СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ИНТЕСИВНОСТИ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА С УЧАСТИЕМ ЯДЕР ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА В МЕТАЛЛИЧЕСКОМ КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ТЕЛЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G21B1/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретения относятся к ядерной физике и могут быть использованы для получения энергии и проведения исследований по осуществлению управляемого ядерного синтеза в твердом теле с участием ядер изотопов водорода.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Управляемый ядерный синтез с участием изотопов водорода перспективен для получения энергии дешевым, экологически чистым способом с практически неисчерпаемыми ресурсами [1].

Реакция синтеза атомных ядер - слияние ядер с образованием составного ядра происходит при сближении ядер до расстояния порядка 10^-12÷10^-13 см, для чего ядрам необходимо преодолеть препятствующий их сближению кулоновский барьер, вызванный электростатическим отталкиванием ядер [2].

Эффективным способом преодоления ядрами кулоновского барьера является столкновение ядер, предварительно ускоренных до энергии большей высоты кулоновского барьера. Этот способ реализуется в устройствах ядерного синтеза при взаимодействии ядер, предварительно ускоренных в ускорителе, и в установках термоядерного синтеза [1], где достаточно большая для реакции ядерного синтеза кинетическая энергия сталкивающихся ядер обеспечивается высокой температурой реагентов.

Управляемый термоядерный синтез интенсивно разрабатывается с 1950-х годов, но ввиду технической сложности реализации до настоящего времени не получил коммерческого использования и вопрос о использовании ядерного синтеза как управляемого источника энергии остается открытым. Существенно, что термоядерный синтез требует громоздких установок для своей реализации.

В 1989 г. появились сообщения Флейшмана [3] и Джонса [4] о возможности низкотемпературного ядерного синтеза в твердом теле. Эти сообщения привлекли всеобщее внимание, поскольку при успешной реализации низкотемпературный ядерный синтез выгодно отличается от термоядерного синтеза технической простотой и возможностью создания малогабаритных энергоблоков. И хотя известные работы не дали однозначного подтверждения возможности низкотемпературного ядерного синтеза и тем более он не получил коммерческой реализации, для ядерной энергетики низкотемпературный ядерный синтез остается заманчивой целью.

В принципе низкотемпературный ядерный синтез, при котором кинетическая энергия сталкивающихся атомных ядер меньше высоты кулоновского барьера, возможен за счет квантового туннельного эффекта. Для одной и той же высоты кулоновского барьера вероятность такого туннелирования возрастает с уменьшением массы ядер и с уменьшением ширины кулоновского барьера [5]. Известные процессы ядерного синтеза за счет туннельного эффекта, идущие естественным путем в природе, имеют очень малую интенсивность и практического интереса не представляют. Так, вероятность реакции ядерного синтеза в единицу времени в D₂ - молекуле дейтерия оценивается как P_D2 ~10^-64 с^-1, в HD-молекуле дейтероводорода P_HD2 ~10^-55 c^-1  _[6].

Вероятность реакции ядерного синтеза в молекулах изотопов водорода за счет туннельного эффекта можно увеличить путем изменения структуры молекул. Этот способ реализован в мюонном катализе, когда в молекулах изотопов водорода один из электронов заменяется на мюон [7]. В такой мезомолекуле расстояние между ядрами изотопов водорода становится значительно меньше, чем в обычных молекулах изотопов водорода. Соответственно, становится меньше и ширина кулоновского барьера, препятствующего ядерному синтезу. Как и управляемый термоядерный синтез, мюонный катализ ввиду технических проблем пока еще не получил коммерческой реализации и остается только предметом научных исследований.

Другой путь увеличения интенсивности экзотермической реакции ядерного синтеза, происходящей за счет туннельного эффекта, это использование явления ослабления в процессе образования металлического кристаллического тела кулоновского взаимодействия между заряженными частицами, оказывающимися внутри такой металлической кристаллической матрицы.

Так, известен способ изменения интенсивности (вероятности в единицу времени) электромагнитных переходов малой энергии между уровнями атомного ядра при образовании кристаллической металлической матрицы, содержащей возбужденные атомные ядра. Этот способ впервые был предложен и экспериментально подтвержден в работе [8] на примере распада изомерного состояния энергии 76 эВ в ядрах ^235mU, внедренных в матрицу металлического серебра в процессе ее образования.

Распад изомерного состояния ядер ²³⁵U происходит путем внутренней электронной конверсии, при которой за счет электромагнитного взаимодействия между нуклонами возбужденного ядра и атомными электронами энергия ядерного возбуждения переходит на атомную электронную оболочку, в результате чего из атомной оболочки урана излучаются электроны энергии, равной нескольким десяткам эВ. Вероятность такого конверсионного перехода определяется интенсивностью электромагнитного взаимодействия, вызывающего переход [9]. Изменение вероятности изомерного перехода означает изменение интенсивности электромагнитного взаимодействия между атомным ядром и атомными электронами, например, вследствие изменения расстояния между ядром и электронами в различном химическом окружении или вследствие изменения в состоянии конверсионных электронов, например, за счет их рассеяния на атомах матрицы.

