局部能量集中的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生非常高的局部能量的方法及設(shè)備。其特別但并非唯一地涉及產(chǎn)生高到足夠引起核聚變的局部能量。
【背景技術(shù)】
[0002]多年來，核聚變發(fā)電的開發(fā)已成為投資大量時(shí)間和金錢的領(lǐng)域。此投資已以高成本大量集中在開發(fā)大規(guī)模核聚變反應(yīng)堆上。然而，存在預(yù)見簡(jiǎn)單和便宜得多的用于制造核聚變的機(jī)制的其它理論。本發(fā)明感興趣的是傘式概念“慣性約束核聚變”，其使用機(jī)械力(例如沖擊波)將能量集中并聚集到非常小的體積(volume)。
[0003]對(duì)慣性約束聚變的各替代方法的潛在的大部分信心來自于對(duì)一種稱為聲致發(fā)光的現(xiàn)象的觀察。在用特定頻率的超聲波激發(fā)包含合適大小的氣泡的液體時(shí)發(fā)生此現(xiàn)象。壓力波引起氣泡擴(kuò)張，并隨即劇烈地坍塌；這個(gè)過程通常被稱為慣性空化。氣泡的迅速坍塌導(dǎo)致不均衡壓縮，該不均衡壓縮引起內(nèi)容物升溫至使其發(fā)光的程度[Gaitan，D.F.,Crum, L.A.、Church, C.C.以及 Roy, R.A.，美國聲學(xué)學(xué)會(huì)，91 (6)，3166-3183 六月(1992)]。已進(jìn)行了各種努力來加劇這個(gè)過程，并且有團(tuán)體已經(jīng)聲稱觀察到核聚變[Taleyarkhan, R.P.，、West, C.D.、Cho, J.S.、Lahey, R.T.、Nigmatulin, R.1.以及 Block, R.C.，科學(xué)，295 (5561)，1868-1873三月(2002)]。然而，盡管已進(jìn)行了大量的努力[Shapira，D.以及Saltmarsh，Μ.，物理評(píng)論快報(bào)，89 (10)，104302九月(2002)]，但觀察到的結(jié)果仍未被證實(shí)或得以重現(xiàn)。這不是唯一提出的已由坍塌的氣泡引起發(fā)冷光的機(jī)制；但是，它是最具文件證明的。也已從由強(qiáng)大的沖擊波造成的坍塌的氣泡觀察到了發(fā)冷光[Bourne，N.K.以及Field，J.E.，皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)匯刊倫敦系列A-數(shù)學(xué)物理和工程科學(xué)，357 (1751)，295-311 二月(1999)]。這是第二種機(jī)制，即:利用沖擊波的氣泡坍塌，本發(fā)明涉及該機(jī)制。
[0004]在US 7445319中已經(jīng)提出將以非常高的速度(?lkm/s)移動(dòng)的球狀水滴射向堅(jiān)硬的目標(biāo)，以生成強(qiáng)烈的沖擊波。這種沖擊波能夠用于使已在該水滴內(nèi)成核并隨后在其內(nèi)擴(kuò)張的氣泡坍塌。上述專利期望核聚變?cè)谠撎臍馀輧?nèi)發(fā)生。之前已實(shí)驗(yàn)性地并以數(shù)據(jù)方式研究了通過高速液滴撞擊在表面上而生成沖擊波的機(jī)制，且已很好地記錄了該機(jī)制(包括本專利發(fā)明人之一的成果[Haller, K.K.、Ventikos, K、Poulikakos, D.以及Monkewitz, P.應(yīng)用物理雜志，92 (5)，2821-2828九月(2002)])。即使基本的物理機(jī)制類似，但由于其不使用高速液滴撞擊，所以本發(fā)明與US7445319不同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供上述技術(shù)的替換方案，且還可具有其它應(yīng)用。當(dāng)從本發(fā)明的第一方面來看時(shí)，其提供了一種產(chǎn)生局部能量集中的方法，包括:產(chǎn)生沖擊波，該沖擊波傳播通過非氣態(tài)介質(zhì)，以入射到該非氣態(tài)介質(zhì)和氣態(tài)介質(zhì)之間的邊界上，其由分離非氣態(tài)介質(zhì)和氣態(tài)介質(zhì)的障礙物中的至少一個(gè)孔形成，從而在該孔的另一側(cè)上形成入射到包含與氣態(tài)介質(zhì)中的障礙物隔開的凹陷的目標(biāo)表面上的橫向噴流。
[0006]本發(fā)明還擴(kuò)展至一種用于產(chǎn)生局部能量集中的設(shè)備，包括:
[0007]氣態(tài)介質(zhì)；
[0008]非氣態(tài)介質(zhì)，通過其中包含至少一個(gè)孔的障礙物與氣態(tài)介質(zhì)分離；
