СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВОБОДНЫХ НЕЙТРОНОВ Российский патент 1996 года по МПК G21G4/02 G21B1/00 

Изобретение относится к ядерной физике.

Явление "холодного ядерного синтеза" (ХС) было открыто в 1989 году: при электролизе тяжелой воды D₂O, содержащей добавки щелочей или солей, на палладиевом катоде был зарегистрирован выход нейтронов, превышающий фоновые значения, а в электролите концентрации трития, более высокие, чем исходные. Ранее в 1986 году выделение нейтронов было зафиксировано при ударном нагружении льда тяжелой воды и монокристаллов дейтерида лития металлическим бойком. Эти явления были объяснены ядерными реакциями
D+D _→ ³He (0,82 МэВ) + n (2,45 МэВ); (1)
D+D _→ T (1,01 МэВ) + Н (3,02 МэВ). (2)
Для проверки и изучения этого явления в ряде лабораторий мира была проведена серия исследований. Большая часть экспериментов проведена электрохимическим методом, в некоторых лабораториях были выполнены опыты по сорбции газообразного дейтерия титаном, по механическому воздействию на некоторые дейтерийсодержащие вещества в шаровых мельницах, по облучению мишеней с дейтерием заряженными частицами в газоразрядных трубках, по наблюдению холодного синтеза в химических реакциях и т.д. Подтвержден выход либо одиночных нейтронов с интенсивностью λ ≃10^-24-10^-22 с^-1 (DD)^-1, либо в виде нейтронных "вспышек" с количеством нейтронов порядка десятков и сотен в доли секунды.

Зафиксировано накопление трития, количество которого в 10⁶-10⁸ раз превышает выход нейтронов, что может свидетельствовать о том, что скорость ХС по каналу (2) значительно больше, чем по каналу (1), в отличие от результатов исследований по определению поперечных сечений тех же ядерных реакций при высоких энергиях ( > 1 кэВ), согласно которым эти скорости примерно равны.

Анализ и обобщение экспериментального материала и теоретических работ по ХС, кристаллохимии и фазовым диаграммам систем металлов с изотопами водорода, теории диффузии водорода и дейтерия в металлах и кинетике фазовых превращений гидридов, а также компьютерное моделирование поведения атома дейтерия в кристаллической структуре металлов позволили прийти к заключению, что периоды интенсивного протекания ХС связаны с фазовыми превращениями в дейтеридах металлов. Не вдаваясь в теоретическое обоснование этого вывода, приведем только некоторые экспериментальные факты в его пользу.

Отсутствие в пределах чувствительности измерений или чрезвычайно низкое (менее 10^-24 с^-1(DD)^-1) выделение нейтронов при длительном хранении дейтеридов металлов.

Наличие определенного периода продолжительностью от нескольких минут до нескольких суток при электролизе до начала выделения нейтронов на палладиевом катоде, что по порядку величины соответствует инкубационному периоду до начала образования β-фазы при насыщении палладия водородом (дейтерием). Спорадический характер испускания нейтронов группами из десятков и сотен частиц в доли секунды, отмечаемый в подавляющем большинстве экспериментальных работ, что согласуется с дискретным характером α β-превращения при электрохимическом насыщении палладия дейтерием.

Прекращение нейтронных "вспышек" после определенного времени, несмотря на продолжающееся выделение дейтерия на поверхности палладиевого катода, что можно объяснить полным переходом материала электрода в β-фазу дейтерида палладия.

Корреляция периодов интенсивного выделения нейтронов при нагреве палладия и титана, предварительно насыщенных дейтерием при низких температурах, с температурными интервалами десорбции дейтерия.

Корреляция акустических сигналов и нейтронных "вспышек".

Отмеченная связь интенсивности протекания реакций ХС с фазовыми переходами в дейтеридах металлов является теоретической основой изобретения.

Известно устройство для получения нейтронов путем ядерной реакции в газе, адсорбированном и/или абсорбированном в металле посредством аппаратуры, включающей в качестве основных компонентов реакционный сосуд, помещенный в контролируемую по температуре среду, содержащей металл с высокой способностью к адсорбции и/или абсорбции к водороду и его изотопам в такой физической форме, чтобы большая поверхность металла подвергалась воздействию газа, причем сосуд связан с источником газообразного дейтерия через редуктор, вакуумный насос, манометр и вентили. Единственным примером такого металла назван титан, на котором были получены положительные результаты по выходу нейтронов.

В качестве зависимого пункта заявки на патент предложен способ получения нейтронов и тепла, включающий контакт газообразного дейтерия с металлом, имеющим высокую способность к адсорбции и/или абсорбции к водороду и его изотопам, и большую поверхность при давлении, изменяющемся в интервале между ≃ 40 бар и ≃ 10^-2 мм рт.ст. и температуре, изменяющейся между ≃ 77 и ≃ 300 К.

Положительные результаты воспроизвести не удалось. При группы, проводившие опыты по аналогичной методике, первоначально наблюдали выход нейтронов, но впоследствии также не смогли его воспроизвести. В других четырех группах, использовавших этот метод, эффект ХС не наблюдался.

Недостатками известного способа являются низкая выделяемая мощность, которую можно рассчитать по максимальной интенсивности нейтронного излучения: 10³ имп./ч для 100 г титана, что в пересчете на объем составляет 10^-14 Вт ·см^-3, даже если скорость ХС по каналу (2) в 10⁸ раз выше, чем по каналу (1) (см.выше), то выделяемая мощность составит 10^-5 Вт ·см^-3; крайне плохая воспроизводимость опытов, резкое снижение интенсивности ХС с каждым последующим циклом изменения температуры и/или давления, использование других металлов в соответствии со сформулированным критерием: с высокой способностью к адсорбции и/или абсорбции изотопов водорода в подавляющем большинстве не дает выхода нейтронов, превышающего фон. Рекомендуемые физико-химические параметры проведения ХС относятся только к титану, принципы подбора параметров и их изменения во времени для других металлов не определены. Вакуумирование реакционного сосуда (при котором наблюдался наибольший выход нейтронов) приводит к потере дейтерия и неэффективному использованию дорогостоящего сырья. Работа с большими объемами газообразных изотопов водорода при повышенных давлениях опасна.

Сходные недостатки имеют и более далекие аналоги изобретения, основанные на электрохимическом способе насыщения палладия дейтерием: низкое значение выхода нейтронов, крайне плохая воспроизводимость опытов, возможность загрязнения окружающего пространства тритием и др.

Главной задачей изобретения является увеличение выхода свободных нейтронов в реакциях ХС.