Для атомов ^235mU с изомерными ядрами на поверхности металлов или в приповерхностных слоях металлов, откуда по излучению конверсионных электронов может непосредственно наблюдаться изомерный переход, период полураспада изомерного состояния равен приблизительно 26 минутам. Экспериментально известно, что в зависимости от вида металла (золото, серебро, медь и другие) период полураспада ^235mU на поверхности металлов или в их приповерхностных слоях (на глубине в несколько десятков ангстрем) варьирует в пределах 5% [10]. Вариация периода полураспада такой величины объясняются зависимостью вероятности конверсионного перехода в ядрах ^235mU от степени деформации атомной оболочки ядер ^235mU в различном атомном окружении [11].

Однако в работе [8] было обнаружено замедление изомерного перехода ^235mU на порядок величины - до 230 минут в образцах, полученных конденсацией из паров металла серебряной пленки, содержащей изомерные ядра ^235mU, и отжигом этих образцов. Обнаруженное в работе [8] сильное изменение вероятности электромагнитного перехода в ядре ^235mU в дальнейшем было подтверждено в работе [12], в которой также было выяснено, что величина эффекта зависит от микроструктуры образца и этот сильный эффект имеет место только в течение относительно небольшого времени после образования кристаллической серебряной матрицы с изомерными ядрами ^235mU. Для использованной в работах [8, 12] толщины серебряной матрицы порядка 0,1 мкм это время составляло около одного часа.

Похожий эффект уменьшения вероятности изомерного ядерного перехода, но значительно меньшей величины, чем для изомерного ядра ^235mU - порядка 0,1%, наблюдали в работе [13] при образовании кристаллической металлической матрицы, содержащей изомерные ядра ^99mTc, для которых энергия изомерного перехода равна 2.17 кэВ. В работе [14] было показано, что вероятность ядерного изомерного перехода ^99mTc уменьшается по мере заглубления изомерного ядра в металлическую матрицу.

Для эффективного использования предложенного в работе [8] способа изменения вероятности электромагнитных переходов между уровнями атомного ядра в кристаллической металлической матрице необходимо знать причину этого эффекта. Как теоретически было показано в работах [15, 16], большая величина наблюдавшегося в работе [8] эффекта не объясняется ни деформацией атомной оболочки урана в серебряной матрице, ни рассеянием конверсионных электронов на атомах матрицы - при самом различном изменении микроструктуры серебряной матрицы этим можно объяснить изменение вероятности изомерного перехода ядра ^235mU в матрице не более чем на 50%. Невозможность такого объяснения наблюдавшегося в работе [8] эффекта следует и непосредственно из эксперимента, поскольку периоды полураспада изомера ^235mU на поверхности серебра и в его приповерхностных слоях различаются не более чем на 5%, тогда как в приповерхностных слоях серебра в полной мере имеют место и деформация атомных оболочек урана и рассеяние конверсионных электронов от атомов матрицы. В то же время наблюдавшееся в работе [8] уменьшение вероятности изомерного ядерного перехода ²³⁵U в серебряной матрице можно объяснить ослаблением в матрице электромагнитного взаимодействия между электронной оболочкой и изомерным ядром вследствие подавления внутри матрицы нулевых колебаний электромагнитного поля (далее - "НКП"). Возможность такого объяснения уменьшения вероятности изомерного ядерного перехода ²³⁵U следует из современного представления о механизме электромагнитного взаимодействия между частицами как их взаимодействие посредством НКП.

Нулевые колебания какой-либо физической системы - это специфический квантовый эффект. Так, для любого осциллятора в нижнем состоянии по энергии его кинетическая энергия не равна нулю - осциллятор испытывает нулевые колебания. Эффект нулевых колебаний экспериментально наблюдаем, например, невозможность получить твердый гелий объясняется тем, что энергия нулевых колебаний атомов гелия больше, чем энергия связи между ними. Представление о нулевых колебаниях относится и к колебаниям электромагнитного поля - даже когда нет фотонов, которые можно зарегистрировать, энергия электромагнитного поля не равна нулю за счет его нулевых колебаний. В свободном пространстве НКП имеют непрерывный спектр частот - от нуля и до бесконечности.

Согласно теории возмущений квантовой электродинамики электромагнитное взаимодействие между частицами описывается как взаимодействие частиц с НКП [17]. То есть электромагнитное взаимодействие индуцируется НКП и величина электромагнитного взаимодействия пропорциональна интенсивности НКП. При резонансном электромагнитном взаимодействии, например при излучении фотона некоторой частоты атомами или атомными ядрами, интенсивность излучения (вероятность излучения в единицу времени) пропорциональна интенсивности НКП на той же частоте. При рассеянии заряженных частиц, в частности при их кулоновском взаимодействии, сила электромагнитного взаимодействия определяется в основном НКП с длиной волны порядка расстояния между частицами. Если в той области пространства, где находятся взаимодействующие частицы, интенсивность НКП уменьшается, то ослабевает и электромагнитное взаимодействие между этими частицами.

Уменьшение интенсивности низкочастотных НКП имеет место, например, внутри резонатора - полости с хорошо отражающими электромагнитные волны стенками. В таком резонаторе подавлены НКП с длиной волны большей поперечника резонатора [18], что можно объяснить, например, представив образование резонатора заданного размера как сжатие бесконечно большого резонатора. При этом за счет эффекта Доплера при отражении НКП от сближающихся стенок исходного резонатора частота НКП повышается и интенсивность низкочастотных НКП внутри резонатора становится меньше, чем в свободном пространстве. Вследствие этого для возбужденных атомов в резонаторе оказывается подавленным излучение фотонов с длиной волны, большей поперечника резонатора [19].

