ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ Российский патент 2001 года по МПК H01M14/00 G21B1/00 

Изобретение относится к новому виду источников энергии и может быть использовано как автономный или индивидуальный источник малой мощности длительного действия. Источник является энергоемким с запасом ядерного топлива - дейтерия на весь срок эксплуатации устройств, в которых он установлен.

Известно устройство для преобразования ядерной энергии в электрическую - источник энергии, содержащий корпус и электроды, при этом катод отделен от анода изолирующей прослойкой, толщина каждой достаточна для исключения возможности электрического разряда между электродами [авторское свидетельство СССР N 1653455, кл. G 21 D 7/00, от 1993 г.]. Для того чтобы катод имел увеличенную поверхность сбора ионов, канал между катодом и анодом перекрыт равномерно расположенными внутри него ребрами. Последние перекрывают по возможности большую часть толщины канала. Вся конструкция помещена в постоянное электрическое поле, вектор которого направлен от анода к катоду. В качестве рабочего вещества используется гелий в количестве 60-80 мас.%, а в качестве активного вещества - гексафторид урана в количестве 20-40 мас.%.

Смесь активного и рабочего веществ подают в щелевой канал между анодом и катодом, в котором образуется низкотемпературная слабоионизированная плазма. Соединение анода с катодом через электрическую цепь приводит к появлению в нагрузке электрического тока.

Недостатками известного источника энергии являются сложность осуществления контроля за происходящей в нем цепной реакции деления и низкий КПД преобразования тепловой энергии в электрическую.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является источник энергии, включающий герметичный корпус, заполненный рабочим веществом - газообразным дейтерием, установленное в нем средство получения энергии, содержащее две твердоэлектролитные ячейки с катодами и анодами из материала, позволяющего концентрировать дейтерий, и систему преобразования полученной энергии в электрическую, состоящую из двух пьезоэлементов, двух электронных ключей и блока преобразования тока [заявка РФ N 96121241/25, кл. G 21 В 1/00, приоритет от 11.04.96 г., опубл. 20.01.99 г. - прототип].

В электролизере производится разложение окиси дейтерия ("тяжелой" воды) на дейтерий и кислород. В слое палладия катода выделяющийся дейтерий растворяется и происходит реакция синтеза из двух ядер дейтерия одного ядра гелия-4 с выделением энергии. В результате нагрева катода до 1150^oC с его наружной поверхности происходит эмиссия электронов, которые собираются на более холодном аноде. Образуется цепь электрического тока, часть которого производит электролиз дейтерия.

Преимуществом известного источника энергии является высокая эффективность ядерного синтеза на катоде электролизера (1,5 кВт/дм² поверхности электрода) и отсутствие нейтронного излучения и радиоактивных отходов.

Недостатками известного технического решения являются низкий КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэмиссионной части и очень высокая температура рабочих поверхностей источника (до 1200^oC), что препятствует его широкому использованию.

Задачей изобретения является создание экологически безопасного автономного источника энергии малой мощности длительного действия, использующего энергию "холодного" ядерного синтеза гелия слиянием ядер атомов дейтерия.

Поставленная задача реализуется тем, что в источнике энергии, включающем герметичный корпус, заполненный рабочим веществом - газообразным дейтерием, установленное в нем средство получения энергии, содержащее электролизер с катодом и анодом из материала, позволяющего концентрировать дейтерий, и систему преобразования полученной энергии в электрическую, соединенное с катодом и анодом электролизера, система преобразования полученной энергии состоит из пьезоэлемента, двух электронных ключей и блока преобразования тока, средство получения энергии дополнительно содержит второй электролизер, два 1/4-волновых вибратора и два 1/2-волновых вибратора, причем 1/4-волновые вибраторы, электролизеры и 1/2-волновые вибраторы последовательно установлены с двух противоположных сторон пьезоэлемента, электролизеры выполнены в виде твердоэлектролитных ячеек, аноды которых выполнены в виде покрытия на твердоэлектролитных ячейках и расположены со стороны 1/2-волновых вибраторов, а катоды выполнены в виде покрытия на 1/4-волновых вибраторах, пьезоэлемент состоит из двух пьезокристаллов, снабженных катодами и анодами, последние расположены между кристаллами и образуют центральный электрод, при этом вход блока преобразования тока соединен с центральным электродом и катодами пьезоэлемента, а первый и второй выходы соединены с входами электронных ключей, выходы которых соединены через вибраторы с катодами и анодами твердоэлектролитных ячеек.

