УСЛОВИЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ТЕПЛА В КРИСТАЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКЕ МЕТАЛЛА

Металлы и сплавы металлов, которые соответствуют для использования в настоящем изобретении, являются способными растворять водород в кристаллической решетке путем электролитического разложения водорода на атомарный водород, адсорбции атомарного водорода на поверхности кристаллической решетки и диффузии атомов в кристаллическую решетку.

Необходимо также, чтобы металл сохранял свою структурную целостность, когда атомы изотопного водорода уплотняются в кристаллическую решетку металла при высоких концентрациях, например, на уровне насыщения гидрида. Иначе говоря, кристаллическая решетка металла должна быть способна разбухать без растрескивания, когда повышенная концентрация атомов изотопного водорода накапливается и уплотняется в кристаллической решетке.

Способность поглощать атомы водорода путем диффузии исследовалась на большом числе металлов (в том числе соответствующие сплавы металлов и металлы, легированные выбранными примесями), (см., например, [2], [3], [4], [5] и [6]). Металлы VIII группы, в частности, палладий, родий, рутений, иридий, осмий, никель, кобальт, железо и их сплавы, такие как палладий-серебро и палладий-церий, являются предпочтительными, а также металлы группы IVA: титан, цирконий и гафний.

Металлы группы VIII имеют гранецентрированную кубическую структуру кристаллической решетки, как показано на фиг.1. При диффузии атомов изотопного водорода в кристаллическую решетку кристаллическая решетка способна принимать расширенную -форму, которая размещает в кристаллической решетке высокую концентрацию диффундированных атомов и эффективно предотвращает локализованные напряжение и растрескивание.

Один возможный механизм в отношении событий ядерного синтеза, который, как предполагают, происходит в кристаллической решетке металла, загруженной изотопным водородом, включает в себя взаимодействие между валентными электронами в кристаллической решетке и парами изотопного водорода, которая дает возможность парам водорода становиться более локализованными и вследствие этого более способными к синтезу. Синтез, происходящий в соответствии с этим механизмом, может усиливаться фермиоными металлами, т.е. металлами, характеризующимися полуцелыми спиновыми состояниями. В качестве примеров фермионых металлов можно привести изотопы титана Ti2247 и Ti2249 (вместе образующие примерно 13% встречающихся в природе ядер Ti), Pd16105 (образующий около 22% встречающихся в природе ядер Pd), Co2759 (образующий до 100% встречающихся в природе ядер Со), Ru4449 и Ru44101 (вместе образующие до 30% встречающихся в природе ядер Ru), Rh45103 (образующий до 100% встречающихся в природе ядер Rh), Ir77193 (образующий примерно до 3% встречающихся в природе ядер Ir) и Pt78195 (образующий примерно до 33,8% встречающихся в природе ядер Pt).

Встречающийся в природе палладий может быть особенно предпочтительным, так как изотопы Pd46105 имеют относительно большое поперечное сечение для нейтронов по сравнению с другими основными изотопами, присутствующими во встречающемся в природе Pd. Встречающийся в природе родий также считается обеспечивающим высоко предпочитаемую кристаллическую решетку.

Как будет показано ниже, кристаллическая решетка металла должна иметь (или быть обработанной, чтобы иметь) свойства поверхности, которые способствуют поглощению атомов изотопа водорода. Когда металл загружен в результате электрохимического распада тяжелой воды, как будет описано ниже, поверхность должна способствовать электролитическому формированию атомарного изотопного водорода на поверхности кристаллической решетки и также способствовать эффективной абсорбции атомарного изотопного водорода в кристаллической решетке. Последнее упомянутое требование будет нарушаться в некоторых металлах, таких как платина, поверхность которой эффективно катализует преобразование атомарного изотопного водорода в молекулярный газ за счет абсорбции в кристаллической решетке.

По этой причине, как легко видеть специалистам в этой области техники, такие металлы, как платина, которые в остальном могли бы обеспечивать благожелательную окружающую среду в кристаллической решетке металла для синтеза изотопного водорода могут быть неподходящими. Как будет показано ниже, проблема образования газа молекулярного водорода на поверхности кристаллической решетки может быть снижена путем использования каталитических ядов, тем самым давая возможность использования в остальном потенциально непригодных металлов.

Примеси, такие как платина, в объемной фазе металла, такого как палладий, могут также тормозить загрузку атомов изотопного водорода в кристаллическую решетку путем содействия образованию молекулярного газа за счет абсорбции атомов водорода. В этом отношении известно, что примеси многих металлов имеют тенденцию мигрировать к поверхности металла при нагревании до температуры плавления при плавке или обжиге. По этой причине металлы, такие как палладий, которые образованы в результате плавки или обжига, могут иметь значительные платиновые примеси в районах своей поверхности и поэтому могут показывать относительно слабую эффективность поглощения. Наоборот, твердотельная кристаллическая решетка, образованная в результате литья или отжига с последующей станочной обработкой или ей подобной для удаления наружных поверхностных слоев, будет иметь относительно низкие поверхностные примеси. Кристаллическая решетка после механической (станочной) обработки может дальше обрабатываться, например, с помощью абразивов для удаления возможных поверхностных загрязняющих веществ от механической обработки. Такие способы по снижению примесей в кристаллической решетке металлов известны.

Как будет показано ниже, отличительный признак, который считается важным в изобретении, составляет загрузку кристаллической решетки металла до высокого накопления атомов изотопного водорода, в частности, дейтерия. В таких металлах, как палладий, которые, как известно, подвергаются значительному гидридированию (соединению с обычным водородом) с течением времени (см., например, [4], [3], [2]), поэтому необходимо удалять по крайней мере часть обычного водорода, присутствующего в кристаллической решетке, перед загрузкой, так как это предварительно находящийся водород может ограничить наличные гнезда гидрида в кристаллической решетке. Наиболее предпочтительно удалять весь водород. Способы удаления или десорбирования водорода из кристаллической решетки металла, такие как плавление и охлаждение или дегазация в вакууме, известны.

На фиг. 2 показана кристаллическая решетка Pd-D (палладий- дейтерий), показывающая ядро дейтерия, свободно движущееся в ячейку и из ячейки. Хотя правильное описание системы палладий/атом изотопного водорода еще недостоверное, эксперименты, проведенные в поддержку настоящего изобретения, вместе с последующими экспериментами, сообщенными другими исследователями, показывают следующие особенности.

  1. Атомы изотопного водорода высоко подвижные, коэффициент диффузии у дейтерия Dd около 10-7 см2·с-1 при 100 К. Эта особенность выведена частично из измеренного коэффициента S электролитического разделения водорода и дейтерия, который показывает, что S изменяется с потенциалом и приближается к предельной величине 9,5, указывая, что атомарные разновидности в кристаллической решетке так свободно связаны, что ведут себя как трехмерные классические вибраторы.