Другими техническими результатами, достигаемыми при реализации изобретения, являются расширение круга металлов, используемых для ХС создание устройств, удобных для практического осуществления способа, обеспечение техники безопасности при проведении реакции ХС, использование энергии свободных нейтронов, сбор других продуктов ядерного синтеза: трития и изотопов гелия.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе, включающем помещение в герметически закрывающийся сосуд образца, выполненного из металла, способного к адсорбции и/или абсорбции изотопов водорода, наполнение сосуда газообразным дейтерием или газовой смесью, содержащей дейтерий и легкий изотоп водорода, изменение температуры и/или давления в сосуде, в качестве металла, из которого выполнен образец, используют химические элементы или сплавы, имеющие по крайней мере две равновесно сосуществующие изоструктурные по отношению друг к другу кристаллические фазы дейтерида α и β с меньшим и большим содержанием дейтерия соответственно, при этом используют образец, выполненный в виде порошка с размерами частиц от 10^-2 до 10² мкм или проволоки с поперечным сечением менее 10^-2 мм², фольги или нанесенной на подложку пленки толщиной менее 100 мкм, или кристаллической массы с порами и микротрещинами, задают давление газообразного дейтерия, превышающее давление трехфазного равновесия α и β-фаз с газом при заданной температуре, меньшей критической для α β-равновесия, выдерживают образец при этих параметрах до перехода части металла в β-фазу, затем снижают давление или/и повышают температуру до значений, соответствующих области двухфазного равновесия α-фазы с газом и выдерживают эти параметры до перехода β-фазы дейтерида в α-фазу, после чего цикл изменения температуры и/или давления повторяют до снижения выхода нейтронов при фазовых превращениях.

Предлагаемый способ может быть осуществлен также с использованием дополнительного герметичного сосуда, соединенного с основным герметичным сосудом трубопроводом с запорным элементом и измерителем давления, при этом в дополнительный сосуд помещают дополнительный образец, предварительно насыщенный дейтерием до перехода части его в β-фазу, затем нагревают дополнительный сосуд до температуры Т₂, превышающей точку T^α+β+Г трехфазного равновесия α и β- фаз с газом при установившемся в системе давлении, но ниже критической температуры для α β-фазового перехода, причем температуру Т₁ в основном сосуде поддерживают такой, чтобы она была ниже точки трехфазного равновесия, выдерживают указанное соотношение температур в сосудах до перехода части образца в основном сосуде в β-фазу, затем устанавливают в этом сосуде обратное соотношение температур Т₁ > T^α+β+Г > Т₂ и поддерживают его до перехода большей части ранее образовавшейся в основном сосуде β-фазы в α-фазу, после чего устанавливают начальное соотношение температур в сосудах и повторяют циклы изменения температуры до снижения выхода нейтронов при фазовых превращениях.

В качестве металлов, из которых выполнены образцы, используют, например, палладий, ниобий, ванадий, редкоземельные элементы, сплавы палладия и серебра, интерметаллические соединения TiFe и TiCr₂.

Для интенсификации процессов сорбции десорбции изотопов водорода образцы во время циклов изменения температуры и/или давления подвергают воздействию ультразвука.

Поверхность образцов металла, выполненных в виде фольги или нанесенной на подложку пленки, может быть покрыта мелкодисперсным веществом, ускоряющим адсорбцию изотопов водорода, например платиновой чернью или гидридом (дейтеридом) меди.

Образцы металла с большим количеством пор и микротрещин изготавливают сплавлением в вакууме или инертном газе, охлаждением до возможно более низких температур, воздействием на охлажденный металл механическими ударами или взрывной волной.

Энергию свободных нейтронов преобразуют в тепловую энергию теплоносителя.

Сбор выделяющегося в рабочем сосуде трития и изотопов гелия производят путем нагрева образца выше трехфазного равновесия α и β -фаз с газом.

Совокупность указанных признаков позволяет значительно на несколько порядков увеличить интенсивность выделения свободных нейтронов, обеспечить удобство и безопасность проведения реакции ХС, расширить набор металлов, применяемых для ХС, использовать энергию свободных нейтронов для нагрева теплоносителя, осуществлять сбор других продуктов ядерного синтеза: трития и изотопов гелия.

На фиг. 1 изображено сечение Р-t-x диаграммы состояния системы палладий водород в координатах lg P-t (P-давление, t температура, х состав); на фиг. 2 сечение той же диаграммы в координатах t-H/Pd (отношение атомных количеств водорода и палладия) при Р 10⁶ Па; на фиг. 3 сечение той же трехмерной диаграммы в координатах lg Р-Н/Pd при t 200^оС; на фиг. 4 устройство, в котором осуществляют предлагаемый способ; на фиг. 5 приведена схема варианта устройства, удобного при практическом использовании предлагаемого способа.

Для достижения поставленной задачи увеличения выхода свободных нейтронов при реакциях ХС и перечисленных выше технических результатов необходимо решение четырех групп вопросов: выбор металлов, в которых наиболее интенсивно протекает процесс ХС; разработка методик приготовления используемых металлов; определение физико-химических параметров и режимов проведения процессов сорбции-десорбции дейтерия в металлах; разработка устройств для эффективного и безопасного проведения ХС.

Выбор используемого металла.

Известно большое число элементарных металлов и их сплавов, отличающихся составом и кристаллической структурой, многие из которых растворяют изотопы водорода. Ввиду неразработанности теории ХС выбор среди них пригодных, а тем более оптимальных в настоящее время возможен только путем многочисленных трудоемких экспериментов. Решение задачи выбора осложняется также низким выходом продуктов синтеза и необходимостью изучения активности этих материалов в отношении ХС от температуры, давления и других внешних параметров, характера предварительной обработки металлов и условий проведения опытов.

Как известно, наилучшие результаты ХС были получены с использованием палладия и титана. Однако не ясно, какие именно физические и химические свойства этих металлов определили их активность в отношении ХС. Большинство исследователей предполагают, что причина заключается в высокой объемной плотности водорода (дейтерия) в гидридах этих металлов. Действительно один объем палладия при комнатной температуре может поглотить 600 объемов водорода, а один объем титана более 1000 объемов Н₂,(D₂), т.е. содержание атомов изотопов водорода в единице объема этих металлов выше, чем в том же объеме жидкого водорода (дейтерия). Однако известно много гидридов со столь же высоким и даже большим содержанием водорода (дейтерия), которые тем не менее не проявляют активности в отношении ХС. По другим предположениям главную роль в ХС играет высокая скорость диффузии Н⁺ (D⁺) в этих металлах. Если верна эта гипотеза, то можно было бы ожидать существенного (на порядки) увеличения скорости ХС при повышении температуры на несколько сот градусов, особенно для титана, чего однако не наблюдается.

Нахождение критериев выбора металлов, пригодных для осуществления ХС, необходимо, во-первых, для выявления оптимального диапазона параметров работы металлов, активность которых для ХС уже обнаружена, во-вторых, для создания сплавов на основе активных в отношении ХС элементов и поисков легирующих добавок для них, в-третьих, для целенаправленных поисков других металлов, которые по активности для ХС были бы сравнимы с палладием, но превосходят последний по другим показателям, например стойкости к циклам сорбции-десорбции Н₂(D₂), физико-химическим параметрам работы, более низкой стоимости и т.д.

