ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к методам получения тепловой энергии и устройствам, генерирующим тепловую энергию, основанным на использовании в качестве рабочего вещества изотопов водорода, помещенных в кристаллическую структуру металлов.

Идеальный энергетический источник, являющийся целью творческих исследований и поисков на протяжении не менее последних тридцати лет, должен обладать следующими свойствами:

  • использование дейтерия, который можно получать в неограниченном количестве из океанов;

  • относительно малая радиоактивность продуктов реакций;

  • большое энерговыделение, например, в форме тепла;

  • источник может быть выполнен в относительно небольшом, даже портативном масштабе.

До настоящего времени ни один из энергетических источников не приблизился к достижению этих идеалов. Возможность преобразования дейтерия в энергию через реакции ядерного слияния в плотной плазме, используя либо магнитное удержание, либо инерциальное удержание для достижения необходимой плотности плазмы, температуры и времени удержания, необходимого для управляемого термоядерного синтеза, является целью творческих научных усилий ученых всего мира. Несмотря на это, возможность достижения управляемого ядерного синтеза в высокотемпературной плазме отнимет еще немало лет (см., например, Доклад об оценке техники) (Перечень ссылок в отношении ссылочных цифровых позиций в этом разделе приведен в конце раздела I).

Наиболее близким аналогом патентуемого способа является известный способ генерирования тепла (ЕР, A2, 0114356, H 05 H 1/04, 1984), который включает создание источника изотопных водородных атомов, создание материала, способного растворять изотопные водородные атомы и имеющего структуру, удерживающую с достижением высоких концентраций изотопные водородные атомы, контактирование материала с изотопными водородными атомами из источника водородных атомов.

Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является устройство для генерирования тепла (ЕР, A2, 0114356, H 05 H 1/04, 1984), которое содержит источник изотопных водородных атомов, материал, обладающий структурой, способной растворять изотопные водородные атомы, теплоотвод для отвода тепла от решетчатого материала и теплопотребляющее устройство.

Изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в генерации тепловой энергии при сжатии ядер изотопов водорода в кристаллической решетке материала, в котором растворены изотопные водородные атомы.

Данный технический результат достигается с помощью заявляемого способа, включающего следующие стадии:

  • создание источника изотопных водородных атомов;

  • создание решетчатого материала, способного растворять изотопные водородные атомы и имеющего кристаллическую структуру, удерживающую с достижением высоких концентраций изотопные водородные атомы, сжимаемые в решетчатом материале при сохранении целостности кристаллической структуры;

  • контактирование решетчатого материала с изотопными водородными атомами из источника изотопных водородных атомов;

  • подвод энергии для создания потока изотопных водородных атомов от источника в решетчатый материал;

  • сжатие изотопных атомов водорода в решетчатом материале, сохраняя целостность структуры решетчатого материала при сжатии, до достижения предварительно заданного условия, при котором генерируют избыточное тепло за счет взаимодействия изотопных водородных атомов и решетчатого материала, причем предварительно заданное условие задает химический потенциал решетчатого материала, превышающий пороговую величину, при которой и выше которой имеет место избыточное тепловыделение, и концентрацию изотопных атомов водорода в кристаллической решетке, превышающую концентрацию атомов водорода в гидриде материала, уравновешенную при нормальном давлении (1 бар при 273 К), а избыточное тепло определяют как выделенное тепло, которое превышает использованный для растворения изотопного водорода в решетчатом материале джоулев тепловой эквивалент.

У решетчатого материала дополнительно создают по меньшей мере одну поверхность для контактирования с изотопным водородом, причем такую, что поверхность обладает поверхностными свойствами, обеспечивающими перенос атомарного изотопного водорода.

Целесообразно производить абразивную обработку указанной поверхности после литья или отжига.

Предпочтительно отводить по меньшей мере часть обычного водорода, присутствующего на поверхности решетчатого материала, до этапа контактирования.

Возможно применение жидкого источника изотопного водорода, например, в виде электролитической жидкости.

Жидкий источник изотопного водорода может использоваться в виде водного раствора, содержащего по меньшей мере один смешиваемый с водой компонент, являющийся растворителем изотопного водорода.

В качестве указанного компонента может использоваться растворитель изотопного водорода, представляющий собой дейтерированную воду.

Решетчатый материал можно заряжать посредством электролитической компрессии. В этом случае целесообразно прикладывать к решетчатому материалу переменное напряжение. Напряжение селективно регулируют до величины первого напряжения, устанавливающей первоначальный заряд у решетчатого материала при первом токовом уровне для достижения первого уровня изотопной водородной концентрации, а затем снова регулируют напряжение до величины второго напряжения, устанавливающей заряд, и, тем самым, заряжающей решетчатый материал при втором токовом уровне для достижения второго уровня изотопной водородной концентрации.

