CN103403810A - 能量聚集 - Google Patents

Abstract

一种产生能量的局部集中的方法，其包括：提供一连串的抛射体(8)并将所述抛射体(8)射击到目标物(2、4、6、14、16、18、20、30、32、34、36、38、42)上。一种用于产生能量的局部集中的设备，其包括：用于提供一连串的抛射体(8)的装置，以及用于将所述抛射体(8)射击到目标物(2、4、6、14、16、18、20、30、32、34、36、38、42)上的装置。所述目标物(2、4、6、14、16、18、20、30、32、34、36、38、42)被配置为使得当击打目标物时，抛射体(8)捕获并压缩位于抛射体和目标物之间的气体体积(10)。所述目标物(2、4、6、14、16、18、20、30、32、34、36、38、42)和抛射体(8)还被配置为使得抛射体对目标物的冲击在被捕获的气体体积(10)内产生会聚冲击波(12)。

Description

能量聚集

技术领域

本发明涉及使用高速液体微滴或者其它击打目标物的抛射体来聚集能量的方法和设备。尽管不是唯一地，尤其涉及生成高到足以引起核聚变的局部能量密度。

背景技术

多年以来，聚变能量的发展已成为投入大量时间和金钱的领域。这种投入主要集中在以较大成本发展大规模的聚变反应堆。然而，存在其他理论，这些理论预言了产生聚变的更简单和更便宜的机制。在此令人感兴趣的是总括概念“惯性约束聚变”，其利用机械力(例如冲击波)将能量集中并聚焦到非常小的区域。

对惯性约束聚变的信任多源于对被称为声致发光的现象的观察。当使用特殊频率的超声驱动含有适当尺寸气泡的液体时会发生这种情况。压力波促使气泡膨胀，然后非常猛烈地塌陷，这种过程通常被称为惯性空化。气泡的快速塌陷导致不均衡压缩，而这种不均衡压缩致使容纳物加热到使其发射光的程度(Gaitan，D.F，Crum，L.A.，Church，C.C.，和Roy，R.A.美国声学学会期刊91(6)，1992年6月，第3166-3183页)。存在各种努力来强化这种过程，并且有一个团体还声称观察到了聚变(Taleyarkhan，R.P.，West，C.D.，Cho，J.S.，Lahey，R.T.，Nigmatulin，R.I.，以及Block，R.C.，科学杂志295(5561)，2002年3月，第1868-1873页)。然而，尽管已有实质性努力(Shapira，D.以及Saltmarsh，M.，物理评论快报89(10)，2002年9月，104302)，所观察到的结果还没有经过验证或者重现。

在US 7445319中已经提出，射击球形水滴，使其以非常高的速度(大约1Km/s)移动到刚性目标物上从而产生强烈的冲击波。可以使用这种冲击波使气泡塌陷，所述气泡已经成核并已随后在液滴内膨胀。上述专利预料到会在塌陷气泡内侧发生聚变。之前，已经在实验上和数值上研究了通过高速液滴冲击表面而产生冲击波的机制，并且有很好的记载((包括本专利的一个发明人所做的工作)，(Haller，K.K.，Ventikos，Y.，Poulikakos，D.，以及Monkewitz，P.，应用物理学期刊92(5)，2002年9月，第2821-2828页))。

发明内容

本发明旨在提供前述技术的替代方式，并且还可有其他应用。从第一方面看，本发明提供了一种产生能量局部集中的方法，包括：提供一连串的抛射体并将所述抛射体射击到目标物上，所述目标物被配置为使得当击打所述目标物时，一所述抛射体捕获并压缩位于抛射体和目标物之间的气体体积，所述目标物和抛射体进一步被配置为使得抛射体对目标物的冲击在被捕获的气体体积内产生会聚冲击波。

本发明还延伸至用于产生能量局部集中的设备，包括：用于提供一连串的抛射体的装置，用于将所述抛射体射击到目标物上的装置，所述目标物被配置为使得当击打所述目标物时，所述抛射体捕获位于抛射体和目标物之间的气体体积，所述目标物和抛射体进一步被配置为使得所述抛射体对目标物的冲击在被捕获的气体体积内产生会聚冲击波。