Предпочтительно пьезоэлемент, волновые вибраторы и электролизеры средства получения энергии жестко стянуть крепежными элементами.

Целесообразно корпус источника снабдить охлаждающей рубашкой.

Предпочтительно в качестве материала покрытия анодов твердоэлектролитных ячеек использовать платину или палладий, а в качестве материала покрытия катодов использовать палладий.

Целесообразно 1/4-волновые вибраторы и 1/2-волновые вибраторы выполнить из токопроводящего материла, имеющего акустические характеристики, близкие к материалу пьезоэлемента.

Предпочтительно 1/4-волновые вибраторы и 1/2-волновые вибраторы выполнить из стали.

Целесообразно в качестве пьезокристаллов пьезоэлемента использовать кристаллы ферроэлектрика.

Реакция холодного ядерного синтеза в конденсированных средах протекает по механизму
²D + ²D + E_a + М ---> [DMD]^* ---> (⁴He + 22,9 МэВ) + (M + 0,9 МэВ),
где E_a - некоторая энергия активации (кинетическая), необходимая для сближения ядер дейтерия и протекания реакции по туннельному механизму;
М - атом металла кристаллической решетки (в частности, реакция записана для палладия), который принимает на себя импульс отдачи.

Кинетическая энергия каждого образовавшегося ядра гелия составляет 3,7·10^-12 Дж. Вероятность взаимодействия ядер дейтерия определяется энергией активации E_a, и должна составлять для выполнения поставленной задачи величину порядка 10^-7 C^-1. Реакция холодного ядерного синтеза осуществляется импульсно на катоде твердоэлектролитного тонкослойного электролизера транспортного типа, преобразование кинетической энергии быстрых частиц гелия-4 в электрическую энергию производится с помощью быстрых частиц синхронно в фазе сжатия пьезоэлемента на частоте его собственных электромеханических колебаний.

На фиг. 1 представлен источник энергии.

На фиг. 2 - график стоячей волны, образующейся в акустической системе при резонансе.

На фиг. 3 - диаграммы распределения в пространстве импульсов быстрых частиц, используемых для преобразования в электрическую энергию.

Источник энергии содержит средство получения энергии, установленное в герметичном корпусе 1, и систему преобразования полученной энергии в электрическую.

Герметичный корпус 1 снабжен с входным 2 и выходным 3 патрубками для вакуумной откачки, промывки объема инертным газом (аргон) и заполнения объема газообразным дейтерием до давления 1,0 МПа.

Средство получения энергии включает в себя два электролизера, два 1/4-волновых вибратора 4 и два 1/2-волновых вибратора 5.

Система преобразования полученной энергии состоит из пьезоэлемента 6, двух электронных ключей 7 и блока преобразования тока 8.

1/4-волновые вибраторы 4, электролизеры и 1/2-волновые вибраторы 5 последовательно установлены с двух противоположных сторон пьезоэлемента 6.

Электролизеры выполнены в виде твердоэлектролитных ячеек 9, аноды 10 которых выполнены в виде покрытия на твердоэлектролитных ячейках 9 и расположены со стороны 1/2-волновых вибраторов 5, а катоды 11 выполнены в виде покрытия на 1/4-волновых вибраторах 4. В качестве материала покрытия анодов 10 твердоэлектролитных ячеек 9 используют платину или палладий, а в качестве материала покрытия катодов 11 используют палладий.

Такая структура сборки твердоэлектролитных ячеек 9, которая обычно требует прессования, позволяет изготавливать последние отдельно от кристаллов пьезоэлемента 6, соединяя их только в сборке.