Генерируемое и выделяемое в устройстве тепло преобразуют в работу.

В качестве решетчатого материала применяют материал, выбранный из группы материалов, содержащей палладий, железо, кобальт, никель, рутений, родий, цирконий, гафний и их сплавов.

В решетчатый материал в виде его части добавляют радиоизотопные атомы.

Возможно добавление к решетчатому материалу атомов, испускающих под воздействием нейтронов лучи или частицы с высокой энергией.

Решетчатый материал можно возбуждать лучами или частицами с высокой энергией.

Для образования изотопных водородных атомов применяется дейтерий или тритий.

Возможно использование электрически проводящего решетчатого материала.

Источник изотопного водорода и решетчатый материал размещают в контейнере.

Образуемые газообразные электролитические продукты захватывают и рекомбинируют в жидкую форму с высвобождением тепла и пониженного давления.

На поверхности решетчатого материала осуществляют отравление каталитических веществ и процессов для предотвращения взаимодействия связанных поверхностью изотопных водородных атомов с изотопной водой, сопровождающегося образованием изотопного водородного газа.

Возможно применение расплавленного металлического изотопного гидрида, находящегося в контакте с решетчатым материалом.

Для ускорения миграции изотопного гидрида в решетчатый материал изотопный гидрид нагревают.

Для нагревания расплавленного металлического изотопного гидрида для переноса изотопного водорода в решетчатый материал периодически подводят энергию.

После подвода энергии на время менее одной микросекунды, в течение которого происходит перенос изотопного водорода до по меньшей мере пороговой величины химического потенциала, осуществляют отвод энергии.

Энергия может периодически подводиться с помощью лазера.

Кроме того, в процессе осуществления способа целесообразно производить электролитическую зарядку решетчатого материала.

Для образования решетчатого материала предпочтительно использовать палладий. В этом случае производят сжатие изотопного водорода в решетчатом материале до состояния, при котором превышение химического потенциала над химическим потенциалом данного решетчатого материала, уравновешенного с источником при температуре и давлении, соответствующих нормальным условиям, составляет 0,5 эВ.

Генерируемое тепло целесообразно отводить через теплоотводы.

Генерируемое тепло можно отводить также через теплопроводную жидкость.

Для образования решетчатого материала возможно использовать материал подложки, на которую наносят тонкую пленку решетчатого материала. Для этого подбирают материал с такими свойствами, которые при нанесении на него тонкой пленки создают на поверхности маску для эффективного действия в качестве решетчатого материала.

Целесообразно наносить на подложку тонкую пленку толщиной от .

Вышеуказанный технический результат достигается также с помощью патентуемого устройства, которое содержит следующие элементы:

  • источник изотопных водородных атомов;

  • решетчатый материал, обладающий кристаллической структурой и способный растворять изотопные водородные атомы;

  • теплоотвод для отвода тепла от решетчатого материала;

  • теплопотребляющее устройство;

  • средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов в решетчатом материале в количестве, при котором оказывается превышенным предварительно установленный химический потенциал в условиях сохранения целостности кристаллической структуры, причем упомянутый химический потенциал является химическим потенциалом, при котором и выше которого имеет место избыточное тепловыделение, а концентрация изотопных атомов водорода в кристаллической решетке материала должна превышать концентрацию атомов водорода в гидриде материала, уравновешенную при нормальном давлении (1 бар 273 К). Под избыточным теплом понимается генерирование тепла, величина которого превышает использованный для растворения изотопного водорода в решетчатом материале джоулев тепловой эквивалент.

Устройство может дополнительно содержать контейнер, в котором размещены источник изотопных водородных атомов, решетчатый материал и по крайней мере часть средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов.

Желательно, чтобы средство для накопления и сжатия изотопных водородных атомов содержало средство для наложения электрического поля поперек упомянутого решетчатого материала.

В состав устройства могут входить теплоизлучающие радиаторы, термически связанные с решетчатым материалом.

Теплопотребляющее устройство содержит средства для генерирования электричества, произведенного из генерированного устройством тепла.

Решетчатый материал содержит по меньшей мере один металлический элемент. Такой элемент может быть выбран из группы, содержащей металлы группы VIII или IVA и их сплавы.

Решетчатый материал может содержать также по меньшей мере один элемент, выбранный из группы элементов, содержащей палладий, железо, кобальт, никель, рутений, родий, осмий, иридий, титан, цирконий, гафний и их сплавы.