因此，本领域技术人员会意识到，根据本发明，抛射体所捕获的气体体积(或者“气泡”)通过两种机制在气体内产生能量的强烈集中。当气泡在被压缩的同时阻止抛射体运动时，第一种机制是将来自颗粒的动能转化为势能、并且随后转化为热能的简单转换。这包含由在抛射体前面运动的弓形激波的加热和由该弓形激波的弹回以及限制在气泡内的进一步产生的激波随后的相互作用引起的加热。

第二种机制是对来自会聚冲击波的能量的转换，所述会聚冲击波是由抛射体和目标物表面之间的冲击产生的，冲击波从抛射体被传播到邻近气泡内。当冲击波的边缘朝向被捕获的体积传播时，其聚集并形成收缩圈。当这冲击波最终向下聚焦到一点附近时，其在被压缩的气泡内产生超高压力和超高温度。供冲击波进行从抛射体到气泡的行进的介质的密度的大幅降低意味着，冲击波在气泡中产生了非常高的温度，尤其是当冲击波会聚到一点时。

在此描述的本发明提供了在US 7445319中描述的技术的替代方式，该技术自身具有优点。本发明的发明人已经认知到，如US 7445319中所提出的，在以高速被射击到目标物上的微滴内的气泡的成核方面存在重大挑战。当激波进行击打时，使气泡正好处于其膨胀-塌陷周期的正确时刻的时机必须非常精确。通过比较，根据本发明的至少优选实施例可以避免这种复杂性和相关开支。此外，本发明人实施的两种技术的建模表明：对于相同的微滴冲击速度，根据本发明的方法能够产生较大数量级的压力和温度强度。

主要从放置目标物的周围环境中捕获气体。应该从一般意义上来理解在此使用的术语“气体”，因此其不限制于纯原子气体或分子气体，而且还包括蒸汽、气体中的液体或固体的悬浮体或微悬浮体或者其任意混合物。

根据本发明，可以设想抛射体可以是固体或半固体，例如胶体或聚合物，或任何能被加速到适当速度从而在表面上捕获气态体积并产生上述的用于压力和温度强化的能量密度聚集机制的材料。然而，在一组优选的实施例中，抛射体包括液体微滴。在一组特定的实施例中，通过在US 7380918中描述的设备生产液体微滴。

典型地，抛射体需要移动得足够快从而产生传播到气泡中的冲击波。所需的速度取决于抛射体的尺寸和材料、目标物的形状和尺寸、被捕获气体的成分等。在一组优选实施例中，抛射体具有大于250m/s的速度，例如大于500m/s，例如大于750m/s。在一些实施例中，速度达到1000m/s或更高。

目标物结构可以采取多种形状和配置，从而当被抛射体击打时，为捕获气体体积提供合适区域，并且引起冲击波会聚到被捕获的气体中。在一组实施例中，目标物包括凹形表面，其成形为至少部分地接收抛射体并在抛射体下方捕获所述气体。应该在抛射体从上方接近目标物的参照系内理解在此使用的术语“在下方”；不应该被推断为相对于任何其它物体或重力的特殊空间定位。此外，其也不应该被推断为在目标物的参照系内抛射体必须以垂直方式接近目标物。

如上所述的这种凹形表面可以是这种：即其横截面逐渐减小到足够小，以致抛射体不能完全进入。这种锥形侧面可以是直的或弯曲的(当从横截面上观察时)。同样地，凹形表面可以具有这种形状，即其至少一部分的曲率大于抛射体的曲率。事实上，如果考虑到在目标物中生产非常锋利的顶端实际上是不可能的，那么前面的条件可仅仅被认为是后者的子集。

