本發(fā)明涉及一種氘氘熱核聚變的方法和裝置，尤其涉及一種基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的方法和裝置。

背景技術(shù)：
能源是支撐人類文明社會(huì)發(fā)展的重要支柱，在以煤炭、石油、天然氣等化石能源以及后來的核裂變能源替代柴薪之后，帶來了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。由于化石能源與核裂變材料不可再生，在多年開采之后，人類將不得不面臨能源枯竭的危機(jī)。獲得新能源的一條途徑是可控?zé)岷司圩?，成本最低廉的聚變能源可以從氘氘聚變獲得，氘在海水中的蘊(yùn)藏量巨大，足夠人類使用數(shù)千億年。但是，氘氘聚變的反應(yīng)截面很小，滿足量子隧穿最低條件的粒子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能也在5keV以上，顯然，目前還無法構(gòu)造一個(gè)能滿足極端溫度、壓力需要的機(jī)械裝備，也沒有能夠耐受如此極端的溫度與壓力的材料，如何構(gòu)造和保持這樣的極高溫環(huán)境是尚未解決的科學(xué)技術(shù)難題。為實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷司圩兛茖W(xué)家已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十年的努力探索，但至今尚未取得重大進(jìn)展。目前世界發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資進(jìn)行的熱核聚變研究主要是慣性約束聚變與磁約束聚變研究。慣性約束聚變是由以192路會(huì)聚的功率為1MJ的單脈沖激光束，轟擊包裹氘氚介質(zhì)的聚乙烯小球，希望通過聚乙烯氣化后的慣性反作用力產(chǎn)生高壓擠壓小球，從而實(shí)現(xiàn)氘氚聚變的一種技術(shù)。雖然氘氚聚變對(duì)溫度的要求略低，但由于慣性作用無法獲得作用力隨時(shí)間遞增的效果，慣性約束聚變至今未能實(shí)現(xiàn)。磁約束聚變是一種利用磁場(chǎng)約束高溫等離子體引發(fā)核聚變反應(yīng)的技術(shù)，同樣使用氘氚介質(zhì)。目前主要的技術(shù)障礙是難以控制以高速運(yùn)動(dòng)的極高溫等離子體，不能保證等離子體鞘層不破裂，距氘氚聚變的約束時(shí)間要求還相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
有鑒于此，確有必要提供一種基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的方法和裝置。一種基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的方法，其包括以下步驟：使含氘流體介質(zhì)發(fā)生空化形成空泡；通過超聲傳質(zhì)增加空泡內(nèi)物質(zhì)含量；使空泡以一定速度達(dá)到工件壁面，進(jìn)入雙電層作用范圍；空泡在靜電力作用下發(fā)生引力坍縮，實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變。一種基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的裝置，其包括：高壓泵、通過管道與該高壓泵相連的第一導(dǎo)流管、與該第一導(dǎo)流管相連的緩沖室、與該緩沖室相連的反應(yīng)室，以及設(shè)置在所述反應(yīng)室內(nèi)的噴嘴以及與該噴嘴間隔設(shè)置的工件，所述緩沖室與所述噴嘴連通，在該緩沖室兩側(cè)安裝壓電陶瓷片，所述反應(yīng)室通過管道與所述高壓泵相連，流體在所述導(dǎo)流管可以發(fā)生空化形成空泡。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的方法和裝置構(gòu)造一個(gè)始終增強(qiáng)的壓力環(huán)境，能保證使空泡進(jìn)入坍縮狀態(tài)，在空泡中心形成極高溫與極高壓，實(shí)現(xiàn)中子發(fā)射。同時(shí)，用空泡界面約束了高溫等離子體的運(yùn)動(dòng)，使之處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，保證了等離子體鞘層的穩(wěn)定存在，為聚變持續(xù)進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。另外，本發(fā)明提出的通過對(duì)介質(zhì)流速、界面?zhèn)髻|(zhì)效率、可變電極電位工件的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚變反應(yīng)劇烈程度控制的過程，均在一次電源控制下進(jìn)行，只要斷開一次電源，所有反應(yīng)將即刻停止，有效保證了核聚變裝置的運(yùn)行安全性。附圖說明圖1是本發(fā)明實(shí)施方式提供的基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的方法的流程圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施方式提供的基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的裝置的示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施方式提供的基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的裝置中噴嘴的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施方式提供的基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的裝置中第一導(dǎo)流管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。