Кроме того, решетчатый материал может дополнительно содержать литий.

Решетчатый материал может содержать также по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из палладия, родия, рутения, титана, циркония и их сплавов.

Возможно использование решетчатого материала, содержащего фермионный металл.

В состав устройства желательно включать средства для функционирования в качестве подложки, имеющей относительно низкую способность к растворению и накапливанию изотопных водородных атомов, и для удержания тонкой пленки решетчатого материала. В этом случае решетчатый материал содержит тонкую пленку, прикрепленную к средству, функционирующему в качестве подложки.

Целесообразно, чтобы устройство содержало решетчатый материал со структурой композита, в которой диспергированы частицы с относительно высокой тепло- и электропроводностью и относительно низкой способностью к растворению и накапливанию водородных атомов.

Устройство может также содержать средства для функционирования в качестве подложки с относительно высокой тепло- и электропроводностью и относительно низкой способностью к растворению и накапливанию изотопных водородных атомов и для удерживания тонкой пленки решетчатого материала, а решетчатый материал содержит тонкую пленку, прикрепленную к средству, функционирующему в качестве подложки.

Подложка изготавливается из материала, выбранного из группы материалов, включающих в себя неактивный материал, не удерживающий изотопные водородные атомы до концентрации, при которой происходит выделение избыточного тепла, и дополнительно содержит полупроводники.

Предпочтительно, чтобы толщина тонкой пленки, считая от поверхности крепления у средства, функционирующего в качестве подложки, находилась в пределах от .

При использовании различных технологий нанесения покрытий на подложку возможно, что толщина тонкой пленки, считая от поверхности крепления средства, функционирующего в качестве подложки, превышает .

Средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов могут быть выполнены в виде твердотельных изотопноводородных средств, которые гранулированы с решетчатым материалом с образованием единой таблетки. Указанные средства снабжаются средствами подвода тепловой энергии для быстрого перехода изотопных водородных атомов в упомянутый решетчатый материал за время менее одной микросекунды.

Решетчатый материал выбирается из группы элементов, содержащей палладий, никель, железо, кобальт и их сплавы, а источник - из группы соединений, содержащей дейтерид лития, дейтерид натрия, дейтерид калия и их смеси.

Источник может быть также выбран из группы соединений, включающей в себя смеси расплавленных солей, включая эвтектические смеси.

Возможно выполнение устройства, в котором решетчатый материал содержит радиоизотопные атомы, выбранные из группы, включающей в себя 60Co, 90Sr, 106Ru, 117Cs, 147Pm, 170Tm, 210Po, 238Pu и 244Cm.

Решетчатый материал может содержать атомы, испускающие под воздействием нейтронов лучи или частицы высокой энергии.

Решетчатый материал может содержать также элемент, выбранный из группы, включающей в себя бор, бериллий и углерод-14 (14C).

Средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов предпочтительно содержат средства для возбуждения решетчатого материала лучами или частицами высокой энергии.

Источник изотопных водородных атомов содержит дейтерий или тритий.

В качестве источника изотопных водородных атомов может использоваться жидкость. Целесообразно, чтобы эта жидкость включала в себя электролит.

Средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов могут содержать средства для электролитического разложения электролита на изотопный водород, накапливающийся и сжимающийся на и в решетчатом материале.

В состав средств разложения электролита входят анодные средства и по меньшей мере один источник генерирования заряда, а также катодные средства, отделенные от материала.

Предпочтительно, чтобы решетчатый материал был электрически проводящим, а накапливающее и сжимающее средство содержало средства для присоединения материала в качестве катода, связанного со средствами разложения электролита.

В качестве электролита целесообразно использовать водный раствор, содержащий по меньшей мере один смешиваемый с водой компонент, являющийся растворителем изотопного водорода.

В качестве компонента, являющегося растворителем изотопного водорода, может использоваться дейтерированная вода.

Компонент, являющийся растворителем изотопного водорода, может включать в себя смесь изотопных водородных растворителей, из которых дейтерированная вода составляет по меньшей мере 99,5% от объема компонента, являющегося растворителем.

Электролит может содержать растворенный литий.

Целесообразно, чтобы контейнер, в котором размещены источник изотопных водородных атомов, решетчатый материал и по крайней мере часть средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов, содержал средства герметизации для захватывания материала, такого как молекулярный изотопный водород, генерируемый работающим электролитом под воздействием накапливающего и сжимающего средства.

Устройство предпочтительно содержит средства для рекомбинации вновь захваченного материала, включая молекулярный водород, для высвобождения теплоты образования молекулярного водорода и понижения давления.