На основе проведенного теоретического анализа установлен следующий критерий: в качестве металла используют элементы или сплавы, образующие по крайней мере две равновесно сосуществующие в некотором диапазоне температур и давлений кристаллические фазы ( α и β ) с различным соотношением дейтерия и металла (металлов), изоструктурные друг к другу или имеющие небольшое отклонение от изоструктурности, не превышающее нескольких процентов (не более 10%) в соотношении параметров и/или углов кристаллической структуры.

Обозначения α и β могут не совпадать с принятыми индексами фаз для отдельных систем, так как единого принципа номенклатуры не существует. Так, для системы Nb-H и Nb-D фазы, удовлетворяющие сформулированным условиям, имеют обозначения α и α₁. Для определенности индекс α будет использоваться для фазы с меньшим содержанием дейтерия, а индекс β для фазы с большим содержанием D, что совпадает с принятым для большинства систем, например гидридов палладия.

Понятие изоструктурности фаз является общепринятым в кристаллохимии и не нуждается в пояснениях. Обычно изоструктурные фазы отличаются параметрами кристаллической структуры при сохранении пространственной группы симметрии. Сформулированный выше критерий использует более широкое толкование изоструктурности и допускает отклонения от изоструктурности за счет небольшого искажения симметрии, проявляющегося в изменении соотношения параметров и/или углов кристаллической решетки. Так, если одна из фаз имеет кубическую симметрию, то другая может иметь тетрагональное, ромбическое, ромбоэдрическое или моноклинное искажение.

Линия равновесного сосуществования таких фаз с газом на P-t-x- диаграмме ограничивается либо критической точкой, либо пересечением с линиями равновесия других фаз, не удовлетворяющих названным выше кристаллохимическим критериям (см.фиг.1).

На фиг. 1, 2 и 3 приведены три различных сечения P-t-x-диаграммы системы палладий-водород в координатах:lg P-t (фиг.1), t-H/Pd при Р 10⁶ Па (фиг.2) и lg Р-H/Pd при t 200^оС (фиг.3).

Ввиду того, что по условиям осуществления предлагаемого способа параметры, воздействующие на дейтериды, должны многократно пересекать линию трехфазного равновесия α-up -фаз с газом на P-t-x-диаграмме (см.ниже, следует использовать металлы, в системах которых с дейтерием эта линия находится удобном для эксплуатации рабочих сосудов и использования энергии диапазоне температур и давлений. Желательно также, чтобы различие равновесных составов α и β -фаз по содержанию дейтерия и разница параметров их кристаллических структур были возможно большими, а скорость диффузии при низких температурах достаточно высокой.

Сформулированные условия значительно ограничивают набор металлов, которые могут обеспечивать высокую скорость ХС. Это не удивительно, если учесть уникальность сочетания условий, обеспечивающих ядерные реакции при столь низких температурах.

Наиболее характерным примером металла, удовлетворяющего всем перечисленным выше критериям, является палладий, на котором и был впервые открыт эффект ХС. В то же время другой металла титан, у которого также была обнаружена активность и проведены успешные эксперименты по ХС при насыщении газообразным дейтерием, хотя и имеет фазы, значительно отличающиеся по содержанию дейтерия, но эти фазы неизоструктурны. Кроме того, скорость диффузии водорода (дейтерия) в титане быстро снижается с температурой. В соответствии с указанными выше критериями в титане не удается осуществить ХС с высокой скоростью.

Следует также ожидать, что большинство других металлов, в том числе и тех, содержание в которых дейтерия весьма высокое (даже выше, чем в PdH и TiH₂), не могут обеспечить достаточно высокой скорости ХС.

Перспективными для проведения реакций ХС кроме самого палладия могут быть различные сплавы на его основе, например сплавы в системе Pd-Ag, также удовлетворяющие установленным критериям. Сплавы палладия, несмотря на несколько пониженную скорость диффузии в них дейтерия по сравнению с чистым палладием, имеют преимущества в отношении стоимости и механических свойств.

Примерами других металлов, которые пригодны для проведения ХС согласно сформулированным критериям, являются ниобий (фазы α и β ) тантал, ванадий, некоторые редкоземельные элементы (La, Nd,Gd, Er, Ib и др.), интерметаллические соединения TiFe (фазы β и γ ), TiCr₂.

Приготовление используемого металла.

Проведенные в ряде лабораторий мира экспериментальные работы показывают, что реальная структура металлов может оказывать большое влияние на протекание ХС. Так, в некоторых случаях выход нейтронов на разных образцах палладия отличался на несколько порядков, однако не выяснено, какие именно факторы влияют на осуществление и скорость протекания ХС. Решение этой задачи чисто эмпирическими методами затруднено, во-первых, из-за низкого выхода продуктов ядерного синтеза, часто меньшего, чем фон, и, во-вторых, из-за того, что реальная структура определяется очень многими факторами: величиной и формой кристаллических зерен, количеством и распределением точечных дефектов и дислокаций разного типа, примесями и т.д.

Определение факторов реальной структуры металлов, наиболее важных для осуществления ХС, проведено на основе выявленной взаимосвязи протекания этого процесса с фазовыми переходами в дейтеридах металлов.

Главным условием интенсификации процесса ХС является обеспечение возможно более высокой скорости α β и β α <196><+>превращений в дейтеридах металлов, выбранных согласно критериям, сформулированным в предыдущем разделе. Точнее необходимо обеспечить, чтобы количество дейтерида металла, претерпевающего фазовый переход, в единицу времени было максимальным.

Процесс α β-превращения при сорбции можно разделить на несколько стадий: сорбция молекул дейтерия на поверхности металла, эндотермическая реакция диссоциации молекул дейтерия на поверхности: D₂ _→ D⁺ + D⁺ + 2e^-, диффузия дейтеронов в кристаллическую структуру металла, создание необходимой концентрации дейтерия в металле для образования β-фазы, фазовый α β-переход в дейтериде металла.

При десорбции β-дейтерида стадии идут в обратном порядке: экзотермическая реакция образования молекул дейтерия на поверхности: D⁺+ D⁺ + 2e^- _→ D₂ и их десорбция, диффузия дейтеронов к поверхности металла, снижение концентрации дейтерия в дейтериде металла, необходимое для образования α-фазы, фазовый β _ α -переход в дейтериде.

Для увеличения скорости фазовых превращений необходимо по возможности ускорять каждую из стадий и особенно те из них, которые лимитируют процесс.

Рассмотрим вначале процесс α β-перехода. Процесс сорбции молекул дейтерия на поверхности металла и их диссоциации на дейтероны ускоряют, используя катализаторы, такие как платиновая чернь, гидриды (дейтериды) меди, урана и др. Пути ускорения процесса сорбции за счет режимов осуществления способа рассмотрены в следующем разделе.

Объем дейтерида, претерпевший фазовое превращение (V), зависит от коэффициента диффузии дейтерия (D_o), времени ( τ) и площади поверхности металла (S), от которой движутся дейтероны внутрь кристаллической структуры:
V k· S ·l k· S · (D_o · τ)^1/2, (1) где l глубина проникновения дейтеронов; k константа, зависящая от концентрации дейтерия, при которой начинается переход из α- в β -фазу.