  2. Атомы изотопного водорода существуют как ядра, например, дейтроны (D+) в кристаллической решетке, что подтверждается миграцией ядер в электрическом поле. Электрон из каждого ядра изотопного водорода считается делокализованным в структуре зоны кристаллической решетки металла.

  3. Можно достаточно накапливать атомы изотопного водорода в кристаллической решетке для повышения химического потенциала кристаллической решетки примерно до 0,5 эВ, и может быть таким высоким как 2 эВ или выше химического потенциала металла, уравновешенного с атомами изотопного водорода при нормальном давлении (т.е. без подачи энергии).

  4. Хотя потенциал отталкивания ядра изотопного водорода защищен в некоторой степени электронами в кристаллической решетке металла, маловероятно, что образуется молекулярный изотопный водород, например, D2 по причине слабого S-признака электронных волновых функций. Далее образование газа изотопного водорода в кристаллической решетке не наблюдалось.

Металл должен быть в твердотельной форме, т.е. в форме твердотельного стержня, листа или т. п., когда кристаллическая решетка загружается в результате электролиза, как описано в разделе (см. ниже). Альтернативно металл может быть выполнен в форме тонкой пленки, как описано в разделе ниже, или в порошковой форме, или в форме мелких частиц. Данная форма частиц металла используется, когда кристаллическая решетка должна загружаться путем нагревания в присутствии гидридов металла, как описано ниже, в разделе 1D. Анод должен равномерно отстоять от катода в любой из этих конфигураций, чтобы обеспечить равномерную загрузку.

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ

На фиг. 3 показана электролитическая ячейка или система 10 для электролитической загрузки кристаллической решетки металла атомами изотопного водорода. Как здесь определено, "загрузка" означает концентрирование атомов изотопного водорода в кристаллической решетке металла. Процесс загрузки также описывается как "уплотнение" атомов изотопного водорода в кристаллической решетке или накапливание этих атомов в ней. Как будет видно далее, процесс загрузки или концентрирования должен обеспечить концентрацию атомов изотопного водорода в кристаллической решетке до значительно более высокой величины, чем концентрация атомов водорода в гидриде металла, уравновешенных при нормальном давлении (1 бар при 273 К).

В процессе электролитической загрузки, показанной на фиг.3, водный раствор воды изотопного водорода (тяжелой воды) электролитически разлагается для образования атомов изотопного водорода (обозначенный 11H или Н), включая атомы дейтерия (обозначенные 21H или 2D, или D) и атомы трития (обозначенные 31H или 3T, или T), и, предпочтительно, атомы дейтерия только или в комбинации с обычным водородом и/или тритием. Изобретение также предусматривает загрузку лития в кристаллическую решетку, либо его одного, либо в комбинации, что предпочтительнее, с атомами изотопного водорода для осуществления реакций ядерного синтеза с участием ядер лития, включая нейтронные взаимодействия с ядрами лития в кристаллической решетке для образования трития. Соответствующие источники лития для загрузки приведены ниже.

Компонент, который разлагается для образования атомов изотопного водорода, в тексте именуется как источник атомов изотопного водорода. Одним из предпочтительных источников является раствор электролита дейтеризованной воды или раствор электролита дейтеризованной воды, содержащей обычную воду и/или насыщенную тритием воду, и, например, такой электролит, как LiOD или Li2SO4. Разнообразие водных источников изотопного водорода, таких как насыщенные дейтерием или тритием кислоты, D2SO4, например, и насыщенные дейтерием или тритием основания, такие как NaOD или LiOD, способные электролитически разлагаться для образования соответствующих атомов изотопного водорода, соответствуют этой цели.

Электролитический источник предпочтительно включает в себя пропорцию тяжелой обычной воды к тяжелой воде при соотношении между примерно 0,5% обычной воды к 99,5% воды, насыщенной дейтерием и/или тритием.

Альтернативно источником изотопного водорода может быть обычная воды, дейтеризованная вода, насыщенная тритием вода или любая композиция из этих трех компонентов в таких молярных соотношениях, что пропорция обычных водородных ядер (протонов) в кристаллической решетке к суммарным дейтериевым ядрам (дейтеронам) и/или тритиевым ядрам (тритонам) предпочтительно находится между примерно 5:1 и 1:5.

Разнообразие неводных растворителей может также обеспечивать соответствующие источники атомов изотопного водорода. Эти растворители могут включать в себя источники атомов изотопного водорода, такие как насыщенные дейтерием и/или тритием спирты, ацетонитрил, другие нитрилы, формамиды, другие амиды, фураны, пироли, пиридины, ионы и анионы металлов, ароматические соединения с одним кольцом связи, алкены, алканы, полиядерные ароматические соединения, гетероциклические соединения (функция S, N, О) и другие соединения, которые могут подвергаться восстановительному разложению для образования выхода атомов изотопного водорода, таких как сульфид водорода и другие сульфиды. Растворители могут разбавляться или суспензироваться в водной среде, содержащей либо неизотопную, либо изотопную среду, и другие компоненты растворителя, как сказано выше.

Текучая среда источника может также включать в себя компонент растворителя, который функционирует для отравления каталитической поверхности катода для предотвращения реакции ограниченных поверхностью атомов изотопного водорода с изотопной водой для образования молекулярного газа изотопного водорода. Разнообразие соединений, которые являются эффективными по предотвращению каталитического образования молекулярного водорода на зоне поверхности металла, хорошо известны. Они включают в себя ряд серосодержащих соединений, таких как тиомочевина или сульфид водорода, а также цианидные соли и тому подобное, и добавляются в текучую среду в количествах, эффективных для предотвращения преимущественно образования молекулярного газа на поверхности кристаллической решетки во время электролиза. Концентрация каталитических ядов, которые эффективны в растворах электролита, известны. Компоненты для усиления электролитической активности, такие как сульфат лития, также могут добавляться.

Система может далее включать в себя непогруженный нагревательный или каталитический элемент (не показан), который может нагреваться для содействия каталитической рекомбинации молекулярного изотопного водорода, такого как D2 (образуемый на катоде) и O2 (образуемый на аноде) для регенерирования изотопной воды. Дополнительно можно иметь погруженный каталитический анод для содействия той же цели, в частности, когда система подвергается синтезу с помощью газа дейтерия (D2).