Уменьшение интенсивности низкочастотных НКП также имеет место и в сплошной конденсированной среде [20, 21], в частности в кристаллическом теле - предельном случае резонатора малых размеров. Этот эффект можно объяснить, представив образование конденсированной среды как ее конденсацию из разряженных атомов. За счет доплеровского отражения НКП от сближающихся атомов среды интенсивность низкочастотных НКП внутри конденсированной среды становится меньше, чем в свободном пространстве.

Различие в интенсивности НКП внутри и вне конденсированной среды уменьшается с уменьшением коэффициента отражения электромагнитных волн от материала среды, то есть уменьшается с ростом частоты НКП. Кроме того, как теоретически показано в работах [20, 21], это различие растет с увеличением расстояния точки наблюдения НКП от поверхности вглубь конденсированной среды. Такой доплеровский механизм подавления НКП в конденсированной среде приводит к существенному отличию спектра НКП с длинами волн, большими межатомных расстояний в среде, поскольку только для таких электромагнитных волн имеет место значительное отражение от материала среды.

В работе [22] показано, что уменьшение интенсивности НКП по доплеровскому механизму при образовании серебряной матрицы с ядерными изомерами ^235mU по крайней мере качественно объясняет уменьшение вероятности изомерного перехода ²³⁵U, наблюдавшееся в работах [8, 12]. В работе [23] отмечается, что ослаблением интенсивности НКП в глубь кристаллической металлической матрицы можно объяснить наблюдавшееся в работе [14] уменьшение вероятности ядерного изомерного перехода ^99mTc по мере заглубления изомерных ядер ^99mTc в матрицу.

Другой механизм уменьшения интенсивности НКП в металлическом кристалле по сравнению с интенсивностью НКП в свободном пространстве, который также может влиять на интенсивность изомерных переходов атомных ядер в кристалле, обусловлен изменением взаимодействия НКП с атомными электронами при образовании кристалла из свободных атомов металла, в частности из паров металла. Для атома в свободном пространстве взаимодействие НКП с каким-либо одним из атомных электронов дает следующий вклад в полную энергию электрона [24]:

$$W=\frac{e^2\hslash }{\pi m{c}^3}{\displaystyle \underset{E_{св.}/\hslash }{\overset{{\omega }_{\max }}{\int }}\omega d\omega },\left(1\right)$$

где ω - частота взаимодействующих с электроном НКП;

е - заряд электрона;

m - масса электрона;

с - скорость света;

ℏ - постоянная Планка, деленная на 2π;

Е_св. - энергия связи электрона в атоме;

ω_max - максимальная частота НКП, взаимодействующих с электроном, по порядку величины равная mc²/ℏ.

Ограничение области интегрирования в формуле (1) качественно соответствует тому, что электроны взаимодействуют только с НКП энергией ½ ℏω, достаточной для виртуального перевода электрона в область его разрешенных состояний.

При образовании металлического кристалла взамен дискретных уровней с малой энергией электрона, характерных для свободного атома, появляются сплошные зоны разрешенной для электрона энергии. Наименьшая энергия свободных электронных состояний в зоне проводимости (уровень Ферми) оказывается меньше энергии связи электрона в свободном атоме. То есть энергия связи атомного электрона в металле уменьшается на величину ΔЕ_св. и с электроном начинают взаимодействовать те моды НКП, которые с этим электроном в свободном атоме не взаимодействовали. Вследствие этого при образовании кристалла из свободных атомов энергия электрона за счет взаимодействия с НКП увеличивается на величину ΔW

$$\Delta W=\frac{e^2\hslash }{\pi m{c}^3}{\displaystyle \underset{\left({Е}_{св.}-\Delta {Е}_{св.}\right)/\hslash }{\overset{E_{св.}/\hslash }{\int }}\omega d\varpi }\left(2\right)$$

Увеличение энергии электрона за счет взаимодействия с НКП на величину ΔW происходит за счет такого же по величине уменьшения энергии НКП в интервале частот от (Е_св.-ΔЕ_св.)/ℏ до Е_св./ℏ, или в соответственном интервале длин волн НКП от $$ƛ$$ =сℏ/Е_св. до $$$$ $$ƛ$$ =cℏ/(Е_св.-ΔЕ_св.). Полное изменение энергии НКП при образовании кристалла получается суммированием выражения для ΔW по всем электронам кристалла.

Поскольку величина электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами, в частности сила кулоновского отталкивания между одноименно заряженными частицами, определяется интенсивностью НКП с длиной волны $$ƛ$$ порядка расстояния между частицами, то этот механизм подавления НКП в кристалле приводит к ослаблению кулоновского взаимодействия при расстоянии R между частицами

$$R\ge \frac{c\hslash }{{Е}_{св.}}\left(3\right)$$

В атомах тяжелых элементов энергия связи электрона достигает величины Е_св. ≈100 кэВ, поэтому в кристалле, образованном из свободных атомов тяжелых элементов, ослабление кулоновского взаимодействия между заряженными частицами возможно при расстоянии между ними R≥сℏ/Е_св.=10^-10 см.