使抛射体至少部分地被凹形的目标物表面接收，这产生了所期望的、对在目标物和抛射体之间的气体体积的捕获。这种设置是有利的，因为已经发现这种设置会产生非常强的环形冲击波，这种冲击波离开冲击点并进入抛射体。当冲击波的边缘朝向被捕获的体积传播时，其聚集并形成收缩圈。当这种冲击波最终向下聚焦到一点附近时，其在被压缩的气泡中产生超高压力和超高温度。

在另一组实施例中，目标物结构包括具有限定在其中的离散凹陷的目标物表面，所述离散凹陷比抛射体的宽度窄。例如，作为优选情况，当凹陷具有连续旋转对称时，其直径应该小于抛射体的最大宽度。作为典型的情况，当抛射体是球形时，凹陷的直径因此比抛射体的直径小。与上述种类的离散凹陷相关的可能优点是能够密切控制由抛射体捕获的气体体积，然而，在缩小接收抛射体的凹面的情况中，被捕获的精确气体体积在一定程度上取决于抛射体的精确直径并且其可以展现出统计学变化。

本发明不限于通过抛射体捕获气体的单个凹陷，因此在一组实施例中，目标物结构包括多个凹陷。显然，根据这种凹陷的数量，单一凹陷的尺寸将远远小于抛射体的尺寸。每个单一凹陷的形状都能有助于如上所述地通过会聚冲击波来聚集能量。采用多个凹陷的优点是可以驾驭较大部分的抛射体能量。对于较大抛射体尤其如此，并且这旨在简化用于产生能量的聚变设备的制造。

能够以多种方式形成这些凹陷。例如，能够对固体目标物钻孔或对其机加工从而产生凹陷或者凹点。然而，在一组实施例中，通过目标物的表面纹理产生凹陷。例如，可以使用研磨材料对目标物进行磨砂处理、刻蚀或其他处理，从而产生所需表面粗糙度，表面粗糙度在微观水平上提供了大量凹点或凹陷。

上述的两组实施例：即容纳抛射体的凹形目标物表面；以及具有一个或多个较小离散凹陷的目标物表面，其并不是相互排斥的。因此，例如，目标物表面可以是凹形的，以便至少部分地接收抛射体，同时还包括一个或多个离散凹陷。这种组合在提供抛射体内产生的冲击波的所需性能方面是有益的，同时还具有压缩多个气体体积的优点。

在一组优选的实施例中，采用在此描述的方法产生核聚变反应。可通过微滴、被捕获的气泡来提供反应燃料，或者通过目标物自身来提供燃料。在US 7445319中提及的任何燃料也适用于本发明。可以由固体构造目标物本身，如上面概述的多个实施例中所暗示的一样，但是其同样也可以是液体。在固体的情况下，US 7445319中所提出的任何材料都是合适的。在液体的情况下，可以通过多种方式获得所需的目标物表面形状。例如，可以使用合适的振动(例如使用超声或其他方法)来激发液体体积表面从而产生具有所需形状的波。可替换地，可以通过具有适当匹配润湿特性的固体表面和液体之间的接触角来获得所需的形状。当然，后一个例子表示所述表面可以包括固体和液体的组合。

可以根据情况来选择被捕获的气体体积，但是在一组优选实施例中，气体体积在5x10^-11和5x10^-7公升之间。从上述讨论显而易见，这可以位于单个体积内或分布在多个凹陷之间。

根据本发明的特定实施例所获得的聚变反应可用于生产净能(这个领域的长期研究目标)，但是发明人意识到，即使聚变效率低于生产净能所需的效率，可根据本发明实施例可获得的可靠聚变对于例如氚生产是有利的，氚可用作其他聚变工程的燃料，而利用目前现有技术来生产氚是非常昂贵的。所述聚变在给出快速且安全的中子源方面也是有益的，其具有许多可能的应用，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。

