ES2924838T3 - Un método para su uso en generación de energía y el aparato asociado - Google Patents

Abstract

De acuerdo con el presente concepto inventivo, se proporciona un método para usar en la generación de energía. El método comprende llevar una primera materia objetivo a través de la resonancia de ondas a un estado de mayor energía al exponer la primera materia objetivo a la energía de entrada de radiación electromagnética para producir un primer cambio de isótopo en la primera materia objetivo y los neutrones resultantes del primer cambio de isótopo, y capturar el neutrones por una segunda materia objetivo para producir un segundo cambio de isótopo en la segunda materia objetivo y energía de salida de radiación electromagnética. Además, el presente concepto inventivo también se refiere a un aparato asociado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Un método para su uso en generación de energía y el aparato asociado

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método para uso en generación de energía. Más específicamente, la presente invención se refiere a un método para uso en generación de energía que utiliza captura de neutrones por una materia objetivo mediante la cual se produce energía de salida de radiación electromagnética. La presente invención también está relacionada con un aparato asociado.

Antecedentes

La espalación nuclear y la captura de neutrones son conceptos fácticos de la física nuclear. La espalación nuclear implica la fragmentación de los nucleones mediante haces de partículas energéticas en aceleradores de partículas que se utilizan para producir haces de neutrones energéticos. Por otro lado, la captura de neutrones es un proceso de fusión por el cual los nucleones capturan neutrones, incrementando así sus masas.

En el primer caso, la espalación requiere una entrada de energía bastante alta. En este último caso, la captura de neutrones por isótopos en la parte inferior de la tabla de nucleidos da una salida de energía. Debido a que la espalación por haces de partículas energéticas requiere una entrada de energía mucho mayor en comparación con la energía potencial recibida por la captura de neutrones, generalmente no se ha considerado como un medio útil para la producción de energía.

Un ejemplo de un sistema para inyección de energía en materias objetivo para producir cambios de isótopos se describe en: K.Imasaki et al. "Transmutation by Laser Compton Gamma Ray" en The Review of Laser Engineering, 6 junio de 2006. En vista de lo anterior, es necesario un avance técnico para lograr la producción de energía que supere los problemas mencionados anteriormente.

Breve descripción de la invención

Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un método mejorado para uso en generación de energía que sea más controlable.

Además, también es un objeto de la presente invención proporcionar un aparato asociado.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un método para uso en generación de energía, de acuerdo con la reivindicación 1.

La primera materia objetivo y la segunda materia objetivo se denominarán aquí y en lo sucesivo colectivamente como combustible, o combustible de reactor.

Por exposición de radiación electromagnética, radiación EM, la energía de entrada aquí significa que la radiación EM irradia al menos una porción de la primera materia objetivo. La radiación puede comprender fotones que tienen al menos una frecuencia o modo de frecuencia. En un primer ejemplo, la radiación comprende fotones que tienen una pluralidad de modos de frecuencia. En un segundo ejemplo, la radiación es sustancialmente monocromática que comprende fotones con una frecuencia fija. Además, la radiación puede tener un nivel preferido de intensidad y/o potencia. El nivel preferido de intensidad y/o potencia se puede asociar con frecuencias específicas.

La energía de entrada de radiación EM puede transferir energía de entrada y momento de entrada a la primera materia objetivo. La transferencia de energía se puede proporcionar por medio de un proceso de aceleración de onda-partícula. Opcionalmente, la radiación EM puede estar polarizada.

Al menos una porción de la primera materia objetivo puede asumir un estado de alta energía. Cuando la primera materia objetivo se lleva al estado de energía superior a través de la resonancia de ondas, los neutrones se pueden liberar o emitir. En otras palabras, la energía de onda de resonancia puede energizar la primera materia objetivo para producir energía de fisión y producir neutrones. Este proceso se puede referir como espalación. La liberación puede ocurrir cuando la energía de entrada es mayor o igual a una energía umbral. Además, sin embargo, un efecto de túnel de la mecánica cuántica puede permitir una liberación por debajo de la energía umbral.

La primera materia objetivo asume un estado de energía superior por lo que la energía de onda se transfiere a al menos una porción de la primera materia objetivo. El proceso de aceleración de onda-partícula, o de manera equivalente, el proceso de resonancia de onda se puede elegir con base en las propiedades físicas especificadas de la geometría de reactor y el combustible contenido en el mismo. Las propiedades físicas se pueden asociar a propiedades físicas de la primera materia objetivo. A manera de ejemplo, estas propiedades físicas se pueden relacionar con un tipo de material comprendido en la primera materia objetivo, el tipo de estructura de retícula del material, las cantidades físicas del material, tales como su masa atómica, número de átomos, distancia de separación atómica, velocidad del sonido, velocidad de plasma característica, temperatura local, temperatura promedio, etc., dimensiones de longitud de la estructura de retícula del material, dimensiones de longitud de una estructura de grano del material y geometría de la estructura de retícula del material. Las propiedades físicas también pueden ser una frecuencia de resonancia local de la primera materia objetivo. La energía de resonancia de onda, es decir, la energía recibida por el proceso de aceleración de onda resonante (bombeo), se puede transferir a la primera materia objetivo a una intensidad preferida. La energía de resonancia de onda W tiene una frecuencia asociada w y una longitud de onda de resonancia asociada A. Los iones en la primera materia objetivo se pueden acelerar mediante la energía de entrada de radiación EM.

De acuerdo con el método inventivo, se producen o liberan neutrones. En un ejemplo no limitante, los neutrones pueden ser neutrones fríos. Por neutrones fríos es en esta solicitud significa que la energía cinética de los neutrones se especifica en el intervalo de 0 eV a 0,025 eV, donde eV denota electronvoltio. En particular, los neutrones fríos pueden ser neutrones térmicos. En otro ejemplo no limitante, los neutrones pueden tener energías cinéticas entre 0,025 eV y 1 eV. En aun otro ejemplo no limitante, los neutrones pueden ser neutrones lentos que tienen energías cinéticas entre 1 eV y 10 eV. También son concebibles energías cinéticas entre 10 eV y 50 eV.

Dado un suministro constante de energía de entrada de radiación EM, el número de neutrones producidos por la primera materia objetivo puede incrementar con el tiempo. En un ejemplo no limitante, el número de neutrones producidos después de un tiempo de iniciación de la espalación puede estar entre 1010 y 1020 neutrones por segundo por cm2

La primera materia objetivo puede estar en un estado ionizado o en un estado de plasma cuando se liberan los neutrones. La segunda materia objetivo puede estar en un estado sólido o líquido cuando se capturan los neutrones.

La primera materia objetivo puede comprender al menos uno de deuterio, D, y 7Li. Una ventaja de usar D es que es barato. Otra ventaja es que el uso de D conduce a una alta ganancia neta.

Además, la segunda materia objetivo puede comprender al menos uno de 40Ca, 46Ti, 52Cr, 64Zn, 58Ni, 70Ge y 74Se. Cualquiera de estos materiales puede generar un exceso de energía mediante la captura de neutrones. Más en particular, el proceso de captura de neutrones puede liberar más energía que la energía requerida para la espalación de neutrones.

La segunda materia objetivo también puede comprender isótopos más pesados de los elementos presentados anteriormente. Los elementos pueden ser de corta duración o estables. Se señala que estos isótopos se pueden producir mediante la captura de neutrones de cualquiera de estos elementos. Por ejemplo, la segunda materia objetivo puede comprender 60Ni o 62Ni que puede dar por resultado la captura de neutrones por 58Ni.

Por medio del concepto inventivo, normalmente no hay transmutaciones de elementos. En cambio, hay cambios de isótopos de la primera y la segunda materia objetivo. Por isótopos se entiende un conjunto de nucleidos que tienen el mismo número atómico Z pero que tienen diferentes números de neutrones N=A-Z, donde A es el número de masa. En el proceso de desplazamiento de isótopo, el número de masa A del isótopo se desplaza por al menos un paso entero. El primer desplazamiento de isótopo puede ser un desplazamiento de isótopo de un isótopo AP con número de masa A a un isótopo A-1P con número de masa A-1.

El desplazamiento de isótopo en un isótopo AP se puede originar desde un canal de reacción

AP Ws ^ n A-1P (g.s.),

donde Ws denota una energía de espalación, donde "n" denota un neutrón, y donde "g.s." denota un estado base de A-1P. Esta reacción se asocia con una energía umbral específica, expresada convencionalmente en eV. Este tipo de reacción también se asocia con energías umbral específicas.

Puede haber canales de reacción similares a partir de A P que pueden dar como resultado isótopos A-kP, donde k=1,2,3,.... Por ejemplo, los procesos anteriores donde el número atómico se desplaza en un paso se pueden repetir k veces, o la transición en los k pasos puede ser directa.

La energía de espalación Ws es una energía suministrada a una porción de la primera materia objetivo por medio de la exposición a la irradiación para permitir la liberación de al menos un neutrón. Un estado de energía de la primera materia objetivo antes de la irradiación se puede excitar a un estado de energía superior. El estado de energía superior se puede alcanzar mediante la absorción de energía por la primera materia objetivo. Por ejemplo, la energía absorbida se puede convertir en energía cinética y/o energía vibratoria de la primera materia objetivo.

