模擬核能驅動的磁流體發電機

王伯珩+崔亞平+沙麗榮

【摘要】本文模擬核反應堆所產生的熱量，使用特斯拉線圈，根據諧振原理，將高壓變壓器產生的高壓，轉化為超高壓，進而擊穿空氣，產生大量離子體。

【關鍵詞】核反應堆 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，僅為國際防護規定安全劑量的1%。而等質量鈾235裂變的能量是優質煤的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來發電。但核反應堆的效率令人擔憂。目前眾多核反應堆的能量轉化為內能-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作核燃料。但其制造難度更大，經濟性還有待驗證。

一、基本原理

電能的本質：電子的轉移產生電流。電子寄生于原子上，穩定的原子不顯電性，顯電性的為離子。但離子態并不穩定，需要巨大的能量將穩定的原子電離，形成離子形態。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生電壓。當電壓達到擊穿一定厚度的空氣時，便會產生閃電，而閃電所經過的區域，便會產生大量離子體，而每種離子的產生伴隨著電子的轉移與躍遷，當電子躍遷的時候便會放出特定的光譜，也就是閃電。

二、模擬發電

為了模擬核反應堆所產生的熱量，我們可以想到使用特斯拉線圈。其原理是利用諧振，將高壓變壓器產生的高壓，轉化為超高壓，進而擊穿空氣，產生大量離子體。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，反向并聯。功率2000W，電壓4200V。

初級的打火器選擇為穩定實用，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。

電容組設計，單個電容參數：電容量：0.44μF；耐壓：6000V；電容組設計：串聯：4；并聯：3；電容組參數：電容量：0.33μF；耐壓：24000V；總電容個數：12；36個10兆歐電阻作保護電阻，每3個串聯為30兆歐電阻，與每個特斯拉電容并聯。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（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，下半部為偏轉磁場及接收板：線圈內徑（Di）：250mm；線圈匝數（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。

環形電容器：外環徑（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可不斷調試初級線圈圈數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磁場。運轉線圈時，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物為NO。涉及到幾個化學反應：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

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

電子帶電量（q）：1.6×10-19C

設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半徑范圍。利用兩個通電線圈，豎向對齊，間隔8cm，可產生小范圍勻強磁場。利用兩個小型調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。不斷調節兩邊電壓，同時利用高斯計測量所產生磁場大小，減去地磁場數值：50μT，直至數值與理論數值相吻合。

磁場另一端作兩個對向鐵板，作為接收離子裝置，板子伸出導線，另接一電流表，并聯電壓表測試最終產生直流電流和電壓。所有設備基本上組裝完畢，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、試驗結論

特斯拉線圈工作順利；打火器產生高溫高壓，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；最終電流表發生偏轉電流約為0.3A，電壓約為3.1V。

參考文獻：

[1]楊福家.原子物理學[J].高等教育出版社，2014.

[2]邱勵儉，吳斌.核能物理與技術概論[J].中國科學技術大學出版社，2014.

[3]盧希庭.原子核物理[J].原子能出版社，2015.