СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ СИНТЕЗА Российский патент 2004 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к области ядерной физики и техники и может быть использовано при разработке базовых концепций освоения энергии ядерного синтеза для создания экономичного и экологически чистого источника энергии.

Известен способ осуществления ядерных реакций синтеза в твердом теле, заключающийся в бомбардировке ускоренными ионами изотопов водорода твердотельных мишеней из гидридов переходных металлов и организации таким образом цепной реакции с периодическим восстановлением активных центров на поверхности непрерывно нагреваемых мишеней с помощью прокачки плазмообразующего газа через зону взаимодействия ионов с мишенью (патент РФ N 2022373 С1, кл. G 21 В 1/00, G 21 G 1/00, 1994 [1]).

Недостатком описанного способа являются значительные трудности создания и поддержания в горячем состоянии высокотемпературной плазмы и пучков высокоэнергетичных ионов, а также интенсивное разрушение мишеней в результате их катодного распыления.

Известен также способ осуществления инерционного термоядерного синтеза и преобразования полученной энергии, включающий генерацию кавитационной полости при воздействии внешнего источника гидродинамических волн в тяжелой воде (D₂O) с примесями дейтерированного гидроксида щелочного металла, ее насыщение парами D₂O (D - дейтерий, О - кислород) и последующее коллапсирование кавитационной полости под действием внешнего воздействия с использованием энергии коллапса кавитационной полости для осуществления ядерной реакции синтеза легких ядер (патент РФ №2125303, кл. G 21 В 1/00, 1999 [2]).

Недостатком данного способа являются большие динамические нагрузки и существенные гидродинамические удары на конструкционные материалы при схлопывании больших кавитационных полостей (около 2 см по диаметру) под действием мощных ударных волн с энергией более 10⁵ Дж. Кроме того, в описанном способе в должной мере не рассматривается стадия образования и создания оптимальных условий схлопывания кавитационной полости под действием мощной ударной волны для создания оптимальных условий проведения реакции ядерного синтеза легких ядер. Наконец, отсутствуют теоретические и экспериментальные данные о кинетики синтеза ядер и воспроизводимости результатов при схлопывании сантиметровых полостей, а также данные о коэффициенте полезного действия данного способа.

Известен также способ осуществления ядерных реакций синтеза ядер дейтерия, включающий образование большого количества зародышей в дейтерированном жидком ацетоне под действием внешнего источника нейтронов, их рост до пузырьков микронных размеров с одновременным насыщением парами ацетона и последующее кавитационное схлопывание большого количества пузырьков в процессе осуществления акустической кавитации в объеме дейтерированной жидкости (R.A.Talearkhan, C.D.West, J.S.Cho, R.T.Lahey Jr., R.I.Nigmatulin, R.C.Block. Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation. Science, 8 march, 2002, vol.295, pp.1868-1873 [3]).

Недостатком данного способа является спорадичность явления слияния легких ядер дейтерия и малая скорость осуществления ядерных реакций синтеза, не позволяющая использовать известный способ для базовых научно-инженерных расчетов обоснования концепции создания экономичных и экологически чистых источников энергии на основе электрохимических процессов электролиза с управляемыми микротермоядерными реакторами.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ осуществления ядерных реакций синтеза, включающий непрерывную подачу и вывод электролита из электрохимической ячейки с электродами из переходных металлов, их поляризацию в процессе электролиза тяжелой воды и/или тяжелой воды с добавками дейтерированных гидроксидов щелочных металлов при пропускании через электролит пульсирующего тока, возникающего при подаче импульсного, низковольтного, постоянного напряжения на электроды, существенно превышающего потенциал разложения (T.P.Radhakrishman, R.Sundaresan, J.Aruachalam, V.S.Raju, R.Kalaanaraman, S.Gangadharan and P.K.Iyengar, Search for electrochemically catalyzed fusion of deuterons in a metal lattice, J.Fusion Technology, aug. 1990, vol.18, No 1, pp.51-55 [4]).

Недостатком этого способа является спорадический и практически невоспроизводимый процесс слияния ядер дейтерия, что обуславливает малую скорость и число ядерных реакций синтеза и соответственно не позволяет использовать энергию стохастического неуправляемого ядерного синтеза для ее последующего преобразования, например, в тепловую или электрическую. Во многом это обусловлено тем, что в данном способе отсутствует периодическое восстанавливание активных центров на границе раздела электрод-жидкость, на которых возможны ядерные реакции синтеза, а также тем, что в должной мере не анализируются и периодически не воспроизводятся условия для осуществления устойчивого процесса образования микропузырьков с их последующим сверхзвуковым схлопыванием вблизи и/или на поверхности электродов при электролизе тяжелой воды с добавками дейтерированных гидроксидов щелочных металлов.