En un primer ejemplo no limitante, un desplazamiento de isótopo en litio se puede originar desde el canal de reacción

7Li Ws ^ n 6Li (g.s.),

Ws es la energía de espalación y donde "g.s." denota un estado base de 6Li. La energía umbral para esta reacción es de 7.25 MeV. Se observa que 6Li, así como 7Li, son isótopos estables per se, pero que la reacción anterior se puede inducir por la irradiación por encima de la energía umbral.

En un segundo ejemplo no limitante, el desplazamiento de isótopo se puede originar desde el canal de reacción D Ws ^ n 1H, donde D es deuterio 2H y donde H es procio, es decir, hidrógeno. La energía umbral para esta reacción es de 2.25 MeV.

Los desplazamientos de elementos también pueden ocurrir a través de la desintegración beta. Por ejemplo, la captura de neutrones de níquel hasta los isótopos inestables 63Ni y 65Ni conduce a 63Cu y 65Cu a través de desintegración beta (p- ), respectivamente, es decir, los neutrones se convierten en protones. Por el contrario, la captura de neutrones de 59Ni puede conducir a 58Co a través de desintegración p+, es decir, un protón convertido en un neutrón. Por cierto, los isótopos inestables anteriores tienen secciones transversales de alta captura de neutrones. Por lo tanto, el proceso de conversión de energía puede implicar un serpenteo complejo de desplazamientos de isótopos por captura de neutrones y desplazamientos de elementos por desintegración p±, que eventualmente conducen a elementos estables.

La primera materia objetivo puede comprender al menos un isótopo AP. En un primer ejemplo, la primera materia objetivo comprende únicamente un isótopo. En un segundo ejemplo, la primera materia objetivo comprende dos isótopos. En un tercer ejemplo, la primera materia objetivo comprende una pluralidad de isótopos. El isótopo AP en la primera materia objetivo preferentemente tiene una energía de unión nuclear baja para permitir una liberación de neutrones. Además, el isótopo AP en la primera materia objetivo tiene preferentemente una energía de unión nuclear que es mayor que la energía de unión nuclear del isótopo A-1P.

La energía de unión nuclear se puede medir como una energía de unión nuclear total en un núcleo. De manera alternativa, la energía de unión nuclear se puede medir como una energía de unión nuclear por nucleón en el núcleo. En particular, la energía de unión nuclear se puede medir como una energía de unión nuclear promedio por nucleón en el núcleo.

La segunda materia objetivo puede comprender al menos un isótopo BQ, donde B es el número de masa. En un primer ejemplo, la segunda materia objetivo comprende únicamente un isótopo. En un segundo ejemplo, la segunda materia objetivo comprende una pluralidad de isótopos. El isótopo BQ en la segunda materia objetivo tiene una energía de unión nuclear que es menor que la energía de unión nuclear del isótopo, o isótopos, en los que se desplaza después del proceso de captura de neutrones.

Por energía de salida de radiación EM se entiende aquí la energía que se libera en el proceso de captura de neutrones. La energía se liberará en forma de ondas electromagnéticas/fotones que cubren una amplia gama de frecuencias (primarias, secundarias, etc.).

Los neutrones se pueden capturar mediante un isótopo estable o mediante un isótopo inestable. En un ejemplo, la captura de neutrones da como resultado un isótopo estable. En otro ejemplo, la captura de neutrones da como resultado un isótopo inestable. Un canal de reacción para la captura de neutrones que involucra un isótopo BQ se puede escribir como

BQ n ^ B+1Q Wc,

donde Wc es la energía liberada de la captura de neutrones. Esta reacción se puede repetir de modo que se capturen dos o más neutrones, lo que da como resultado isótopos B+2Q, B+3Q, B+4Q, etc. Estos tipos de isótopos se pueden escribir colectivamente como B+kQ, donde k=1,2,3,.... De hecho, en un ejemplo, solo un neutrón se captura por la segunda materia objetivo. En otro ejemplo, la segunda materia objetivo captura dos, tres o cuatro neutrones. En aun otro ejemplo, una pluralidad de neutrones se captura por la segunda materia objetivo. El número de neutrones capturados se puede correlacionar con un flujo de neutrones producido por la primera materia objetivo. En particular, la captura de neutrones puede estar condicionada por un flujo de neutrones crítico. Por ejemplo, el flujo crítico puede estar entre 1014 y 1020 neutrones por cm2 por segundo.

Para que el proceso combinado de producción de neutrones y captura de neutrones sea eficaz, la tasa de producción de neutrones es preferentemente lo suficientemente alta para que una relación de ganancia de energía, definida como una potencia de salida dividida por una potencia de entrada, exceda la unidad.

De acuerdo con el concepto inventivo, se proporciona un método para uso en generación de energía. La primera materia objetivo puede producir neutrones al llevarla a un estado de resonancia. La producción de neutrones por la primera materia objetivo y la captura de neutrones por la segunda materia objetivo operan juntos para producir energía de salida. Un material en la segunda materia objetivo se puede transferir a un estado de menor energía mediante el cual se produce energía. Por ejemplo, 58Ni se puede desplazar a 60Ni al capturar dos neutrones.

Además, la primera materia objetivo se puede calentar. El calor se puede proporcionar mediante un dispositivo de calentamiento. Un dispositivo de calentamiento diseñado adecuadamente puede producir ondas que llevan la primera materia objetivo al estado de resonancia. El método combinado de espalación de neutrones y captura de neutrones se puede implementar al mantener una temperatura crítica en el combustible y para cumplir con los criterios de resonancia. Los criterios de resonancia se describirán más adelante.

El proceso de producción de neutrones requiere una entrada de energía menor que la salida de energía proporcionada por la captura de neutrones. En particular, se puede liberar energía en forma de radiación. Por ejemplo, se pueden liberar fotones que se caracterizan por tener momentos p, o energías W=|p|c . De este modo, el método inventivo se puede utilizar como un paso parcial en la generación de energía. Por ejemplo, el exceso de energía proporcionado se puede usar para operar una turbina de vapor para generar electricidad.

Otra ventaja de usar la captura de neutrones es que el neutrón puede ingresar al núcleo más fácilmente ya que el neutrón no tiene carga. De hecho, los procesos que involucran partículas cargadas, tal como los protones, requieren energías considerablemente más altas para proporcionar fusión nuclear, ya que se debe penetrar una barrera de Coloumb del núcleo.

Además, mediante el método inventivo, se proporciona un método más controlado para uso en generación de energía. De hecho, la tasa de producción de neutrones se puede controlar fácilmente al ajustar la potencia externa, pero aún más ajustando la intensidad y el contenido de frecuencia de onda de la radiación de entrada EM. La tasa de producción de neutrones se correlaciona directamente con la potencia y/o la intensidad y frecuencias de onda de la radiación de entrada EM.

En lo siguiente, se explicará el concepto de fuerza de gradiente en relación con la primera y la segunda materia objetivo. Como se explicará más adelante, la fuerza de gradiente puede surgir de la penetración de ondas electromagnéticas en la materia en cualquier estado agregado.

En la física del plasma, la fuerza ponderomotriz es bien conocida por ser una descripción eficaz de una fuerza no lineal promediada en el tiempo que actúa sobre un medio que comprende partículas cargadas en presencia de un campo EM oscilante no homogéneo. La base de la fuerza ponderomotriz promediada en el tiempo es que las ondas EM transfieren energía y momento a la materia.

De los cinco posibles efectos de ponderación, la fuerza de Miller y la fuerza de Abraham se consideran los más poderosos en un entorno débilmente magnetizado, o libre de gradiente magnético. Sin embargo, dependiendo del método de calentamiento, no se pueden excluir los efectos de la fuerza de gradiente magnético. Además, la fuerza de Barlow, inducida por colisiones de partículas de gas también puede influir en la dinámica del sistema.

La fuerza de aceleración ponderomotriz habilitante general considerada aquí es la fuerza de Miller o, de manera equivalente, la fuerza de gradiente.

Bajo el supuesto de que un cuerpo sólido conductor se puede tratar como un plasma, o un plasma de estado sólido, se puede aplicar el concepto de forzamiento de gradiente. Por dos razones, se elegirá una analogía de onda de Alfvén para derivar la fuerza de gradiente en sólidos. En primer lugar, porque se han observado ondas de Alfvén en plasmas en todos los estados, es decir, en estados plasmáticos, estados gaseosos, estados líquidos y estados sólidos. En segundo lugar, porque las ondas de Alfvén tienen una respuesta independiente de la frecuencia por debajo de la resonancia.

Se observa, sin embargo, que en general puede haber una mezcla de ondas de Alfvén y otras ondas, tal como ondas acústicas, en el cuerpo sólido.