Пьезоэлемент 6 состоит из двух пьезокристаллов, снабженных катодами 12 и анодами. Аноды расположены между кристаллами и образуют центральный электрод 13. Пьезоэлемент 6 представляет собой кристаллы ферроэлектрика.

1/4-волновые вибраторы 4 позволяют создать необходимый сдвиг фазы между импульсами возбуждения от твердоэлектролитных ячеек 9 и колебаниями кристаллов пьезоэлемента 6 акустически. Это защищает кристаллы пьезоэлемента 6 от быстрых α-частиц.

Вход блока преобразования тока 8 соединен с центральным электродом 13 и катодами 12 пьезоэлемента 6, а первый и второй выходы соединены с входами электронных ключей 7, выходы которых соединены через вибраторы 4 и 5 с катодами 11 и анодами 10 твердоэлектролитных ячеек 9. При этом 1/4-волновые вибраторы 4 и 1/2-волновые вибраторы 5 выполнены из токопроводящего материла, имеющего акустические характеристики, близкие к материалу пьезоэлемента 6, например из стали.

Пьезоэлемент 6, волновые вибраторы 4 и 5 и электролизеры средства получения энергии жестко стянуты крепежными элементами, например болтами 14. Стяжка болтами 14 элементов средства получения энергии необходима, так как при резонансе она является акустически безизлучательной (с торцов), имея в то же время свободные механические колебания кристаллов пьезоэлемента 6.

Корпус 1 источника снабжен охлаждающей рубашкой 15.

Источник энергии работает следующим образом.

Возбужденные в кристаллах пьезоэлемента 6 механическим или электрическим импульсом на собственной частоте f₀ упругие колебания в результате прямого пьезоэффекта генерируют на катодах 11 переменное электрическое напряжение, которое передается в блок преобразования тока 8.

В блоке 8 ток высокой частоты трансформируется в постоянный или переменный ток низкой частоты необходимого напряжения. В начале фазы каждого сжатия кристаллов пьезоэлемента 6 электронные ключи 7 формируют импульсы тока через твердоэлектролитные ячейки 9 в направлении тока от анода 10 к катоду 11.

Проходящий через ячейки 9 ток электролиза вызывает транспорт дейтерия от анода 10 к катоду 11 в следующей последовательности:
- растворение газообразного дейтерия, заключенного в корпусе 1, в анодном металле - накопителе дейтерия - до насыщения;
- ионизация (окисление) атомов дейтерия на поверхности анода 10 под действием тока и переход ионов в твердый электролит;
- миграция ионов дейтерия под действием электрического поля (а также диффузия) к катоду 11;
- деионизация (восстановление) дейтерия на поверхности катода 11 под действием тока и растворение в катодном материале - накопителе дейтерия, причем максимальная концентрация дейтерия образуется на поверхности раздела фаз "катод 11 - твердый электролит" в виде адсорбционного слоя.

На каждой стадии сжатия (в каждом цикле) в пленке катода 11, расположенной со стороны кристаллов пьезоэлемента 6, происходит ядерный синтез. Продукты синтеза (⁴Не) в виде быстрых частиц гелия-4 частично отбрасываются к кристаллам пьезоэлемента 6. Импульс быстрых частиц передается кристаллам пьезоэлемента 6 в виде волны сжатия (фиг. 2), которая поддерживает электромеханические колебания последних. Обратная волна сжатия, пройдя через 1/4-волновые вибраторы 4, возвращается в кристаллы пьезоэлемента 6 в фазе с основными колебаниями. В результате, один цикл работы источника завершается, и возникают автоколебания, так как в фазе растяжения кристаллов пьезоэлемента 6 реакция синтеза прекращается.