На фиг. 1 изображен вид кубической кристаллической структуры с центрированными гранями в кристаллической решетке металла, такого как палладий, используемого согласно настоящему изобретению

На фиг. 1 изображен вид кубической кристаллической структуры с центрированными гранями в кристаллической решетке металла, такого как палладий, используемого согласно настоящему изобретению;

 

На фиг. 2 - вид расширенной -формы кристаллической решетки при диффузии изотопного атома водорода в кристаллическую решетку;

фиг. 2 - вид расширенной  -формы кристаллической решетки при диффузии изотопного атома водорода в кристаллическую решетку
фиг. 3 - схематичный вид одного варианта реализации электролитической ячейки для сжатия ядер изотопного водорода в кристаллической решетке металлического стержня

На фиг. 3 - схематичный вид одного варианта реализации электролитической ячейки для сжатия ядер изотопного водорода в кристаллической решетке металлического стержня;

На фиг. 4 - схематичный вид варианта реализации электролизера, имеющего набор биполярных ячеек сжатой конфигурации для внедрения ядер изотопного водорода, таких как дейтроны, в кристаллическую решетку металла;

фиг. 4 - схематичный вид варианта реализации электролизера, имеющего набор биполярных ячеек сжатой конфигурации для внедрения ядер изотопного водорода, таких как дейтроны, в кристаллическую решетку металла
фиг. 5 - схематичный вид альтернативного способа для достижения электролитического уплотнения атомов изотопного водорода в кристаллической решетке металла

На фиг. 5 - схематичный вид альтернативного способа для достижения электролитического уплотнения атомов изотопного водорода в кристаллической решетке металла;

На фиг. 6 - схематичный вид электрода с тонкой пленкой палладия, выполненного для использования в изобретении;

фиг. 7 - схематичный вид покрытого палладием электрода, выполненного для использования в изобретении
фиг. 7 - схематичный вид покрытого палладием электрода, выполненного для использования в изобретении

На фиг. 7 - схематичный вид покрытого палладием электрода, выполненного для использования в изобретении;

На фиг. 8 - вид спектра (отсчеты в минуту) рассеяния, -лучей из образца тяжелой воды, взятой из устройства, аналогичного показанному на фиг.3;

фиг. 8 - вид спектра (отсчеты в минуту) рассеяния,  -лучей из образца тяжелой воды, взятой из устройства, аналогичного показанному на фиг.3
фиг. 9 - схематичный вид парового генератора, который является иллюстративным примером реализации, представляющий один способ использования энергии, которая обеспечивается настоящим изобретением

На фиг. 9 - схематичный вид парового генератора, который является иллюстративным примером реализации, представляющий один способ использования энергии, которая обеспечивается настоящим изобретением;

фиг. 10 - схематичный вид системы для восстановления трития

На фиг. 10 - схематичный вид системы для восстановления трития;

фиг. 11 - схематичный вид в поперечном сечении генератора пучка нейтронов, выполненного в соответствии с одним вариантом реализации изобретения

На фиг. 11 - схематичный вид в поперечном сечении генератора пучка нейтронов, выполненного в соответствии с одним вариантом реализации изобретения;

фиг. 12 - схематичный вид устройства для пучка нейтронов, выполненного для нейтронной радиографии в соответствии с одним вариантом реализации изобретения

На фиг. 12 - схематичный вид устройства для пучка нейтронов, выполненного для нейтронной радиографии в соответствии с одним вариантом реализации изобретения;

фиг. 13 - схематичный вид устройства для нейтронного пучка, предназначенного для анализа дифракции и рассеяния нейтронов в соответствии с другим вариантом реализации изобретения

На фиг. 13 - схематичный вид устройства для нейтронного пучка, предназначенного для анализа дифракции и рассеяния нейтронов в соответствии с другим вариантом реализации изобретения;

На фиг. 14 - схематичный вид устройства для нейтронного пучка, предназначенного для спектроскопии -лучей, получаемых при поглощении нейтронов в соответствии с другим вариантом реализации изобретения;

фиг. 14 - схематичный вид устройства для нейтронного пучка, предназначенного для спектроскопии  -лучей, получаемых при поглощении нейтронов в соответствии с другим вариантом реализации изобретения
фиг. 15 - вид ячейки калориметра Дюара с одним вакуумным отсеком

На фиг. 15 - вид ячейки калориметра Дюара с одним вакуумным отсеком;

 

На фиг. 16 - схематичный вид цепи обратной связи для защиты от гальваностатических колебаний.