Por lo tanto, la fuerza de gradiente y una presión de gradiente relacionada surge además de las fuerzas generadas por una presión de radiación EM ordinaria en un cuerpo, donde el cuerpo puede estar en cualquier estado agregado.

El cuerpo sólido se puede describir como que comprende iones y electrones, dando lugar a una carga neutra total. Dado que la masa de iones es típicamente más de 1800 veces mayor que la masa de electrones, la masa de electrones se puede despreciar. Por lo tanto, la densidad de masa y el forzamiento correspondiente sobre el plasma se determinan por la masa del ion, m. Las ondas de Alfvén que tienen una frecuencia w se propagan a lo largo de las líneas de campo magnético k = (0,0,k) en coordenadas cartesianas y tienen polarización lineal. La siguiente expresión se aplica a la fuerza de gradiente longitudinal (en unidades cgs) gobernada por ondas de Alfvén en un fluido:

donde e es la carga elemental y donde Q es una frecuencia de resonancia ciclotrónica. El gradiente espacial del campo eléctrico de onda cuadrada E2 en la dirección z determina la magnitud de la fuerza. Se observa que la expresión (1) tiene una singularidad en w2 = Q2 Además, la fuerza de gradiente es atractiva para w2 < Q2 y repulsiva para w2 > Q2 Por lo tanto, las ondas de Alfvén de baja frecuencia que tienen w2 < Q2 atraen partículas cargadas hacia la fuente de ondas, en tanto que las ondas de Alfvén de alta frecuencia que tienen w2 > Q2 repelen las partículas. La atracción a bajas frecuencias se puede concebir como intuitivamente errónea. Sin embargo, se aplica claramente a un plasma y también se ha confirmado experimental y teóricamente para la materia de estado sólido neutro. Además de tener este desplazamiento de fuerza direccional bipolar en la resonancia de onda, la fuerza de gradiente es independiente del signo de la carga de la partícula, debido al factor de e2.

Esto implica que la fuerza para los iones positivos y los electrones se dirige en la misma dirección.

Se señala que la materia neutra puede estar en un estado de fluido, un estado de gas, un estado de plasma o un estado sólido. Dado que la materia neutra a nivel atómico y nuclear constituye una carga, se puede considerar que las oscilaciones atómicas (por ejemplo, los movimientos brownianos) y las vibraciones interatómicas son "frecuencias fundamentales". Por lo tanto, el término de campo eléctrico de las ondas EM debería afectar a un "medio" atómico unido, por ejemplo, por fuerzas de Van-der-Wahl de manera similar a un plasma unido por un campo magnético fuerte.

Para los neutrales no magnetizados, la analogía implica que la energía de onda puede penetrar, ya que la fuerza de gradiente trabaja en protones atómicos y electrones colectivamente.

Para las ondas de baja frecuencia tales como w2 « Q2, la expresión en la ecuación (1) se simplifica ya que w se puede ignorar. En este caso, la fuerza se vuelve débilmente atractiva, independientemente de la estructura o masa atómica.

Sin embargo, al acercarse a la frecuencia de resonancia w2 = Q2, la fuerza del gradiente incrementa de forma no lineal. Las frecuencias de resonancia en la física del plasma están relacionadas con las propiedades intrínsecas del fluido, tales como una densidad del plasma, una masa de partículas, una inercia de partículas y el campo magnético. Se declara que lo mismo se aplica a la materia en estado sólido, excepto que también están involucradas fuerzas de unión de Van de Wahl mecánicas e interatómicas.

Por analogía, bajo la suposición de que las ondas EM que irradian el fluido/cuerpo sólido neutro están linealmente polarizadas, la fuerza de gradiente ejercida sobre partículas/átomos de masa individuales ma por ondas EM linealmente polarizadas con un campo eléctrico de radiación E se vuelve

_ e2 dE2

Fz 4m a(ü)2 — ü a2) dz ‘

En particular, esta expresión puede ser válida para la primera materia objetivo. La fuerza teórica del gradiente versus la frecuencia en la expresión (2) se asemeja a la de la expresión (1), excepto que ahora se ha introducido una frecuencia de resonancia Qa. La frecuencia de resonancia Qa puede ser una frecuencia de resonancia para la materia en cualquier estado agregado, es decir, sólido, líquido, gas o plasma. La fuerza de gradiente es nuevamente atractiva en todo el intervalo de frecuencia por debajo de la resonancia, es decir, para w2 < (Qa)2. Por encima de la resonancia w2 > (Qa)2, la fuerza es repulsiva. A frecuencias muy por debajo de la resonancia, w2 « (Qa)2, la fuerza de gradiente es independiente de la frecuencia de onda y se aplica la siguiente expresión:

Si la materia se encuentra en un estado agregado sólido, la frecuencia de resonancia se puede escribir como Qa = c/a, donde a es la distancia interatómica y c es la velocidad local de la luz en los medios. En este caso obtenemos para w2 « (Qa)2 la expresión aproximada

(4 )

En este caso, la fuerza depende de una constante de material, ^(a,ma), y el gradiente espacial del campo eléctrico de onda cuadrada E2 que se propaga hacia la materia. La energía de onda puede entrar a calentamiento y/o a energía cinética. La atracción de onda se determina por el gradiente espacial de E2 que se puede escribir como el cociente 5E2/5z, donde 5E2 es una diferencia de E2 sobre una longitud de interacción diferencial 5z. Una constante de material ^(a,ma), el gradiente 5E2/5z y el campo eléctrico de onda transversal E, ahora determinan la fuerza de gradiente ejercida sobre átomos individuales en el cuerpo. Se señala que la distancia interatómica a define la fuerza de unión, o tensión, en analogía con el campo magnético que controla el movimiento de plasma. El factor a puede ser un parámetro que define la resonancia. Puede haber parámetros adicionales para definir la resonancia.

Más generalmente, u en la expresión Qa = u/a se relaciona con la velocidad local de las ondas EM en los medios (por ejemplo, acústica, acústica iónica).

Se ha demostrado que los resultados analíticos derivados de la expresión (4) están de acuerdo con los hallazgos experimentales del experimento de vacío de Cavendish.

Para la primera o la segunda materia objetivo, la siguiente expresión para la fuerza de gradiente se puede obtener de la ecuación (4) anterior:

Fz « K(a, ma) ^3E_2

_dz . (5)

En este caso, K(a, ma) son propiedades características de la primera y/o la segunda materia objetivo. Las propiedades características pueden ser una masa atómica correspondiente, un número de átomos y una distancia de separación atómica, etc.

La fuerza de gradiente se puede volver más fuerte cuando la potencia de entrada de la radiación EM de entrada se vuelve más fuerte. Por ejemplo, la fuerza de gradiente en el intervalo de baja frecuencia w2 « (Qa)2 es directamente proporcional a la potencia de entrada de la radiación EM de entrada.

Como se señaló anteriormente, también pueden surgir fuerzas de Abraham en el cuerpo sólido. Por analogía a un plasma,

_{la fuerza longitudinal de Abraham se puede en este caso describir por} F^ = ± ( - i _A r h ^ dE2/ d t _{, que es proporcional a la} variación temporal del campo eléctrico cuadrado. ^ca es la velocidad de Alfvén y B es el campo magnético. El signo más o menos corresponde a la propagación de la onda paralela o antiparalela con la dirección del campo magnético B, respectivamente. La fuerza de Abraham puede ser significativa para cambios rápidos de E y/o campos magnéticos débiles. Esto último se puede asociar con bajas frecuencias de resonancia ciclotrónica que pueden dar bajas tasas de producción de neutrones. En cambio, el mérito de la fuerza de Abraham puede ser promover el calentamiento mediante los rápidos cambios de campo EM direccional. Además, la fuerza de Abraham puede mantener el enfoque longitudinal en el reactor.

El hecho de que las ondas EM en un plasma puedan conducir a la atracción no es evidente. Las ondas magnetohidrodinámicas, ondas MHD, son una clase de ondas en fluidos donde el plasma y el campo magnético muestran una oscilación mutua, el plasma se considera "congelado" en el campo magnético. En un campo magnético espacialmente unidireccional, la frecuencia de resonancia de plasma, en lugar de la dirección de propagación de la onda (dirección z), me2 OE2 determina la dirección de la fuerza. De Q = eB/mc tenemos para ondas de baja frecuencia, w2 «Q2 que FzK 202 ,lz . Esto implica que la fuerza es constante e independiente de la frecuencia de onda en un medio homogéneo con constante B a frecuencias muy bajas, la fuerza que es proporcional al gradiente de la intensidad de onda EM. Debido a que la intensidad de onda está disminuyendo durante la interacción (ejerciendo fuerza sobre la materia), la fuerza se dirige opuesta a la dirección de propagación de la onda.

