СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РЕАКЦИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА В СИСТЕМАХ С "ТЯЖЕЛЫМИ ФЕРМИОНАМИ" Российский патент 2000 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к ядерной физике. Данный способ проведения реакции D + D и D + T может быть использован для получения спектрально чистых потоков нейтронов с энергией 2,4 МэВ и 14,06 МэВ, а также, в перспективе, для получения энергии.

Наиболее близкими аналогами являются мюонный катализ реакции D +D и пьезоядерный синтез в твердом теле. Мюонный катализ реакции D + D был предложен А.Д.Сахаровым в 1948 году. Суть этого способа заключается в следующем [2, 3] . Смесь дейтерия или трития, находящаяся при определенной температуре и давлении, облучается потоком мюонов. При этом происходит образование мезомолекулы ddμ и dtμ, т. е. молекул, в которых электрон замещен μ- мезоном. Поскольку мюон в 207 раз массивнее электрона, ядра дейтерия и трития сближаются на расстояние, достаточное для начала реакции синтеза. Освободившийся после слияния ядер мюон может участвовать в последующих актах образования мезомолекул. Данный способ не получил практического применения вследствие малого времени жизни мюонов, малой вероятности образования мезомолекулы и захвата мюона ионом гелия. Кроме того, заметная эффективность процесса наблюдается лишь при 500^oC и 3000 атм, что весьма осложняет и удорожает данный способ.

Идея пьезоядерного синтеза в твердом теле была выдвинута в 1986 году С. Джоунсом. Этот способ проведения синтеза состоит в следующем [4]. Ионы дейтерия или трития внедряют в кристаллическую решетку металлов типа палладия, титана, платины или их сплавов ZrNbV, Na_xWO₃, используя свойство данных металлов хорошо растворять водород и его изотопы. Внедрение может производиться либо путем электролиза тяжелой воды, когда в качестве катода используется палладий или титан, либо насыщением палладиевой или титановой стружки изотопами водорода под давлением, либо путем бомбардировки металлического электрода ионами дейтерия, трития из плазмы газового разряда.

Данный способ проведения ядерного синтеза, после многочисленных проверок, не привел к сколь-нибудь значительным практическим результатам. Протекание реакции D + D и D + T уверенно регистрируется лишь при неравновесных условиях насыщения кристаллической решетки изотопами водорода. Общепринятой модели протекания таких реакций на сегодняшний день нет [1].

В качестве прототипа предлагаемого нами способа мы выбрали способ, описанный в патенте [7]: "Способ получения нейтронов и гамма-квантов". В этом способе металл, способный к образованию химического соединения с дейтерием, подвергается механическому или тепловому воздействию с целью образования объемных неоднородностей. После насыщения образца дейтерием на него оказывается ударное воздействие с амплитудой более 25 Гпа. В соответствии с существующими представлениями о механизме пьезоядернорго синтеза в образце возникают локальные области с очень высокими напряженностями поля, в которых ионы дейтерия ускоряются до энергий, необходимых при ядерном слиянии. Данный способ обладает весьма низкой эффективностью, т. к. области с большой локальной неоднородностью имеют очень малый суммарный объем, а сам процесс синтеза носит принципиально нестационарный характер. Кроме того, огромные нагрузки на образец будут приводить к его разрушению и сделают весьма трудным процесс использования данного способа на практике.

Осуществить стационарную реакцию синтеза во всем объеме образца стало задачей изобретения, предлагаемого в данной заявке.

В предлагаемом способе проведения реакции ядерного синтеза D + D и D + T используется эффект увеличения эффективной массы электронов в кристаллической решетке некоторых экзотических соединений - так называемых систем с "тяжелыми фермионами".

Поставленная задача решается за счет того, что способ осуществления реакции низкотемпературного ядерного синтеза включает следующие операции. Кристаллическую решетку соединения насыщают ядрами дейтерия и трития. Согласно настоящему изобретению, для ускорения ядерной реакции применяют соединения с "тяжелыми фермионами", в которых эффективная масса электронов увеличивается в десятки раз. Это позволяет ядрам дейтерия и трития сближаться на расстояние, необходимое для протекания реакции ядерного синтеза.

