模拟核能驱动的磁流体发电机

王伯珩+崔亚平+沙丽荣

【摘要】本文模拟核反应堆所产生的热量，使用特斯拉线圈，根据谐振原理，将高压变压器产生的高压，转化为超高压，进而击穿空气，产生大量离子体。

【关键词】核反应堆 谐振原理 磁流体 核能

众所周知，核能是最后前景的清洁能源。核电站正常运行对周围居民的照射最大为0.05mSv，仅为国际防护规定安全剂量的1%。而等质量铀235裂变的能量是优质煤的27000000倍。目前核电站的工作原理约等于烧开水，然后用水汽推动涡轮机转来发电。但核反应堆的效率令人担忧。目前众多核反应堆的能量转化为内能-机械能-电能。高效率的快堆为60%，原料为钚239，一次嬗变后的核废料还可以继续作核燃料。但其制造难度更大，经济性还有待验证。

一、基本原理

电能的本质：电子的转移产生电流。电子寄生于原子上，稳定的原子不显电性，显电性的为离子。但离子态并不稳定，需要巨大的能量将稳定的原子电离，形成离子形态。因此，核能是最合适的能量源。接下来选择合适的离子是问题的关键。成本越低的离子越是省钱，不用花钱的更好，因此我们可以想到空气。空气中含有79%的N2，O2等分子。那么空气可以被电离吗？

打雷时空中的闪电，其原理就是将天空与大地看作两块电性相反的巨型平板。当两块板子中间便会产生电压。当电压达到击穿一定厚度的空气时，便会产生闪电，而闪电所经过的区域，便会产生大量离子体，而每种离子的产生伴随着电子的转移与跃迁，当电子跃迁的时候便会放出特定的光谱，也就是闪电。

二、模拟发电

为了模拟核反应堆所产生的热量，我们可以想到使用特斯拉线圈。其原理是利用谐振，将高压变压器产生的高压，转化为超高压，进而击穿空气，产生大量离子体。150-200nm波长真空紫外线、宇宙射线，高温等作用下亦会产生等离子体，如电离层。

（1）特斯拉线圈的制作：首先制作初级线圈：1680匝0.48mm粗漆包线，初级线圈高850mm，直径160mm。次级线圈采用圆盘式，制作用8mm铜管，平均间距25mm，8匝。高压变压器选用微波炉变压器，单个功率1000W，电压2100V高压变压器两个，正向串联，反向并联。功率2000W，电压4200V。

初级的打火器选择为稳定实用，但不能工作太长时间的间隙打火器。

接下来进入计算步骤：

电容组与变压器匹配，电源频率（FL）：50Hz；电压（E）：4200V；电流（I）：0.5A。为了让电容组容量与变压器功率匹配，用半波将电容组充电道最大值。

电容组设计，单个电容参数：电容量：0.44μF；耐压：6000V；电容组设计：串联：4；并联：3；电容组参数：电容量：0.33μF；耐压：24000V；总电容个数：12；36个10兆欧电阻作保护电阻，每3个串联为30兆欧电阻，与每个特斯拉电容并联。制作半桥整流，出口处接5m长电炉丝。

螺线管线圈，螺线管直径（D）：161mm；线圈匝数（N）：1680；绕线直径（W）：0.48mm；匝间距（S）：0.02mm；螺线管高度（H）：840mm；漆包线长度：849.737m；

平板螺线圈，上半部为进风口，间隙打火，下半部为偏转磁场及接收板：线圈内径（Di）：250mm；線圈匝数（N）：5.5；线径（W）：8mm；匝间距（S）：25mm；线圈外径（Do）：613mm；电线长度：7.455m；电感量（L）：14.892μH。

环形电容器：外环径（D1）：480mm；直径（D2）：160mm；

LC谐振电路频率：电感量（L）：14.892μH；电容量（C）：0.33μF。

利用谐振公式：L1C1=L2C2可不断调试初级线圈圈数来达到最佳谐振频率。接通电源后可观察到打火器工作，利用空气压缩机向两头开口圆柱状打火器内通高速气体，观察到伴有点火光：紫色，红棕色，黄色。

查找元素电离光谱可验证其中红棕色为氮离子，黄色为氧离子。利用离子浓度监测仪可独处离子浓度：1999万离子/立方厘米。证明：通过特斯拉线圈可获得大量离子体。

（2）离子的利用。偏转磁场的制作：（不考虑自旋与电子跃迁损失）

利用电生磁场来进行制作正负离子偏转磁场。运转线圈时，可闻到强烈刺激性气体，断定为NO2，由电离难易程度分析可知初始产物为NO。涉及到几个化学反应：O2在放电条件下生成O3。O3=O2+O，NO+O3=NO2+O2，NO2+O=NO+O2。计算时选取NO为初始合成分子。

第一电离能：N：1402.3kj/mol O：1313.9kj/mol

离子质量（m）：N+：1.1708×10-26kg O-：1.3381×10-26kg

电子带电量（q）：1.6×10-19C

设定的离子进入角度为水平线上线45°各45°角，进入宽度为0.02m，初始速度为v=10m/s。

通过作图可获得离子的偏转半径范围。利用两个通电线圈，竖向对齐，间隔8cm，可产生小范围匀强磁场。利用两个小型调压台分别作两个线圈电源，连入10欧姆固定电阻作保护电阻。不断调节两边电压，同时利用高斯计测量所产生磁场大小，减去地磁场数值：50μT，直至数值与理论数值相吻合。

磁场另一端作两个对向铁板，作为接收离子装置，板子伸出导线，另接一电流表，并联电压表测试最终产生直流电流和电压。所有设备基本上组装完毕，另从特斯拉线圈次级底脚处接出一条地线，连接至打底作保护。

三、试验结论

特斯拉线圈工作顺利；打火器产生高温高压，伴随紫色，红棕色，黄色，火焰；离子检测仪显示离子浓度1999万离子/立方厘米；最终电流表发生偏转电流约为0.3A，电压约为3.1V。

参考文献：

[1]杨福家.原子物理学[J].高等教育出版社，2014.

[2]邱励俭，吴斌.核能物理与技术概论[J].中国科学技术大学出版社，2014.

[3]卢希庭.原子核物理[J].原子能出版社，2015.