Технической задачей данного изобретения является увеличение скорости и соответственно числа спорадических и неуправляемых реакций ядерного синтеза легких ядер вблизи и/или на активированной поверхности электродов из переходных металлов в процессе электролиза тяжелой воды и/или тяжелой воды с добавками дейтерированных гидроксидов щелочных металлов.

Для достижения поставленной задачи в способе осуществления ядерных реакций синтеза, включающем непрерывную подачу и вывод электролита из электрохимической ячейки с электродами из переходных металлов, их поляризацию в процессе электролиза тяжелой воды и/или тяжелой воды с добавками дейтерированных гидроксидов щелочных металлов при пропускании через электролит пульсирующего тока, возникающего при подаче импульсного, низковольтного, постоянного напряжения на электроды, существенно превышающего потенциал разложения, периодически формируют активные центры для осуществления ядерных реакций синтеза на границе раздела электрод-жидкость путем периодического переключения полярности импульсного, низковольтного, постоянного напряжения и/или непрерывным образованием островковых высокодисперсных пленок из дендридов переходных металлов с фрактальной структурой на поверхности электродов, в результате непрерывного растворения солей или оксидов переходных металлов в тяжелой воде с последующим их электроосаждением на электродах, а вблизи и/или на развитой поверхности электродов с активными центрами для осуществления ядерных реакций синтеза генерируют коллапсирующие микропузырьки с парами атомов легких элементов воздействием импульсного, высоковольтного напряжения с амплитудой от 500 до 20000 В, длительностью от 0,1 до 100 мкс и регулируемой скважностью от 5 до 100, которое подают периодически на электроды.

При образовании активных центров для осуществления ядерных реакций синтеза на основе островковых пленок с дендритной структурой используют хлористый никель (NiCl₂), тетрахлорид платины (PtCl₄), сульфат палладия (PdSO₄), оксосульфат титана (TiOSO₄) или триоксид хрома (СrО₃). Кроме того, указанный технический эффект достигается тем, что локализуют толщину поляризационного слоя на электроде керамическим локализатором с мембранной многослойной структурой и размером пор от 0,1 до 100 мкм. Наконец, период подачи пачек импульсного, высоковольтного напряжения на электроды больше характерного времени формирования активных центров ядерных реакций синтеза на поверхности электродов.

В результате осуществления предложенного способа проведения ядерных реакций синтеза удается повысить скорость спорадического процесса слияния легких ядер вблизи и/или на поверхности электродов из переходных металлов при электролизе тяжелой воды и/или тяжелой воды с добавками дейтерированных гидридов щелочных металлов за счет периодического восстановления активных центров ядерного синтеза на развитой границе раздела электрод-жидкость, а также в результате создания условий для устойчивого воспроизведения множества микропузырьков с размером от 1 до 100 мкм с последующим их сверхзвуковым схлопыванием с использованием внешнего воздействия, в качестве которого применяют импульсное напряжение соответствующей амплитуды длительности и скважности, с одновременной реализацией выделяющейся энергии кавитационного схлопывания полостей, наполненных парами легких элементов, для осуществления “микрогорячего” синтеза ядер дейтерия, трития и лития.

Известно, что существуют различные теоретические модели, предсказывающие, что спорадический процесс слияния ядер дейтерия при электролизе тяжелой воды и/или тяжелой воды с добавками дейтерированных гидроксидов щелочных металлов возможно осуществить на активных центрах ядерных реакций слияния (J.O.Om.Bockris, G.N.Un and N.L.C.Packham, a Review of the Investigations of the Fleischmann-Pons Phenomena, J. Fusion Technology, aug.1990, vol.18, No 1, pp.11-31 [5]; В.А.Царев. Низкотемпературный ядерный синтез. Ж. Успехи физических наук, 1990, том 160, выпуск 11, с.1-53 [6]; G.L.Lin, R.C.Kainthia, N.J.Packham and J.O.Om. Bockris. Electrochemical fusion: a Mechanism speculation, J. Electroanalytical Chemistry, 1990, vol.280, p.207-211 [7]; В.А.Царев. Новые данные по низкотемпературному ядерному синтезу. Ж. Успехи физических наук, 1991, том 161, выпуск 4, с.152-177 [8]).

Согласно “поверхностной модели растущих дендридов” активными центрами ядерных реакций “микрогорячего” синтеза легких ядер являются отдельные участки на границе раздела электрод - жидкость, площадь поверхности которых существенно меньше площади самих электродов. Эти участки представляют собой островки растущих дендридов (усы) из переходных металлов, на субмикронных окончаниях (кончиках) которых с размером от 0,001 до 1 мкм возможны экстремальные напряженности электрического поля (до 10⁸ В/см), что существенно повышает вероятность синтеза (G.L.Lin, R.C.Kainthia, N.J.Packham and J.O.Om. Bockris, Electrochemical fusion: a Mechanism speculation, J. Electroanalytical Chemistry, 1990, vol.280, p.207-211 [7]).