Аналогичное уменьшение интенсивности НКП в кристалле и соответственное ослабление кулоновского взаимодействия между заряженными частицами в кристалле имеют место не только при конденсации кристалла из его паровой фазы, но и при любом его превращении, вызывающем увеличение числа свободных электронных состояний в кристалле. Например, при слиянии (коалесценции) микрокристаллов во время отжига кристалла, когда увеличивается число свободных состояний для электронов атомов, находившихся до отжига на поверхности микрокристаллов и после отжига оказавшихся внутри более крупных кристаллов, или при фазовых превращениях кристалла, приводящих к уширению его зонной структуры.

Возникшее при образовании кристалла или его отжиге и фазовых превращениях уменьшение интенсивности НКП в кристалле со временем исчезает за счет диффузии в кристалл НКП из свободного пространства и соответственно восстанавливается обычное кулоновское взаимодействие между заряженными частицами в кристалле.

Известен другой способ изменения интенсивности ядерных превращений, а именно предложенный Флейшманом [3] и Джонсом [4] способ увеличения интенсивности ядерного синтеза с участием ядер дейтерия путем насыщения атомами дейтерия твердотельных металлических электродов, хорошо растворяющих дейтерий, при электролизе дейтерированной воды. Так, вероятность реакции ядерного синтеза в пересчете на одну молекулу дейтерия в палладии в единицу времени согласно Флейшману оказывается равной P_D2 ~10^-14 с^-1, согласно Джонсу P_D2 ~10^-23 с^-1, то есть на много порядков больше вероятности 10^-64 с^-1 реакции ядерного синтеза в изолированной молекуле дейтерия. Как сообщалось авторами работ [3, 4], реакции синтеза наблюдались сразу после начала насыщения металла дейтерием и прекращались через некоторое время после этого.

На основе предложенного Флейшманом [3] и Джонсом [4] способа ядерного синтеза была исследована возможность реакции ядерного синтеза при различных устройствах и способах внедрения атомов изотопов водорода в предварительно кристаллизованное твердое тело - при электролитическом насыщении различных металлов изотопами водорода, при насыщении различных твердых тел изотопами водорода в газовой среде. Обзор работ в этом направлении, выполненных до 1993 г, приведен, например, в работе [25].

Так, известен способ ядерного синтеза с использованием газообразного вещества, поглощаемого твердым телом, например, образцом палладия, включающий активирование поглощающего тела в реакторной камере, подачу в реакторную камеру газообразного вещества, необходимого для проведения реакций ядерного синтеза, выдержку газопоглощающего тела в атмосфере этого вещества до состояния, близкого к насыщению, путем подачи указанного дейтерия в реакторную камеру и инициирование ядерного синтеза [26].

Также известен способ ядерного синтеза с использованием газообразного дейтерия, абсорбированного кристаллической решеткой металла, поглощающего водород, в данном случае - титанового рабочего образца металла, включающий вакуумно-термическую дегазацию помещенного в реакторную камеру рабочего образца металла (в исходном состоянии являющегося гидридом титана) при 600÷1100°С или 873÷1373 К до достижения равновесного давления остаточного газа в реакторной камере не более 1 Па, последующее снижение температуры рабочего образца металла до значения, находящегося в диапазоне 550÷590°С или 823÷863 К, насыщение рабочего образца металла газообразным дейтерием до достижения рабочим образцом металла состава, соответствующего гамма-фазе, путем подачи указанного дейтерия в реакторную камеру и инициирование ядерного синтеза путем периодического изменения температуры рабочего образца металла за счет изменения мощности нагревателя или импульсного лазерного подогрева рабочего образца металла [27].

Известна система для осуществления ядерного синтеза с использованием газообразного дейтерия, абсорбированного кристаллической решеткой титана или другого металла с подобными свойствами, включающая реакторный сосуд, находящийся в термоконтролируемой атмосфере, внутри которого размещен указанный металл, средство для вакуумирования полости реакторного сосуда (вакуумный насос), средства для измерения температуры (термопара) и давления (манометр), а также источник вводимой в реакторный сосуд рабочей среды - газообразного дейтерия, сообщающийся с реакторным сосудом через понижающий редуктор давления и перепускные клапаны или вентили [28].

Результаты Флейшмана [3], Джонса [4], работ [26-28] и других аналогичных работ ввиду их невоспроизводимости и отсутствия их научного объяснения не получили практической реализации [29]. При обсуждении этих работ была отмечена возможность реакций ядерного синтеза за счет ускорения ионов изотопов водорода в электрическом поле, возникающем при образовании трещин в твердом теле при его насыщении водородом или дейтерием [6], то есть за счет "микроскопического" горячего синтеза. В работе [6] также обсуждалась возможность объяснения результатов Флейшмана [3] и Джонса [4] за счет того, что в твердом теле увеличивается проницаемость кулоновского барьера между ядрами изотопов водорода и реакция ядерного синтеза происходит за счет туннельного эффекта. Однако никаких экспериментальных или теоретических оснований для такого механизма найдено не было.

Попытки реализовать ядерный синтез путем насыщения предварительно кристаллизованных твердых тел изотопами водорода продолжаются и по настоящее время.

