержащим смесь
вышеперечисленных веществ.
Признаки 1-4 зависимого пункта 8 в
принципе известны, но в реакторах для осуществления способа по п.1 не
применялись. Совокупность признаков является новой.
Зависимый признак по пункту 9 «Реактор по
п.5 отличающийся тем, что внутренняя
оболочка камеры выполнена в виде кольцевого трубопровода из материала
прозрачного для нейтронов» для реакторов по п.5 является новым.
Зависимый признак по пункту 10 «Реактор
по п.5 отличающийся тем, что обмотка
отклоняющих и (или) фокусирующих соленоидов выполнена из труб, по которым
циркулирует рабочее вещество, и соединенными
с устройствами для подачи рабочего вещества и выделения
прореагировавшего или ядерно-модифицированного вещества, тепловой или
электрической энергии» для реакторов по п.5 является новым.
По зависимому признаку по пункту 11
1.Камера реактора и ее
соленоиды окружены ферромагнитным экраном,
1.1. - выполненным из ферромагнитного металла
1.2. - выполненным из ферромагнитной керамики
1.3.- выполненным из ферромагнитного пластика
2. Камера и соленоиды окружены биологическим
защитным экраном, поглощающим электромагнитное излучение и иное вредное для здоровья излучение.
Пункты 1 и 2 в принципе известны, но для реакторов
по п.5 применяются впервые, т.е являются новыми.
Признак по пункту 12 «Соленоиды (катушки,
электромагниты) полностью или частично выполнены из сверхпроводящих материалов
и (или) легких проводящих металлов или сплавов» для реакторов по п.5 является
новым.
На фиг. 1 показано устройство реактора для осуществления ядерного разложения
вещества.
На фиг.2. показан вид сверху рабочей камеры
реактора по фиг.1. с кольцом электронов.
На фиг.3 показаны отклоняющие катушки реактора
На фиг.4 показаны удерживающие и
фокусирующие катушки реактора, а) все катушки в сборе, в) одна катушка, с) две
катушки, наложенные со смещением.
Устройства, показанные на фиг.1-4 состоят
из герметичной кольцевой камеры 1, внутри которой имеется внутренняя
оболочка-резервуар 2 с рабочим веществом.
Внутри камеры 1 поддерживается вакуум. В верхней и нижней части камеры 1 установлены
отклоняющие катушки 3, закрытые сверху
биологической защитой в виде магнитопровода и экрана электромагнитных излучений (ЭМИ) 4. Фокусирующие
и удерживающие катушки 5 размещены над отклоняющими катушками 3.
На фигурах 1 и 2 центральный электрод 6
выполняет функции анода и расположен в центре кольцевой камеры 1. Источники и
ускорители электронов в виде электронных пушек накачки 7 размещены на внешней
окружности кольцевой камеры 1.
Облако электронов 8, возникает при работе
установки между центральным электродом 6 и кольцевым электродом 9. На фигурах
графического изображения также показаны: траектория электронов 11 в электронном облаке
(или кольце) 8, направление
электрического поля 12, устройство подачи разлагаемого вещества 13, устройства
подачи рабочего вещества, выделения прореагировавшего вещества, тепловой или
электрической энергии 14.
Способ и устройство, для осуществления
способа целесообразно описывать совместно.
Способ осуществляется, а устройство
работает следующим образом. На отклоняющие катушки 3 подается ток, создающий
магнитное поле внутри камеры 1 (на рисунке направленное по вертикальной оси реактора).
Катушки расположены под углом к оси реактора, создавая магнитное поле,
напряженность которого уменьшается по мере приближения к центру реактора.
Источники электронов 7, например, в виде
мощных электронных пушек, эмитируют и разгоняют электроны и направляют их к
центру камеры 1 радиально или
тангенциально. Разгон электронов осуществляется в два этапа. Генерирование
потока и предварительный разгон электронов осуществляется с помощью электронных
пушек 7, а последующий разгон с помощью радиального электрического поля в
цилиндрической камере 1, в центре которой размещен положительно заряженный
электрод 6, а по окружности отрицательно заряженный кольцевой электрод 9. Магнитное
поле, созданное отклоняющими катушками 3 закручивает электроны вокруг
центрального электрода 6. В этих
условиях электроны должны двигаться по спиральной траектории 13.
Затем, соотношение между напряженностью
магнитного и электрического полей и положительным напряжением на центральном
электроде 6 устанавливают таким, чтобы образовалось электронное кольцо растущей
плотности. Т.е. электроны не должны достигать анода 6, а должны вращаться по
кольцевой траектории, создавая электронное кольцо 8. При правильно подобранном
режиме, кольцо 8 будет экранировать отрицательное поле электрода 9,
отталкиваясь от него и сжимаясь к центру. Поэтому эмитируемые электроны должны
быть достаточно ускорены, чтобы преодолеть сопротивление электронного кольца и влетать
в него при росте концентрации электронов
в нем. Дополнительное сжатие кольца осуществляет конфигурация магнитного
поля катушек 3, напряженность которого должна уменьшаться по мере приближения к
центру реактора. При движении электронов по кольцу центробежная сила,
действующая на них, будет стремиться преодолеть действие магнитного и
электрического полей. Она отбрасывает электроны от центрального электрода и
заставляет их двигаться по круговым орбитам.