Скорость α β-превращения, обусловленная диффузией, определяется соотношением
∂ V / ∂ τ 0,5k· S ·D1/2o

τ^-1/2. (2)
Таким образом, чем больше поверхность сорбции, тем при прочих равных условия большее количество дейтерида металла претерпевает фазовое превращение за одно и то же время.

Для увеличения поверхности металла используют порошки металла с возможно меньшим размером кристаллических зерен, проволоку с малым поперечным сечением, тонкую фольгу или тонкие пленки металла, нанесенные на подложку, например, из фольги другого металла. Можно использовать также массивные куски металла, в которых по специальной методике создают большое количество пор и микротрещин.

При сильном диспергировании могут изменяться фазовые соотношения, установленные для равновесных диаграмм состояния. Это связано с тем, что энергия деформации кристаллической структуры при образовании твердого раствора в малых частицах и вблизи поверхности меньше, чем в массивных образцах, что может приводить к уменьшению различия равновесных концентраций дейтерия в α и β -фазах. Существенно может изменяться и кинетика фазовых переходов в малых частицах и кристаллах с большим числом дислокаций. Непосредственные квантово-механические расчеты показали также, что наличие точечных дефектов должно уменьшать скорость реакций ХС в дейтеридах палладия.

Еще одно существенное ограничение накладывает необходимость многократных фазовых превращений в дейтериде, при которых образуются дислокационные структуры (наклеп), что по данным исследований α β и β α _ превращений в гидриде палладия при электрохимическом насыщении и десорбции значительно тормозит эти переходы.

Таким образом, структура используемого металла должна соответствовать целому ряду требований. Ниже описаны методики приготовления металла, позволяющие получить его в виде, удовлетворяющем необходимым требованиям для осуществления ХС при сорбции-десорбции дейтерия.

На поверхность фольги используемого металла наносят тонкий слой вещества, снижающего энергии активации сорбции и диссоциации водорода (дейтерия), например, платиновой черни, дейтерида меди и др. Фольгу наматывают на стержень, например, из стали в виде плотного рулона и закрепляют снаружи с помощью прочной проволоки или сварки.

Используемый металл изготавливают в виде тонкой проволоки с поперечным сечением менее 0,01 мм², например, путем вытягивания через фильеру под давлением. Нити проволочек соединяют в плотный пучок, стягивая их с натягом прочной лентой или проволокой, например, из стали. Металлическую проволоку можно также намотать на стержень подобно ниткам на катушке.

Используемый металл выдерживают в тигле при температуре выше точки плавления при непрерывном вакуумировании или в атмосфере инертного газа и медленно охлаждают для получения крупнокристаллической структуры. Приготовленный слиток опускают в сжиженный газ (например, гелий, водород, азот), выдерживают до прекращения интенсивного испарения газа, быстро извлекают охлажденный слиток и подвергают ударному нагружению, например, ударами молотка по возможности в различных направлениях (для этого целесообразно использовать слиток, приближающийся по форме к кубу).

Использование для охлаждения гелия предпочтительнее из-за наиболее низкой температуры кипения и реализации хрупкого механизма разрушения с образованием большого количества микротрещин. Менее дорогостоящим, но также весьма эффективным для этой цели является жидкий водород благодаря своей весьма высокой проникающей способности, приводящей к развитию микротрещин. Однако использование водорода требует повышенных мер безопасности. Наиболее доступно и легко технически осуществимо охлаждение в жидких азоте и воздухе. При микроскопическом исследовании слитка, подвергнутого нескольким циклам охлаждения в азоте и механического воздействия ударами молотка, наблюдается система многочисленных мелких трещин.

Для уменьшения количества точечных дефектов и линейных дислокаций в кристаллической структуре после обработки указанным выше методом желательно произвести отжиг металла при температуре на 100-200^о ниже температуры плавления металла.

Для повышения стойкости металла, изготовленного одним из перечисленных выше методов, по отношению к циклическим фазовым переходам образцы металла можно запрессовать в прочную оправку из материала с высоким пределом упругости, устойчивого к длительному воздействию водорода (дейтерия), например из закаленной стали. Металл, изготовленный в виде слитка, необходимо предварительно обработать с наружной поверхности до цилиндра или усеченного конуса, а затем запрессовать либо по горячей посадке, либо под давлением в оправку с внутренней конусной поверхностью.

Металл изготавливают в виде ультрадисперсных частиц с линейными размерами до 10² мкм, например, путем термического разложения или восстановления солей металла или реакции в газовой фазе, смешивают с порошком инертного по отношению к нему при температурах последующей работы вещества, сохраняющего пористость при последующей термической обработке (например, графита или сажи), отжигают смесь до получения качественной рентгенограммы металла, которая свидетельствует о получении частиц с размерами более 10 нм и снижении числа дислокаций кристаллической структуры. Добавка инертного вещества препятствует спеканию частиц металла при термическом воздействии, что снижает его общую поверхность.

Используемый металл наносят электрохимически или методом ионного распыления на подложку, например, из медной фольги в виде пленки толщиной от 5 нм до 100 мкм, на которую дополнительно можно нанести очень тонкий слой платиновой черни. Фольгу с нанесенной пленкой металла сворачивают в плотный рулон и стягивают стальной проволокой.

Используемый металл распыляют в электрической дуге совместно с инертным по отношению к нему, проницаемым для газообразного дейтерия пористым материалом, например графитом, сажей или оксидом алюминия. Для уменьшения плотности дислокаций и точечных дефектов смесь отжигают при температуре на 100-200^оС ниже температуры плавления металла.

Перечисленные методики не исчерпывают всех возможных способов подготовки используемого металла для эффективного осуществления ХС при сорбции-десорбции дейтерия.

При осуществлении процесса ХС можно использовать не только чистый дейтерий, но и газовую смесь, содержащую дейтерий и легкий изотоп водорода (H/D 0-0,9), так как согласно расчетам при низких температурах скорость реакции
D + p _→ ³He + γ (5,5 МЭв) на два порядка выше, чем реакций по каналам (1) и (2). Использование смеси изотопов водорода значительно снижает стоимость исходного сырья при проведении ХС.

Физико-химические условия и режимы проведения сорбции-десорбции дейтерия в металле.

Как отмечено выше, реакции ХС связаны с переходами α β-фаз дейтеридов, изоструктурных друг другу или имеющих небольшое отклонение от изоструктурности. Для таких фаз существует критическая точка на t-P-диаграмме, при температуре и давлении более высоких, чем параметры этой точки, изменение отношения содержания дейтерия и металла происходит плавно без фазового перехода. Необходимым условием эффективного осуществления реакций ХС является проведение процессов сорбции и десорбции ниже давлений и температур, отвечающих координатам критической точки перехода. Так, например, для системы Pd-H эти координаты равны P 1,95 МПа и t 293^оС (см. фиг.1). Для системы Pd-D эти параметры отличаются незначительно. Цикл сорбции осуществляют при давлениях D₂ более высоких, а температурах более низких, чем моновариантная линия трехфазного равновесия α + β +Г, т.е. в области, где равновесно сосуществуют α и β- фазы дейтерида с газом, а цикл десорбции проводят при давлениях более низких и/или температурах более высоких, чем эта линия, т.е. в области, где α-фаза дейтерида металла равновесна с газовой фазой.