主要元件符號(hào)說明基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的裝置100高壓泵10第一導(dǎo)流管11緩沖室12反應(yīng)室13噴嘴14工件15第一孔111第二孔112壓電陶瓷片121內(nèi)芯過流部141第二導(dǎo)流管142第五孔143第四孔144收縮孔145第三孔146噴射孔147如下具體實(shí)施方式將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提供的基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。請(qǐng)參閱圖1至圖3，基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的方法包括以下步驟：（1）使含氘流體介質(zhì)發(fā)生空化形成空泡；（2）通過超聲傳質(zhì)增加空泡內(nèi)物質(zhì)含量；（3）使空泡以一定速度達(dá)到工件壁面，進(jìn)入雙電層作用范圍；（4）空泡在靜電力作用下發(fā)生引力坍縮，實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變。在步驟（1）中，首先提供一基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的裝置100，請(qǐng)參閱圖1，所述裝置100包括高壓泵10、通過管道與該高壓泵10相連的第一第一導(dǎo)流管11、與該第一導(dǎo)流管11相連的緩沖室12、與該緩沖室12相連的反應(yīng)室13，以及設(shè)置在所述反應(yīng)室13內(nèi)的噴嘴14以及與該噴嘴14間隔設(shè)置的工件15，所述緩沖室12與所述噴嘴14連通，在該緩沖室12兩側(cè)安裝壓電陶瓷片121，所述反應(yīng)室13通過管道與所述高壓泵10相連。具體的，所述第一導(dǎo)流管11的內(nèi)部具有一階梯孔，該階梯孔包括第一孔111以及第二孔112，該第一孔111與第二孔112連通，該第二孔112的直徑比第一孔111的直徑小，優(yōu)選小0.2毫米至2.0毫米。所述第一孔111的側(cè)面與鄰近所述第二孔112的端面之間所成的角為直角，且該第二孔112的長(zhǎng)度為5毫米至20毫米，該第二孔112與所述緩沖室12連通。所述噴嘴14包括內(nèi)芯過流部141以及與該內(nèi)芯過流部141固定連接的第二導(dǎo)流管142。所述內(nèi)芯過流部141包括噴射孔147、與該噴射孔147連通的第三孔146以及與該第三孔146連通的收縮孔145。所述噴射孔147的直徑小于所述第三孔146的直徑，優(yōu)選小0.2毫米至2.0毫米。所述收縮孔145的直徑向遠(yuǎn)離所述第三孔146的方向逐漸增大，該第三孔146的側(cè)面與鄰近所述噴射孔147的端面之間的過渡角為直角。所述第二導(dǎo)流管142的一端與所述緩沖室12連接，另一端與所述內(nèi)芯過流部141連接。所述第二導(dǎo)流管142的內(nèi)部具有一階梯孔，該階梯孔包括第四孔144以及與該第四孔144連通的第五孔143。所述第四孔144的直徑小于所述第五孔143的直徑。所述第四孔144與所述收縮孔145連通，所述第五孔143與所述緩沖室12連通。所述噴嘴14與所述工件15相對(duì)設(shè)置，且該噴嘴14的噴射孔147的末端與工件表面之間的距離d為10毫米至20毫米，該工件15由45號(hào)鋼、純鋁或45錳鋼制備，該工件15的表面粗糙度Ra≦0.1微米。含氘流體介質(zhì)由所述高壓泵10輸入所述第一導(dǎo)流管11，所述含氘流體介質(zhì)可以為重水、氘代丙酮等。在本實(shí)施例中，該含氘流體介質(zhì)為重水。由于第一導(dǎo)流管11的第一孔111的直徑大于所述第二孔112的直徑，所以所述含氘流體介質(zhì)在第一導(dǎo)流管11由于局部負(fù)壓而空化，形成空泡流，進(jìn)入所述緩沖室12。在步驟（2）中，由于在緩沖室12兩側(cè)安裝壓電陶瓷片121，由超聲發(fā)生器與功率放大器驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片121振動(dòng)，通過界面?zhèn)髻|(zhì)增加空泡內(nèi)物質(zhì)含量。所述振動(dòng)的頻率為15千赫茲至20千赫茲，振幅大于100微米。在步驟（3）中，所述空泡流進(jìn)入噴嘴14，由于所述第三孔146的側(cè)面與鄰近所述噴射孔147的端面之間的過渡角為直角，且噴射孔147的直徑比所述第三孔146的直徑小0.2毫米至2.0毫米，所以可以保證空泡流的流動(dòng)穩(wěn)定性。空泡流在噴射孔147出口壓力推動(dòng)下作趨近工件壁面運(yùn)動(dòng)，空泡與工件壁面之間隨距離減小會(huì)因擠壓效應(yīng)而產(chǎn)生逐漸增強(qiáng)的微區(qū)壓力，使空泡被壓縮。由于空泡流噴射壓力隨時(shí)間（距離）減弱，空泡趨近工件壁面的速度也會(huì)隨之減弱，導(dǎo)致空泡內(nèi)溫度上升梯度低于泡壁散熱能力。