Согласно модели “ускорительно-трещинного механизма микроскопически горячего синтеза” в качестве активных центров ядерных реакций синтеза легких ядер могут выступать дислокации (трещины, разломы), обуславливающие нарушение сплошности поверхности и объема решетки переходных и/или гидридообразующих переходных металлов J.O.Om.Bockris, G.N.Lin and N.L.C.Packham, a Review of the Investigations of the Fleischmann-Pons Phenomena, J. Fusion Technology, aug.1990, vol.18, No 1, pp.11-31 [5];]; В.А.Царев. Новые данные по низкотемпературному ядерному синтезу. Ж. Успехи физических наук, 1991, том 161, выпуск 4, с.152-177 [8]). В результате возможно возникновение микролокальных областей с экстремальной напряженностью электрического поля, в которых возможно возникновение горячей плазмы, что повышает вероятность реакции синтеза легких ядер.

Известно, что энергию ударной волны, выделяющуюся при коллапсировании кавитационной полости в жидкости, возможно использовать для создания условий “микрогорячего” синтеза легких ядер (В.А.Золотухин. Способ осуществления инерционного термоядерного синтеза и преобразования полученной энергии, патент РФ №2125303, кл. G 21 В 1/00, 1999 [2]; R.A.Talearkhan, C.D.West, J.S.Cho. R.T.Lahey Jr., R.LNigmatulin, R.C.Block. Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation, Science, 8 march, 2002, vol.295, pp.1868-1873 [3]; H.G. Flynn. Method of generating energy by acoustically induced cavitation fusion and reactor thefefor, патент США №4333796. кл. G 21 В 1/00, 1982 [9]).

В заявленном способе в отличие от аналогов и прототипа периодически формируют и/или восстанавливают активные центры ядерных реакций на границе раздела электрод-жидкость и одновременно осуществляют на активированной поверхности электродов “микроскопически” горячий синтез легких ядер с использованием механической энергии схлопывания, выделяющейся при быстром коллапсе микропузырьков с парами тяжелой воды.

Последние с размером от 1 до 100 мкм создают вблизи и/или на поверхности катодного электрода и соответственно вблизи и/или на активных центрах осуществления “микрогорячего” синтеза в процессе электролиза тяжелой воды и/или тяжелой воды с добавками дейтерированных гидроксидов щелочных металлов, осуществляемого путем заземления катодного электрода и подачи на анод постоянного, импульсного, низковольтного напряжения (U_H<30 В) и высоковольтных импульсов положительной полярности.

Коллапс микропузырьков осуществляют за время 1-100 мкс в “квазиадиабатическом” режиме с помощью импульсного, высоковольтного напряжения положительной полярности с амплитудой от 500 до 20000 В, длительностью от 0,1 до 100 мкс. Таким образом, высоковольтное напряжение используют не только для образования новых микропузырьков, но и для быстрого схлопывания уже ранее образованных микрополостей, содержащих пары с атомами легких элементов.

Периодическую активацию поверхности электродов и соответственно создание активных центров “микрогорячих” ядерных реакций синтеза осуществляют периодическим переключением полярности импульсного, низковольтного, постоянного напряжения и соответствующего анодного травления катодного электрода с удалением с его поверхности возможных оксидных пленок и примесей других элементов, а также путем непрерывного образования островковых пленок с развитой дендритной структурой на катодном электроде после его анодного травления-очистки. Для создания растущих дендридов растворяют в тяжелой воде соли и/или оксиды переходных металлов с максимальной массовой концентрацией до 5%, а далее за счет электроосаждения ионов металлов на катодную поверхность по известной методике образования и роста дендридов чистых металлов размером от 0,001 до (0,1-1) мкм с одновременным насыщением “свежеприготовленной” дендритной поверхности дейтерием (Е.Gomes, R.Pollina, E.Valles. Nickel electrodeposion on different metallic substrates, J.Electroanalytical Chemistry, 1995, vol.386, pp.45-56 [10]; C.A.Marozzi, A.C.Chialvo. Development of the electrode morphologies of interest in electrocatalysis. Part 1: Electrodeposited porous nickel electrodes, J. Electrochimica Acta, 2000, No 45, pp.2111-2120 [11]). При электроосаждении ионов переходных металлов на заземленном катоде импульсное, низковольтное, постоянное напряжение положительной полярности подают на анод при отключенном высоковольтном импульсном напряжении.