 

фиг. 16 - схематичный вид цепи обратной связи для защиты от гальваностатических колебаний
фиг. 17 - схематичный вид схемы для высокой стабилизации регулируемого источника питания, используемого в качестве высокого выходного гальваностатического тока

На фиг. 17 - схематичный вид схемы для высокой стабилизации регулируемого источника питания, используемого в качестве высокого выходного гальваностатического тока;

На фиг. 18 и 19 - вид графической кривой температуры над ванной в зависимости от времени (фиг.18) и потенциала ячейки в зависимости от временных данных (фиг.19) в случае использования палладиевого стержня 0,4·10 см в растворе 0,1(M) LiOD. Приложенный ток был 800 мА, температура ванны была 29,87oC, и определенное тепловыделение Qf было 0,158 Вт. Время измерения (взятое в конце импульса калибровки) было примерно 0,45·106 с после начала эксперимента;

На фиг. 20 и 21 - то же самое, что на фиг. 18, 19, за исключением того, что время измерения было примерно 0,89·106 с, Qf = 0,178 Вт;


На фиг. 22 и 23 - то же самое, что на фиг. 18, 19, за исключением того, что время измерения было примерно 1,32·106 с, Qf = 0,372 Вт;

На фиг. 24 и 25 - вид графической кривой температуры над ванной в зависимости от времени (фиг. 24) и потенциала ячейки в зависимости от времени (фиг. 25) в случае палладиевого стержня 0,2·10 см в растворе 0,1 (М) LiOD. Приложенный ток был 800 мА, температура ванны была 29,90oC, определенное Qf было 0,786 Вт. Время измерения (взятое в конце импульса калибровки) было примерно 0,28·106 с после начала эксперимента;

На фиг. 26 и 27 - аналогично фиг.24, 25, за исключением того, что время измерения было примерно 0,54·106 с, Qf = 0,888 Вт;

На фиг. 28 и 29 - аналогично фиг.24, 25, за исключением того, что время измерения было примерно 1,32·106 с, Qf = 1,534 Вт;

На фиг. 30 и 31 - графическая кривая температуры ячейки в зависимости от времени (фиг.30) и потенциал ячейки по отношению ко времени (фиг.31) в случае выполнения электрода из стержня палладия 0,4·1,25 см в растворе 0,1 (М) LiOD. Сила тока была 64 мА см-2, температура ванны была 29,87oC;

На фиг. 32 и 33 - температура ячейки в зависимости от времени (фиг.32) и потенциал ячейки в зависимости от времени (фиг.33) в случае электрода из стержня палладия 0,4·1,25 см в растворе 0,1 (M) LiOD. Данная ячейка (гальванический элемент) отличается от показанной на фиг.30;

На фиг. 34 - скорость генерирования избыточной энтальпии как функции времени в случае ячейки на фиг.30;

На фиг. 35 - скорость генерирования избыточной энтальпии как функции времени в случае ячейки на фиг.32;

На фиг. 36 - результирующий выход специфической избыточной энергии как функции времени в случае ячейки на фиг.30;

На фиг. 37 - результирующий выход специфической избыточной энергии как функции времени в случае ячейки на фиг.32;

На фиг. 38 - график температуры ячейки по отношению к времени в случае палладиевого электрода 0,4·1,25 см в 0,1 (M) LiOD в течение периода, во время которого ячейка стала кипеть;

На фиг. 39 - график в двойном логарифмическом масштабе (избыточная энтальпия по отношению к плотности тока) по данным, указанным в табл. III-3 и III-A6-1.

При осуществлении изобретения было обнаружено, что атомы изотопного водорода, такие как предпочтительно используемые атомы дейтерия, когда накапливаются в кристаллической решетке металлов, способных растворять водород, могут достигать уплотнения (сжатия) и подвижности в кристаллической решетке, что является достаточным для образования событий генерирования тепла в кристаллической решетке металла. Данные события, как предполагается, связаны с ядерным синтезом, что подтверждается и количеством, и длительностью тепла, выделяемого из кристаллической решетки, и в результате образования продуктов ядерного синтеза. Эти события генерирования тепла могут быть связаны с образованием нейтронов и трития и, может быть, других продуктов ядерной реакции.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
И ПРИМЕРЫ ЕГО КОНКРЕТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ

В разделе I описываются материалы и условия, соответствующие достижению требуемых условий для возникновения событий генерирования тепла и образования нейтронов в кристаллической решетке металла.

В разделе II описываются возможные варианты образования и использования нейтронов в соответствии с настоящим изобретением.

В разделе III описывается подробный анализ условий и событий, связанных с образованием тепла и нейтронов в соответствии с настоящим изобретением.

Версия для печати
Дата публикации 02.10.2006гг


вверх