El concepto de ondas MHD se deriva de la descripción fluida de los plasmas. Las ondas MHD se rigen por la tensión magnética en el plasma magnetizado. Cuanto más fuerte es la tensión magnética, más débil es la velocidad del grupo de ondas y la fuerza de gradiente. De manera similar, las ondas MHD en plasma de estado sólido se rigen por sus propiedades dieléctricas y tensión interatómica. En tanto que la frecuencia de resonancia local en plasma magnetizado gaseoso se determina por la frecuencia de girofrecuencia de ion, la frecuencia de resonancia local en sólidos neutros y gases neutros, que comprenden átomos es menos evidente. Sin embargo, como ya se señaló, la fuerza de gradiente es neutra en carga, lo que implica que la fuerza sobre las partículas cargadas positivas (protones) y negativas (electrones) va en la misma dirección. La analogía con las ondas MHD en plasma es útil, porque la MHD ideal implica que no hay transporte de partículas per se en la materia. En cambio, la materia está sujeta a forzamiento por la liberación local de energía de onda, caracterizada por un gradiente espacial del campo eléctrico de onda. Para establecer la captura de neutrones de acuerdo con el método inventivo, se requiere una cierta mezcla de "nucleones de espalación", tal como 7Li o D, y nucleones de captura de neutrones de alto rendimiento, tal como 58Ni o 40Ca. En el curso de este proceso nuclear, y dependiendo del medio ambiente, puede tener lugar otra transferencia de Estados, por ejemplo, la captura de electrones. Sin embargo, con un diseño adecuado del sistema, estos procesos pueden tener implicaciones menores para el presupuesto de energía de salida.

Dependiendo de la temperatura de combustible y la resonancia de onda, la tasa de producción de neutrones en un objetivo mixto de 7Li—58Ni o 7L i-40Ca puede lograr un estado donde una potencia de salida producida por la captura de neutrones excede sustancialmente una potencia de entrada.

Además de calentar el reactor, el exceso de energía de la captura de neutrones también puede mejorar la velocidad de espalación. Esto último se puede lograr al mejorar la potencia de entrada de radiación EM al reactor. Además, la potencia de onda cercana a la resonancia puede mejorar adicionalmente la velocidad de espalación. Debido a que la relación teórica entre la espalación de neutrones y el proceso de captura de neutrones 58Ni—>60Ni puede variar entre 1,4 para 7Li y 3,6 para deuterio, la espalación de neutrones impulsada externamente solo puede alcanzar las ganancias mencionadas anteriormente. Sin embargo, el exceso de energía acoplado con la captura de neutrones se puede retroalimentar al proceso de producción de neutrones y conducir a velocidades de espalación mejoradas. Este proceso de espalación impulsado por la captura de neutrones intrínsecos, puede aumentar la ganancia de potencia adicionalmente. Por ejemplo, la ganancia de potencia se puede elevar en un orden de magnitud en comparación con el proceso impulsado directamente. Teniendo en cuenta el desplazamiento de la fuerza direccional bipolar de la fuerza de gradiente, como se explicó anteriormente, se debe evitar el exceso de calentamiento o las frecuencias de onda que alcanzan una resonancia superior. Si no, el sistema puede colapsar por repulsión de fuerza de gradiente.

A continuación, se describirán varias realizaciones del concepto inventivo.

De acuerdo con una realización, la energía de entrada de radiación EM se obtiene mediante radiación EM que comprende al menos un modo de frecuencia de resonancia comprendido en un intervalo de frecuencia. La energía de entrada de radiación EM también puede contener un amplio espectro de armónicos con radiación EM que comprende una pluralidad de frecuencias con armónicos que se acercan a al menos un modo de frecuencia de resonancia. El acto de exponer la primera materia objetivo a radiación EM que tiene un modo de frecuencia de resonancia puede llevar la primera materia objetivo a un estado cercano a, pero por debajo de la resonancia.

La frecuencia de resonancia puede ser una frecuencia de resonancia mecánica. De manera alternativa, la frecuencia de resonancia puede ser una frecuencia de resonancia de onda EM.

La frecuencia de resonancia se puede asociar con un estado agregado de la primera materia objetivo. En particular, puede haber una frecuencia de resonancia de la primera materia objetivo en un estado sólido, una frecuencia de resonancia de la primera materia objetivo en un estado gaseoso y otra frecuencia de resonancia de la primera materia objetivo en un estado de plasma.

Preferentemente, el modo de frecuencia de resonancia es una frecuencia que está cerca de una frecuencia de resonancia crítica. Esto puede ser un criterio de resonancia. La frecuencia de resonancia crítica puede ser una frecuencia en la que la fuerza de gradiente se vuelve divergente y/o en la que la fuerza de gradiente cambia de dirección.

A manera de ejemplo, se puede considerar que la frecuencia de resonancia está cerca de la frecuencia de resonancia crítica si la relación entre la frecuencia de resonancia y la frecuencia de resonancia crítica está entre 0,8 y 0,999, o más preferentemente entre 0,9 y 0,99.

Además, el modo de frecuencia de resonancia preferentemente es una frecuencia que es más pequeña que la frecuencia de resonancia crítica mencionada anteriormente. Esto puede ser un criterio de resonancia. Una frecuencia de resonancia menor que la frecuencia de resonancia crítica puede dar por resultado una contracción del combustible, como se ha indicado anteriormente y se describirá más adelante.

Es importante destacar que el modo de frecuencia de resonancia puede ser una frecuencia en cualquier lugar del intervalo de frecuencia. Sin embargo, la cantidad de neutrones producidos puede depender del modo de frecuencia de resonancia que se utilice.

El intervalo de frecuencia se puede extender desde una frecuencia más baja hasta la frecuencia de resonancia crítica. Por ejemplo, el generador de ondas externo puede proporcionar un primer modo de frecuencia de resonancia y un segundo modo de frecuencia de resonancia, por lo que el primer modo de frecuencia de resonancia está más cerca de la frecuencia de resonancia crítica que el segundo modo de frecuencia de resonancia. Al exponer la primera materia objetivo a energía de entrada de radiación EM con el primer modo de frecuencia de resonancia puede producir más neutrones que al exponer la primera materia objetivo a energía de entrada de radiación EM con el segundo modo de frecuencia de resonancia. Además, una mayor potencia de entrada también puede incrementar la tasa de producción de neutrones.

Por lo tanto, la transferencia de energía de onda preferentemente es una transferencia de energía de resonancia. Sin embargo, también puede ser una transferencia de energía no resonante. Por transferencia de energía resonante se entiende que la frecuencia de la radiación EM está comprendida en el intervalo de frecuencia cerca de la frecuencia de resonancia crítica.

El por lo menos un modo de frecuencia de resonancia puede comprender múltiplos de una única frecuencia de resonancia. Esto puede ser un criterio de resonancia. Por ejemplo, una frecuencia de resonancia w puede dar lugar a las múltiples frecuencias de resonancia 2 w , 3w , 4 w , 5w,..., etc.

El modo de frecuencia de resonancia se puede elegir de modo que una energía asociada sea igual o mayor que la energía umbral para provocar la espalación de los neutrones en la primera materia objetivo.

A manera de ejemplo, cuando el modo de frecuencia de resonancia está cerca de la frecuencia de resonancia crítica, la fuerza de gradiente puede tener una fuerza entre 10-5 N y 1 N. En otro ejemplo, la fuerza de gradiente puede tener una fuerza entre 0,01 N y 0,1 N. Sin embargo, está claro que otras fuerzas son igualmente concebibles.

Una velocidad de producción de neutrones puede depender de al menos una de la fuerza de gradiente, una temperatura del combustible y la frecuencia de resonancia.

En un primer ejemplo, la frecuencia de resonancia crítica asociada a un gas/plasma para 7Li es Qa =1,3-1016 Hz. Qa se basa entonces en una distancia interatómica de longitud de onda a =1,110-8 m, la onda se propaga a la velocidad de la luz (c).

En un segundo ejemplo, la frecuencia de resonancia crítica para 7Li+, que es una resonancia de onda acústica iónica del gas/plasma correspondiente, es Qa =7,91013 Hz. La distancia interatómica promedio en el gas/plasma es a=1,110-9 m.

En un tercer ejemplo, la frecuencia crítica y la distancia interatómica promedio para D+ para las ondas acústicas iónicas del gas/plasma de deuterio correspondiente, es Qa =1,3-1013 Hz y a=6,110-9 m respectivamente.

De acuerdo con una realización, al menos un modo de frecuencia de resonancia se asocia con una distancia interatómica de la primera materia objetivo. Para una porción dada de la primera materia objetivo, los átomos se pueden colocar en una retícula tridimensional. Si la primera materia objetivo comprende varios isótopos, la porción se puede relacionar con un isótopo específico que tiene una estructura de retícula fija. La distancia interatómica en direcciones x, y y z de la retícula se puede escribir como ax, ay y az, respectivamente. Claramente, las distancias interatómicas ax,ay az pueden ser en general diferentes y dependen del tipo específico de retícula.