Ограничение толщины и уменьшение макронеоднородностей поляризационного слоя и микропузырьков на поверхности катодного электрода осуществляют с помощью керамического локализатора с мембранной многослойной структурой и размером пор от 0,1 до 100 мкм. Химически инертный локализатор, изготовленный по известной методике авторов, устанавливают перед катодным электродом на максимальном расстоянии до 200-300 мкм (А.В.Загнитько, Н.М.Троценко, В.И.Уваров, В.Г.Гнеденко, Е.С.Лукин, Способ изготовления многослойного фильтрующего материала, патент РФ N 2070873, 1996 [12]).

Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг.1 изображена принципиальная схема реактора для осуществления ядерных реакций синтеза, на Фиг.2 представлены временные диаграммы низковольтного и высоковольтного напряжений на анодном электроде.

Согласно приведенной схеме реактор включает электрохимическую ячейку 1, бак 2 с тяжелой водой и/или тяжелой водой с добавками дейтерированных гидроксидов щелочных металлов, патрубок подачи жидкости 3, трубчатый анодный электрод 4, керамический локализатор 5, катодный электрод 6, корпус 7, патрубок вывода жидкости 8, насос для перекачки жидкости 9, осциллограф 10, частотомер 11, дифференциальный вольтметр 12, калиброванное сопротивление 13, источник импульсного, низковольтного, постоянного напряжения 14 с регулируемой амплитудой и длительностью импульсов, источник импульсного, высоковольтного напряжения 15 с регулируемой амплитудой, скважностью и длительностью импульсов, регистратор нейтронов 16, регистратор гамма-излучения 17, регистратор акустических сигналов 18, керамический локализатор 5 и катодный электрод 6 - установлены относительно друг друга на расстоянии d.

Импульсное низковольтное U_H и импульсное высоковольтное U_B напряжение подают на анодный электрод при заземленном через калиброванное сопротивление катоде, согласно следующим временным диаграмма изображенным на Фиг.2, где: график изменения импульсного, низковольтного, постоянного напряжения U_H - I, длительность одного импульса низковольтного напряжения положительной полярности - τ _H, длительность одного импульса низковольтного напряжения отрицательной полярности - t_A; график изменения импульсного высоковольтного напряжения U_B - II, период подачи импульсов высоковольтного напряжения в пачке импульсов - Т_B, длительность одного импульса высоковольтного напряжения - τ _B, период подачи пачек импульсов высоковольтного напряжения - Т_п=(t₃-t₁)+Δ t>Δ t, характерное время формирования островковых пленок с дендритной структурой на поверхности катодного электрода - Δ t=(t₁+Т_п)-t₃, время подачи первой пачки импульсов высоковольтного напряжения на анод - t₂ время первого переключения положительной полярности низковольтного напряжения и отключения высоковольтного напряжения от анода - t₂, время переключения отрицательной полярности низковольтного напряжения - t₃, время подачи второй пачки импульсов высоковольтного напряжения - (t₁+Т_п), время второго переключения положительной полярности низковольтного напряжения и отключения от анода второй пачки импульсов высоковольтного напряжения - t₄, длительность одной пачки импульсов t₂-t₁=t₄-(t₁+Т_п), величина U_H=(5-100)В, U_B=(500-20000)В, τ _B=(0,1-100) мкс, скважность подачи импульсов λ =T_B/τ _B=5-100, τ _H&γτ;_{&γτ;τ B.}

Осуществление реакций синтеза ядер легких элементов и работа самого реактора происходят следующим образом.

Фильтрованную тяжелую воду и/или тяжелую воду с добавками дейтерированных гидроксидов щелочных металлов из бака 2 через патрубок 3 и трубчатый анодный электрод 4 подают в электрохимическую ячейку 1. Объемный расход подбирают таким, чтобы скорость течения жидкости в межэлектродном пространстве составляла от 0,1 до 2 см/с. Для образования островковых пленок в бак 2 добавляют растворимые соли переходных металлов (при проведении экспериментов использовали следующие соединения солей: NiCl₂, PtCl₄, PdSO₄, TiOSO₄) или СrО₃. Керамический локализатор 5 с мембранной многослойной структурой из оксидов алюминия или карбида кремния расположен параллельно плоскому катодному электроду 6, изготовленному из титана, палладия, платины или никеля. Через перфорации корпуса 7 и патрубок вывода жидкости 8 электролит выводят из электрохимической ячейки 1 и с помощью насоса для перекачки жидкости 9 с высокоэффективным фильтром возвращают обратно в бак 2. Расстояние d между локализатором 5 и катодом 6 варьируют от 100 до 300 мкм. Электрические сигналы, возникающие при электролизе, регистрируют осциллографом 10, частотомером 11 и дифференциальными вольтметрами 12. Электрический сигнал измеряют с калиброванного сопротивления 13, электрически соединенного с катодом и землей. Величина активного сопротивления 13 не превышает 1 Ом, а его индуктивность - 1 мкГн. Регулируемое низковольтное положительное или отрицательное напряжение U_H подают на анод от источника 14, а импульсное высоковольтное напряжение U_B с регулируемой амплитудой, длительностью и скважностью импульсов - от источника 15. Временные диаграммы и условия синхронной подачи и отключения низковольтного и высоковольтного напряжений представлены на Фиг.2.