Системы с "тяжелыми фермионами" - это соединения актинидов и редкоземельных металлов, у которых нестабильные 4f и 5f оболочки, т.е. f-уровень лежит близко к уровню Ферми и возникает ситуация с неустойчивой валентностью. Если f-уровень лежит в непосредственной близости к уровню Ферми - это промежуточная валентность, т.е. гибридизация f-электронов с электронами проводимости. Но и когда f-уровень лежит существенно ниже уровня Ферми, свойства электронов меняются из-за коллективных эффектов типа эффекта Кондо, т. е. рассеяния электронов проводимости на локализованных магнитных моментах f-центров. В обоих случаях плотность состояний на уровне Ферми увеличивается, причем на 2-3 порядка больше, чем в обычных металлах. Таким образом можно говорить о увеличении эффективной массы электронов, о появлении "тяжелых электронов". Понятно, что эти тонкие эффекты наблюдаются при пониженных температурах, вот типичные примеры соединений с "тяжелыми фермионами":
CeCu₂Si₂ - T_кр = 0,6 K γ = 1000
UBe₁₃ - T_кр = 0,95 K γ = 1100
UPt₃ - T_кр = 0,5 K γ = 450
CeAl₃ - T_кр= 0,7 K γ = 1620
где T_кр - температура перехода в экзотическое состояние, γ - электронная теплоемкость, величина, прямо указывающая на увеличение эффективной массы электронов. В обычных металлах γ₀ = 1 мДж/моль K². Конечно, было бы неправильно считать, что эффективная масса пропорциональна электронной теплоемкости, т.е.: где m_o - масса свободного электрона и m_эф - порядка 1000 m_o. Реально масса носителей заряда меньше термодинамической массы, и с учетом перенормировки эффективной массы она составляет m_эф = 40 m_o. Данная цифра является, в большинстве случаев, нижним пределом [6]. В свободном дейтерии расстояние между дейтронами составляет 7,4 10^-9 см. Радиус действия ядерных сил в триплетном спиновом состоянии составляет 1,7 10^-13 см, что дает для свободного дейтерия скорость ядерного синтеза 10^-70 c^-1. Увеличение эффективной массы электронов в кристаллической решетке более чем в 40 раз приведет к сближению дейтронов, диффундированных в решетку, и, как следствие, к увеличению скорости ядерного синтеза на 15-20 порядков [5].

Внедрение ионов дейтерия и трития в кристаллическую решетку возможно перечисленными выше способами: электролизом тяжелой воды, насыщением гранул дейтерием и тритием под высоким давлением и диффузия ионов дейтерия и трития из газового разряда в катод. После насыщения образца ионами дейтерия и трития образец охлаждается ниже T_кр для данного соединения. После достижения образцом T_кр будет наблюдаться эмиссия нейтронов вследствие начала реакции D + D и D + Т.

На чертеже изображен наиболее удобный вариант установки, где используется насыщение образца ионами дейтерия и трития из газового разряда. В данной установке легко сочетается узел обработки ионами с возможностью глубокого охлаждения образца. Процесс протекает следующим образом. Устройство дозированной подачи смеси D + Т 1 вводит газовую смесь в разрядный промежуток между электродами 2 и 3, где образуется плазма 4. Электрическое поле, приложенное между образцом 5 и сеточным электродом 3, вытягивает из плазмы ионы D⁺ и T⁺ и направляет их на образец 5. Избыток газа откачивается из разрядного промежутка вакуумным насосом. Образец 5 закреплен на дне сосуда 6, который изолирован по теплу от стенок установки теплоизоляционными развязками 8. После насыщения образца ионами дейтерия и трития в сосуд 6 наливается жидкий гелий. Пары гелия откачиваются вакуумным насосом. Вследствие принудительного кипения гелия под вакуумом температура сосуда 6, а значит, и образца 5, понижается до T_кр и начинается реакция ядерного синтеза.

Данный способ проведения синтеза на порядок проще мюонного катализа и в то же время не требует неравновесных состояний, как в пьезоядерном способе синтеза, что делает весьма перспективным предлагаемый нами способ. Со временем появятся соединения с "тяжелыми фермионами" с более высокой критической температурой, что еще более увеличит эффективность данного способа проведения реакции ядерного синтеза.

Литература
1. Нефедов В. И. Холодный ядерный синтез. Вестник АН СССР. 1991 г. N 1.

2. Cershtein S.S., Ponomarev L.J. //Muon Physic /Eds. V.Hughes, C.S.Wu. -New York: Academic Press. 1975. V.III. P.141.

3. Зельдович Я.Б., Сахаров А.Д. ЖЭТФ. 1957 г., т. 32, с. 947.

4. Царев В.А. Аномальные ядерные эффекты в твердом теле. УФН, 1992 г., т.162, N 10.

5. Jones S.E., Palmer E.P., Crirr J.B. et al. Observation of cold nuclear fusion in condences matter. Nature. 1989. V.338. N 6218.

6. Каган Ю., Кикоин К.А., Прокофьев Н.В. Перенормировка эффективной массы и эффект де Гааза-Ван Альфена в системах с тяжелыми фермионами. Письма в ЖЭТФ. т. 56, вып. 4.

7. Патент РФ RU 2073964 C1, кл. G 21 B 1/00, 1997 г.

Изобретение относится к ядерной технике. Реакции низкотемпературного ядерного синтеза осуществляются при насыщении кристаллической решетки соединения ядрами дейтерия и трития. Для ускорения ядерной реакции используются соединения с "тяжелыми фермионами", в которых эффективная масса электронов увеличивается в десятки раз. В результате этого ядра дейтерия и трития могут сближаться на расстояния, необходимые для протекания реакции ядерного синтеза. При осуществлении способа предполагается стационарное протекание ядерных реакций во всем объеме образца. 1 ил.

Способ осуществления реакции низкотемпературного ядерного синтеза, заключающийся в насыщении кристаллической решетки соединения ядрами дейтерия и трития, отличающийся тем, что для ускорения реакции применяют соединения с "тяжелыми фермионами", в которых эффективная масса электронов увеличивается в десятки раз, что позволяет ядрам дейтерия и трития сближаться на расстояния, необходимые для протекания реакции ядерного синтеза.