Когда скорость процесса β → α-превращения значительно ниже, чем α → β перехода, целесообразно проводить цикл десорбции при температурах выше критической точки, не используя его для выделения энергии, что может компенсироваться более частым проведением β α-перехода при сорбции. Такая необходимость возникает также для отжига дефектов. При обратном соотношении скоростей превращений можно проводить цикл сорбции при давлении газообразного дейтерия, большем критического.

Как следует из соотношения (2), количество дейтерида, претерпевающего фазовое превращение в единицу времени, обратно пропорционально τ^1/2, следовательно, использование начальных стадий диффузии дейтерия позволяет интенсифицировать процесс ХС.

Выход нейтронов в процессах сорбции-десорбции можно повысить воздействием ультразвуковых волн высокой интенсивности. Интенсификация ХС при воздействии ультразвука происходит по крайней мере по двум причинам. За счет высокочастотных колебаний ускоряется перемещение газообразного дейтерия по поверхности металла, между его частицами и внутри пор и микротрещин, что ускоряет процессы сорбции и десорбции. Градиенты давлений, возникающие при воздействии ультразвуковых волн, приводят к ускорению объемной диффузии ионов изотопов водорода за счет бародиффузионного эффекта.

Практически воздействие ультразвуковых волн на образец можно осуществить, создав акустический контакт изготовленного металла с рабочим сосудом и воздействуя на рабочий сосуд стандартным или специально сконструированным генератором ультразвука или акустическим концентратором.

Варианты устройств для осуществления предлагаемого способа ХС.

Устройства для осуществления ХС должны отвечать ряду требований: удобство и безопасность работы, возможность использования выделяемых свободных нейтронов и их энергии, долговечность, возможность автоматизации процесса.

На фиг.4 и 5 приведены схемы вариантов устройств, в которых осуществляют предлагаемый способ проведения ХС.

Устройство на фиг.4 включает герметично закрывающийся сосуд 1 высокого давления, выполненный из материала, устойчивого к продолжительному воздействию водорода (дейтерия), например из стали, нагреватель 2 сопротивления или печь для нагрева токами высокой частоты (не показана), холодильник 3, выполненный, например, в виде полой спирали с проточной жидкостью или сосуда с проточной водой, вентили 4-8, разделитель 9 газа и жидкости, манометр 10, гидравлический насос 11, вакуумный насос 12, баллон 13 со сжатым газообразным дейтерием, регулятор 14 температуры. Герметично закрывающийся сосуд, разделитель, вакуумный насос и баллон со сжатым газом связаны между собой трубопроводом высокого давления.

Устройство на фиг.5 состоит из основного герметичного сосуда 1 и дополнительного герметичного сосуда 2, например, в форме, показанной на фиг.5, снабженных затворами 3 и 4, нагревателями 5 и 6, охлаждающими системами 7 и 8, выполненными, например, в виде полых спиралей с проточной жидкостью или емкостей с жидкостью, датчиками 9 и 10 температуры, например термопарами, и датчиком давления, например, манометром 12 с разделителем 13. Герметичные сосуды 1 и 2 высокого давления выполнены из материала, устойчивого к длительному воздействию водорода (дейтерия) и соединены между собой трубопроводом 11 высокого давления, вентилями 14 и 15. К вентилю 15 может быть подсоединен баллон 16 со сжатым газом. В зависимости от поставленной задачи сосуды 1 и 2 высокого давления могут иметь объемы от нескольких кубических сантиметров для лабораторных исследований до десятков кубометров для промышленных целей. Удобно, в частности, использовать баллоны для хранения сжатых газов. Вблизи герметичных сосудов располагают счетчики нейтронов (на фиг.4 и 5 не показаны).

Способ в устройстве на фиг.4 осуществляют следующим образом.

В сосуд 1 помещают образец используемого металла, приготовленного одним из перечисленных выше методов.

При открытых вентилях 4-8 гидравлическим насосом приводят поршень разделителя 9 в крайнее левое положение. При закрытых вентилях 5 и 6 форвакуумным насосом 12 из сосуда 1 откачивают воздух до давления менее 10^-2 Па. Перекрыв вентиль 7 и открыв вентиль 5, из баллона 13 подают сжатый газообразный дейтерий под давлением, меньшим критического для α β-равновесия дейтеридов в системе Pd-D (1,9 МПа), и выдерживают до существенного снижения скорости перехода металла в β-фазу, что можно определить по интенсивности потока нейтронов. Если работа с большим объемом сжатого газообразного дейтерия нежелательна, например, по условиям техники безопасности, то в сосуд 1 можно поместить образец металла, предварительно насыщенного дейтерием или смесью дейтерия и водорода, например, электрохимическим способом.

При закрытом вентиле 4 и открытых вентилях 6 и 8 с помощью нагревателя 2 поднимают температуру в сосуде 1. После того, как поршень в разделителе 9 дойдет до некоторого заранее определенного положения, перекрывают вентиль 8. Регулятором 14 поддерживают температуру выше температуры трехфазного равновесия α и β-фаз с газом, но ниже критической для α β-равновесия, при этом создающееся в сосуде 1 и измеряемое манометром 10 давление должно быть меньше критического для соответствующей системы металл-дейтерий. Эти параметры выдерживают до перехода основной массы дейтерида в α-фазу. После этого отключают нагрев, открывают поток жидкости, например проточной воды, через холодильник 3, открывают вентиль 8 и с помощью гидравлического насоса 11 повышают давление в сосуде 1.

Описанный цикл повторяют многократно, поток нейтронов измеряют и используют во время циклов сорбции и десорбции дейтерия, выделяемую энергию используют, например, для нагрева охлаждающей жидкости теплоносителя.

После определенного срока работы рабочего сосуда, устанавливаемого условиями техники безопасности, или после разрушения структуры дейтерида металла в результате циклических переходов, а также после истощения исходного дейтерия, что проявляется в снижении выхода нейтронов, сосуд 1 нагревают выше температуры трехфазного равновесия α и β-фаз с газом и через открытые вентили 4 и 5 собирают накопленные продукты синтеза: тритий и изотоп гелия ³Нe, образовавшиеся по реакциям (1) и (2).

Способ в устройстве на фиг.5 осуществляют следующим образом.

В сосуды 1 и 2 помещают примерно равные по массе количества металла (Me), изготовленного одним из указанных выше способов. Закрывают затворы 3 и 4, к вентилю 15 подсоединяют вакуумный насос (не показан) и при открытом вентиле 14 вакуумируют сосуды 1 и 2 до давления менее 10^-2 Па. При закрытом вентиле 14 к вентилю 15 подсоединяют баллон 16 со сжатым дейтерием и выдерживают в течение нескольких часов до перехода по крайней мере части металла в сосуде 2 в β-фазу. При нежелательности использования баллона со сжатым дейтерием в сосуд 2 помещают металл, приготовленный одним из перечисленных выше способов и предварительно насыщенный дейтерием, например электрохимическим методом.