[0009]目標(biāo)表面，其包括凹陷，凹陷在氣態(tài)介質(zhì)中與障礙物隔開；以及
[0010]用于產(chǎn)生至少一個(gè)沖擊波的裝置，該沖擊波傳播通過所述非氣態(tài)介質(zhì)，以入射到由所述孔形成的邊界上，從而在該孔的另一側(cè)上形成橫向噴流。
[0011]WO 2011/138622中已示出非氣態(tài)介質(zhì)中的沖擊波與氣態(tài)介質(zhì)之間的相互作用例如沖擊波撞擊液體內(nèi)的氣泡可產(chǎn)生穿過氣態(tài)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的非氣態(tài)介質(zhì)的高速橫向噴流，這導(dǎo)致該噴流撞擊該氣泡的下風(fēng)側(cè)。根據(jù)本發(fā)明，這被進(jìn)一步開發(fā)。由沖擊波入射到該邊界上產(chǎn)生的橫向噴流背離該目標(biāo)捕集一定體積或“氣泡狀”的氣態(tài)介質(zhì)。這通過兩個(gè)機(jī)制產(chǎn)生氣體內(nèi)強(qiáng)烈的能量集中。第一機(jī)制是簡(jiǎn)單的噴流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能且隨后轉(zhuǎn)化為熱能的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換，因?yàn)楫?dāng)氣泡阻止噴流的運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣泡被壓縮。這包括通過弓形震波(bow shock)在噴流前面的移動(dòng)加熱和由該弓形震波的回彈引起的加熱以及隨后的被限制在氣泡內(nèi)的進(jìn)一步產(chǎn)生的震波的相互作用。
[0012]第二機(jī)制是來自由噴流和目標(biāo)表面之間的撞擊產(chǎn)生的、從噴流傳播到相鄰的氣泡的匯聚沖擊波的能量的轉(zhuǎn)移。當(dāng)沖擊波的邊緣朝向被捕集的體積傳播時(shí)，沖擊波的邊緣聚集，形成收縮圈。當(dāng)該沖擊波最終向下聚集到附近一點(diǎn)時(shí)，其在壓縮氣泡中產(chǎn)生極其高的壓力和溫度。沖擊波在其中從噴流傳播到氣泡的介質(zhì)的密度的大的減少意味著沖擊波在氣泡中產(chǎn)生非常高的溫度，尤其當(dāng)沖擊波匯聚到一點(diǎn)時(shí)。
[0013]當(dāng)非氣態(tài)介質(zhì)中的沖擊波入射到氣態(tài)介質(zhì)上時(shí)產(chǎn)生的橫向噴流從非氣態(tài)介質(zhì)和氣態(tài)介質(zhì)之間的邊界加速到其目標(biāo)表面處的高速度，在目標(biāo)表面處橫向噴流捕集和壓縮一定體積的氣體。當(dāng)噴流繼續(xù)通過氣態(tài)介質(zhì)時(shí)，該噴流因?yàn)闆_擊波匯聚而繼續(xù)加速。因此，通過提供目標(biāo)表面與障礙物中的孔的間距，即，在該間距內(nèi)橫向噴流首先形成在邊界處，噴流有空間進(jìn)一步加速，使得當(dāng)撞擊目標(biāo)表面時(shí)該噴流達(dá)到比沒有該間距時(shí)更高的速度。目標(biāo)表面與邊界中的孔的最大間距由在該處橫向噴流開始變得不穩(wěn)定且因此分解成液滴噴霧的點(diǎn)決定。因此，目標(biāo)表面與障礙物中的孔的間距可小于該孔的直徑的20倍，例如小于直徑的10倍，例如小于直徑的5倍，例如小于直徑的2倍。在下面描述的邊界表面(即，非氣態(tài)介質(zhì)和氣態(tài)介質(zhì)之間的邊界)彎曲的一組實(shí)施例中，該間距可小于該邊界表面的曲率半徑的10倍，例如小于5倍，例如小于2倍。理論上，不存在最小間距，僅需要障礙物和目標(biāo)表面不接觸。然而，實(shí)際上，該間距必須足以提供一定量的氣態(tài)介質(zhì)，且在下述的一組實(shí)施例中，該間距必須足以滑入新的目標(biāo)表面。該間距允許將來自沖擊波的更多能量用于噴流以隨后的目標(biāo)表面上的沖擊，因此，增加被捕集氣泡的壓縮和加熱。例如，這可比作如WO2011/138622所公開的在不存在與目標(biāo)表面隔開的障礙物的情況下氣態(tài)介質(zhì)直接附著于作為氣泡的目標(biāo)表面上的設(shè)置。
[0014]因此，根據(jù)諸如障礙物和目標(biāo)表面之間的間距的各種因素，使用本發(fā)明能夠改善噴流達(dá)到的速度。此外，如下面將說明的，障礙物與目標(biāo)表面的間距產(chǎn)生許多其他優(yōu)勢(shì)。