Максимальный ток нагрузки в одном импульсе не превышает 3-4 А. В корреляционных экспериментах одновременно регистрировали нейтроны, гамма-излучение и акустическую эмиссию детекторами 16, 17 и 18 соответственно. Последние были размещены непосредственно вблизи электрохимической ячейки 1.

Электролиз тяжелой воды с добавками дейтерированных гидроксидов щелочных металлов (LiOD, NaOD, KOD) осуществляют путем подачи на трубчатый анодный электрод 4 положительного, низковольтного напряжения U_H. величина которого существенно превышает потенциал разложения тяжелой воды. Массовые концентрации LiOD, NaOD и KOD варьируют от 0,1 до 1%. В момент времени t₁ (см. Фиг.2) на трубчатый анодный электрод 4 подают высоковольтное импульсное напряжение и проводят корреляционные измерения по регистрации нейтронов, гамма-излучения и акустической эмиссии за время t₂-t₁<100 ч. Затем переключают полярность низковольтного, постоянного напряжения и отключают высоковольтное напряжение от трубчатого анодного электрода 4. За время t_A<1 часа осуществляют анодное травление катодного электрода 6 с его восстановлением и в момент t₃ вновь изменяют полярность напряжения. Далее в течение Δ t формируют на катодном электроде 6 островковую пленку с дендритной структурой волокон и с периодичностью Т_П подают пачку высоковольтных импульсов.

Период подачи высоковольтных импульсов превосходит величину характерного времени формирования дендридов (Т_п>Δ t). Это обусловлено тем, что высоковольтные импульсы необходимо подавать на трубчатый анодный катод 4 после формирования островковой пленки с дендритной поверхностью и соответственно насыщения дейтерием “свежеприготовленной” активированной поверхности катодного электрода 6.

Химически инертный керамический локализатор 5 с мембранной многослойной структурой и размером пор от 0,1 до 100 мкм [12] используют для ограничения толщины поляризационного слоя и размеров микропузырьков на поверхности катодного электрода 6 в процессе электролиза тяжелой воды, а также для повышения степени их макрооднородного расположения на катодном электроде 6. Кроме того, использование керамического локализатора 5 позволяет уменьшить макронеоднородности течения электролита и уменьшить тепловые потери при реализации электрохимических процессов электролиза.

Островковые пленки с дендритной структурой образуют путем растворения в тяжелой воде солей переходных металлов (NiCl₂, PtCl₄, PdSO₄, TiOSO₄) или триоксида хрома (CrO₃) с оптимальной массовой концентрацией около 1% и последующего электроосаждения ионов на поверхности катодного электрода 6 под действием внешнего электрического поля, возникающего при подаче на трубчатый анодный электрод 4 низковольтного постоянного напряжения. Для создания существенного градиента электрического напряжения и поля на активированной поверхности катодного электрода 6 необходимо создавать и/или восстанавливать островковые, фрактальные, дендритные структуры с нано и субмикронными характерными размерами от 0,001 до (0,1-1) мкм [4,5]. Для получения дендридов столь малых размеров целесообразно осуществлять электроосаждение ионов металлов при массовой концентрации солей или оксида металлов менее 5%. При больших массовых нагрузках волокна утолщаются до размеров более 1 мкм с образованием сплошных пленок с достаточно сильной адгезией к поверхности катода [10, 11].

Использование импульсного, высоковольтного напряжения с амплитудой от 500 до 20000 В, длительностью от 0,1 до 100 мкс и регулируемой скважностью от 5 до 100 позволяет осуществлять не только дополнительную импульсную поляризация катода, но и осуществлять достаточно быстрое за 1-100 мкс схлопывание ранее образованных микропузырьков вблизи и/или на поверхности активных центров ядерной реакции. Их схлопывание обусловлено быстрым нарастанием и падением импульсного тока под действием высоковольтного микросекундного напряжения и соответствующего разогрева и последующего остывания множества отдельных микролокальных участков катодной поверхности с интенсивной акустической эмиссией. При резком схлопывании пузырьков микронного размера возникающая ударная волна может с большой механической мощностью воздействовать на пары внутри пузырьков, содержащие ядра легких элементов, и/или на дендритные структуры, обогащенные дейтерием на поверхности катода, а также на оболочку жидкости вокруг микропузырька с ядрами легких элементов. В результате повышается вероятность “микрогорячего” синтеза ядер легких элементов [2, 3, 9].