При закрытом вентиле 15 и открытом вентиле 14 включают нагреватель 6 сосуда 2 и поток жидкости, например воды или масла, в холодильнике 7 сосуда 1. Температуру в сосуде 2 (Т₂) доводят до уровня выше точки трехфазного равновесия α и β-фаз с газом при давлении Р, которое создалось в сосудах и измеряется манометром 12 ( Tαp

^+β+Г). Такое соотношение температур: T₂ >Tαp^+β+Г > Т₁ выдерживают до тех пор, пока скорость сорбции дейтерия в сосуде 1 существенно не замедлится, что можно определить по интенсивности нейтронного излучения. После этого отключают нагреватель 6 и включают проточную жидкость в охлаждающей системе 8 сосуда 2, включают нагреватель 5 сосуда 1 и поддерживают обратное соотношение температур Т₁ > Tαp^+β+Г > Т₂ до существенного замедления интенсивности α β-перехода в сосуде 2. Указанный цикл повторяют многократно. Выделяемый поток нейтронов используют, например, для нагрева охлаждающей жидкости теплоносителя.

Для сбора накопленных продуктов синтеза трития и изотопов гелия через вентиль 15 к системе подсоединяют емкость для газа с веществом, сорбирующим изотопы водорода, и нагревают оба сосуда выше температуры трехфазного равновесия α и β-фаз с газом.

П р и м е р 1. Процесс сорбции-десорбции дейтерия в металле проводят в устройстве, аналогичном изображенному на фиг.4, в отдельные узлы которого внесены изменения. В качестве источника газообразного дейтерия вместо баллона со сжатым газом использовалась электролитическая ячейка, в которой проводилось разложение тяжелой воды (99,8% D₂O) с добавкой 0,1 М LiOH при напряжении 10-20 В и плотности тока 200-500 мА/см². Выделяющийся на платиновом катоде газообразный дейтерий подавался в сосуд 1 с приготовленным металлом. В качестве сосуда использовалась трубка, изготовленная из стали 12Х18Н9Т, длиной 15 см, внутренним диаметром 15 мм и толщиной стенок 2,5 мм с наружной резьбой на концах, на которую навинчивается накидная гайка с капилляром (трубкой) высокого давления (внутренний диаметр 1 мм). Уплотнение для газового давления создается медной шайбой, деформируемой при завинчивании накидной гайки. Вокруг трубки располагаются разъемный нагреватель 2 сопротивления и холодильник 3, представляющий собой несколько витков полой медной трубки, по которой пропускается водопроводная вода. Холодильник может перемещаться вдоль сосуда 1.

В качестве металла используется порошок палладия (99,9%) с линейными размерами частиц от 10 до 100 мкм, общим весом 2,7 г.

Используемый металл помещают в сосуд 1. Проводят электролиз тяжелой воды D₂O при открытых вентилях 4,5 и 6 до заполнения объема сосуда газообразным дейтерием, одновременно происходят сорбция и образование дейтерида палладия. Закрывают вентиль 4, нагревателем 2 поднимают температуру в сосуде 1 до 250^оС и выдерживают в течение часа. Перекрывают вентиль 8. Отключают нагрев, снимают разъемную печь, на ее место передвигают холодильник 3, открывают поток водопроводной воды и с помощью гидравлического насоса 11 поднимают давление в сосуде 1 до 3-5 атм (0,3-0,5 МПа). С помощью радиометра дозиметра МКС-01Р с детекторным блоком БДКН-01Р, узел детектирования которого основан на сцинтилляционном методе регистрации светосоставом из смеси ZnS(Ag) и LiF, диспергированном в диске из оргстекла и приклеенном к фотокатоду фотоумножителя, производят измерения потока нейтронов в процессе охлаждения до комнатной температуры (30^оС). Охлаждение проводят в течение 40-60 мин.

Затем вновь устанавливают нагреватель 2 на рабочем сосуде 1, производят нагрев до 250^оС и продолжают измерение потока нейтронов. Указанный цикл повторяют многократно.

Для сравнения проводят измерение фонового потока нейтронов до и после проведения эксперимента в течение 4 ч, а также при проведении опытов в данном устройстве, но с использованием в качестве металла слитка палладия весом 2,9 г. Как показали измерения, в последнем случае не наблюдается статистически достоверного повышения потока нейтронов по сравнению с фоном, составляющим 1-2 имп/100с ((1-2)·10^-2 имп·с^-1).

В десяти проведенных экспериментах с использованием порошка палладия, приготовленного как описывалось выше, наблюдался поток нейтронов, от 2 до 40 раз превышающий фон. Наибольшее значение потока нейтронов фиксировалось в первых опытах, с увеличением числа циклов избыточный по отношению к фону поток уменьшался.

Учитывая эффективность регистрации нейтронов, определенную по стандартному источнику ²⁵²Cf с активностью 1,3·10⁶ имп·с^-1 и расстоянию от измеряемого металла до детектора, такое превышение над фоном соответствует излучению от 1 до 100 имп·с^-1.

П р и м е р 2. Для проведения процесса сорбции-десорбции дейтерия в металле используют устройство, схематически изображенное на фиг.5.

Рабочие сосуды 1 и 2 выполнены из стали 12Х18Н9Т и имеют внешний диаметр 100 мм, высоту 150 мм, диаметр внутренней трубы (кармана) 25 мм. Толщина стенок 4 мм. Затворы выполнены в виде навинчивающейся крышки с тефлоновой прокладкой в качестве уплотнения. В нижней части сосудов имеются отверстия для ввода термопар и пропускания газ (не показаны), они герметично закрываются навинчивающимися пробками с тефлоновым уплотнением. Стальной трубопровод 11 (капилляр высокого давления) с внутренним и внешним диаметрами соответственно 1 и 3 мм, снабженный вентилем 14 и манометром 12, соединяет сосуды друг с другом. Во внутренние трубки (карманы) сосудов вставлены нагреватели 5 и 6 сопротивления, выполненные из платино-родиевой проволоки (PtRh10) толщиной 0,5 мм, намотанной на керамическую трубку. Температуру нагревателя измеряют термопарами 9 и 10.

В качестве источника дейтерия вместо баллона со сжатым газом используют электролитическую ячейку, в которой проводится разложение тяжелой воды D₂O (99,9% ) с добавкой 0,1 М LiOH. Дейтерий, выделяющийся на платиновом катоде, через трубку и вентиль 15 подается в сосуды 1 и 2, в которые помещают используемый металл.

Образцы металла приготавливают в следующих вариантах.

1. На листы палладиевой фольги толщиной 0,05 мм наносят тонкий слой платиновой черни, фольгу общим весом 5 г наматывают на стальной стержень, рулон скрепляют стальной проволокой.