El modo de frecuencia de resonancia w¡ puede estar relacionado con la distancia interatómica ai por la relación w¡ = ui/ai, donde ^u¡ es constante y donde i=x, y o z. La constante ^u¡ tiene las dimensiones de rapidez o velocidad, es decir [u¡]=LT-1, donde L y T es un parámetro de longitud y un parámetro de tiempo, respectivamente. La constante u¡ puede ser un componente de una velocidad en una dirección específica o una magnitud de una velocidad. En un primer ejemplo no limitante, la constante u¡ es una velocidad de sonido de una porción de la primera materia objetivo. La velocidad del sonido puede ser una velocidad de sonido de iones. En el segundo y tercer ejemplo no limitante, la constante u¡ es una velocidad de onda de plasma uw de una porción de la primera materia objetivo.

De acuerdo con una realización, el por lo menos un modo de frecuencia de resonancia es un modo de frecuencia de resonancia gaseosa o de plasma de la primera materia objetivo, una resonancia de plasma que caracteriza los plasmas magnetizados y/o no magnetizados de la primera materia objetivo, o un modo de frecuencia de resonancia de sólido/fluido/gas/plasma de la segunda materia objetivo.

De acuerdo con una realización, el método comprende además llevar la primera materia objetivo a un estado de plasma. De hecho, el forzamiento de gradiente se puede volver dominante en el estado de plasma de la primera materia objetivo.

De acuerdo con una realización, el método comprende además llevar la primera materia objetivo de un estado sólido a un estado líquido. El método puede comprender además llevar la primera materia objetivo de un estado líquido a un estado gaseoso. Además, el método puede comprender además llevar la primera materia objetivo del estado gaseoso a un estado de plasma.

De acuerdo con una realización, la segunda materia objetivo se mantiene en un estado sólido como un polvo de grano fino (régimen de baja temperatura). De acuerdo con una realización, el método comprende además llevar la segunda materia objetivo a un estado líquido o gaseoso.

De acuerdo con una realización, el método comprende además calentar al menos una de la primera materia objetivo y la segunda materia objetivo. Mediante esta realización, se pueden producir más neutrones. De hecho, un combustible más caliente puede estar sujeto a compresión por la fuerza de gradiente, que es mutuamente beneficiosa para la producción de neutrones y la captura de neutrones.

De acuerdo con una realización, el calentamiento se proporciona por medio de calentamiento por inducción. El calentamiento por inducción puede ser un calentamiento por inducción de dos o tres fases. Una ventaja de esta realización es que el calentamiento del combustible se puede realizar por medio de un dispositivo de calentamiento que no tiene que hacer contacto físico con el combustible. Más bien, el calentamiento se puede lograr por medio de corrientes parásitas inducidas que implican calentamiento por resistencia en el combustible. Además, el calentamiento se puede lograr mediante pérdidas de histéresis magnética en el combustible.

Como se indicó anteriormente, otra implicación de la fuerza de gradiente es que la materia caliente puede atraer materia fría. Por ejemplo, la primera materia objetivo se puede enfriar cuando se liberan o emiten neutrones. De este modo, la primera materia objetivo se puede atraer a la segunda materia objetivo. En particular, la primera materia objetivo se puede atraer hacia un núcleo de la segunda materia objetivo.

El calentamiento del combustible puede tener consecuencias para un núcleo del combustible incluso cuando la primera materia objetivo se irradia con radiación EM que tiene frecuencias muy por debajo de la resonancia crítica. Las altas temperaturas del combustible pueden conducir a la contracción del núcleo de la fuerza de gradiente y la atracción de partículas ambientales. Independientemente del estado agregado de la materia, el calentamiento de onda cerca de la resonancia puede conducir a un forzamiento sustancial. El forzamiento de resonancia acumulado puede finalmente alcanzar energías de fisión/espalación para la primera materia objetivo.

El calentamiento, la evaporación y la ionización de la primera materia objetivo pueden conducir a la espalación de neutrones en el reactor en virtud únicamente de la alta temperatura de núcleo, pero en este caso la tasa de producción debe ser baja. La fuerza puede ser de órdenes de magnitudes más altas cerca de la frecuencia de resonancia.

Se pueden concebir varias resonancias, cada una relacionada con sus estados agregados correspondientes. Teniendo en cuenta la potencia del forzamiento EM, el forzamiento EM también dominará un gas neutro. En particular, esto es válido en un entorno donde una velocidad de ionización excede 0,01 %. Por esa razón, el proceso de espalación se puede tratar como un proceso gobernado por resonancias de plasma. La tasa de ionización para el primer objetivo (iones de litio y deuterio), es un equilibrio entre la ionización y la recombinación. La recombinación significa que los iones vuelven a neutrales. Para mantener una alta velocidad de ionización en un entorno de gas denso, se requiere un exceso de forzamiento EM.

De acuerdo con una realización, la energía de entrada de radiación EM se proporciona en forma de una señal de onda cuadrada o una señal de onda sinusoidal. La señal de onda cuadrada comprende una pluralidad de armónicos, es decir, modos de frecuencia. En particular, la señal de onda cuadrada puede comprender al menos un modo de frecuencia de resonancia. También son concebibles otros tipos de señales. En particular, se puede preferir una señal no sinusoidal. Por ejemplo, se puede proporcionar una señal de diente de sierra. Además, se pueden proporcionar señales irregulares.

De acuerdo con una realización, el método comprende además, con la condición de que se produzca una potencia de salida de radiación EM por encima de un valor umbral de potencia, mantener la producción de energía de salida de radiación EM al exponer la primera materia objetivo a energía de mantenimiento de radiación EM. Una ventaja de esta realización es que una vez que la energía de salida de radiación EM se produce por encima del valor umbral de potencia, se puede producir energía de salida de radiación EM adicional al ingresar energía de mantenimiento a la primera materia objetivo. En particular, esto se puede lograr en tanto que se apaga gradualmente el calentamiento. Además, la energía de mantenimiento se puede sostener cuando el calentamiento se ha apagado completamente. La energía de mantenimiento se puede suministrar desde una fuente que está separada del dispositivo de calentamiento mencionado anteriormente.

En un ejemplo, la primera materia objetivo se expone únicamente a energía de mantenimiento EM. En particular, no hay calentamiento, tal como calentamiento externo, de la primera materia objetivo. En otro ejemplo, la primera materia objetivo se expone al calentamiento, así como a la energía de mantenimiento EM.

De acuerdo con una realización alternativa, el método comprende además, con la condición de que los neutrones se produzcan por encima de un valor umbral, mantener la producción de energía de salida de radiación EM al exponer la primera materia objetivo a energía de mantenimiento de radiación EM.

Para reiterar, un enfoque conservador y de ahorro de energía puede ser ejecutar el proceso de captura de neutrones en entrada de baja potencia. Al alcanzar un primer estado casi estable de captura de neutrones a alta potencia, una fuente de onda EM de alta frecuencia de baja potencia que funciona cerca de, pero por debajo de, la frecuencia de resonancia puede tomar el control, lo que conduce a un segundo estado cuasiestático. Por segundo estado cuasiestático se entiende aquí que se necesita menos energía de entrada para mantener el proceso de captura de neutrones y, por lo tanto, la generación de energía. Las ondas de alta frecuencia de baja potencia cerca de la resonancia crítica son suficientes para elevar las tasas de espalación de neutrones desde una línea de base de temperatura mantenida principalmente por calentamiento interno.

Después de alcanzar una potencia de salida deseada, el reactor puede operar en una salida de potencia constante, casi autosostenida, regulada por entradas correctivas menores de una fuente de onda. La fuente de onda puede ser una fuente de onda de alta frecuencia de baja potencia. Además de tener un mejor control del proceso de captura de neutrones, el proceso mencionado anteriormente puede controlar la ganancia de alta potencia y ofrece una operación sostenible del reactor.

De acuerdo con una realización, la energía de mantenimiento de radiación EM se obtiene mediante radiación EM que comprende al menos un modo de frecuencia de resonancia comprendido en un intervalo de frecuencia.

De acuerdo con una realización, la energía de mantenimiento de radiación EM se proporciona por medio de una fuente de onda. La fuente de onda, o generador de onda, puede ser una fuente de onda EM. En un ejemplo no limitante, la fuente de onda es un electrodo de descarga. Por medio de la fuente de onda, la energía de mantenimiento se puede proporcionar de una manera más controlada. Además, se puede necesitar una potencia más baja para mantener la producción de neutrones. De hecho, mediante la fuente de onda se pueden mantener operaciones estables a potencia reducida. La potencia reducida puede ser considerable en comparación con la potencia proporcionada por medio de la energía de entrada de radiación EM y de calentamiento combinadas.

De acuerdo con una realización, el método puede comprender el acto de un generador termoeléctrico de peso ligero para sondas de espacio profundo. La unidad de fuente que opera en modo de mantenimiento de baja potencia es capaz de operar a largo plazo (>30 años), requiriendo una minúscula cantidad de materia objetivo. La ventaja, en comparación con otras soluciones, es que no se necesitan elementos radiactivos para proporcionar generación de energía.

De acuerdo con una realización alternativa, el método puede comprender además el acto de operar una turbina por medio de la salida de energía de radiación EM producida y generar electricidad por medio de la turbina. La turbina puede ser una turbina de vapor.