Пример.

Проводили корреляционные эксперименты по регистрации нейтронов, гамма-квантов и акустической эмиссии, а также непрерывно регистрировались величина и частота тока, временные характеристики импульса напряжения и его форма с помощью калиброванного сопротивления 13. В отдельных опытах проникающее излучение фиксировалось на фотопленке марки РТ-1, в том числе и вторичное излучение через замедлитель из полиэтилена и алюминиевую фольгу толщиной 3-30 мкм.

Для регистрации нейтронов использовали газоразрядный (Не³) нейтронный датчик типа СНМ-18. Гамма излучение с энергией более 35-40 кэВ регистрировали с помощью сцинтилляционного Nal детектора радиометра СРП-68-01 или гамма-спектрометра с LP 4900 В Multichannel Analyzer, Nokia electronics (сцинтилляционный Nal детектор - тип БЛБДЭГ2-23; временное разрешение спектрометра - до 0,1 мкс, регистрируемый энергетический диапазон - от 40 до 2000 кэВ), а также детектором с галогеновым заполнителем (датчик радиометра РУП-1). Детекторы и радиометры заземлялись и специально экранировались алюминиевой фольгой толщиной 10 мкм от наводок, возникающих при изменении тока в электрохимической ячейки. Акустические импульсы фиксировались двумя пьезодатчиками с полосой регистрации 40-200 кГц и около 1 МГц (разработчик РНЦ “Курчатовский институт”). Фон приборов измерялся путем проведения электролиза обычной воды и/или воды с добавками гидроксида лития (Н₂О и/или H₂O+LiOH) по предложенному способу в течении 24 ч. Ни одного корреляционного сигнала с одновременным тройным совпадением не было зафиксировано для бидистиллята обычной воды с добавкой гидроксида лития.

Электрические сигналы с калиброванного сопротивления 13 с бифилярной намоткой (активное сопротивление 0,25 Ом, индуктивность 0,2 мкГн) измеряли осциллографом “С1-55”, частотомером “ЧЗ-43” с измеряемой частой сигнала до 10⁹ Гц, а также вольтметрами “В7-16” и “Щ300”.

Эксперименты проводили с дейтерированным гидроксидом лития (Li⁷) с массовой концентрацией 0,5% в растворе тяжелой воды при начальной температуре 20-25°С. Отдельные опыты проводили с тяжелой водой без добавок дейтерированого гидроксида лития. В большинстве экспериментов использовали дисковые катодные электроды из титана (пористого в том числе) и анодные электроды из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, которые предварительно обезжиривали метиловым спиртом и дегазировали. Для создания островковых пленок в тяжелой воде растворяли хлористый никель (NiCl₂) с массовой концентрацией 0,1-1% и промоутор NH₄Cl с массовой концентрацией до 5% при температуре раствора около 20°С. Керамический локализатор с многослойной мембранной структурой был изготовлен из оксида алюминия. Размер пор его тонкой структуры составлял 1-3 мкм, с грубопористой основы - (20-30) мкм. Между тонкой и грубопористой структурами наносился переходный слой с промежуточными размерами пор. Расстояние между локализатором и плоским катодным электродом d <300 мкм. Характерное время формирования островковой пленки на катоде варьировали от 0,02 до 1 ч.

Величина импульсного, низковольтного, постоянного напряжения составляла U_H=(10-30) В при плотности тока до 0.8 А· см²; длительность импульса низковольтного напряжения τ _H=0,1-200 ч; время анодного травления катодного электрода t_A=(0,015-1) ч; величина высоковольтного напряжения U_B=500-10000 В при длительности импульса τ _B=(1-50) мкс и скважности λ =10-50; период подачи высоковольтных импульсов Т_П=(0,01-1) ч; характерное время формирования островковых пленок Δ t=0,4-0,5 ч (см. Фиг.2). Величина тока при подаче высоковольтного импульсного напряжения составляла от 0,2 до 3 А.

Длительность проведения различных серий экспериментов не превышала четырех дней. Проводились корреляционные измерения по регистрации нейтронов, гамма и акустического излучения по прототипу, а также по предложенному способу с тяжелой водой и бидистиллятом обычной воды. В результате было установлено следующее.