Как показано на фиг. 3, водный источник изотопного водорода находится в контейнере 14, который предпочтительно герметизирован, чтобы снова захватывать материал, такой как молекулярный изотопный водород, который может генерироваться во время электролиза. Катод или отрицательный электрод в системе образован металлическим стержнем 16, кристаллическая решетка которого должна загружаться атомами изотопного водорода. Как сказано выше, катод может быть блоком в форме пластины, стержня, трубки, прокатанного или планарного листа и т. п., или электродом, имеющим тонкую пленку или слой металла с соответствующей кристаллической решеткой, как подробно изложено в разделе I. Как будет показано ниже, форма и объем катода будут определять количество тепла, которое может быть генерировано в металле при данном электрическом потенциале.

Анод или положительный электрод 18 в системе типично включает в себя проволоку или лист в контейнере, такую как спиральная проволока 18, которая опоясывает металлический стержень 16, как показано. Показанная на фигуре конфигурация анода, как считается, обеспечивает относительно равномерную плотность загрузки в стержне во время электролитической загрузки. Анод может быть любым соответствующим проводником, таким как платиновый, никельный или угольный, который сам по себе не реагирует с жидкими компонентами в контейнере для образования нежелательных реакций.

Источник 20 генератора заряда в системе соединен обычно с электродами для образования требуемого электролитического разложения. Источником может быть стабильный источник питания постоянного тока, как показано, или альтернативно источником прерывистого или импульсного заряда или тока.

Типично источник устанавливается для обеспечения плотности тока по крайней мере около 1 мА/см2 площади поверхности катода. Этот минимальный уровень тока может потребоваться для достижения требуемого конечного химического потенциала изотопных водородных атомов в кристаллической решетке металла. Предпочитаемые токи будут между примерно 2 и 2000 мА/см2, хотя могут использоваться даже более высокие токи, которые могут быть фактически предпочтительными для более крупных катодов или в случае более электропроводных электролитических жидкостей. Например, уровни тока такие высокие, как 10000 мА/см2 или выше, могут использоваться в некоторых применениях. Если ток установлен слишком высоким, скорость диффузии изотопных водородных атомов в кристаллическую решетку металла может стать скоростью, ограничивающей, смещающей систему в сторону образования молекулярного изотопного водорода, который снижает эффективность генерирования тепла в системе. Ступенчатая электролитная загрузка катода, как показано в следующих разделах, может быть полезна для устранения ограничивающего эффекта скорости, в частности, при повышенных плотностях тока.

В операции загрузки для накопления изотопных водородных атомов текучая среда источника помещается в контейнер 14 до уровня, при котором погружены электроды, и источник генерирования заряда инициируется путем установления требуемого уровня тока. Суммарное требуемое рабочее время для кристаллической решетки металла известных размеров может быть вообще определено, исходя из вышеназванного коэффициента диффузии порядка 10-7 см2·с-1 в случае водорода и изотопного водорода в металле. Типично для металлического стержня, диаметр которого в диапазоне нескольких миллиметров, могут потребоваться рабочие времена от нескольких часов до нескольких дней для достижения требуемого химического потенциала. Для стержней, диаметры которых насчитывают сантиметры, могут потребоваться рабочие времена до нескольких месяцев или больше. Примером зарядки является зарядка катода при относительно низком уровне тока порядка 64 мА/см2 в течение примерно 5 периодов диффузионной релаксации и затем увеличение тока до уровня 128, 256, 512 мА/см2 или выше, чтобы облегчить возникновение событий генерирования тепла, как показано в таблице III-A6-1 в третьем разделе. Установлено, что время зарядки (которое изменяется при разных температурах катода), вообще следует уравнению

Таким образом, для палладиевого стержня радиусом 0,2 см время, необходимое для достаточной зарядки, чтобы инициировать генерирование тепла, будет

Загрузка металла, т.e. электролитическое уплотнение изотопного водорода в кристаллическую решетку металла, проводится до конечного химического потенциала изотопного водорода в металле благодаря накоплению/уплотнению ядер изотопного водорода в кристаллической решетке, которое (накопление/уплотнение) является достаточным для образования требуемого уровня событий генерирования тепла в кристаллической решетке металла, как подтверждается количеством и длительностью тепла, генерированного в кристаллической решетке. Когда изотопным водородом является дейтерий, то подтверждением является образование продуктов ядерного синтеза, таких как нейтроны и тритий.

Предпочтительно металл загружается до химического потенциала по крайней мере на 0,5 эВ выше химического потенциала гидрида металла, уравновешенного при нормальном давлении (1 бар при 273 К), то есть без подачи энергии. Химический потенциал загруженного катодного металла определяется по сравнению с контрольной проволокой из того же металла, например палладия, которая электролитически заряжается теми же изотопными водородными атомами, а затем определяется уравновешиванием при стандартном давлении (1 бар). Считается, что контрольный отрезок проволоки содержит около 0,6 атомов изотопного водорода на атом металла при равновесии. Химический потенциал определяется из потенциала напряжения, измеренного между загруженными металлическим катодом и уравновешенным контрольным отрезком проволоки. Специалисты в этой области техники признают, что химический потенциал, выраженный в электрон-вольтах (эВ) вообще эквивалентен измеренному потенциалу напряжения, т.е. измеренные 0,5 В обычно переводятся в 0,5 эВ химического потенциала. Также следует отметить, что химический потенциал, необходимый для образования событий генерирования тепла, может зависеть от загружаемого металла. Поэтому некоторые металлы, например цирконий, могут вызывать такие события при других, возможно более низких, химических потенциалах.

Стадии электролитической реакции, которые связаны с загрузкой кристаллической решетки металла в системе, описанной выше, будут рассматриваться в отношении щелочного раствора тяжелой воды как источника дейтерия. Ниже показаны четыре стадии реакции, которые должны учитываться, когда D2O восстанавливается на катоде:

D2O + e-1 ---> Dадс + OD- (I)

Dадс + D2O + e- ---> D2 + OD- (II)

Dадс ---> Dкрист.решетки (III)

Dадс + Dадс ---> D2 (IV)

где

Dадс указывает адсорбированные атомы дейтерия и Dкрист.решетки указывает дейтерий, диффундированный в кристаллическую решетку.

При потенциалах более отрицательных, чем +50 мВ (относится к электроду реверсируемого водорода), при Pd - D кристаллическая решетка находится в бета () фазе, дейтерий - в форме дейтронов, и является очень мобильным.

Общая линия протекания реакции D2 состоит преимущественно из стадий (l) и (II) так, что химический потенциал растворенного D+ нормально определяется посредством относительных скоростей этих двух стадий. Установление отрицательного повышенного потенциала на выходном участке поверхности раздела некоторых металлических электродов для разрядки водорода на продолжающейся поверхности раздела [определяется по балансу всех стадий с (l) по (IV)] показывает, что химический потенциал может быть повышен для высоких величин. Химические потенциалы, такие высокие как 0,8 эВ, могут быть достигнуты, используя палладиевые диффузионные трубки (могут достигаться 2,0 эВ или выше).