Se observa que los pasos del método descrito anteriormente, o cualquiera de sus realizaciones, no se tienen que realizar en el orden exacto divulgado anteriormente.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un aparato para generación de energía de acuerdo con la reivindicación 7.

Los detalles y ventajas del segundo aspecto de la invención son en gran medida análogos a los del primer aspecto de la invención, donde se hace referencia a lo anterior.

De acuerdo con una realización, el aparato comprende además una unidad de fuente EM para producir campos magnéticos y/o eléctricos. En un ejemplo no limitante, la unidad de fuente EM y la unidad de fuente para producir energía de entrada de radiación EM son iguales.

De acuerdo con una realización, que comprende además un recipiente de combustible para contener la primera materia objetivo y la segunda materia objetivo. El recipiente de combustible puede contener un material que absorbe radiación y/o absorbe neutrones. En particular, el recipiente de combustible puede contener un material que absorbe radiación suave y/o absorbe neutrones térmicos. El recipiente de combustible puede comprender un material cerámico. El material cerámico puede comprender un óxido de aluminio.

De acuerdo con una realización, el recipiente de combustible es una cámara de presión. Mediante la cámara de presión, la presión de combustible de reactor en el recipiente de combustible se puede ajustar y controlar de una manera mejorada. Por ejemplo, cuando la primera materia objetivo se lleva de un estado sólido a un estado gaseoso, el volumen de la primera materia objetivo se puede volver más grande, incrementando así la presión en el recipiente de combustible. La presión se puede controlar mediante un sistema de ventilación conectado a la cámara de presión. El sistema de ventilación también se puede usar para suministrar la primera materia objetivo en una forma gaseosa y/o una forma líquida al reactor.

De acuerdo con una realización, la primera materia objetivo y la segunda materia objetivo se mezclan. La primera y segunda materia objetivo se pueden mezclar proporcionalmente, por lo que la cantidad de primera materia objetivo la cantidad de segunda materia objetivo se adapta para producir una mayor cantidad de neutrones. Mediante las materias objetivo mezcladas, las operaciones a largo plazo del aparato se pueden mantener de una manera estable. La estabilidad se puede proporcionar a niveles de ganancia predeterminados.

En un primer ejemplo no limitante, al menos una de la primera materia objetivo y la segunda materia objetivo se proporciona en forma de granos. En un segundo ejemplo no limitante, la segunda materia objetivo se proporciona en forma de una red. En un tercer ejemplo no limitante, la segunda materia objetivo se proporciona en forma de una cadena o una fibra.

Generalmente, todos los términos utilizados en las reivindicaciones se deben interpretar de acuerdo con su significado ordinario en el campo técnico, a menos que se defina explícitamente lo contrario en la presente. Todas las referencias a "un/una/el [elemento, dispositivo, componente, medio, paso, etc.]" se deben interpretar abiertamente como referencias a al menos un caso de ese elemento, dispositivo, componente, medio, paso, etc., a menos que se indique explícitamente lo contrario.

Breve descripción de las figuras

Lo anterior, así como objetos, características y ventajas adicionales de la presente invención, se entenderá mejor a través de la siguiente descripción detallada ilustrativa y no limitante de realizaciones preferidas de la presente invención, con referencia a las figuras anexas, donde se utilizarán los mismos números de referencia para elementos similares, donde:

La figura 1 es una vista en sección transversal esquemática de un aparato de acuerdo con una realización del presente concepto inventivo.

La figura 2 es una vista lateral esquemática del aparato en la figura 1.

La figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra una realización del método inventivo.

La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra el paso de mantener la generación de energía de acuerdo con el diagrama de flujo en la figura 3.

La figura 5 es una simulación de energía versus tiempo de un dispositivo de 7Li y 58Ni.

La figura 6 es una simulación de potencia contra tiempo de un dispositivo de D y 58Ni.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

A continuación, el concepto inventivo se describirá con referencia a la figura 1 y la figura 2 que ilustran esquemáticamente un aparato 100 de acuerdo con una realización del presente concepto inventivo. La figura 1 es una vista en sección transversal del aparato 100 y la figura 2 es una vista lateral a lo largo de la vista A -A en la figura 1.

El aparato 100 se puede denominar cilindro de reactor, o simplemente reactor, y comprende una cámara 110, una disposición de bobina de inducción 120, un recipiente de combustible 130 y una disposición de parte lateral 140.

La cámara 110 es un cilindro cerámico que forma una barrera externa del aparato 100 y que encierra la disposición de bobina de inducción 120 y el recipiente de combustible 130. La cámara 110 tiene una sección transversal anular. Además, la cámara 110 se ajusta firmemente con la disposición de parte lateral 140.

La disposición de bobina de inducción 120 se dispone simétricamente en una configuración torcida alrededor del recipiente de combustible 130. De este modo, se proporciona un enfoque geométrico sobre un centro de reactor del aparato 100. La disposición de bobina de inducción 120 comprende al menos una bobina de inducción. Un primer alambre 122 se conecta a un extremo izquierdo de la disposición de bobina de inducción 120 y un segundo alambre 124 se conecta a un extremo derecho de la disposición de bobina de inducción 120. En la operación del aparato 100, el primer 122 y el segundo 124 alambres se conectan a una fuente de energía eléctrica (no mostrada) que alimenta la disposición de bobina de inducción 120. La fuente de energía eléctrica se dispone para pasar una corriente alterna a través de un electroimán en la disposición de bobina de inducción 120.

De acuerdo con la presente realización, la fuente de energía se dispone para suministrar una señal de onda cuadrada a la disposición de bobina de inducción 120. La señal de onda cuadrada tiene una amplitud y ancho fijo, y se elige de modo que contenga al menos un modo de frecuencia de resonancia. La potencia de la señal de la fuente de alimentación es fija.

El recipiente de combustible 130 tiene una sección transversal anular como se puede ver en la figura 1. Además, el recipiente de combustible 130 está hecho de acero. Hay combustible 200 proporcionado en una porción central del recipiente de combustible 130 que se extiende a lo largo de una porción longitudinal del recipiente de combustible 130. El combustible 200 comprende una primera materia objetivo 210 y una segunda materia objetivo 220. Inicialmente, es decir, antes de cualquier operación del aparato 100, la primera materia objetivo 210 comprende litio-7, 7Li, y la segunda materia objetivo 220 comprende níquel-58, 58Ni. De acuerdo con la presente realización, la primera 210 y la segunda 220 materia objetivo se proporcionan en forma de granos y se mezclan.

Opcionalmente, el recipiente de combustible 130 puede comprender un blindaje de absorción de neutrones (no se muestra) para bloquear neutrones. Además, el recipiente de combustible 130 puede comprender un blindaje de absorción de radiación (no se muestra) para bloquear la radiación. El blindaje de absorción de neutrones y/o radiación se puede disponer en al menos porciones del recipiente de combustible 130. Por ejemplo, un único blindaje puede formar el blindaje de absorción de neutrones y radiación.

Se entiende que el ejemplo anterior no es limitante y que otros materiales pueden estar comprendidos en la primera materia objetivo 210, tal como deuterio. Además, se entiende que otros materiales pueden estar comprendidos en la segunda materia objetivo 220, tal como 40Ca, 46Ti, 52Cr, 64Zn, 70Ge y 74Se.

La disposición de parte lateral 140 comprende una primera parte lateral 142 y una segunda parte lateral 144. La disposición de parte lateral 140 comprende una unidad de electrodo de descarga 150 que se dispone en la primera 142 y segunda parte lateral 144. Un tercer alambre 126 se conecta a un electrodo de descarga izquierdo de la unidad de electrodo de descarga 150 y un cuarto alambre 128 se conecta a un electrodo de descarga derecho de la unidad de electrodo de descarga 150. En la operación del aparato 100, el tercer 126 y el cuarto 128 alambres se conectan a una fuente de energía eléctrica (no mostrada) que alimenta la unidad de electrodo de descarga 150.

De acuerdo con la presente realización, la unidad de electrodo de descarga 150 se separa espacialmente del recipiente de combustible 130. El electrodo de descarga puede disparar pulsos de alto voltaje, nano-extendidos a intervalos controlados. Un voltaje de los pulsos puede ser del orden de kilovoltios, kV. Es evidente que, de acuerdo con una realización alternativa, la unidad de electrodo de descarga 150 se puede conectar espacialmente al recipiente de combustible 130.

A continuación, una realización del método inventivo (Recuadro 300) para uso en generación de energía se describirá con referencia a los diagramas de flujo en la figura 3 y la figura 4. El método se implementa en el aparato, o cilindro de reacción, 100 que se ha descrito anteriormente.

Primero, el combustible 200 se proporciona en el recipiente de combustible 130 (Recuadro 310). El combustible 200 comprende la primera materia objetivo 210 y la segunda materia objetivo 220 que comprenden 7Li y 58Ni, respectivamente. Más específicamente, el combustible 200 comprende 7Li que se mezcla con 58Ni. Tanto 7Li como 58Ni se proporcionan en forma sólida.