При достижении определенного порогового
значения плотности заряда, магнитное поле электронного кольца должно стать
настолько сильным, чтобы возник пинч-эффект (сужение разряда). Магнитному
сжатию кольца токового канала кольца будут препятствовать силы
электростатического отталкивания электронов, поэтому важно на начальном этапе
формирования кольца обеспечить его сжатие внешним магнитным и электрическим полями. При достижении
пинч-эффекта в кольце оно должно стать стабильным. Если этот эффект не будет
получен, то существование электронного кольца необходимо будет поддерживать,
подпитывая его электронами из пушек 7.
Такая конструкция будет полностью
имитировать процесс вращения электронов по орбите простейшего атома. Электроны
притягиваются электрическим полем центрального положительно заряженного электрода,
но не могут упасть на него, так как их скорость такова, что центробежные силы
удерживают электроны на стационарной орбите. Так как электроны при движении по
стационарным квантованным круговым орбитам не излучают электромагнитной
энергии, то кольцо должно быть стабильным, а энергия будет расходоваться только
на его формирование. Электроны кольца через некоторое время работы устройства
расположатся по квантованным орбитам и перестанут излучать.
Чтобы удержать кольцо в центре камеры
используются фокусирующие и удерживающие электромагнитные катушки 5, создающие
магнитное поле, которое будет отталкивать кольцо электронов 8 в нужном
направлении. Учитывая, что кольцо электронов 8 будет обладать мощным
гироскопическим эффектом, управляющие катушки должны быть расположены с
взаимным перекрытием (см. фиг. 4 а, b и c)
так, чтобы можно было создавать управляющее магнитное поле бегущее вдоль окружности кольца с
частотой его прецессии. Управляя бегущим
магнитным полем катушек 5, можно будет
осуществить ориентацию кольца в нужном положении и удерживать его в камере.
После разгона кольца и накачки его
электронами до нужной плотности с помощью электронных пушек накачки 7,
используя устройства 13, осуществляют подачу в камеру разлагаемого вещества,
возврат непрореагировавшего вещества в кольцо и удаление продуктов реакции.
Естественно, что если скорость
электронов в кольце будет близка световой, а скорость атома будет мала, то
атомы разлагаемого вещества будут интенсивно бомбардироваться потоком
электронов. При этом собственные электроны атома будут либо вбиты внутрь ядра
или протонов ударами внешних электронов кольца, либо сорваны со своих орбит.
Ядро, постепенно разгоняясь, будет непрерывно обстреливаться электронами
кольца. Вместо сорванных электронов, протоны разлагаемого ядра будут
захватывать те электроны из кольца, траектория которых очень близко проходит
мимо них. При этом сила притяжения ближайших электронов к протонам будет
складываться с силой действия внешнего электрического поля, также направленного
к протону. В условиях высокой плотности электронов в объемном заряде и
многократных соударений, процесс электронного захвата должен иметь очень
высокую вероятность. Поэтому протоны ядра должны интенсивно превращаться в
нейтроны. В результате процесса ядро станет нестабильным и будет разрушено
действием потока электронов или гамма-квантов, которые будут образовываться в
ряде сопутствующих процессов.
Разрушение ядра может идти до
альфа-частиц или полностью до нейтронов. При этом в процессе многостадийного
деления ядер будет выделяться большое количество энергии. Например, при
разложении углерода до нейтронов может выделиться 73,44 Мэв энергии, а железа
до 492,26 Мэв. Это исключительно большая энергия, которая превосходит энергию
синтеза в десятки и сотни раз.
Нейтроны, образующиеся в процессе
разложения ядер используются устройством для осуществления управляемых реакций
деления или синтеза во внутренней оболочке-резервуаре 2, заполненном рабочим
веществом. Если рабочее вещество только замедляет нейтроны, например, тяжелая
вода, то энергия нейтронов превращается в тепловую энергию и может
использоваться с помощью устройств 14.
Если рабочее вещество способно
делиться, то получится реактор подкритического типа, работающий только при
облучении оболочки-резервуара потоком нейтронов. В этом случае можно будет
получать дополнительно энергию от деления рабочего вещества.
Если рабочее вещество представляет
собой литий или его соединения или иные вещества способные к реакциям синтеза
под действием потока нейтронов, то получится реактор, использующий энергию
синтеза.
Продукты распада, деления, синтеза и
тепловая энергия, образующиеся в разных вариантах конструкции реактора,
выделяются с помощью устройства 14, осуществляющего циркуляцию рабочего
вещества во внутренней оболочке-резервуаре 2.
Конечно, для эмиссии и разгона электронов, а также для удержания
кольца в устройстве потребуется определенная энергия. Например, для разгона
электрона до субсветовой скорости потребуется от 1 до 10 Мэв. Для разложения
атома железа может потребоваться до 30
электронов, а с учетом потерь и еще больше. Это может соответствовать потерям
энергии от 30 до 400 Мэв. Но разница все равно
остается достаточно большой, чтобы можно было использовать этот процесс
для получения энергии и нейтронов.
Преимуществом заявляемого изобретения
является возможность осуществлять ядерное разложение любых веществ. Топливом
для заявляемого реактора могут служить любые известные вещества, в том числе
радиоактивные отходы, отравляющие вещества, токсичные и вредные соединения. Другим
преимуществом способа и устройства является возможность осуществления реакции в
больших и малых по размеру устройствах,
так как в них не имеет значения параметр критичности. А это значит, что можно
создавать как крупные, так и небольшие экологически безопасные источники
энергии, работающие на любых доступных веществах. Такие реакторы могут успешно
конкурировать с ядерными и термоядерными источниками энергии, а их разработка
обойдется значительно дешевле термоядерных. Они позволят решить энергетические
проблемы человечества.