На фиг. 4 представлен схематичный вид электролитической системы в виде ячейки 24, имеющей биполярный набор элементов ячейки в фильтр-прессованной конфигурации. Контейнер 26 ячейки имеет серию N электронных мембран, таких как мембраны 28, 30, 32, расположенных в контейнере, как показано на фиг. 4. Эти мембраны образуют металл, кристаллическая решетка которого должна быть загружена путем электролитического уплотнения атомами изотопного водорода согласно изобретению. Мембраны являются предпочтительно плотно сгруппированными листами палладия или ему подобного материала.

Каждая мембрана включает в себя радиаторные ребра, такие как ребра 28а, 28в, связанные с мембраной 28 для рассеивания тепла, генерируемого в мембранах.

Мембраны соединены путем крепления к стенкам контейнера вдоль их верхней, нижней и боковых кромок герметичным образом и, тем самым, делят внутреннее пространство контейнера на N+1 замкнутых отсеков, как отсек 34 между левой стороной контейнера на фигуре и мембраной 28, отсек 36 между мембранами 28, 30 и отсек 38 между мембраной 32 и правой стороной контейнера на фигуре.

Трубопровод 40 с управляемым клапаном (не показан) сообщается с отсеком 34 для заполнения камеры жидкостью источника и для удаления O2, образующегося в камере во время работы. Патрубок 42 трубопровода сообщается с отсеками другими, нежели отсек 34, через клапаны (не показаны) по одному на каждый отсек для наполнения каждой камеры жидкостью источника и удаления D2, образующегося в каждой камере во время работы.

Электролитическая движущая сила в ячейке генерируется анодом 48 и катодом 49, расположенными на противоположных концевых стенках контейнера, как показано на чертеже, и источником 44 генератора заряда, соединенным с этими двумя электродами. Электроды могут быть из любого соответствующего электродного материала. Предпочтительно анод из платины или угля, а катод - из палладия. Источник генератора заряда предназначен производить ток между электродами с плотностью предпочтительно между 2 и 2000 мА/см2 (для суммарной площади мембран), как сказано выше. Серии схем ограничителей, таких как схема 46, одна для каждой пары мембран, таких как мембраны 28, 30, функционируют во время операции ячейки для выравнивания токов в смежных отсеках для цели, описываемой ниже. Такие схемы ограничителей известны в схемах электролизеров с набором биполярных элементов.

При функционировании каждый отсек наполняется жидкостью источника, такой как литиевая тяжелая вода (LiOD) и обычная вода в D2O, и ток в ячейке регулируется в отношении соответствующего уровня. Как показано на фиг.4, потенциал напряжения на концах анода и катода распределяется в конфигурации последовательного соединения по выводам каждой мембраны так, что левая сторона каждой мембраны заряжена отрицательно относительно непосредственно противостоящего анода или мембранной поверхности, а правая сторона каждой мембраны заряжена положительно относительно непосредственно противостоящей мембранной поверхности или катода. Таким образом, каждый отсек функционирует как электролитическая ячейка, в которой раствор источника изотопного водорода электролитически разлагается на одной мембранной поверхности для образования атомов изотопного водорода, которые затем диффундируют в эту мембрану.

Стадии электролитической реакции, которые несут ответственность за загрузку кристаллической решетки металла в системе пакетного электролизера, будут рассматриваться в электролизере, изображенном на фиг. 3, на примере щелочного раствора тяжелой воды в качестве источника дейтерия. Четыре реакции, которые могут способствовать уплотнению в мембранах

D2O + e-1 ---> Dадс + OD- (I)

Dадс + D2O + e- ---> D2 + OD- (II)

Dадс ---> Dкрист.решетки (III)

Dадс + Dадс ---> D2 (IV)

Реакция (l) протекает на правой мембране (более отрицательной в каждом отсеке), вызывая появление реакций с (II) по (IV) в мембране и OD- в отсеке. Так как атомы Dкристал.решетки существуют преимущественно как свободные подвижные ядра, эти ядра имеют тенденцию перемещаться через мембрану к катоду ячейки (т.е. направо к фигуре). Когда атомы Dкристал.решетки достигают правой стороны мембраны, реакция (III) в обратном направлении образует Dадс ,который затем может реагировать с OD-, образованном в отсеке. Альтернативно атомы Dадс могут реагировать через реакцию (IV) для образования газа D2 в отсеке. Процесс загрузки продолжается, пока все пластины (мембраны) не будут загружены полностью.

Как сказано выше, схемы ограничителей действуют для выравнивания тока в каждом отсеке. Следует отметить, что путем поддержания тока в каждом отсеке по существу одинаковым, количество Dадс, образованного в одном отсеке и втянутого через мембрану в правый смежный отсек, будет по существу равно количеству OD-, образованного в этом правом смежном отсеке. Это снижает образование D2, образующегося в отсеках, то есть увеличивает образование D2O в результате реакции Dадс и OD- на мембране.

Преимущество пакетной компоновки пластин (мембран), описанных выше, заключается в том, что количество O2 и D2, образуемое в системе, снижается, так как образование О2 по существу ограничено отсеком 34, а образование D2 аналогичным образом снижается в результате рекомбинации с OD- в каждом отсеке. Иначе говоря, суммарный химический потенциал в системе, который является суммой отдельных химических потенциалов каждой мембраны, на величину молекулярного газа, образуемого в результате электролиза, увеличивается. Эффективность системы соответственно увеличивается, а проблемы рециркулирования молекулярного газа снижаются.

Пакетная конфигурация мембран также дает возможность плотной паковки загруженных мембран без очень длительных периодов диффузии, которые требуются для полной загрузки твердотельного блока. Плотная паковка загруженных мембран, в свою очередь, ведет к значительно более высокому потоку нейтронного пучка при измерении, например, на правой стороне ячейки, так как большой процент нейтронов, испускаемых каждой внутренней мембраной, будет проходить через всю серию мембран в ячейке.

ЗАГРУЗКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРИДОВ МЕТАЛЛОВ

На фиг. 5 схематично показана альтернативная система, обозначенная в целом под позицией 50, для уплотнения (внедрения) атомов изотопного водорода в кристаллическую решетку металла в соответствии с патентуемым изобретением.

Металл, подлежащий загрузке в этой системе, находится в форме тщательно перемешанной смеси металла и изотопного гидрида металла, такой как, например, расплавленная соль изотопного гидрида металла, или смесь расплавленной соли металла и гидрида металла, которая образует источник атомов изотопного водорода. Иллюстративные примеры расплавленных гидридов металлов включают в себя Li/Na/K/D (дейтерид) и другие родственные гидриды, такие как Li/Na/D.

