模擬核能驅(qū)動的磁流體發(fā)電機

王伯珩+崔亞平+沙麗榮

【摘要】本文模擬核反應(yīng)堆所產(chǎn)生的熱量，使用特斯拉線圈，根據(jù)諧振原理，將高壓變壓器產(chǎn)生的高壓，轉(zhuǎn)化為超高壓，進而擊穿空氣，產(chǎn)生大量離子體。

【關(guān)鍵詞】核反應(yīng)堆 諧振原理 磁流體 核能

眾所周知，核能是最后前景的清潔能源。核電站正常運行對周圍居民的照射最大為0.05mSv，僅為國際防護規(guī)定安全劑量的1%。而等質(zhì)量鈾235裂變的能量是優(yōu)質(zhì)煤的27000000倍。目前核電站的工作原理約等于燒開水，然后用水汽推動渦輪機轉(zhuǎn)來發(fā)電。但核反應(yīng)堆的效率令人擔憂。目前眾多核反應(yīng)堆的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能-機械能-電能。高效率的快堆為60%，原料為钚239，一次嬗變后的核廢料還可以繼續(xù)作核燃料。但其制造難度更大，經(jīng)濟性還有待驗證。

一、基本原理

電能的本質(zhì)：電子的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生電流。電子寄生于原子上，穩(wěn)定的原子不顯電性，顯電性的為離子。但離子態(tài)并不穩(wěn)定，需要巨大的能量將穩(wěn)定的原子電離，形成離子形態(tài)。因此，核能是最合適的能量源。接下來選擇合適的離子是問題的關(guān)鍵。成本越低的離子越是省錢，不用花錢的更好，因此我們可以想到空氣。空氣中含有79%的N2，O2等分子。那么空氣可以被電離嗎？

打雷時空中的閃電，其原理就是將天空與大地看作兩塊電性相反的巨型平板。當兩塊板子中間便會產(chǎn)生電壓。當電壓達到擊穿一定厚度的空氣時，便會產(chǎn)生閃電，而閃電所經(jīng)過的區(qū)域，便會產(chǎn)生大量離子體，而每種離子的產(chǎn)生伴隨著電子的轉(zhuǎn)移與躍遷，當電子躍遷的時候便會放出特定的光譜，也就是閃電。

二、模擬發(fā)電

為了模擬核反應(yīng)堆所產(chǎn)生的熱量，我們可以想到使用特斯拉線圈。其原理是利用諧振，將高壓變壓器產(chǎn)生的高壓，轉(zhuǎn)化為超高壓，進而擊穿空氣，產(chǎn)生大量離子體。150-200nm波長真空紫外線、宇宙射線，高溫等作用下亦會產(chǎn)生等離子體，如電離層。

（1）特斯拉線圈的制作：首先制作初級線圈：1680匝0.48mm粗漆包線，初級線圈高850mm，直徑160mm。次級線圈采用圓盤式，制作用8mm銅管，平均間距25mm，8匝。高壓變壓器選用微波爐變壓器，單個功率1000W，電壓2100V高壓變壓器兩個，正向串聯(lián)，反向并聯(lián)。功率2000W，電壓4200V。

初級的打火器選擇為穩(wěn)定實用，但不能工作太長時間的間隙打火器。

接下來進入計算步驟：

電容組與變壓器匹配，電源頻率（FL）：50Hz；電壓（E）：4200V；電流（I）：0.5A。為了讓電容組容量與變壓器功率匹配，用半波將電容組充電道最大值。

電容組設(shè)計，單個電容參數(shù)：電容量：0.44μF；耐壓：6000V；電容組設(shè)計：串聯(lián)：4；并聯(lián)：3；電容組參數(shù)：電容量：0.33μF；耐壓：24000V；總電容個數(shù)：12；36個10兆歐電阻作保護電阻，每3個串聯(lián)為30兆歐電阻，與每個特斯拉電容并聯(lián)。制作半橋整流，出口處接5m長電爐絲。

螺線管線圈，螺線管直徑（D）：161mm；線圈匝數(shù)（N）：1680；繞線直徑（W）：0.48mm；匝間距（S）：0.02mm；螺線管高度（H）：840mm；漆包線長度：849.737m；

平板螺線圈，上半部為進風口，間隙打火，下半部為偏轉(zhuǎn)磁場及接收板：線圈內(nèi)徑（Di）：250mm；線圈匝數(shù)（N）：5.5；線徑（W）：8mm；匝間距（S）：25mm；線圈外徑（Do）：613mm；電線長度：7.455m；電感量（L）：14.892μH。

環(huán)形電容器：外環(huán)徑（D1）：480mm；直徑（D2）：160mm；

LC諧振電路頻率：電感量（L）：14.892μH；電容量（C）：0.33μF。

利用諧振公式：L1C1=L2C2可不斷調(diào)試初級線圈圈數(shù)來達到最佳諧振頻率。接通電源后可觀察到打火器工作，利用空氣壓縮機向兩頭開口圓柱狀打火器內(nèi)通高速氣體，觀察到伴有點火光：紫色，紅棕色，黃色。

查找元素電離光譜可驗證其中紅棕色為氮離子，黃色為氧離子。利用離子濃度監(jiān)測儀可獨處離子濃度：1999萬離子/立方厘米。證明：通過特斯拉線圈可獲得大量離子體。

（2）離子的利用。偏轉(zhuǎn)磁場的制作：（不考慮自旋與電子躍遷損失）

利用電生磁場來進行制作正負離子偏轉(zhuǎn)磁場。運轉(zhuǎn)線圈時，可聞到強烈刺激性氣體，斷定為NO2，由電離難易程度分析可知初始產(chǎn)物為NO。涉及到幾個化學(xué)反應(yīng)：O2在放電條件下生成O3。O3=O2+O，NO+O3=NO2+O2，NO2+O=NO+O2。計算時選取NO為初始合成分子。

第一電離能：N：1402.3kj/mol O：1313.9kj/mol

離子質(zhì)量（m）：N+：1.1708×10-26kg O-：1.3381×10-26kg

電子帶電量（q）：1.6×10-19C

設(shè)定的離子進入角度為水平線上線45°各45°角，進入寬度為0.02m，初始速度為v=10m/s。

通過作圖可獲得離子的偏轉(zhuǎn)半徑范圍。利用兩個通電線圈，豎向?qū)R，間隔8cm，可產(chǎn)生小范圍勻強磁場。利用兩個小型調(diào)壓臺分別作兩個線圈電源，連入10歐姆固定電阻作保護電阻。不斷調(diào)節(jié)兩邊電壓，同時利用高斯計測量所產(chǎn)生磁場大小，減去地磁場數(shù)值：50μT，直至數(shù)值與理論數(shù)值相吻合。

磁場另一端作兩個對向鐵板，作為接收離子裝置，板子伸出導(dǎo)線，另接一電流表，并聯(lián)電壓表測試最終產(chǎn)生直流電流和電壓。所有設(shè)備基本上組裝完畢，另從特斯拉線圈次級底腳處接出一條地線，連接至打底作保護。

三、試驗結(jié)論

特斯拉線圈工作順利；打火器產(chǎn)生高溫高壓，伴隨紫色，紅棕色，黃色，火焰；離子檢測儀顯示離子濃度1999萬離子/立方厘米；最終電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn)電流約為0.3A，電壓約為3.1V。

參考文獻：

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