聚变装置以及中子发生器制造方法及图纸

本公开涉及一种聚变装置和中子发生器。一种惯性静电约束型的聚变装置，包括：阴极电极结构，被构造成限定发生核聚变碰撞的空间；以及阳极电极结构，被构造成围绕所述阴极电极结构，其中所述阴极电极结构涂覆有第一涂层，该第一涂层用于增强所述阴极电极结构的热发射率。

Fusion device and neutron generator

【技术实现步骤摘要】
聚变装置以及中子发生器
本公开涉及聚变装置以及中子发生器。
技术介绍
惯性静电约束(IEC)等离子体反应器被人们用来产生中子或质子，或者发射相关的粒子或等离子体射流。惯性静电约束等离子体反应器具有作为阳极或阴极的格栅中心电极，其通常是球形、类球形伸长的形状或者圆柱形，格栅中心电极在反应器结构的反应室内部同轴对称布置。惯性静电约束等离子体反应器能够使低原子数原子核在非点状的球形或伸长的碰撞区中发生聚变反应。商用的中子发生器的用户遍布许多领域，例如中子物理学教学、暗物质检测实验系统的校准、行李安检应用、新的核裂变染料的质量筛选、废旧裂变反应堆控制棒的放射线断层成像、以及在线矿物分析等。典型的聚变反应包括但不限于以下方式：a)1D2+1D2→2He3(0.82MeV)+0n1(2.45MeV)b)1D2+1D2→1T3(1.01MeV)+1p1(3.02MeV)c)1D2+1T3→2He4(3.5MeV)+0n1(14.1MeV)d)1D2+2He3→2He4(3.6MeV)+1p1(14.7MeV)取决于混合物，上述聚变反应都可能发生。此外，还可能存在其它聚变反应物，例如2He3被添加到上述混合物中或者作为基础反应物。实验表明，将氦3作为添加剂可以将反应速度提高10倍。氦3作为非中子聚变燃料是已知的。氢和硼聚变是另一组聚变反应物。
技术实现思路
根据本公开的第一方面，提供了一种惯性静电约束型的聚变装置，包括：阴极电极结构，被构造成限定发生核聚变碰撞的空间；以及阳极电极结构，被构造成围绕所述阴极电极结构，其中所述阴极电极结构涂覆有第一涂层，该第一涂层用于增强所述阴极电极结构的热发射率。在根据本公开的一些实施例中，所述阴极电极结构的朝着所述阳极电极结构的表面不被所述第一涂层覆盖。在根据本公开的一些实施例中，所述阴极电极结构由金属材料制成。在根据本公开的一些实施例中，所述金属材料包括不锈钢。在根据本公开的一些实施例中，所述不锈钢为316L不锈钢或EN1.4571不锈钢。在根据本公开的一些实施例中，所述第一涂层为陶瓷膜。在根据本公开的一些实施例中，所述第一涂层为金属膜。在根据本公开的一些实施例中，所述第一涂层由选自以下组的材料制成：CeO2、Y2O3-ZrO2和La2Zr2O7。在根据本公开的一些实施例中，所述聚变装置还包括：第二涂层，布置在所述阴极电极结构和所述第一涂层之间，并且被构造成增强所述第一涂层与所述阴极电极结构之间的粘接性。在根据本公开的一些实施例中，所述第二涂层包括YZO。在根据本公开的一些实施例中，所述聚变装置还包括：第三涂层，布置在所述第一涂层之上并且被构造成保护所述第一涂层。在根据本公开的一些实施例中，所述第三涂层由包含钇的陶瓷材料制成。在根据本公开的一些实施例中，所述陶瓷材料选自包括以下材料的组：氧化钇、Y2O3-ZrO2固溶物、YAG和YF3。在根据本公开的一些实施例中，所述阴极电极结构为网状或笼状。在根据本公开的一些实施例中，所述阴极电极结构为球形或圆柱形。在根据本公开的一些实施例中，所述阴极电极结构包含多个扁平部件，所述扁平部件的表面平行于电场的方向，所述电场在所述阳极电极结构和所述阴极电极结构之间产生。在根据本公开的一些实施例中，所述阴极电极结构的热发射率为0.7-1.0。根据本公开的另一个方面，提供了一种中子发生器，包括上面根据本公开所述的聚变装置。通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。附图说明构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：图1例示了根据本公开的一个实施例的惯性静电约束装置的阴极电极结构。图2例示了根据本公开的另一个实施例的惯性静电约束装置的阴极电极结构。图3例示了图2所示的阴极电极结构的一部分。具体实施方式为了理解本公开的上述目的、特征和优点，将参照附图和具体实施例进一步详细描述本公开。与惯性静电约束型设备相关联的一个限制是负面的热效应。由于各种原因导致阴极格栅电极变热，例如由于电流导致的欧姆电阻性加热以及更显著地由于辉光放电中的离子的轰击等。通过施加静电场和加热，使得阴极发射电子。大约1帕斯卡的低气压提供了足够的真空度。可以观察到电子的冷发射，其作为电流由高压电源单元指示。在大块金属和一些大块晶状固体中，可以通过量子隧穿理论解释这种电子发射。所施加的电压可以达到150kV或更高，如果各个部件能够承受电场强度的话。阴极和阳极之间的距离可以为几十毫米。电子的场致发射是由施加的静电场导致的。随着离子轰击导致的电极温度升高，出现电子的热发射。但是这种电子发射是多余且不期望的，因为对于固定的输入功率，如果电子电流增大，则用于聚变反应的期望的离子电流将减小。阴极格栅能够达到的温度还受到冷却速率的影响。在真空或大约0.1帕斯卡的环境中，向更冷的反应室的热辐射是主要的冷却方式。随着阴极格栅电极温度的升高，热电子发射也增大。这些电子被施加的几十千伏电压朝着周围的阳极加速。但是，这些电子对于气体的离子化基本上没有贡献。对于中性背景气体的离子化而言，低动能电子更加有效。当热发射电子的电流增大时，辉光放电的离子电流减小。该现象在更高的功率密度下出现，因为反应器设备被推向其材料设计极限。高温度导致了选择难熔金属，例如Ta、Mo或W等。其中，如果使用不锈钢，可以降低制造成本，但是会降低最大安全运行温度。因此，增加的功率输入并不会使得离子化和离子电流对应地增大，从而可能不会使得聚变反应速率增大。有若干因素相互作用。本公开关注的因素之一是阴极格栅电极的平衡温度，这表示由于灰体(而不是黑体)、阴极表面及其周围环境之间流量的能量平衡导致的热力学平衡状态。在本公开的一个实施例中，阴极格栅电极的表面可以覆盖有涂层，该涂层可以增加阴极电极结构的热发射率。任何能够满足耐用性要求的涂层或薄膜都可以作为本公开实施例的候选。在一个实施例中，耐用性的要求之一是该涂层必须能够承受处于运行中的IEC反应室内的侵蚀环境。氢气氛具有化学还原性。所产生的粒子的动能给予它们较高的能力来通过轰击破坏表面，就像溅射处理那样。低气压或准真空环境与升高的温度共同通过气压扩散过程可以促进脱气或失去固态物质。阴极的反复扩张和收缩可以对涂层的粘性和内部结构产生应力，从而导致脱落。IEC反应室的运行产生的离子辐射可以向涂层沉积能量且导致原子位移，这会破坏涂层材料的晶体结构。在经过充分剂量的累积后，涂层材料的微结构和性质发生变化，使得涂层失效。中子捕获可以改变原子，从而导致晶体结构应力。理想的涂层材料可能并不存在，但是可以采用在接近1000℃下具有高发射性的较高耐久性的材料。根据本公本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种惯性静电约束型的聚变装置，包括：/n阴极电极结构，被构造成限定发生核聚变碰撞的空间；以及/n阳极电极结构，被构造成围绕所述阴极电极结构，/n其中所述阴极电极结构涂覆有第一涂层，该第一涂层用于增强所述阴极电极结构的热发射率。/n