Примеры смесей расплавленных солей включают в себя эвтектические смеси Li/Na/N/Cl и LiD и другие связанные с ними смеси, такие как Li/K/Cl и LiD или NaD или LiH, NaT, LiH или NaT.

Тщательно перемешанная смесь, которая показана в гранулированной форме под позицией 52 на фиг.5, образована путем смешивания частиц металла, таких как частицы 54, с расплавленной солью и формирования смеси в когезивной форме в соответствии с известными способами гранулирования (таблетизирования). Смесь спекается при подходящей температуре спекания, которая должна быть ниже температуры плавления палладия, согласно известным методам спекания. Нагревательный элемент 56 (фиг.5) обеспечивает управляемое нагревание тщательно перемешанной смеси. После спекания химический потенциал материала измеряется как сказано выше. При необходимости спеченный материал может загружаться атомами изотопного водорода далее, например электролитически, чтобы довести химический потенциал в материале до требуемого уровня.

Альтернативно смесь может нагреваться лазерами высокой энергии (не показаны) в условиях, которые содействуют диффузии атомов изотопного водорода, полученных из источника, в кристаллические решетки частиц металла. Более конкретно, тепловой источник предназначен производить достаточную волну энергетического удара, чтобы возбудить атомы водорода в металле до конечного химического потенциала по крайней мере около 0,5 эВ в течение периода около одной микросекунды или меньше.

Устройства для фокусирования пучков высоких энергий на гранулированных материалах могут быть основаны, например, на лучевой технике, разработанной для инерциального удержания высокотемпературной плазмы.

Следует отметить, что кристаллическая решетка металла, образованная способом спекания, может быть изготовлена с содержанием выбранных молярных отношений атомов изотопного водорода, таких как выбранные содержания атомов дейтерия и трития.

КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЁТКА ТОНКОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛОВ

На фиг.6 и 7 показано два типа композитных электродов с кристаллическими решетками тонкослойного металла, предназначенных для осуществления патентуемого изобретения. Электрод 41 (фиг.4) выполнен путем образования тонкого слоя 43 кристаллической решетки металла на электродной подложке 45, такой как уголь.

В одном варианте реализации подложка 45 может быть "неактивным" материалом, который сам по себе не может загружаться атомами изотопного водорода до уровня, который поддерживает события генерирования тепла.

Альтернативно подложка 45 может быть изготовлена из материала, способного поддерживать процесс генерации тепла, когда загружен атомами изотопного водорода, как указано выше. Одно преимущество этой конфигурации состоит в том, что поверхностные свойства материала подложки могут быть широко замаскированы в такой композитной структуре. Например, подложка 45 может быть металлической кристаллической решеткой платины, которая покрывается тонким слоем 43 палладия. Здесь палладий является эффективным средством для содействия поверхностной адсорбции и диффузии атомов изотопного водорода в электродный слой 43 и для предотвращения каталитического образования газа водорода на поверхности платины.

В варианте реализации, в котором подложка и нанесенный на нее слой являются кристаллическими решетками, которые могут загружаться изотопным водородом для протекания тепловыделяющих реакций, материал подложки предпочтительно является таким, который благодаря либо своему уровню примесей либо своим поверхностным каталитическим свойствам не может сам по себе легко загружаться электролитическим способом атомами изотопного водорода. Предпочитаемые металлы подложки включают в себя палладий, родий, рутений, иридий, осмий, никель, кобальт, железо, цирконий, титан, платину, гафний и их сплавы. Аналогичным образом тонкослойный металл также является металлом, который может поддерживать процесс выделения энергии или реакции образования нейтронов при выбранном химическом потенциале, и поверхностные свойства которого дают возможность легко загружать металл. Предпочитаемые тонкослойные металлы включают в себя названные ранее выше, а именно палладий, родий, рутений, иридий, осмий, никель, кобальт, железо, цирконий, титан, гафний и их сплавы, наиболее предпочтительными являются палладий, родий, рутений, иридий и цирконий.

Тонкий слой может быть образован разными известными способами осаждения тонкого слоя, включая распыление, испарение и химическое осаждение газообразной фазы. Типичные условия осаждения выбираются для образования слоя или пленки толщиной примерно между , хотя могут быть приемлемыми и более толстые слои.

В одном варианте нанесение тонкого слоя производится в закрытой камере с помощью магнетрона постоянного тока или распыления плазмы в ВЧ-разряде при выбранном давлении газа изотопного водорода. Давление газа в камере определяется выбранными атомами изотопного водорода в тонкослойной кристаллической решетке. Например, распыление может проводиться в атмосфере дейтерия/трития, чтобы "засеять" кристаллическую решетку атомами изотопного водорода требуемой концентрации.

Композитный электрод может использоваться в электролитической ячейке, такой, как описано выше, вместо катода из твердотельного металла с его кристаллической решеткой. Здесь тонкослойная кристаллическая решетка загружается электролитически до химического потенциала, достаточного для содействия реакции синтеза, как указывалось выше, предпочтительно с непрерывной подачей электролитического тока.

Одно преимущество тонкослойного электрода, когда субстрат неактивный, состоит в том, что возможна большая возможность управления образованием тепла, так как тонкий слой, который поддерживает реакции синтеза, может загружаться относительно быстро до требуемого уровня и реакция будет проходить относительно быстро после загрузки. Рассеяние тепла из тонкого слоя также может управляться более точно с помощью потока текучей среды, находящегося в контакте со слоем, например, через подложку.

На фиг. 7 показан трубчатый электрод 47, изготовленный путем образования тонкого слоя 49 металла - кристаллической решетки на соответствующей трубчатой подложке 51. Подложка может быть выполнена из неактивного материала, например, в виде угольного стержня, или альтернативно может быть образована из материала, имеющего кристаллическую решетку, способную поддерживать реакции тепловыделения, когда она загружена атомами изотопного водорода, как указано выше.

Еще в одном варианте реализации подложка 51 может быть материалом, таким как вольфрам, который эффективен для абсорбирования -лучей или другого вида радиации, образуемой в тонком слое при производстве тепла. В этом варианте реализации энергия, образуемая от реакций в тонком слое 49, может рассеиваться внутренним и внешним потоками текучей среды.

В другом варианте реализации подложка может быть выполнена из материала, атомы которого могут подвергаться превращению в результате бомбардировки гамма-лучами высокой энергии, нейтронами, - или -частицами, образованными событиями реакций тепловыделения в тонком слое. Такая подложка может использоваться, например, для образования изотопов выбранного металла или для легирования субстрата, такого как полупроводниковый субстрат, изотопными добавками выбранного металла.