На фиг. 3 показано общее пространственное распределение импульсов 16 и составляющих импульсов быстрых частиц 17 из точки О в сторону кристаллов пьезоэлемента 6 и 18 - в сторону 1/4-волновых вибраторов 4. Сумма импульсов вдоль границы раздела, проходящая через точку О, образует фронт прямой волны 19 и обратной 20. Интегрирование составляющих импульсов по объему дает коэффициент использования их энергии в электромеханической системе, равный 25%, а 75% энергии должны быть выведены из системы в виде тепла.

Таким образом, предлагаемый источник энергии является энергоемким, с запасом топлива - дейтерия - на весь срок его эксплуатации. Так, например, для получения от источника 1 кВт общей мощности необходимо 2,7 · 10¹⁴ событий в секунду, что отвечает расходу 1 г дейтерия в течение 15 лет.

Изобретение относится к автономным или индивидуальным источникам малой мощности длительного действия. Согласно изобретению источник энергии включает герметичный корпус, заполненный рабочим веществом - газообразным дейтерием, систему преобразования полученной энергии, состоящую из пьезоэлемента, двух электронных ключей и блока преобразования тока, и средство получения энергии, содержащее два электролизера, два 1/4-волновых вибратора и два 1/2-волновых вибратора, 1/4-волновые вибраторы, твердоэлектролитные ячейки и 1/2-волновые вибраторы последовательно установлены с двух противоположных сторон пьезоэлемента. Аноды твердоэлектролитных ячеек выполнены в виде покрытия на твердоэлектролитных ячейках и расположены со стороны 1/2-волновых вибраторов, а катоды выполнены в виде покрытия на 1/4-волновых вибраторах. Пьезоэлемент состоит из двух пьезокристаллов, снабженных катодами и анодами, последние расположены между кристаллами и образуют центральный электрод. Вход блока преобразования тока соединен с центральным электродом и катодами пьезоэлемента, а первый и второй выходы соединены с входами электронных ключей, выходы которых соединены через вибраторы с катодами и анодами твердоэлектролитных ячеек. Техническим результатом изобретения является экологическая безопасность источника. 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Источник энергии, включающий герметичный корпус, заполненный рабочим веществом - газообразным дейтерием, установленное в нем средство получения энергии, содержащее две твердоэлектролитные ячейки с катодами и анодами из материала, позволяющего дейтерий, и систему преобразования полученной энергии в электрическую, состоящую из двух пьезоэлементов, двух электронных ключей и блока преобразования тока, отличающийся тем, что система преобразования полученной энергии дополнительно содержит два 1/4-волновых вибратора и два 1/2-волновых вибратора, причем 1/4-волновые вибраторы, твердоэлектролитные ячейки и 1/2-волновые вибраторы последовательно установлены с двух противоположных сторон пьезоэлемента, аноды твердоэлектролитных ячеек выполнены в виде покрытия со стороны 1/2-волновых вибраторов, а катоды выполнены в виде покрытия на 1/4-волновых вибраторах, пьезоэлемент состоит из двух пьезокристаллов, снабженных катодами и анодами, последние расположены между кристаллами и образуют центральный электрод, при этом вход блока преобразования тока соединен с центральным электродом и катодами пьезоэлемента, а первый и второй выходы соединены с входами электронных ключей, выходы которых соединены через вибраторы с катодами и анодами твердоэлектролитных ячеек. 2. Источник энергии по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлемент, волновые вибраторы и твердоэлектролитные ячейки жестко стянуты крепежными элементами. 3. Источник энергии по п. 1, отличающийся тем, что корпус источника снабжен охлаждающей рубашкой. 4. Источник энергии по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала покрытия анодов твердоэлектролитных ячеек используют платину или палладий, а в качестве материала покрытия катодов используют палладий. 5. Источник энергии по п.1, отличающийся тем, что 1/4-волновые вибраторы и 1/2-волновые вибраторы выполнены из токопроводящего материала, имеющего акустические характеристики близкие к материалу пьезоэлемента. 6. Источник энергии по п.5, отличающийся тем, что 1/4-волновые вибраторы и 1/2-волновые вибраторы выполнены из стали. 7. Источник энергии по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлемент представляет собой кристаллы ферроэлектрика.