A continuación, el combustible 200 se irradia mediante radiación EM (Recuadro 320) por medio de la disposición de bobina de inducción 120 como se ha descrito anteriormente. De este modo, la primera materia objetivo 210 se lleva primero a un estado gaseoso y parcialmente ionizado, y posteriormente a un estado de energía superior a través de resonancia de ondas. Más específicamente, la radiación ^e M comprende al menos un modo de frecuencia de resonancia que tiene una frecuencia que está cerca de, pero por debajo de, una frecuencia de resonancia crítica. La frecuencia de resonancia crítica es una frecuencia en la que una fuerza de gradiente que se induce por la irradiación EM se vuelve singular. Las características de la fuerza de gradiente se han detallado en la sección de resumen anterior. En particular, se ha explicado que la fuerza de gradiente actúa en diferentes direcciones por debajo y por encima de la frecuencia de resonancia crítica. Las direcciones pueden ser opuestas entre sí. En particular, la fuerza de gradiente actúa para contraer la materia en el combustible 200 por debajo de la frecuencia de resonancia crítica.

La irradiación por radiación EM se incrementa gradualmente a una potencia de entrada fija.

La disposición de bobina de inducción 120 induce el calentamiento adicional del combustible 200 (Recuadro 330). Se señala que el canal de descarga central combinado y el enfoque geométrico del calentamiento por inducción proporcionan una deposición de energía radiativa incrementada en el combustible 200.

El enfoque geométrico puede modificar en la escala con un tamaño del aparato 100. En un ejemplo no limitante, el enfoque geométrico en el aparato 100 puede amplificar la radiación en el punto focal por un factor de 2-6, dependiendo de la geometría de enfoque. De este modo, las fuerzas de gradiente versus la potencia de entrada para la primera y segunda materia objetivo se pueden amplificar. Se señala que, en este caso, los valores de fuerza son para longitudes de onda muy por debajo de la resonancia.

A medida que se calienta el combustible 200, la primera materia objetivo 210 se lleva a un estado gaseoso y posteriormente se ioniza y alcanza un estado de plasma. Además, la segunda materia objetivo 220 permanecerá en forma sólida o líquida. De hecho, en virtud de un punto de ebullición relativamente bajo de 1342° C, el litio se puede transferir más fácilmente a un estado de plasma. Esto también sería válido para el deuterio. Por otro lado, el punto de ebullición relativamente alto de níquel de 2913 °C implica que permanecerá en forma sólida o líquida, al menos durante un período de tiempo más largo.

La unidad de electrodo de descarga 150 ioniza y calienta el gas en el cilindro de reactor 100. Los electrodos de descarga 150 en ambos extremos del cilindro de reactor 100 crean un canal de carga en el mismo, por lo que el combustible 200 en el recipiente de combustible 130 puede mantener un estado de ionización predeterminado.

Por lo tanto, se espera que el 7Li en la mezcla de combustible exceda su temperatura de ebullición, mejorando así la abundancia de gas/iones de 7Li en el tubo de descarga. Por el contrario, 58Ni permanecerá en forma sólida o fundida a una temperatura excesiva, convirtiéndose en el principal atractor de fuerza de gradiente en el reactor. Una razón para esto es que la primera materia objetivo 210, en esta realización que comprende 7Li, se vaporiza e ioniza y se distribuye rápidamente en el recipiente de combustible 130 debido a una alta temperatura en el mismo. Por otro lado, la segunda materia objetivo 220, en esta realización que comprende níquel, se convertirá gradualmente en el objeto más caliente en el recipiente de combustible 130 debido al proceso de captura de neutrones. De este modo, la segunda materia objetivo 220 será el atractor más fuerte en el aparato 100. Un punto de fusión alto de la segunda materia objetivo 220 contrarresta la evaporación de la segunda materia objetivo 220. Como consecuencia, la segunda materia objetivo 220 puede permanecer durante un período de tiempo más largo y, por lo tanto, puede atraer el gas y/o plasma circundante.

Además del calentamiento, la radiación combinada inductiva y de descarga contiene un amplio espectro de armónicos, este último que está cerca, pero por debajo de, la frecuencia de resonancia crítica.

La frecuencia de resonancia crítica cambia gradualmente bajo el proceso de calentamiento del combustible 200 hasta un estado de equilibrio donde todo el litio se ha vaporizado y/o ionizado. El estado de equilibrio puede ser un estado donde la ionización y la recombinación están en equilibrio. El estado de equilibrio se puede determinar mediante una frecuencia de recombinación.

A medida que la temperatura del combustible 200 se vuelve más alta, la contracción de núcleo de la fuerza de gradiente del combustible 200 y la atracción de partículas ambientales se vuelven más altas. Una vez que el combustible 200 alcanza energías de fisión/espalación para la primera materia objetivo 210, la primera materia objetivo 210 libera neutrones y experimenta un desplazamiento de isótopo de 7Li a 6Li.

Los neutrones liberados se capturan por la segunda materia objetivo 220 que experimenta al menos un desplazamiento de isótopo. Además, la energía de salida de radiación EM se libera cuando se captura un neutrón. Por ejemplo, 58Ni en la segunda materia objetivo 220 se puede desplazar al isótopo 60Ni al capturar dos neutrones o al isótopo 62Ni al capturar cuatro neutrones.

Si la potencia de salida producida por el aparato 100 es mayor que un valor umbral de potencia (Recuadro 340), el aparato 100 puede entrar en un modo de mantenimiento (Recuadro 350). El modo de mantenimiento se explica más adelante con referencia a la figura 4.

Si la potencia de salida producida por el aparato 100 es menor que el valor umbral de potencia (Recuadro 340), el combustible 200 se irradia adicionalmente mediante radiación EM (Recuadro 320) y se proporciona calor adicional (Recuadro 330). La irradiación y el calentamiento por la disposición de bobina de inducción 120 y la unidad de electrodo de descarga 150 continúan hasta que la potencia de salida de radiación EM producida por medio de la captura de neutrones es mayor que el valor umbral de potencia.

De acuerdo con la presente realización, el aparato 100 entra en el modo de mantenimiento (Recuadro 400) cuando la potencia de salida de radiación EM producida por el aparato 100 se encuentra por encima del valor umbral de potencia.

En primer lugar, se apaga la operación de la disposición de bobina de inducción 120 (Recuadro 410). El apagado se implementa gradualmente. De este modo, se termina la irradiación y el calentamiento proporcionados desde la disposición de bobina de inducción 120 al combustible 200, y en particular a la primera materia objetivo 210.

Luego, la primera materia objetivo 210 se expone a energía de mantenimiento de radiación EM (Recuadro 420). De acuerdo con la presente realización, la energía de mantenimiento de radiación EM se proporciona únicamente desde la unidad de electrodo de descarga 150. De este modo, el proceso de espalación, es decir, liberaciones de neutrones, de la primera materia objetivo 210 se puede mantener usando menos energía de entrada. La energía de mantenimiento de radiación EM comprende preferentemente un modo de frecuencia de resonancia que tiene una frecuencia que está cerca de, pero por debajo de, la frecuencia de resonancia crítica. De manera adicional, el proceso de espalación se puede controlar mejor ya que la unidad de electrodo de descarga 150 se puede controlar mejor en comparación con la disposición de bobina de inducción 120. De hecho, la unidad de electrodo de descarga 150 puede proporcionar frecuencias más precisas. En particular, el control mejorado de la unidad de electrodo de descarga 150 implica que la salida de energía se puede controlar mejor.

Este estado del aparato 100 se puede denominar estado cuasiestático, QSS, ya que se necesita menos energía de entrada para mantener el proceso de captura de neutrones y, por lo tanto, la generación de energía. De hecho, una pequeña potencia de entrada puede dar lugar a una gran ganancia de potencia.

Durante la operación del aparato 100, o de manera equivalente al reactor, en particular durante el estado casi estable, la potencia neta generada dentro del aparato 100 se equilibra mediante una pérdida radiativa del aparato 100, es decir, una potencia emitida desde la superficie del aparato 100, tal como desde la cámara 110. La potencia emitida desde la superficie se puede utilizar para operar un dispositivo como se explicará más adelante.

El calentamiento externo de 7Li y 58Ni, en el mejor de los casos, establecerá la espalación de neutrones en la primera materia objetivo 210 y la captura de neutrones en la segunda materia objetivo 220 hasta un nivel de QSS teórico. Con el propósito de ilustración, y con base en el problema clásico del intercambio de calor, una función

se puede usar para describir un crecimiento de energía generado por el aparato combinado 100. Aquí, P⁰ es la potencia QSS, es decir, Preactor = Pemitted = P⁰. Se señala que este es un QSS idealizado. En realidad, el proceso puede cambiar con el tiempo, por ejemplo, implicando la captura de neutrones por otros elementos, o la "degradación" gradual del isótopo primario con el tiempo, por ejemplo, 58Ni a 60Ni a 62Ni. Esto último ilustra que los procesos internos impulsan el QSS en gran medida. El calentamiento interno mediante captura de neutrones puede mejorar la velocidad de espalación en la primera materia objetivo 210 y la velocidad de captura de neutrones en la segunda materia objetivo 220, lo que conduce a velocidades de ganancia de energía superiores a las posibles mediante calentamiento externo. Eventualmente, el calentamiento interno se puede convertir en el principal impulsor de ganancia en el proceso en el aparato 100. Por lo tanto, la relación de ganancia, definida como la potencia de salida dividida por la potencia de entrada, se puede ampliar por un factor grande. En un ejemplo no limitante, este factor puede estar entre 3 o 20, o entre 5 y 10. Como consecuencia de lo anterior, se puede obtener un nuevo QSS.