Так, известен способ получения большого количества тепла при реакции атомов водорода с атомами никеля, происходящей в металлической трубе, наполненной спрессованным никелевым порошком при подаче в указанную трубу водорода под давлением от 2 до 20 атм и при нагреве трубы до температуры от 150°С до 500°С [30]. Выделение большого количества тепла в условиях проводимой реакции между атомами водорода и никеля авторы этого способа связывают с реакциями ядерного синтеза, при которых ядра водорода сливаются с ядрами атомов изотопов никеля. Однако такая трактовка наблюдаемого эффекта не является обоснованной, поскольку авторы не приводят ни объяснения возможности возникновения реакций ядерного синтеза в этих условиях, ни экспериментальных доказательств протекания реакций ядерного синтеза, например наличия ионизирующего излучения, которое должно возникать при обсуждаемых авторами реакциях ядерного синтеза.

Также известно устройство для осуществления ядерного синтеза с использованием газообразного дейтерия, абсорбированного кристаллической решеткой металла, поглощающего водород, содержащее реакторную камеру с размещенным в ее полости рабочим образцом металла, средство для вакуумирования полости реакторной камеры, входной патрубок которого сообщается с полостью реакторной камеры по крайней мере через один первый вентиль, средство для нагрева и охлаждения рабочего образца металла в реакторной камере, средство для измерения температуры рабочего образца металла, средство для измерения давления в реакторной камере, источник вводимой в реакторную камеру рабочей среды, включающей газообразный дейтерий, причем выходной патрубок указанного источника сообщается с полостью реакторной камеры через второй вентиль, и средство для подачи рабочей среды в реакторную камеру [31].

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и получаемому техническому результату является способ (прототип для способа) ядерного синтеза с использованием газообразного дейтерия, абсорбированного кристаллической решеткой металла, поглощающего водород, включающий вакуумно-термическую дегазацию помещенного в реакторную камеру рабочего образца металла до достижения равновесного давления остаточного газа в реакторной камере не более 1 Па, последующее снижение температуры рабочего образца металла, затем - насыщение рабочего образца металла газообразным дейтерием до достижения рабочим образцом металла состава, соответствующего гамма-фазе, путем подачи указанного дейтерия в реакторную камеру и инициирование ядерного синтеза, согласно которому вакуумно-термическую дегазацию помещенного в реакторную камеру рабочего образца металла ведут при температуре, не превышающей 90% от температуры плавления металла, последующее снижение температуры рабочего образца металла ведут до значения, находящегося в диапазоне 42÷45% от температуры плавления металла, перед насыщением рабочего образца металла газообразным дейтерием готовят смесь газообразного дейтерия с атмосферным воздухом, содержание которого в этой смеси газов составляет 0,1÷4,09% от объема полученной смеси газов, а насыщение рабочего образца металла газообразным дейтерием и инициирование ядерного синтеза осуществляют подачей газообразного дейтерия в реакторную камеру в составе указанной смеси газов, при этом указанная смесь газов подается в реакторную камеру со скоростью, обеспечивающей в процессе насыщения разогревание рабочего образца металла на 50÷200 град/с [32 (прототип)].

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и получаемому техническому результату устройством (прототипом для устройства) является устройство для осуществления ядерного синтеза с использованием газообразного дейтерия, абсорбированного кристаллической решеткой металла, поглощающего водород, содержащее реакторную камеру с размещенным в ее полости рабочим образцом металла, средство для вакуумирования полости реакторной камеры, входной патрубок которого сообщается с полостью реакторной камеры по крайней мере через первый вентиль, средство для нагрева и охлаждения рабочего образца металла в реакторной камере, средство для измерения температуры рабочего образца металла, средство для измерения давления, источник рабочей среды, включающей газообразный дейтерий, выходной патрубок которого сообщается с полостью реакторной камеры через второй вентиль, и средство для подачи рабочей среды в реакторную камеру, отличающееся тем, что в состав рабочей среды введен атмосферный воздух в количестве 0,1-4,09% от объема рабочей среды [32 (прототип)].

Необходимо отметить, что в указанных выше способах и устройствах для проведения реакций ядерного синтеза в твердом теле, так же как и в других известных аналогичных предложениях по реализации ядерного синтеза в твердом теле, образование рабочего образца металла, его насыщение дейтерием и попытки инициирования ядерного синтеза производятся последовательно друг за другом. Также следует отметить, что вплоть до последнего времени работы в этом направлении по-прежнему не получили ни теоретического обоснования, ни экспериментального подтверждения возможности реакций ядерного синтеза с участием изотопов водорода в твердом теле за счет туннельного эффекта.

ЗАДАЧА И ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ

Задачей и требуемым техническим результатом, достигаемым при промышленной реализации и использовании изобретения, является увеличение интенсивности экзотермических реакций ядерного синтеза с участием ядер изотопов водорода в металлическом кристаллическом теле с обеспечением возможности регистрации продуктов реакций ядерного синтеза.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основной технический результат заявляемых изобретений - увеличение интенсивности экзотермической реакции ядерного синтеза с участием ядер изотопов водорода, происходящей за счет туннельного эффекта, достигается путем внедрения атомных ядер изотопов водорода в металлическое кристаллическое тело в процессе его конденсации из паров металла, а также путем слияния (коалесценцией) металлических микрокристаллов, полученных при конденсации паров металла в среде газообразных изотопов водорода, при их отжиге в среде газообразных изотопов водорода.