如果不能構(gòu)成絕熱條件，空泡壓縮至一定直徑后會(huì)經(jīng)歷短暫停滯過程，空泡內(nèi)的熱量會(huì)透過空泡壁迅速向液體介質(zhì)擴(kuò)散，導(dǎo)致空泡內(nèi)溫度迅速降低，使空泡內(nèi)物質(zhì)無法進(jìn)入等離子體狀態(tài)。為保證能將空泡送入雙電層控制范圍，必須控制空泡流到達(dá)工件壁面時(shí)的速度，當(dāng)空泡流在噴射孔出口的速度大于等于20m/s，出口壓力為5-20Bar時(shí)，要求噴嘴14與工件15之間的距離d為10毫米至20毫米，以保證空泡流到達(dá)工件壁面時(shí)的速度不低于10m/s。如果噴嘴14與工件15之間的距離過長(zhǎng)會(huì)使得空泡無法進(jìn)入雙電層控制范圍，距離過短會(huì)使部分空泡在工件表面堆積，同樣會(huì)使這部分空泡無法進(jìn)入雙電層控制范圍。為降低空泡與空泡之間，以及空泡與工件壁面之間的干涉，防止空泡在坍縮前潰滅，需要在含氘流體介質(zhì)中添加陰離子表面活性劑，例如十二烷基硫酸鈉、十二烷基磺酸鈉等，表面活性劑分子的非極性端位于氣相，極性端位于液相。在本實(shí)施例中，所述表面活性劑為十二烷基硫酸鈉。表面活性劑添加不足仍然會(huì)有大量空泡潰滅，添加過量會(huì)降低空泡的電動(dòng)電位以及工件的電極電位，導(dǎo)致空泡不能受到提供足夠加速度的雙電層靜電力的影響，正常添加量為0.15-0.5mM/L。過低的添加量會(huì)降低空泡抗干涉能力，過高的添加量會(huì)使表面活性劑形成膠束，同樣會(huì)降低空泡抗干涉能力。由于由空化產(chǎn)生的空泡的電動(dòng)電位為負(fù)值，所以工件材料電極電位必須為負(fù)值，在液體介質(zhì)中形成的雙電層呈陽離子特性，當(dāng)空泡進(jìn)入雙電層控制范圍后，根據(jù)異性相吸的原理，空泡與工件之間會(huì)產(chǎn)生相互吸引的靜電力，并形成空泡向工件壁面運(yùn)動(dòng)的速度與加速度。隨著空泡與工件壁面之間的距離逐漸縮小，靜電力將依指數(shù)律增長(zhǎng)，空泡趨近工件壁面的速度以及空泡與工件壁面共同形成的壓力也將依指數(shù)律增長(zhǎng)。在持續(xù)增長(zhǎng)的壓力環(huán)境中，空泡將急劇被壓縮，體積急劇縮小，空泡內(nèi)物質(zhì)將進(jìn)入高溫等離子體狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)空泡以逐漸增高的速度趨近工件壁面，與工件壁面共同形成逐漸增強(qiáng)的壓力環(huán)境，要求被噴射工件材料的電極電位低于-500毫伏。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明，電極電位高于-500毫伏將會(huì)使得空泡無法進(jìn)入雙電層靜電力控制范圍?？刂乒ぜ诿骐姌O電位是實(shí)現(xiàn)對(duì)熱核聚變過程的控制，本實(shí)施例提出通過雙電層電容實(shí)現(xiàn)對(duì)工件壁面電極電位控制的方法，要求電容極板材料的電化學(xué)窗口寬度大于3.5伏特，電極電位可控范圍為-0.5伏特至-8.0伏特。同時(shí)，由表面微結(jié)構(gòu)所決定的永久性駐留氣核在負(fù)壓環(huán)境下會(huì)膨脹為汽泡，成為阻礙空泡趨近工件壁面的障礙，為盡可能減少表面氣核的影響，在工件制備時(shí)，要求被噴射工件的表面粗糙度Ra小于等于0.1微米。進(jìn)入高溫等離子體狀態(tài)后，空泡內(nèi)物質(zhì)占有越來越小的空間，此時(shí)泡壁將在不依賴外部環(huán)境壓力條件下進(jìn)一步收縮，空泡內(nèi)將達(dá)到極高溫，這一過程屬于空泡自身的引力坍縮過程。當(dāng)空泡中心溫度滿足量子隧穿條件時(shí)，會(huì)有少量粒子發(fā)射并迅速帶走中心部分能量，使空泡中心區(qū)很快冷卻，破壞了電子簡(jiǎn)并壓與引力之間的平衡關(guān)系，導(dǎo)致輻射壓力不足以抵御空泡壁壓力，空泡會(huì)繼續(xù)坍縮，同時(shí)溫度急劇升高。如果空泡內(nèi)的物質(zhì)足以維持引力與電子簡(jiǎn)并壓之間的不平衡關(guān)系，空泡會(huì)坍縮至最小值并持續(xù)產(chǎn)生大量中子，實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變。本實(shí)施例提供的基于空泡坍縮實(shí)現(xiàn)氘氘熱核聚變的方法構(gòu)造一個(gè)始終增強(qiáng)的壓力環(huán)境，能保證使空泡進(jìn)入坍縮狀態(tài)，在空泡中心形成極高溫與極高壓，實(shí)現(xiàn)中子發(fā)射。同時(shí)，用空泡界面約束了高溫等離子體的運(yùn)動(dòng)，使之處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，保證了等離子體鞘層的穩(wěn)定存在，為聚變持續(xù)進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。并且，本實(shí)施例提出的通過對(duì)介質(zhì)流速、界面?zhèn)髻|(zhì)效率、可變電極電位工件的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚變反應(yīng)劇烈程度控制的過程，均在一次電源控制下進(jìn)行，只要斷開一次電源，所有反應(yīng)將即刻停止，有效保證了核聚變裝置的運(yùn)行安全性。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。