1. При осуществлении по прототипу электролиза раствора тяжелой воды с добавками дейтерированного гидроксида лития (D₂O и/или D₂O+UOD) усредненный полезный сигнал по количеству зарегистрированных нейтронов и гамма-квантов существенно превышал (в 3-5 раз) аналогичный фоновый сигнал при электролизе обычной воды и/или обычной воды с добавками гидроксида лития (H₂O и/или Н₂О+LiOH). Регистрируемые вспышки - импульсы нейтронов и гамма квантов были спорадическими, неуправляемыми и практически не воспроизводимыми, а их число не превышало в среднем 1-2 импульса за 12-14 ч установившегося режима электролиза. Фон по гамма-излучению не превышал 10 мкрентген/ч, а по нейтронам - (0,1-1) штук/с;

2. При реализации предложенного способа осуществления синтеза ядер легких элементов в процессе электролиза тяжелой воды с добавками дейтерированного гидроксида лития (D₂O и/или D₂O+LiOD) усредненный полезный, спорадический сигнал по числу зарегистрированных нейтронов и гамма квантов существенно превышал (в 5-10 раз) аналогичный фоновый сигнал при использовании обычной воды (H₂O и/или H₂O+LiOH). Регистрируемые вспышки излучения были спорадическими и стохастическими. Однако их среднее число составляло 4-6 импульсов за 5-6 ч установившегося режима электролиза. В некоторых экспериментальных сериях воспроизводимость положительных результатов была доведена до уровня 70%. Наилучшая повторяемость сигналов наблюдалась при следующих параметрах осуществления предложенного способа: массовая концентрация дейтерированного гидроксида лития была равна 0,5%, расстояние между мембранным локализатором и плоским катодом d=250-300 мкм, массовые концентрации NiCl₂ и NH₄Cl составляли 0,2 и 1%, характерное время электроосаждения ионов никеля и формирования островковых пленок с дендритной структурой на катоде Δ t=0,4-0,5 ч, амплитуда низковольтного напряжения U_H=30 В, длительность его импульса τ _H=4 ч, время анодного травления Δ t=0,5 ч, величина U_B=4500-5000 В, длительность и скважность высоковольтных импульсов t_B=1-2 мкс и λ =30, их период Т_в=30-60 мкс, период подачи пачки импульсов Т_П=4,5 ч, длительность пачки t₂-t₂=3,5 ч (см. Фиг.2).

Таким образом, в предложенном способе скорость и число реакций "микрогорячего” синтеза ядер легких элементов (дейтерий, тритий, литий) существенно больше (в 10-15 раз), чем в прототипе. Это обусловлено тем, что в описанном способе осуществления ядерных реакций синтеза, впервые, была сформулирована и экспериментально реализована идея формирования и восстановления активных центров ядерных реакций с одновременным использованием механической энергии быстрого схлопывания микропузырьков, содержащих пары тяжелой воды, вблизи и/или на активированной поверхности электродов из переходных металлов, обогащенных дейтерием при электролизе тяжелой воды.

Источники информации

1. А.В.Ромаданов, В.И.Савин, М.В.Шахурин. Способ осуществления ядерных реакций синтеза в твердом теле. Патент РФ N 2022373, C1 МКИ G 21 В 1/00 C1, G 21 G 1/00, Бюл. N 30, 30.10.1994.

2. В.А.Золотухин. Способ осуществления инерционного термоядерного синтеза и преобразования полученной энергии. Патент РФ N 2125303 C1, МКИ G 21 В 1/00, Бюл. N 2, 20.01.1999.

3. R.A.Talearkhan, C.D.West, J.S.Cho, R.T.Lahey Jr., R.LNigmatulin, R.C.Block. Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation, Science, 8 march, 2002, vol.295, pp.1868-1873.

4. T.P.Radhakrishman, R. Sundaresan, J.Aruachalam, V.S.Raju, R.Kalaanaraman, S.Gangadharan and P.K.Iyengar. Search for electrochemically catalyzed fusion of deuterons in a metal lattice. J. Fusion Technology, aug. 1990, vol.18, No 1, pp.51-55 (прототип).

5. J.O.Om.Bockris, G.N.Lin and N.L.C.Packham, a Review of the Investigations of the Fleischmann-Pons Phenomena, J. Fusion Technology, aug. 1990, vol.18, No 1, pp.11-31.

6. В.А.Царев. Низкотемпературный ядерный синтез, Ж. Успехи физических наук, 1990, том 160, выпуск 11, с.1-53.

7. G.L.Lin, R.C.Kainthia, N.J.Packham and J.O.Om. Bockris. Electrochemical fusion: a Mechanism speculation, J. Electroanalytical Chemistry, 1990, vol.280, pp.207-211.

8. В.А.Царев. Новые данные по низкотемпературному ядерному синтезу, Ж. Успехи физических наук, 1991, том.161, выпуск 4, с.152-177.

9. H.G. Flynn. Method of generating energy by acoustically induced cavitation fusion and reactor thefefor, патент США N 4333796 C1, МКИ G 21 В 1/00, 1982.