Идея заявляемых изобретений состоит в том, что для атомных ядер - реагентов реакции ядерного синтеза, захватываемых металлической кристаллической матрицей в процессе ее образования, увеличивается проницаемость кулоновского барьера за счет туннельного эффекта вследствие ослабления электромагнитного взаимодействия между этими атомными ядрами - кулоновского отталкивания, в процессе образования матрицы. Возможность ослабления в таком процессе электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами была экспериментально подтверждена в аналоге [8] заявляемых изобретений. Как было отмечено при обсуждении аналога [8] заявляемых изобретений, причина ослабления электромагнитного взаимодействия, в частности, состоит в уменьшении интенсивности нулевых колебаний электромагнитного поля при изменении их взаимодействия с атомными электронами в процессе образовании матрицы. Например, согласно формуле (3), при образовании матрицы из тяжелых элементов, включающей атомные ядра - реагенты ядерного синтеза, уменьшение интенсивности нулевых колебаний электромагнитного поля в матрице приводит к ослаблению кулоновского отталкивания между этими ядрами при расстоянии между ними R≥10^-10 см.

Способ увеличения интенсивности экзотермической реакции ядерного синтеза с участием ядер изотопов водорода в металлическом кристаллическом теле включает:

- образование металлического кристаллического тела его конденсацией из паров металла;

- внедрение в металлическое кристаллическое тело атомов изотопов водорода так, чтобы хотя бы часть атомов с ядрами - реагентами реакции синтеза оказывалась в металлическом кристаллическом теле по соседству друг с другом, то есть на наименьшем возможном расстоянии друг от друга.

В отличие от известного способа реакцию ядерного синтеза проводят внедрением атомов изотопов водорода в металлическое кристаллическое тело одновременно с образованием самого металлического кристаллического тела конденсацией паров металла в среде газообразных изотопов водорода в оптимальном для реакций ядерного синтеза режиме.

Дополнительными отличиями заявляемого способа от известного способа является то, что:

- реакцию ядерного синтеза проводят слиянием (коалесценцией) металлических микрокристаллов, полученных при конденсации паров металла в среде газообразных изотопов водорода, при их отжиге в среде газообразных изотопов водорода;

- осуществляют регистрацию продуктов реакций ядерного синтеза в металлическом кристаллическом теле;

- реакцию ядерного синтеза проводят внедрением молекул изотопов водорода в металлическое кристаллическое тело одновременно с образованием самого металлического кристаллического тела конденсацией в среде газообразных изотопов водорода паров металла, не разлагающего молекулы изотопов водорода на атомы;

- реакцию ядерного синтеза проводят внедрением молекул изотопов водорода в металлическую кристаллическую ртуть одновременно с образованием самой металлической кристаллической ртути конденсацией в среде газообразных изотопов водорода паров ртути, не разлагающей молекулы изотопов водорода на атомы;

- внедрение атомов изотопов водорода в металлическое кристаллическое тело осуществляют конденсацией паров металла в водородно-дейтериевой газовой среде, содержащей молекулы водорода H₂, молекулы дейтероводорода HD и молекулы дейтерия D₂;

- внедрение атомов изотопов водорода в металлическое кристаллическое тело осуществляют конденсацией паров металла в водородно-дейтериевой газовой среде при давлении от 3,3·10⁴ до 4,0·10⁴ Па и парциальном давлении дейтероводорода HD не менее 1,7·10⁴ Па;

- при проведении реакций ядерного синтеза в водородно-дейтериевой газовой среде, содержащей молекулы водорода H₂, молекулы дейтероводорода HD и молекулы дейтерия D₂, осуществляют регистрацию гамма-квантов энергии 5500 кэВ, свидетельствующих о реакции ядерного синтеза с участием протона и дейтрона в металлическом кристаллическом теле по формуле

$$p+\text{d}\to {}^{\text{3}}\text{H}\text{e}+\gamma \left(\text{5500}\text{ кэВ}\right),\left(\text{4}\right)$$

где символы "p", "d" и "γ" соответственно обозначают протон, дейтрон и гамма-квант, в скобках приведена энергия образующегося в реакции (4) гамма-кванта.

Устройство ядерного синтеза для реализации предлагаемого способа в предпочтительном варианте конструктивного исполнения (фиг. 1) содержит соединенные газопроводящим трубопроводом 6 с вентилями 3:

- источник газообразных изотопов водорода 1;

- реактор 4 с возможностью испарения металла и конденсации паров металла в кристаллическое металлическое тело в среде газообразных изотопов водорода так, чтобы хотя бы часть атомов с ядрами - реагентами реакции синтеза оказывалась в металлическом кристаллическом теле по соседству друг с другом, то есть на наименьшем возможном расстоянии друг от друга;

- средство регулирования давления газовой среды 5 в источнике газообразных изотопов водорода и в реакторе;

- средства контроля давления газовой среды 2 в источнике газообразных изотопов водорода и в реакторе;

а также содержит не показанные на фиг.1

- средства измерения и контроля технологических параметров;

- средства регистрации продуктов реакций ядерного синтеза.