2. Металлический палладий (чистота 99,9 Pd) плавят в корундовом тигле в высокочастотной печи в атмосфере аргона при температуре 1600^оС в течение 2 ч, затем медленно охлаждают в течение 8 ч до комнатной температуры. Полученный слиток опускают в сосуд Дьюара с жидким азотом, выдерживают в течение 3-5 мин, быстро извлекают, помещают на стальную плиту и многократно ударяют молотком, переворачивая слиток между ударами. Вновь опускают слиток в сосуд Дьюара и повторяют всю описанную процедуру несколько раз.

3. Металлический палладий и серебро (чистота не менее 99,9%) смешивают в пропорции, необходимой для получения сплава 50 ат. Pd и 50 ат. Ag, сплавляют в корундовом тигле в высокочастотной печи при температуре 1600^оС в атмосфере аргона в течение 2 ч, и охлаждают до комнатной температуры в течение 8 ч. Полученный слиток подвергают нагружению в охлажденном до температуры жидкого азота состоянии по той же процедуре, которая описана выше для чистого палладия.

4. Из листа палладия толщиной 0,5 мм изготавливают катод для ионного распыления. В качестве подложки и анода используют медную фольгу толщиной 0,5 мм, которую размещают вокруг катода в виде цилиндра диаметром 120 мм и высотой 115 мм. Распыление проводят в установке для ионного распыления при вакууме 1-10 Па и напряжении 2-3 кВ в течение 90 мин. Средняя толщина пленки палладия, рассчитанная на основе потери веса катода и площади, на которую происходило распыление, составляет при этих режимах 10-15 нм. Листы фольги с напыленной пленкой палладия сворачивают в рулон и скрепляют стальной проволокой.

Близкие по массе количества металла, приготовленного по одной из описанных выше методик, помещают внутрь сосудов 1 и 2 высокого давления. Возможно размещение в двух сосудах металлов, приготовленных различными методиками, и даже разных металлов (например, в целях испытания большего числа вариантов), однако при этом из-за существенно разных скоростей сорбции и десорбции дейтерия в металлах внутри сосуда создаются более высокие давления.

Навинчивают крышки на рабочие сосуды до создания необходимого уплотнения, открывают вентиль 15, соединяющий систему сосудов с электролитической ячейкой, и пропускают поток выделяющегося на катоде дейтерия через оба сосуда при открытых нижних отверстиях в сосудах ( не показаны) в течение нескольких часов до полного вытеснения воздуха. Герметично закрывают отверстия для выпуска газа в сосудах, закрывают вентиль 14 и проводят насыщение металла дейтерием в течение 1-2 ч при комнатной температуре.

Закрывают вентиль 15, открывают вентиль 14, пропускают поток жидкости через охлаждающую систему 7 рабочего сосуда 1, с помощью нагревателя 6 поднимают температуру внутри сосуда 2 до 250^оС и выдерживают ее в течение часа. Отключают нагреватель 6, вынимают его из сосуда 2, включают нагреватель 5 сосуда 1, перекрывают поток жидкости через охлаждающую систему 7 сосуда 1 и начинают пропускать поток жидкости через охлаждающую систему 8 сосуда 2. Поднимают температуру внутри сосуда 1 до 250^оС и выдерживают ее в течение часа.

Указанный цикл повторяют многократно. Во время циклов сорбции-десорбции дейтерия производят измерение потока нейтронов у внешних стенок сосудов.

Накопленный тритий и ³Не собирают, подсоединив систему через вентиль 15 к емкости для газа с металлом, поглощающим изотопы водорода, и нагревая сосуды выше 300^оС.

Для сравнения все перечисленные операции производят с металлом в виде слитков или фольги толщиной 0,5 мм, а также с металлами, приготовленными перечисленными выше способами, но при сорбции-десорбции водорода.

Фон нейтронов измеряют до и после эксперимента на расстоянии 2-3 м от установки. Результаты измерений приведены в таблице.

Ни в одном из контрольных опытов не было зафиксировано статистически достоверного превышения над обычным космическим фоном нейтронов, составляющим около 0,01 имп·с^-1.

Как видно из таблицы, при использовании металлов, приготовленных согласно описанию изобретения, наблюдается повышенный поток нейтронов. Несмотря на малые значения потока нейтронов от пленок на подложке, приготовленных по способу 4, их активность, отнесенная к массе металла, достаточно велика. Проведенные опыты подтверждают, что предложенный способ проведения сорбции-десорбции дейтерия в металлах позволяет значительно, на несколько порядков, интенсифицировать процесс ХС.

На основе теоретического подхода, связывающего реакцию ХС с α β-превращением в дейтеридах металлов, можно оценить, насколько возможно ускорить этот процесс.

Если процессы сорбции молекул дейтерия на поверхности металла и диссоциации на дейтероны будут ускорены катализаторами, например платиновой чернью и другими приемами, лимитирующим фактором становится скорость α β-превращения дейтерида, которую прежде всего можно увеличить за счет увеличения удельной поверхности (см. формулу (2)).

Оценки показывают, что использование частиц металла с линейными размерами несколько нанометров или пленок толщиной того же порядка позволит в пределе ускорить процесс фазового превращения в 10⁵-10⁶ раз.

Анализ формулы (2) также показывает, что использование начальных стадий процесса сорбции позволит ускорить процесс α β- превращения. Так, если диффузия дейтерия в палладий на глубину 0,5 мм происходит за время около 150 ч, то скорость линейного перемещения фронта диффузии в первые минуты будет приблизительно в 100 раз выше, чем за весь период времени.

Дополнительный резерв ускорения диффузии может дать использование повышенных давлений дейтерия за счет бародиффузионного эффекта, однако здесь накладывает ограничение критическое давление для α β-равновесия дейтеридов.

Таким образом, процесс ХС можно ускорить в пределе в 10⁷-10⁸ раз.

Оценим возможную мощность, которая может быть получена за счет использования предлагаемого способа.

По данным многочисленных экспериментальных работ в электрохимических опытах с массой палладиевого электрода до 20 г удавалось наблюдать средний выход нейтронов порядка 10^-24-10^-22 имп·с^-1(DD)^-1, что в пересчете на единицу массы металла составляет 0,1-10 имп·с^-1 ·г^-1. Учитывая установленное соотношение скоростей реакций по каналам (2) и (1), составляющее приблизительно 10⁸, находят, что общее выделение мощности при этом составит 10^-7-10^-5 Вт·г^-1. Если за счет предлагаемого способа интенсивность процесса будет увеличена в пределе в 10⁸ раз, то при использовании 1 кг металла мощность составит 10 кВт-10 МВт.

Предлагаемый способ в сравнении с прототипом имеет более высокий и стабильный выход нейтронов. Устройства для осуществления предлагаемого способа просты по конструкции и технологии изготовления, надежны в работе.

Сосуды со сжатым газообразным дейтерием и вакуумная система необходимы только для первичной загрузки устройства, а в некоторых вариантах реализации способа вообще не используются. После первичной загрузки устройства для реализации способа работают автономно и могут быть полностью автоматизированы. В отличие от прототипа в процессе эксплуатации не используются сжиженные газы, что упрощает работу и экономит энергию на их сжижение.

