[发明专利]一种加速器驱动的质子硼聚变核能装置

说明书

技术领域

本发明属于核聚变能技术应用领域，主要涉及加速器技术与高能粒子聚变反应，具体为一种使用加速器驱动产生高能质子轰击硼靶发生聚变反应并从中获得核能的装置。

背景技术

随着社会不断进步，全世界对于能源的需求越来越大。传统化石能源推动了社会的发展，但也给环境带来了巨大的污染。为了应对能源危机和环境污染问题，无碳排放的核能(包含核裂变能与核聚变能)越来越受到人们的关注。但是核裂变能在发展过程中存在着不容忽视的问题，如高放射性废料处理、燃料短缺的问题。为了解决这些问题，核聚变能——几乎不产生高放射性核废料以及燃料充足的能源，提供了非常高竞争力的解决方法。

核聚变是由两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出能量的过程。聚变三重积是衡量聚变反应发生的指标，由温度、密度和等离子体约束时间的乘积，当它达到10²²keVm^-3s量级时，聚变反应输出的功率等于驱动聚变反应而输入的功率；只有当超过这一基本值，聚变反应才能自持进行。由于三重积的苛刻要求，受控核聚变的实现极其艰难。受控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。惯性约束是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。磁约束是利用强大磁场约束住带电粒子，构造一个特殊的磁容器，让氘离子和氚离子在磁场所约束的空间内运动并碰撞，进而增大氘氚聚变反应的概率。在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。

目前研究最多的聚变反应氘氚聚变反应(D+T→He+n+17.6MeV)，主要是因为其反应要求相对较低。但是氘氚聚变反应产生高达14.1MeV的中子，这些高能中子对反应堆内组件造成非常大的辐照损伤，降低了聚变堆材料的使用寿命，并且由于中子的辐照效应，增加了装置维修操作的难度。为保护工作人员的安全，又必须安装中子屏蔽层和其他辐射安全设施，使得整个装置体积和成本大大增加。

因此，一部分研究人员将注意力转向那些不产生中子的聚变反应，比如质子硼反应(p+¹¹B→3He+8.7MeV)。这种无中子的聚变反应能够解决高能中子辐照引起的材料损伤、活化问题，以及降低生物屏蔽、遥操和反应堆安全要求。此外，质子硼聚变反应在核反应燃料上资源充分，获取容易——硼在自然界中含量相当丰富，总量约占地壳组成的0.001％。天然硼有两种稳定的同位素，分别为¹¹B(自然界丰度为80.22％)和¹⁰B(自然界丰度为19.78％)。质子硼聚变反应最早在上世纪60年代提出，但是由于实现聚变反应所需要的条件非常苛刻，因为一直都未能彻底实现聚变能的应用。不过，近60年来聚变科学技术及工程技术不断的发展，比如聚变等离子体科学、高能质子加速器技术、高散热靶技术取得了长足进步，已经逐渐接近了质子硼聚变所需要的反应条件，为质子硼聚变反应实现聚变能的应用奠定基础。

近十年来，中国专利号200780007065.7的专利文件中报道了利用磁约束，具体为场反位形约束(FRC：Field-Reversed Configuration)来实现质子硼聚变反应的方案；在国内外公开发表的论文刊物中，“Fusion reactions initiated by laser-accelerated particle beams in a laser-produced plasma,Nature Communication,2013”报道了利用激光驱动质子硼聚变反应的实验，具体为利用两束激光，其中一束脉冲宽度为皮秒量级的激光轰击铝箔产生质子，另一束脉冲宽度为纳秒量级的激光轰击硼靶产生硼等离子体，然后质子与硼等离子碰撞发生质子硼聚变反应的方案。

上述公开报道的技术方案——采用磁约束聚变形式或激光驱动形式的质子硼聚变反应，与本发明申请的加速器驱动的质子硼聚变核能装置有明显不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种加速器驱动质子硼聚变核能装置。该装置包括加速器系统、硼靶和能量转换系统。其中，所述加速器系统由离子源和加速管组成；所述的硼靶的主要成分为硼的同位素；所述的能量转换系统由X射线捕集器、抽气装置、电源输出端、热能交换器、氦水分离器、循环泵和冷却水喷淋装置组成。

本发明所采用的技术方案是：利用加速器将质子的能量加速到足够发生质子硼聚变反应需要的能量阈值，高能质子轰击硼靶并发生质子硼反应，最后由能量转换系统将能量带出。具体的，该加速器驱动的质子硼聚变核能装置包括：加速器系统、硼靶和能量转换系统；