Предлагаемое устройство дополнительно может отличаться тем, что:

- источник газообразных изотопов водорода 1 содержит соединенные между собой газопроводящим трубопроводом с вентилями газовый баллон с водородом, газовый баллон с дейтерием и камеру изотопного обмена с возможностью дозированной подачи газообразных водорода и дейтерия в камеру изотопного обмена, в которой с помощью катализатора возможно получать газообразный дейтероводород HD путем изотопного обмена между молекулами водорода и дейтерия, и с возможностью дозированной подачи газовой смеси из камеры изотопного обмена в реактор 4, один из вариантов реализации камеры изотопного обмена представлен на фиг.3;

- реактор с возможностью испарения металла и конденсации металла в кристаллическое металлическое тело в среде газообразных изотопов водорода выполнен в виде герметичной камеры и содержит патрубок для вакуумирования камеры и подачи газа в камеру, испаритель, металл в испарителе и конденсор с возможностью нагрева металла в испарителе до температуры, достаточной для испарения металла, с возможностью конденсации в конденсоре паров металла в кристаллическое тело в среде газообразных изотопов водорода, с возможностью проведения слияния (коалесценции) металлических микрокристаллов, полученных при конденсации паров металла, при их отжиге в среде газообразных изотопов водорода, один из вариантов реализации реактора представлен на фиг.2;

- средство регулирования давления газовой среды содержит вакуумный насос с возможностью получения в реакторе, в камере изотопного обмена и в газопроводящем трубопроводе с вентилями давления газа не более 0,1 Па;

- средства контроля давления газовой среды содержат датчики давления газа в реакторе, в камере изотопного обмена и в газопроводящем трубопроводе с вентилями с возможностью измерения давления газа в диапазоне от 0,1 до 10⁵ Па;

- средства измерения и контроля технологических параметров содержат датчики температуры катализатора в камере изотопного обмена, температуры испарителя и конденсора реактора с возможностью измерения температуры в диапазоне от минус 100°С до 1000°С;

- средства регистрации продуктов реакций ядерного синтеза содержат детектор гамма-квантов и детектор нейтронов с возможностью измерения интенсивности излучения гамма-квантов и нейтронов, образующихся в реакциях ядерного синтеза, происходящих в реакторе, схема одного из вариантов измерения интенсивности излучения гамма-квантов и нейтронов реакций ядерного синтеза представлена на фиг. 5.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показана схема устройства ядерного синтеза с участием ядер изотопов водорода в металлическом кристаллическом теле, включающего источник газообразных изотопов водорода 1; средство контроля давления газовой среды 2; газовый вентиль 3; реактор 4 с возможностью испарения и конденсации паров металла в кристаллическое металлическое тело в среде газообразных изотопов водорода; средство регулирования давления газовой среды 5; газопроводящий трубопровод 6.

На фиг.2 показана схема реактора 4. Габаритный размер корпуса 7 реактора по вертикали равен 180 мм, по горизонтали 220 мм. Левая нижняя часть корпуса реактора является испарителем металлической ртути, правая нижняя часть корпуса реактора является кондесором, в котором кристаллизуются пары ртути. Трубчатый корпус реактора 7 выполнен из кварцевого стекла толщиной 2 мм и внешним диаметром 50 мм; контроль температуры элементов реактора проводится тремя термопарными датчиками температуры 8; нагрев испарителя реактора производится нагревателем №1 из нихромовой проволоки 9; для нагрева стенок реактора при транспортировки паров ртути из испарителя в конденсор используется нагреватель №2 из нихромовой проволоки 10; для возврата в испаритель ртути, осажденной на стенках корпуса реактора, используется возвратный патрубок из кварцевого стекла 11 и кольцевой ртутоприемник 12, расстояние от кольцевого ртутоприемника до дна корпуса реактора равно 50 мм; для охлаждения конденсора реактора применен медный хладовод 13; опора 14 корпуса реактора выполнена из кварцевого стекла; объем реактора соединяется с газовакуумной системой выходным патрубком 15; водяной холодильник 16 охлаждает выходной патрубок реактора для предотвращения попадания паров ртути в газовакуумную систему.

На фиг.3 показана схема камеры изотопного обмена, включающей: цилиндрический корпус 17 из нержавеющей стали толщиной 3 мм, высота корпуса 90 мм и внешний диаметр 160 мм; штуцер 18 для соединения объема камеры с газовакуумной системой; крышку 19 из нержавеющей стали толщиной 10 мм; водяной холодильник 20 для охлаждения дна камеры; штуцеры водяного холодильника 21 для подсоединения к водопроводной системе; трубки 22 водяного охлаждения стенок камеры; керамическую трубку 23; обмотанную сорока витками вокруг керамической трубки 23 нихромовую проволоку 24 для нагрева керамической трубки 23 и керамического стакана 25, обмотанного никелевой фольгой; керамическую опору 26; платино-родиевую термопару 27; вакуумный электропереходник 28; металлизированный силикагель 29.

На фиг.4 показана схема газовакуумной системы, включающей: газовые вентили 3; реактор 4; газопроводящий трубопровод 6; вакуумный насос 30 марки 2НВР-5ДМ; азотную ловушку 31; камеру изотопного обмена 32; баллон 33 с газообразным водородом; баллон 34 с газообразным дейтерием; вентили высокого давления 35 газовых баллонов; вакуумметр теплоэлектрический 36 марки 13ВТ3-003; механический вакуумметр 37; вакуумметр термопарный 38 марки ВИТ-2.