En vista de lo anterior, una cuestión importante es proporcionar un diseño de reactor adecuado y material utilizado para conservar y/o soportar la temperatura de pared de reactor.

Por lo tanto, el proceso de espalación se puede eventualmente volver casi autosostenido mediante calentamiento interno por medio de la captura de neutrones y, además, una entrada menor de energía de onda de resonancia de la unidad de electrodo de descarga 150. Esto puede conducir a un proceso de reacción eficiente que requiere solo una pequeña entrada de energía.

Opcionalmente, el aparato 100 comprende además un dispositivo de bloqueo (no mostrado) que se dispone para terminar la producción de neutrones una vez que el aparato 100 ha alcanzado el estado casi estable. Por medio del dispositivo de bloqueo, la generación de energía se puede terminar o moderar reduciendo la tasa de producción de neutrones. La generación de energía se puede moderar cuando la salida de energía es mayor de lo deseado. El dispositivo de bloqueo se puede disponer cerca del centro del recipiente de combustible 130. El dispositivo de bloqueo puede comprender un material de absorción de neutrones que se puede insertar en el recipiente de combustible 130 para bloquear neutrones que se han liberado de la primera materia objetivo 210. En ejemplos no limitantes, el material de absorción de neutrones puede ser xenón-135 o samario-149.

La generación de energía descrita anteriormente se puede continuar hasta que una parte fija del combustible 200 se haya convertido en combustible usado o hasta que la energía de salida disminuya por debajo de una energía de salida más baja. Por combustible usado aquí se entiende que la primera materia objetivo, que inicialmente comprende 7Li se ha convertido en el isótopo 6Li, y/o que la segunda materia objetivo, que inicialmente comprende 58Ni se ha convertido en otros isótopos de níquel, tal como 58Ni o 62Ni.

Una vez que el combustible inicial 200 se ha convertido en combustible usado, el aparato 100 se puede cargar con combustible nuevo 200. Opcionalmente, la carga de combustible nuevo se puede proporcionar a intervalos de tiempo regulares, antes de que el combustible inicial 200 se haya agotado. De acuerdo con una realización alternativa, el deuterio en forma líquida o en forma de gas se puede inyectar continuamente.

El aparato 100 como se describió anteriormente puede estar comprendido en una planta de energía (no se muestra) para la generación de electricidad. La planta de energía puede comprender el aparato 100, una turbina de vapor y equipos adicionales para generar electricidad que se conocen por un experto en la técnica. La electricidad se puede generar al utilizar la energía de salida del aparato 100.

En particular, el método descrito anteriormente puede ser parte de un método para generar electricidad en una planta de energía. Este último método puede comprender pasos adicionales para generar la electricidad.

Se entiende que la potencia de salida del aparato 100 se puede usar para operar diversos tipos de dispositivos. En ejemplos no limitantes, el dispositivo puede ser un motor de Stirling, un motor de vapor, etc. Puede haber un intercambiador de calor proporcionado entre el aparato 100 y el dispositivo.

Además, se pueden proporcionar dos o más aparatos 100 en serie o en paralelo para proporcionar más potencia de salida. La figura 5 es una simulación de energía versus tiempo de un dispositivo de 7Li y 58Ni que demuestra las diferentes fases operativas (A)-(D). (A) Fase inicial de gasificación e ionización de la primera materia objetivo. (B) Fase de transición que conduce a la primera fase cuasiestática. (C) Fase que combina un apagado gradual del calentador externo con las emisiones de onda EM externa de retroalimentación de temperatura cerca de la resonancia. (D) Fase de onda EM externa de retroalimentación de temperatura que opera en el segundo nivel de estado cuasiestático, caracterizada por una ganancia de potencia elevada por un factor de 10-50. (1) Potencia de gasificación/ionización. (2) Potencia de entrada de bobina inductiva. (3) Potencia de onda de mantenimiento para adquirir el segundo nivel de estado cuasiestático. (4) Potencia generada de reactor. (5) Exceso de potencia (espalación inducida por fusión).

La figura 6 es una simulación de potencia versus tiempo de un dispositivo de D y 58Ni que demuestra las fases de respuesta como en la figura 5. Se señala que el dispositivo de D -58Ni es genéricamente aproximadamente tres veces más eficiente que el dispositivo de 7L i-58Ni, capaz de operar a una potencia externa más baja y una entrada de potencia de onda. La invención se describió principalmente anteriormente con referencia a algunas realizaciones. Sin embargo, como se aprecia fácilmente por una persona experta en la técnica, otras realizaciones distintas a las divulgadas anteriormente son igualmente posibles dentro del alcance de la invención, como se define por las reivindicaciones de patente anexas. En particular, las elecciones particulares de la primera y segunda materia objetivo no se deben considerar como limitantes, sino que solo representan cuestiones de ejemplificación de la meta. Por ejemplo, la primera materia objetivo puede comprender deuterio, o una mezcla de 7Li y deuterio, y la segunda materia objetivo puede comprender 40Ca, 46Ti, 52Cr, 64Zn, 58Ni, 70Ge o 74Se, o una mezcla de dos o más de estos isótopos.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un método para uso en generación de energía, el método que comprende:

llevar una primera materia objetivo (210) a través de resonancia de onda a un estado de energía superior al exponer la primera materia objetivo a energía de entrada de radiación electromagnética, proporcionada por una primera fuente de onda, para producir un primer desplazamiento de isótopo en la primera materia objetivo y neutrones resultantes del primer desplazamiento de isótopo,

el método que está caracterizado por:

capturar los neutrones mediante una segunda materia objetivo (220), que tiene una energía de unión nuclear que es menor que la energía de unión nuclear del isótopo, o isótopos, en los que se desplaza después del proceso de captura de neutrones, para producir un segundo desplazamiento de isótopo en la segunda materia objetivo y energía de salida de radiación electromagnética.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, donde la energía de entrada de radiación electromagnética se proporciona en forma de una señal de onda cuadrada o una señal de onda sinusoidal.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, donde la energía de entrada de radiación electromagnética se obtiene por radiación electromagnética que comprende al menos un modo de frecuencia de resonancia comprendido en un intervalo de frecuencia, donde el por lo menos un modo de frecuencia de resonancia se asocia con una distancia interatómica de la primera materia objetivo, es un modo de frecuencia de resonancia de gas o plasma de la primera materia objetivo, es una resonancia de plasma que caracteriza plasmas magnetizados y/o no magnetizados de la primera materia objetivo, o es un modo de frecuencia de resonancia de sólido/fluido/gas/plasma de la segunda materia objetivo.

4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3, que comprende además calentar al menos una de la primera materia objetivo y la segunda materia objetivo.

5. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que comprende además, al producirse una potencia de salida de radiación electromagnética por encima de un valor umbral de potencia, mantener esta producción de energía de salida de radiación electromagnética al exponer la primera materia objetivo a energía de mantenimiento de radiación electromagnética proporcionada por una segunda fuente de onda.

6. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, que comprende además llevar la primera materia objetivo a un estado de plasma.

7. Un aparato para generación de energía, el aparato que comprende:

una primera fuente de onda para producir energía de entrada de radiación electromagnética,

una primera materia objetivo (210), y

una segunda materia objetivo (220),

donde la primera fuente de onda se dispone para exponer la primera materia objetivo a la energía de entrada de radiación electromagnética para llevar la primera materia objetivo a través de resonancia de onda a un estado de energía superior, para producir un primer desplazamiento de isótopo en la primera materia objetivo y neutrones resultantes del primer desplazamiento de isótopo,

caracterizado porque la segunda materia objetivo se dispone para

capturar los neutrones para producir un segundo desplazamiento de isótopo en la segunda materia objetivo y una energía de salida de radiación electromagnética, donde la segunda materia objetivo tiene una energía de unión nuclear que es menor que la energía de unión nuclear del isótopo, o isótopos, en los que se desplaza después del proceso de captura de neutrones.

8. El aparato de acuerdo con la reivindicación 9, donde se mezclan la primera materia objetivo y la segunda materia objetivo.

9. El aparato de acuerdo con la reivindicación 7 o 8, que comprende además un recipiente de combustible para contener la primera materia objetivo y la segunda materia objetivo.

10. El aparato de acuerdo con la reivindicación 9, donde el recipiente de combustible es una cámara de presión.

11. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-10, donde la primera fuente de onda comprende una disposición de bobina de inducción (120).

12. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-11, que comprende además una unidad de electrodo de descarga (150).