【技术特征摘要】
1.一种惯性静电约束型的聚变装置，包括：
阴极电极结构，被构造成限定发生核聚变碰撞的空间；以及
阳极电极结构，被构造成围绕所述阴极电极结构，
其中所述阴极电极结构涂覆有第一涂层，该第一涂层用于增强所述阴极电极结构的热发射率。


2.根据权利要求1所述的聚变装置，其中所述阴极电极结构的朝着所述阳极电极结构的表面不被所述第一涂层覆盖。


3.根据权利要求1或2所述的聚变装置，其中所述阴极电极结构由金属材料制成。


4.根据权利要求3所述的聚变装置，其中所述金属材料包括不锈钢。


5.根据权利要求4所述的聚变装置，其中所述不锈钢为316L不锈钢或EN1.4571不锈钢。


6.根据权利要求1-5中任一项所述的聚变装置，其中所述第一涂层为陶瓷膜。


7.根据权利要求1-5中任一项所述的聚变装置，其中所述第一涂层为金属膜。


8.根据权利要求1-5中任一项所述的聚变装置，其中所述第一涂层由选自以下组的材料制成：CeO2、Y2O3-ZrO2和La2Zr2O7。


9.根据权利要求8所述的聚变装置，还包括：
第二涂层，布置在所述阴极电极结构和所述第一涂层...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏彬，
申请(专利权)人：上海宏澎能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31