ВОЗБУЖДЕНИЕ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИЕЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ МЕТАЛЛА

В соответствии с другим отличительным признаком настоящего изобретения устройство включает в себя средство для возбуждения кристаллической решетки загруженного металла с помощью лучей или частиц высокой энергии. Возбуждающее средство может включать в себя:

  • включение радиоизотопных атомов (или атомов, которые становятся радиоизотопными после захвата нейтрона) в кристаллическую решетку металла;

  • включение радиоизотопных атомов в жидкостный источник изотопного водорода;

  • образование кристаллической решетки тонкослойного металла на радиоизотопной подложке;

  • образование радиоизотопного тонкого слоя на кристаллической решетке металла подложки;

  • размещение эмиттера частиц или лучей высокой энергии в твердотельной фазе вблизи кристаллической решетки, как, например, в сердцевине кристаллической решетки;

  • образование нейтронов в кристаллической решетке путем включения бериллия или ему подобного в кристаллическую решетку и/или в прилегающую подложку;

  • генерирование -частиц в кристаллической решетке путем включения бора или ему подобного в кристаллическую решетку и/или в прилегающую подложку;

  • бомбардировка загруженной кристаллической решетки частицами высоких энергий с помощью источника или ускорителя, такого, как источник нейтронов или позитронов, или ускорителя дейтронов и протонов.

В одном варианте реализации кристаллическая решетка содержит такие радиоактивные атомы, как 60Со, 90Sr, 100Ru, 117Cs, 147Pm, 170Tm, 210Po, 238Pu, 242Cm или 244Cm, которые излучают гамма ()-лучи и/или альфа (), и/или бета ()-частицы.

Альтернативно или дополнительно кристаллическая решетка может содержать атомы, которые образуют радиоизотопные атомы при бомбардировке частицами высоких энергий или при захвате нейтронов, или которые испускают частицы высокой энергии при бомбардировке частицами высоких энергий или при захвате нейтронов. Например, кристаллическая решетка может содержать бериллий, который образует нейтроны при бомбардировке альфа-частицами, или бор, который образует альфа-частицы при бомбардировке тепловыми нейтронами, или 14C, который может излучать нейтроны при бомбардировке нейтронами высоких энергий. В другом варианте реализации загруженная кристаллическая решетка помещается против радиоизотопного источника или погружается в жидкостную суспензию или раствор радиоизотопных атомов. Еще в одном варианте реализации кристаллическая решетка бомбардируется нейтронами высокой энергии, протонами, дейтронами или подобными частицами из внешнего источника частиц высокой энергии, такого как ускоритель частиц или электрический разряд.

СОБЫТИЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ НЕЙТРОНОВ И ТЕПЛА

В этом разделе рассматриваются события генерирования тепла в результате реакций синтеза, которые, как считают, происходят в структуре кристаллической решетки, загруженной изотопным водородом. Некоторые основные эксперименты генерирования тепла, проведенные в подтверждение настоящего изобретения, были основаны на катодном восстановлении D2O из жидкостной фазы при комнатной температуре, используя плотности тока между 0,8 и 70 мА/см2. Атомы дейтерия уплотнялись (внедрялись) в формы листа и стержня из металла палладия из 0,1 (М) растворов LiOD в 99,5% D2О + 0,5% H2O. Потенциалы на электродах измерялись по отношению к контрольному электроду Pd-D в равновесии фаз, как описано выше. Были произведены следующие типы У наблюдений:

  1. Калориметрические измерения тепловых балансов при низких плотностях тока (менее 1,6 мА см-2) проводились при использовании листообразного катода палладия 2 мм х 8 см х 8 см (полученного от "Джонсон Маттей" PLC), окруженного большим платиновым листом в качестве противоэлектрода. Измерения проводились в ячейках Дьюара, поддерживаемых в больших водяных ваннах при постоянной температуре (З00 К), причем температура внутри ячейки и водяной ванны контролировалась термометрами Бекмана. Эквивалент тяжелой воды (HWE) в ячейке Дюара, величина и коэффициент по закону Ньютона потерь на охлаждение определялись путем добавления горячей D2O и последующими измерениями кривых охлаждения.

  2. Калориметрические измерения при высоких плотностях тока проводились путем использования стержней диаметром 1, 2 и 4 мм и длиной 10 см (полученных от "Джонсон Маттей" PLC), окруженных анодом из платиновой проволоки, намотанной на остов стеклянных стержней. Ячейки Дюара монтировались с резистивными нагревателями для определения по закону Ньютона потерь на охлаждение, температуры измерялись калиброванными термометрами. Перемешивание в этих экспериментах (и в экспериментах по пункту 1) производилось путем разбрызгивания газа, используя электролитически генерируемый O2. При длительных экспериментах было подтверждено, что величины добавок D2O в ячейку, необходимых для поддержания постоянных объемов, были величинами, которые требовались, если реакции (l), (II) и (IV) (см. выше раздел 1B) были в основном сбалансированы реакцией

    4OD- ---> 2D2O + O2 + 4e- (V)

Далее, вычитание омических потерь потенциала в растворе для ячейки, содержащей большой платиновый анод, показывает, что электролиз D2O является доминирующим процессом, т. е. выделяемое джоулево тепло близко к необходимому, если результирующая реакция управляется процессами (I), (II) и (IV). При таком предположении было установлено, что калориметрические эксперименты с использованием больших листовых палладиевых катодов показали, что согласно закону Ньютона охлаждение почти точно уравновешивает номинал джоулева тепла (после продолжительного электролиза для насыщения кристаллической решетки металла), когда металл загружен при плотности тока около 0,8 мА/см2.

При более высоких плотностях тока порядка 1,2 мА см-2 и 1,6 мА см-2 генерирование избыточной энтальпии более 9% и более 25% номинала джоулева тепла отмечалось в таких случаях (эти величины допускают возможность около 4% в отношении того факта, что D2 и O2 получаются вероятнее всего из 0,1 (М) LiOD, а не из одной D2O. Это производство избыточной энтальпии оказалось воспроизводимым в трех группах длительных измерений.

В табл. 1-A приведены результаты нагревания кристаллической решетки, которые наблюдались при разной геометрии и размерах катода и плотностях тока.

В табл. 1-A приведены результаты нагревания кристаллической решетки, которые наблюдались при разной геометрии и размерах катода и плотностях тока. Номинал избыточной удельной теплоемкости, вычисляемый как величина произведенного тепла минус входное джоулево тепло, также именуемый здесь как эквивалент джоулева тепла, определялся по уравнению

J = I(V - 1,54 B)

где

I - ток ячейки;

V - напряжение на электродах;

1,54 В - напряжение, при котором реакции (I), (II) и (IV), уравновешенные реакцией (V), являются термонейтральными, т.е. напряжение, при котором ячейка ни поглощает, ни выделяет тепла.