此外，根据本发明，其本质并不是产生聚变。例如，在一些实施例中，可以有利地采用本发明的技术和设备作为声化学反应器，可利用声化学反应器接近极端且不寻常的条件。

附图说明

现在将参照附图，仅以示例方式描述本发明的特定实施例，其中：

图1a至图1c是根据本发明的目标物的三个变体；

图2a至图2c是通过计算流体动力学模拟而产生的气泡的压缩的逐步图解；

图3a至图3d是根据本发明的具有离散凹陷的目标物的变体；

图4a至图4d是具有多个凹陷的各种可能实施例的图解；

图5是即为曲面又具有离散凹陷的实施例的图解；以及

图6是具有多个凹陷且同时具有弯曲的整体表面形状的实施例的图解。

具体实施方式

图1a至图1c显示了凹形目标物2、4、6的三个相似变体，凹形目标物具有锥形横截面以使当将适当尺寸的微滴8射击到各个目标物上时，这种锥形阻止微滴到达凹面的底部并因此捕获凹面内的气体体积，从而在微滴8和目标物2、4、6之间形成气泡10。参考图2a至图2c，可以更详细地看到随后过程。在图1a，1b和图1c中所显示的三种情况中的每一种情况下，在目标物2、4、6在某点具有小于微滴8的半径的曲率半径。在清楚显示顶点的图1a和图1c的情况中，应意识到，在实践中这些顶点会具有倒圆角度，所述倒圆角度不可避免地具有小于微滴半径的曲率半径。

图2a显示了在微滴8撞击目标物4后很短时间内的情况。仅仅显示了一半，但另一半对称地相同。可以看到微滴8在微滴8表面和锥形目标物表面4之间捕获了气泡10。当微滴8变形时，其压缩气泡10从而将其动能转换成气泡内的能量。同样，在冲击时产生冲击波12，其开始被传播到微滴内。如同考虑到旋转对称几何学时可以意识到的，这种冲击波在形状上是环形的。当冲击波12的边缘沿着微滴8和被捕获的气泡10之间的界面传播时，其聚集并形成收缩圈(图2b)。当冲击波最终向下聚焦到一点附近时，其导致在被压缩的气泡10内产生超高压力和超高温度(图2c)。例如，模拟已显示，对于尺寸为100微米、以每秒500米的速度行进的微滴，当其击打具有近似45度的锥角的倒置的圆锥目标物时，可以观察到其压力接近200,000巴并且温度超过1,000,000℃。然而，应意识到存在大量影响所得到的实际结果的参数，例如，液体密度、环境压力和温度、气体和液体成分、冲击角度和表面形状。

图3a至图3d显示了实施例的各个变体，其中目标物表面14至20具有形成在其中的单个离散凹陷22-28。如从图中所意识到地，这些凹陷22至28典型地远远小于微滴8。这意味着被捕获的气体体积本质上独立于微滴8尺寸上的小的变化。这些实施例以用于上述实施例的如上所述的相同方式工作，通过与目标物冲击所产生的超声波来压缩被捕获的气泡并强化其中的压力。

图4a至图4d显示了具有多个凹陷的实施例变体，在其中的几个实施例变体中，通过微滴击打目标物30-36，能够捕获相应的气泡。被捕获的气泡的数量取决于凹陷相对于微滴8尺寸的尺寸。产生这些凹陷的表面形状仅仅是示意性和阐释性的，当然还有许多可能的变体。通过表面精加工或粗加工方法制造这些凹陷，而不是直接的机加工方法。这种方式的其中一个优点是其对微滴8和目标物30-36之间的准确对准的要求较低。其还意味着同时能够容易地制备用于接收多股微滴流的单个目标物。其还开拓了具有运动、例如旋转或滑动的目标物的可能性，这种可能性能够带来如下优点：更新目标物材料、驾驭所产生的能量以及降低精确瞄准的需求。

图5显示了本发明的另一个实施例，其中，目标物表面38是凹形的并至少部分地顺应并接收微滴8，但是在底部具有离散凹陷40。所述弯曲的、更加顺应的形状在强化由微滴8击打目标物38时所产生的冲击波方面是有益的，这又转而强化被捕获在凹陷40中的气泡的压力和温度。