10. E.Gomes, R.Pollin, E.Valles. Nickel electrodeposion on different metallic substrates, J. Electroanalytical Chemistry, 1995, vol.386, pp.45-56.

11. C.A.Marozzi, A.C.ChiaIvo. Development of the electrode morphologies of interest in electrocatalysis. Part 1: Electrodeposited porous nickel electrodes, J. Electrochimica Acta, 2000, No 45. pp.2111-2120.

12. А.В.Загнитько, Н.М.Троценко, В.И.Уваров, В.Г.Гнеденко, Е.С.Лукин. Способ изготовления многослойного фильтрующего материала, патент РФ N 2070873, Бюл. N 36, с.163, 1996, N 36, с.163, 1996.

Изобретение относится к области ядерной физики и техники и может быть использовано при разработке базовых концепций освоения энергии ядерного синтеза для создания экономичного и экологически чистого источника энергии. Способ осуществления ядерных реакций синтеза включает непрерывную подачу и вывод электролита из электрохимической ячейки с электродами из переходных металлов, их поляризацию в процессе электролиза тяжелой воды и/или тяжелой воды с добавками дейтерированных гидроксидов щелочных металлов при пропускании через электролит пульсирующего тока. Этот ток возникает при подаче на электроды импульсного, низковольтного, постоянного напряжения, существенно превышающего потенциал разложения. При этом периодически формируют активные центры для осуществления ядерных реакций синтеза на границе раздела электрод-жидкость. Их формируют путем периодического переключения полярности импульсного, постоянного, низковольтного напряжения и/или непрерывным образованием островковых высокодисперсных пленок из дендритов переходных металлов с фрактальной структурой на поверхности электродов. Эти пленки формируют путем непрерывного растворения солей или оксидов переходных металлов в тяжелой воде с последующим их электроосаждением на электродах. При этом вблизи и/или на развитой поверхности электродов с активными центрами для осуществления ядерных реакций синтеза генерируют коллапсирующие микропузырьки с парами атомов легких элементов. Для этого воздействуют импульсным, высоковольтным напряжением с амплитудой от 500 до 20000 В, длительностью от 0,1 до 100 мкс и регулируемой скважностью от 5 до 100, которое подают периодически на анодный и катодный электроды. Техническим результатом изобретения является увеличение скорости и соответственно числа спорадических и неуправляемых реакций ядерного синтеза легких ядер вблизи и/или на активированной поверхности электродов из переходных металлов в процессе электролиза тяжелой воды и/или тяжелой воды с добавками дейтерированных гидроксидов щелочных металлов. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ осуществления ядерных реакций синтеза, включающий непрерывную подачу и вывод электролита из электрохимической ячейки с электродами из переходных металлов, их поляризацию в процессе электролиза тяжелой воды и/или тяжелой воды с добавками дейтерированных гидроксидов щелочных металлов при пропускании через электролит пульсирующего тока, возникающего при подаче импульсного низковольтного постоянного напряжения на электроды, существенно превышающего потенциал разложения, отличающийся тем, что производят периодическое формирование активных центров для осуществления ядерных реакций синтеза на границе раздела электрод-жидкость, для чего периодически переключают полярность импульсного постоянного низковольтного напряжения и/или непрерывно образуют островковые высокодисперсные пленки из дендритов переходных металлов с фрактальной структурой на поверхности электродов путем непрерывного растворения солей или оксидов переходных металлов в тяжелой воде с последующим их электроосаждением на электродах, при этом вблизи и/или на развитой поверхности электродов с активными центрами для осуществления ядерных реакций синтеза генерируют коллапсирующие микропузырьки с парами атомов легких элементов воздействием импульсного, высоковольтного напряжения с амплитудой от 500 до 20000 В длительностью от 0,1 до 100 мкс и регулируемой скважностью от 5 до 100, которое подают периодически на анодный и катодный электроды.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при образовании островковых пленок используют раствор NiCl₂ в тяжелой воде с массовой концентрацией до 5%.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при образовании островковых пленок используют раствор PtC₄ в тяжелой воде с массовой концентрацией до 5%.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при образовании островковых пленок используют раствор PdSO₄ в тяжелой воде с массовой концентрацией до 5%.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при образовании островковых пленок используют раствор TiOSO₄ в тяжелой воде с массовой концентрацией до 5%.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при образовании островковых пленок используют раствор CrO₃ в тяжелой воде с массовой концентрацией до 5%.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что локализуют толщину поляризационного слоя на электроде керамическим локализатором с мембранной многослойной структурой и размером пор от 0,1 до 100 мкм.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что период подачи пачек импульсного высоковольтного напряжения на анодный и катодный электроды больше характерного времени формирования активных центров ядерных реакций синтеза на поверхности электродов.