Величины избыточной удельной теплоемкости выражались как номинал избыточной удельной теплоемкости в Вт/см3.

Параметры, которые влияют на производство энтальпического тепла в уплотненной кристаллической решетке, природа и величина эффектов могут быть оценены из нижеследующих наблюдений, приведенных в данных табл.1-A:

  • генерирование избыточного энтальпического тепла (общее тепло, произведенное в кристаллической решетке, минус эквивалент джоулева тепла, необходимого для загрузки кристаллической решетки и поддержания кристаллической решетки в загруженном состоянии) значительно зависит от плотности приложенного тока (т.е. величины сдвига в химическом потенциале) и пропорционально объему электродов, т.е. события нагрева протекают в массе палладиевых электродов;

  • генерирование энтальпии может превышать 10 Вт/см3 палладиевого электрода; это сохраняется при длительности экспериментов свыше 120 ч, в течение которых типично выделяется избыточное тепло 4 МДж/см3 электродного объема;

  • может достигаться избыточное тепло значительно выше события прерывания. Фактически можно видеть, что возможны обоснованные проекты до 1000%;

  • эффекты определялись путем использования D2O с небольшими количествами (0,5 - 5%) обычной воды. Проектирование в отношении использования соответствующих смесей D2O/DTO/T2O (как обычно делается в области исследования ядерного синтеза), следовательно, может обеспечить тепловые избыточные выделения в диапазоне 103 -106% (даже при отсутствии спиновой поляризации) при выделении энтальпии свыше 10 кВт/см3. Здесь следует отметить, что в условиях последнего эксперимента, приведенного в таблице, с использованием только D2O, значительная часть катода плавится (точка плавления 1554oC), указывая, что могут достигаться очень высокие температуры реакции.

Одно из возможных объяснений генерирования избыточного энтальпического тепла, наблюдаемого в загруженной кристаллической решетке, может заключаться в реакции между уплотненными ядрами в кристаллической решетке. Как сказано выше, изотопные водородные ядра, растворенные в кристаллической решетке металла в соответствии с изобретением, значительно уплотнены и подвижны. Вопреки этому высокому уплотнению, молекулярный изотопный водород, т.e. D2, не образуется в силу низкого признака S-электрона электронных волновых функций. Однако низкий S-признак в сочетании с высоким уплотнением и мобильностью растворенных типов ядер говорит о возможности значительного количества плотных коллизий между растворенными ядрами. Поэтому можно считать, что некоторые из этих коллизий образуют реакции между ядрами. Наряду с другими возможны три следующие реакции, которые могут происходит при использовании изотопного водорода дейтерия:

Эти реакции будут легко детектироваться в результате образования трития (T), генерирования нейтронов высокой энергии (n) и гамма-лучей.

Степень образования/накопления трития (T) измерялась путем использования ячеек (испытательные трубки, герметизированные "Парафильмом"), содержащих палладиевые стержнеобразные электроды в диаметре 1 мм и длиной 10 см. Образцы электролита в 1 миллилитр изымались с интервалами в 2 дня и нейтрализовались калий-водородным фталатом. Содержание T определялось путем использования жидкостного сцинтилляционного состава "Реди-Гель" и счетной системы LS 5000 TD Бекмана. Вычисление эффективности определялось равным примерно 45%, используя стандартные образцы T-содержащих растворов.

В этих экспериментах стандартные добавки 1 мл электролита производились после взятия образца. Потери D2O по причине электролиза в этих и других экспериментах, изложенных здесь, определялись путем использования только D2O. Регистрация объема D2O-добавок производилась в отношении всех экспериментов. Во всех экспериментах все соединения были герметизированы.

Измерения трития показали, что DTO накапливается в заряженных палладиевых ячейках до степени около 100 dpm/мл электролита. На фиг.8 показывающей спектр сцинтилляции -затухания типичного образца, видно, что типами ядер является фактически тритий.

ПРИМЕНЕНИЕ В КАЧЕСТВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

На фиг. 9 схематично показано устройство электрического генератора 55, выполненного в соответствии с одним вариантом реализации изобретения. Устройство в общем случае включает в себя реактор 63, который генерирует тепло в соответствии с принципами изобретения, и генератор 65, который преобразует тепло, произведенное в реакторе, в электричество. В приведенном варианте реализации используется электролитическое уплотнение атомов изотопного водорода из водной среды для загрузки металлического катода.

Реактор 65 включает в себя камеру 67 реактора, опоясанную защитной оболочкой 69, которая обеспечивает нейтронную защиту. Когда источником атомов изотопного водорода является водная среда, камера предпочтительно проектируется для функционирования в условиях высокого давления для возможности использования температур текучей среды в реакторе значительно выше 100oC.

Камера реактора содержит один или больше катодных металлических стержней, таких как стержень 70, которые служат в качестве кристаллической решетки металла, загружаемой атомами изотопного водорода в соответствии с принципами настоящего изобретения и которые (стержни), следовательно, имеют свойства, упомянутые выше, допускающие уплотнение и накопление атомов изотопного водорода в кристаллической решетке металла. Хотя может быть достаточным одного металлического стержня для относительно мелкомасштабного реактора, когда стержни могут иметь размер нескольких сантиметров или больше в диаметре, предпочитается множество стержней по причине длительных периодов, которые потребуются для диффузии атомарного водорода в один стержень большого диаметра. Альтернативно катод может быть выполнен в виде листа гофрированной или спиральной формы. Анод 71 образован на наружной поверхности камеры, как показано на чертеже.

Камеры реактора заполняется источником атомов изотопного водорода, таким как LiOD в дейтеризованной воде (фиг.9) под позицией 72. Электролитическое разложение источника и последующая диффузия атомов изотопного водорода в металлические катоды возбуждаются источником 73 генератора заряда, как было изложено выше. Катод, анод и источник генератора заряда также именуются здесь совместно как средство обеспечения диффузии изотопного водорода из источника в кристаллическую решетку металла катода (катодов) и как электролитическое средство.

Генератор в устройстве (реактора) включает в себя теплообменную систему 75, которая функционирует для циркулирования охлажденной текучей среды через трубопровод 77 в реакторе, и текучей среды, нагретой в реакторе, в котел (не показан) в генераторе для образования пара с помощью обычно паровой турбины генератора. Таким образом, тепло, образованное в загруженных металлических катодах в реакторе, используется путем теплообмена между реактором и генератором для приведения в действие генератора для генерирования электричества. Хотя на чертеже не показано, генератор может быть соединен с источником 73 для подачи части электричества, генерируемого при функционировании устройства, на источник 73.

Генератор может также включать в себя реактор-систему циркуляции текучей среды для подачи материала источника в реактор и для отвода побочных продуктов реактора, включая тритий.