最终，图6显示了上述概念的延伸，其中表面42具有多个离散凹陷44，每个凹陷可以捕获气泡。所述凹陷可以是环形的-也就是在目标物的旋转方向上是连续-但是优选为在目标物的旋转方向上是离散的。此外，位于凹陷44之间的每个峰值46可以在气泡8内产生冲击波，对其进行适当优化，可以使所述冲击波彼此会聚并强化，以这种方式进一步强化在每个凹陷44中的气泡内集中的能量。

在上述的所有实施例中可以通过以下方式使用设备：射击非常高速的微滴流，例如水流，产生液体流且随后使用US 7380918中描述的设备将液体流拆散。在示意性实施方式中，微滴具有近似150微米的直径，以每秒近似1千米的速度行进，并以近似1兆赫的频率产生这种微滴。在计算模拟中，这产生了4.6x10⁹帕斯卡的峰值压力，其足够产生超过1x10⁶摄氏度的温度，其足够用于氘原子的核聚变反应。所生成的中子也可用于其它过程中，或者，在一个例子中，所生成的中子可以被中子吸收剂所吸收，以用于将中子的动能转换成热能，并因此产生常规热动力学能量。

然而，存在许多产生能量的其他方式。例如，也可以使用硼-氢聚变。硼-氢聚变产生氦原子核，并且用于驾驭这种反应所产生的能量的方法可以是大不相同的-例如，移动的电荷能够直接产生电流。此外，并不是一定要发生聚变；通过根据本发明的目标物形状而在塌陷气泡内产生的增高的压力和温度在其他环境中可能是有用的，从而研究在外来条件下的其他反应。

本发明可应用在所有这种环境以及多种其他环境中。

Claims (16)

1.一种用于产生能量的局部集中的方法，其包括：提供一连串的抛射体并将所述抛射体射击到目标物上，所述目标物被配置为使得当击打所述目标物时，一所述抛射体捕获并压缩位于抛射体和目标物之间的气体体积，所述目标物和抛射体进一步被配置为使得所述抛射体对目标物的冲击在被捕获的气体体积内产生会聚冲击波。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述抛射体包括液体微滴。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述抛射体的速度大于250m/s，例如大于500m/s，例如大于750m/s。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述目标物包括凹形表面，其成形为至少部分地接收所述抛射体并捕获位于所述抛射体下方的所述气体。

5.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述目标物的结构包括具有限定在其中的离散凹陷的目标物表面，所述离散凹陷比所述抛射体的宽度窄。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述目标物的结构包括多个凹陷。

7.如前述任一权利要求所述的方法，其中，采用所述方法产生核聚变反应。

8.如前述任一权利要求所述的方法，其中，被捕获的气体体积位于5x10^-11公升和5x10^-7公升之间。

9.一种用于产生能量的局部集中的设备，其包括：提供一连串的抛射体的装置，用于将所述抛射体射击到目标物上的装置，所述目标物被配置为使得当击打所述目标物时，所述抛射体捕获位于抛射体和目标物之间的气体体积，所述目标物和抛射体进一步被配置为使得所述抛射体对目标物的冲击在被捕获的气体体积内产生会聚的冲击波。

10.如权利要求9所述的设备，其中，所述抛射体包括液体微滴。

11.如权利要求9或10所述的设备，其中，所述抛射体的速度大于250m/s，例如大于500m/s，例如大于750m/s。

12.如权利要求9、10或11所述的设备，其中，所述目标物包括凹形表面，其成形为至少部分地接收所述抛射体并捕获位于所述抛射体下方的所述气体。

13.如权利要求9-12中任何一项所述的设备，其中，所述目标物的结构包括具有限定在其中的离散凹陷的目标物表面，所述离散凹陷比所述抛射体的宽度窄。

14.如权利要求13所述的设备，其中，所述目标物的结构包括多个凹陷。

15.如权利要求9-14中任一项所述的设备，其中，采用所述设备产生核聚变反应。

16.如权利要求9-15中任一项所述的设备，其中，被捕获的气体体积位于5x10^-11公升和5x10^-7公升之间。

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