Основные преимущества предлагаемого способа по сравнению с электрохимическими методами реализации ХС в значительном увеличении выхода нейтронов, в простоте, надежности, автономности, возможности автоматизации, отсутствии потерь дейтерия и трития.

Предлагаемый способ имеет значительные преимущества в сравнении с прототипом и аналогами в отношении безопасности работы. Весь процесс ХС происходит в полностью замкнутом объеме. Радиоактивный продукт реакции синтеза тритий вступает в ядерную реакцию: D + T _→ ³He (3,5 Мэв) + +n (14,1 МэВ). Таким образом, синтезированный в ХС тритий является дополнительным источником энергии за счет данной реакции и собственного его распада: T _→ ³Не + β^-, образуя в качестве конечных продуктов стабильные изотопы гелия. Система имеет самозащиту против перегрева. Аварийное повышение температуры приводит к замедлению процесса и выделению дейтерия из металла в газовую фазу и прекращению ядерных реакций. Общее увеличение мощности может быть достигнуто не путем использования сосудов высокого давления с большими рабочими объемами и массой металла в них, а увеличением числа рабочих ячеек, работающих автономно. Аварийное разрушение одной ячейки не приводит к разрушению других и исключает возможность крупных аварий. Небольшое нарушение герметичности сосудов и трубок высокого давления в процессе эксплуатации может быть зафиксировано по анализам на тритий в окружающем пространстве, что позволит своевременно предотвратить их аварийное разрушение.

Ввиду того, что основная масса трития находится в виде твердого раствора в металле, а объем газовой фазы очень мал, аварийное разрушение одной ячейки объемом порядка 1000 см³ приводит к выбросу ничтожного количества трития (миллиграммы), которое может быть собрано специальными фильтрами. Сосуды и трубки высокого давления устойчивы к внешним воздействиям, например взрывным волнам, и поэтому защищены от стихийных и преднамеренных разрушений.

Использование: в ядерной физике. Сущность изобретения: способ получения свободных нейтронов основан на явлении холодного ядерного синтеза при сорбции-десорбции дейтерия в металлах. В качестве металлов используются элементы или сплавы, образующие две равновесно сосуществующие в некотором диапазоне температур и давлений кристаллические фазы с различным содержанием дейтерия, изоструктурные друг другу, например палладий, ниобий, ванадий, редкоземельные элементы, интерметаллические соединения TiFe и TiCr₂. Металл приготавливают в виде порошка с размером частиц менее 0,1 мм, тонкой фольги, пленки на подложке, проволоки или компактной массы с порами и микротрещинами с возможно большей суммарной поверхностью. Сорбцию проводят при давлении дейтерия, превышающем давление трехфазного равновесия изоструктурных фаз с газом при заданной температуре, меньшей критической, а десорбцию - в области двухфазного равновесия кристаллической фазы с газом при давлении ниже критического для равновесия изоструктурных фаз. Цикл повторяют многократно. Энергию свободных нейтронов преобразуют в тепловую энергию теплоносителя. Способ позволяет на несколько порядков ускорить процесс холодного ядерного синтеза, обеспечить удобство и безопасность использования выделяемой энергии. 10 з. п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВОБОДНЫХ НЕЙТРОНОВ, включающий помещение в герметически закрывающийся сосуд образца, выполненного из металла, способного к адсорбции и/или абсорбции изотопов водорода, наполнение сосуда газообразным дейтерием или газовой смесью, содержащей дейтерий и легкий изотоп водорода, изменение температуры и/или давления в сосуде, отличающийся тем, что в качестве металла, из которого выполнен образец, используют химические элементы или сплавы, имеющие по крайней мере две равновесно сосуществующие изоструктурные по отношению одна к другой кристаллические фазы α и β дейтерида с меньшим и большим содержанием дейтерия соответственно, при этом используют образец, выполненный в виде порошка с размерами частиц 10^- 2 - 10² мкм, или проволоки с поперечным сечением менее 10^- 2 мм², или фольги толщиной менее 100 мкм, при нанесенной на подложку пленки толщиной менее 100 мкм, или кристаллической массы с порами и микротрещинами, задают давление газообразного дейтерия, превышающее давление трехфазного равновесия a- и β- фаз с газом при заданной температуре, меньшей критической для α-β -равновесия, выдерживают образец при этих параметрах до перехода части металла в b- фазу, затем снижают давление или/и повышают температуру до значений, соответствующих области двухфазного равновесия α- фазы с газом, и выдерживают эти параметры до перехода β- фазы дейтерида в α- фазу, после чего цикл изменения температуры и/или давления повторяют до снижения выхода нейтронов при фазовых превращениях. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют дополнительный герметичный сосуд, соединенный с основным герметичным сосудом трубопроводом с запорным элементом и измерителем давления, при этом в дополнительный сосуд помещают дополнительный образец, предварительно насыщенный дейтерием до перехода части его в β- фазу, затем нагревают дополнительный сосуд до температуры Т₂, превышающей точку T^α+β+Г трехфазного равновесия α- и β- фаз с газом при установившемся в системе давлении, но ниже критической температуры для α-β- фазового перехода, причем температуру Т₁ в основном сосуде поддерживают такой, чтобы она была ниже точки трехфазного равновесия, выдерживают указанное соотношение температур в сосудах до перехода части образца в основном сосуде в β- фазу, затем устанавливают в этом сосуде обратное соотношение температур и поддерживают его до перехода большей части ранее образовавшейся в основном сосуде β- фазы в α- фазу, после чего устанавливают начальное соотношение температур в сосудах и повторяют циклы изменения температуры до снижения выхода нейтронов при фазовых превращениях. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что образцы во время изменения температуры и/или давления в герметичных сосудах подвергают воздействию ультразвука. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что используют образцы, выполненные из группы химических элементов и сплавов, включающей палладий, ниобий, ванадий, редкоземельные элементы, сплавы палладия и серебра, интерметаллические соединения TiFe и TiCr₂. 5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что используют образцы, выполненные в виде фольги или нанесенной на подложку пленки, поверхность которых покрыта мелкодисперсным веществом, ускоряющим адсорбцию изотопов водорода. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве вещества, ускоряющего адсорбцию изотопов водорода, используют платиновую чернь или гидрид меди. 7. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что используют образцы, выполненные в виде пучка отрезков проволоки. 8. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что используют образцы металла с порами и микротрещинами, изготовленные сплавлением в вакууме или инертном газе, охлаждением до возможно более низких температур с последующим воздействием на охлажденный металл механическими ударами или взрывной волной. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что охлаждение производят в жидких гелии, водороде или азоте. 10. Способ по пп.1 - 9, отличающийся тем, что энергию свободных нейтронов преобразуют в тепловую энергию теплоносителя. 11. Способ по пп.1 - 10, отличающийся тем, что производят сбор выделяющегося в рабочем сосуде трития и изотопов гелия путем нагрева образца выше температуры трехфазного равновесия α- и β- фаз с газом.