Следует отметить, что альтернативно реактор может быть выполнен для функционирования при температурах в несколько сот градусов Цельсия или выше для достижения более эффективного преобразования тепла кристаллической решетки в пар, в паровой турбине. Такой реактор будет предпочтительно использовать смесь металла/расплавленной соли дейтерида при высокоэнергетическом нагревании для образования диффузии атомов изотопного водорода в частицы металла, как здесь описано. Результирующая быстро нагреваемая масса частиц может охлаждаться, например, циркулирующим литием или тому подобным, в соответствии с известными конструкциями реакторов.

Из приведенного выше можно видеть, как устройство генератора отвечает разным целям изобретения. Устройство использует дейтерий, фактически неисчерпаемый источник энергии, применяемый для производства тепла, и продукты реакции - тритий и предпочтительно изотопы Не - либо существующие в малом количестве (тритий), либо относительно благоприятные (гелий).

Далее, устройство может быть выполнено в небольшом масштабе, соответствующем, например, для портативного генератора.

Н. Извлечение продуктов реактора.

Теплогенерирующие реакции, которые происходят в кристаллической решетке металла, загруженной дейтерием, могут характеризоваться образованием трития. Тритий может быть образован в реакторе либо как тяжелая вода, насыщенная тритием (DTO), либо в результате электролиза DTO как газ дейтерий, насыщенный тритием (DT). Когда источник реактора также содержит обычную воду, могут также образовываться насыщенные тритием разновидности газа НТО и HT. Так как с течением времени в реакторе будет создаваться некоторое количество трития, реактор предпочтительно снабжен системой извлечения для удаления трития и поддержания уровня трития в реакторе в заданных пределах. На фиг.10 схематично показана система извлечения 160, предназначенная для удаления трития из воды реактора и газа, образуемого в реакторе. Система предназначена выполнять два отдельных процесса: один, который переносит тритий в источнике реактора в дейтерий или газ водорода, и второй процесс, в котором сепарирование газа, содержащего тритий, производится способом криогенной дистилляции.

Каталитический обмен трития осуществляется в парообразной фазе или жидкой фазе гидрофобного каталитического основания, обозначенного в целом под позицией 162. В этом способе жидкая фаза D2O/DTO или H2O/DH-O/D2O/DTO/HTO из ячейки реактора подается по трубопроводу 164, который, в свою очередь, соединен с ячейкой для каталитического разложения.

Вода из ячейки реактора подводится в прямой контакт с потоком газа дейтерия путем циркуляции в противотоке через каталитический слой. Поток газа дейтерия может подаваться из газодистилляционной колонны, которая используется, как описано ниже, для отделения трития. Противоточный поток через каталитический слой содействует реакции

DTO + D2катализатор ---> D2O + DT

Вода, которая обогащена D2O, возвращается в ячейку реактора через трубопровод 168. Конструкция и функционирование систем каталитического обмена в жидкой фазе, соответствующих для использования в настоящем изобретении, описаны в предшествующих публикациях и хорошо известны в области техники.

Альтернативно каталитический слой может быть выполнен для противоточной операции жидкой фазы в соответствии с известными способами. В этом случае вода из реактора сначала испаряется и перегревается, затем в противотоке пропускается через гидрофобный каталитический слой относительно потока газа дейтерия. После реакции обмена газовый поток конденсируется и возвращается в реактор.

Газовый поток, поступающий из обменного слоя, сушится и очищается, и пропускается по трубопроводу 170 в криогенную дистилляционную колонну 166 через насос 161. Колонна содержит насадку Сульцера и охлаждается жидким гелием из вспомогательной линии 170 жидкого гелия. Дистилляция производится примерно при давлении 1,5 бар. D2, который концентрируется в верхней части колонны и частично освобожден от трития, подается на каталитический слой по трубопроводу 174, как показано на чертеже.

Более тяжелые газы изотопного водорода в колонне, то есть DT и Т2 направляются во вторую дистилляционную колонну 179, снабженную кольцами диксон, и охлаждается посредством линии 178, по которой циркулирует жидкий гелий. DT, который концентрируется в верхней части колонны, может пропускаться через преобразователь 180 для получения Т2 в соответствии с реакцией

2DT ---> T2 + D2

Этот материал сепарируется в колонне за счет образования D2 и DT в верхнем конце колонны и Т2 - в нижнем конце. Т2 отводится периодически и хранится либо в газовом контейнере, таком как контейнер 182, либо в виде тритида металла. Система способна сепарировать тритий примерно до 98% (моль %) чистоты.

Следует отметить, что при содержании в воде реактора обычной воды будет также образовываться изотопный газ H2 и H и в самом реакторе и в результате каталитического обмена с D2. Этот газ может быть сепарирован от D2, DT и Т2 в криогенных дистилляционных колоннах и легко устраняется, например, путем сжигания с O2.

Вышеописанная система предназначена для удаления трития из воды реактора. Как сказано выше, процесс электролитического уплотнения, протекающий в реакторе, также генерирует молекулярный изотопный водород, например D2 и DT, образуемые электролитическим разложением тяжелой воды, содержащей тритированную тяжелую воду. Этот газ может быть преобразован в воду путем каталитического сжигания в реакторе, как сказано выше.

Альтернативно или дополнительно изотопные газы могут очищаться в системе удаления трития, описанной выше, путем ввода газа из реактора непосредственно в криогенную дистилляционную колонну в системе через трубопровод 184 с регулирующим клапаном в системе удаления трития.

Газ отделяется в системе дистилляции из двух колонн, причем сепарированный D2 подается на каталитический слой для обмена трития с водой реактора, DT образует D2 и Т2, как указано выше.

Из вышесказанного можно видеть, как реализуются признаки изобретения. Теплогенерирующие реакции в кристаллической решетке металла реактора генерируют тритий, который сам по себе может быть использован как источник изотопного водорода в реакторе этого типа и может также быть легко сохранен в чистой форме для других целей, таких как, например, различные медицинские и диагностические применения.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Доклад о технической оценке энергии звезд: американский и международный поиск энергии синтеза: Конгресс США, Оффис технической оценки, 100-й Конгресс.

  2. Мюллер Дж.П. и др. Гидриды металлов, Академик пресс, Н.Й., 1968.

  3. Рон M. и др. Гидриды металлов, т.1 и 2, 1984, Элсвиер, Н.Й., 1985.

  4. Везироглы Т.Н. Системы металл-водород, Пергамон пресс, Н.Й., 1982.

  5. Дандапани Б. и Флейшман M. Жур. Электронная химия, 39: 323 1972.

  6. Бамбакадис Г. Гидриды металлов, Пленум пресс, 1981.

Версия для печати
Дата публикации 02.10.2006гг


вверх