[0015]本發(fā)明的實(shí)施例可用于通過產(chǎn)生的非氣態(tài)介質(zhì)的噴流背離目標(biāo)表面壓縮一定體積的氣態(tài)介質(zhì)產(chǎn)生非常高的能量集中。由于捕集的氣泡和相鄰的目標(biāo)表面中的非常高的能量集中，將不可避免地產(chǎn)生對(duì)目標(biāo)表面的損害。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，例如在目標(biāo)表面包括用于核聚變的燃料或用于化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物的那些實(shí)施例中，有意損害目標(biāo)表面。如果本發(fā)明將被用于這種目的，為了獲得可持續(xù)的反應(yīng)，可期望高重復(fù)率的重復(fù)撞擊。然而，將想到，對(duì)于噴流重復(fù)撞擊到目標(biāo)表面上，尤其當(dāng)目標(biāo)表面被該撞擊損壞時(shí)，該目標(biāo)表面將需要被快速替換。障礙物和目標(biāo)表面的分離使其成為可能，這尤其因?yàn)槟繕?biāo)表面不與任何非氣態(tài)介質(zhì)接觸，除了當(dāng)沖擊波傳播時(shí)。例如，目標(biāo)表面可被完全替換，例如，損壞的表面滑出且新的表面滑入，或具有多個(gè)不同撞擊位置的目標(biāo)表面可相繼移動(dòng)以將每個(gè)撞擊位置相對(duì)于障礙物中的孔放置，使得伴隨非氣態(tài)介質(zhì)中的沖擊波的每個(gè)重復(fù)或其倍數(shù)，目標(biāo)表面上的新的目標(biāo)位置接收來自產(chǎn)生的橫向噴流的撞擊。
[0016]目標(biāo)表面和障礙物的分離允許目標(biāo)表面和障礙物由不同的材料制成，每種材料都適合于其目的。為了抵擋沖擊波及可能的多個(gè)沖擊波產(chǎn)生的壓力，在一組實(shí)施例中，障礙物由高強(qiáng)度材料制成，例如，高強(qiáng)度鋼。圍繞孔的周邊的障礙物可被加強(qiáng)，因?yàn)檫@是壓力和能量有可能最大的位置。相反地，目標(biāo)表面可能不需要具有任何特殊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因?yàn)槠涑送ㄟ^噴流不直接與沖擊波接觸。如先前所述，目標(biāo)表面可由用于核聚變的燃料或用于化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物制成或至少包括用于核聚變的燃料或用于化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物。
[0017]目標(biāo)表面和非氣態(tài)介質(zhì)例如通過障礙物的分離還能夠使非氣態(tài)介質(zhì)的組分獨(dú)立與氣態(tài)介質(zhì)的組分，例如，這是因?yàn)榉菤鈶B(tài)介質(zhì)不需要允許氣態(tài)介質(zhì)在其內(nèi)成核的組分，但還因?yàn)榭梢匀菀椎卦谡系K物的兩側(cè)提供這兩種材料的不同供應(yīng)。氣態(tài)材料和非氣態(tài)材料的這種獨(dú)立性尤其有利于本發(fā)明的化學(xué)應(yīng)用，例如，聲化學(xué)和奇異化學(xué)(exotic chemistry)，其中，可以選擇適合于待被研究的特別反應(yīng)的材料的組分。
[0018]障礙物和目標(biāo)表面的獨(dú)立性由它們的分離造成，這兩種結(jié)構(gòu)的形狀和障礙物中的孔還可單獨(dú)地量身定制。有力地，目標(biāo)表面包括凹陷。這可被設(shè)計(jì)為接收橫向噴流的撞擊，使得至少一些氣態(tài)介質(zhì)被捕集在撞擊噴流和表面凹陷之間，例如，氣泡被該噴流背離凹陷的內(nèi)表面捕集和壓縮。根據(jù)使用該設(shè)備的應(yīng)用，例如核聚變或化學(xué)反應(yīng)，目標(biāo)表面可被成形為從在該表面發(fā)生的任何反應(yīng)中收集產(chǎn)品。例如，目標(biāo)表面可被設(shè)置為與水平面呈一定角度使得來自反應(yīng)的遠(yuǎn)離該表面產(chǎn)品向下流向收集容器。
[0019]沖擊波入射的對(duì)面的凹陷中的表面形狀可以是平坦的，使得噴流在一點(diǎn)處接觸該表面。然而，在一組實(shí)施例中，表面凹陷被設(shè)置為使得最初的接觸區(qū)域是曲線，該曲線形成閉合環(huán)路，例如環(huán)。這增加在噴流尖端和凹陷的邊緣之間捕集一定體積的氣態(tài)介質(zhì)的容易度。為了實(shí)現(xiàn)其，目標(biāo)表面的一部分的曲率大于噴流的尖端的曲率且表面的該部