На фиг.5 показана схема средства измерения интенсивности излучения нейтронов и гамма-квантов от конденсора реактора 54 с кристаллической ртутью, включающего спектрометрический детектор гамма-квантов 39, расположенный на расстоянии 120 мм от конденсора реактора; высоковольтный блок электропитания 40, от которого напряжение 1000 В поступает на детектор гамма-квантов 39; усилитель-формирователь импульсов гамма-квантов 41; амплитудно-цифровой преобразователь 42 на 4000 каналов; детектор нейтронов 43, центр которого расположен на расстоянии 230 мм от конденсора реактора, и состоящий из восьми параллельно соединенных гелиевых счетчиков 44 типа СНМ-17, распределенных равномерно в один слой в замедлителе нейтронов 45 - прямоугольном листе полиэтилена размером 80×400×1000 мм; высоковольтный блок питания 46, от которого напряжение 2000 В поступает на детектор нейтронов; предусилитель импульсов нейтронов 47; усилитель-формирователь импульсов нейтронов 48; амплитудный дискриминатор импульсов нейтронов 49; счетчик импульсов нейтронов 50; амплитудно-цифровой преобразователь 51 (АЦП) на 1000 каналов; магистраль 52 крейта КАМАК; контроллер 53 крейта КАМАК.

На фиг.6 показан амплитудный спектр фоновых импульсов нейтронного интенсиметра, измеренный за 3000 с. Стрелкой отмечен порог амплитудной дискриминации импульсов, подаваемых на счетчик нейтронов 50.

На фиг.7 показан фрагмент амплитудного спектра гамма-квантов Pu-Be источника. Стрелками выделен участок спектра ΔК, соответствующий энергии гамма-квантов от 3700 до 4800 кэВ, по которому определяли эффективность регистрации гамма-квантов Pu-Be источника энергии 4438,9 кэВ. 55 - пик вылета двух гамма-квантов энергии 511 кэВ, соответствующий энергии гамма-квантов в спектре, равной 3416 кэВ; 56 - пик вылета одного гамма-кванта энергии 511 кэВ, соответствующий энергии гамма-квантов в спектре, равной 3927 кэВ; 57 - пик полного поглощения гамма-квантов Pu-Be источника энергии 4438 кэВ.

На фиг.8 показана временная зависимость числа импульсов амплитудного спектра гамма-квантов в области энергий гамма-квантов 4800-5800 кэВ, измеренного от конденсора реактора при непрерывном периодическом измерении спектра. Период последовательных измерений спектров составляет 1020 с (17 минут), экспозиция каждого измерения равна 1000 с. Стрелкой указан момент отжига кристаллической ртутной матрицы.

На фиг.8 указаны: 58 - повышение интенсивности излучения гамма-квантов от конденсора реактора при образовании кристаллической ртутной матрицы из паров ртути; 59 - повышение интенсивности излучения гамма-квантов от конденсора реактора после отжига кристаллической ртутной матрицы; 60 - интервал времени ΔT₁=5000 с, в течение которого конденсировали кристаллическую ртутную матрицу, измеренный в этом интервале времени амплитудный спектр гамма-квантов приведен на фиг.9; 61 - интервал времени ΔТ₂=7000 с, в течение которого после отжига кристаллической ртутной матрицы измеряли амплитудный спектр гамма-квантов, приведенный на фиг.10.

На фиг.9 показан амплитудный спектр гамма-квантов от конденсора реактора, измеренный в течение 5000 с при конденсации кристаллической ртутной матрицы. Это время соответствует выделенному интервалу времени ΔТ₁ на фиг 8. Горизонтальная шкала нормирована по энергии гамма-квантов, цена каждого энергетического канала спектра равна 200 кэВ. Превышение этого спектра над фоновым спектром гамма-квантов закрашено красным цветом. Фоновый спектр подкрашен снизу серым цветом. По вертикали оба спектра нормированы по времени измерения.

На фиг.9 указаны: 62 - амплитудный спектр гамма-квантов от конденсора реактора, измеренный в течение 5000 с при конденсации кристаллической ртутной матрицы; 63 - пик полного поглощения гамма-квантов энергии 5500 кэВ; 64 - пик вылета с энергией 5000 кэВ, вызванный вылетом из детектора одного из аннигиляционных гамма-квантов, связанных с образованием электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-квантов энергии 5500 кэВ с кристаллом NaI(Tl); 65 - область спектра, соответствующая комптоновскому рассеянию гамма-квантов энергии 5500 кэВ; 66 - фоновый спектр гамма-квантов, измеренный за 28 часов через сутки после образования ртутной матрицы.

На фиг.10 показан амплитудный спектр гамма-квантов от конденсора реактора, измеренный в течение 7000 с после отжига кристаллической ртутной матрицы. Это время соответствует выделенному интервалу времени ΔТ₂ на фиг.8. Горизонтальная шкала нормирована по энергии гамма-квантов, цена каждого энергетического канала спектра равна 200 кэВ. Превышение этого спектра над фоновым спектром гамма-квантов закрашено красным цветом. Фоновый спектр подкрашен снизу серым цветом. По вертикали оба спектра нормированы по времени измерения.

На фиг.10 указаны: 63 - пик полного поглощения гамма-квантов энергии 5500 кэВ; 64 - пик вылета с энергией 5000 кэВ, вызванный вылетом из детектора одного из аннигиляционных гамма-квантов, связанных с образованием электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-квантов энергии 5500 кэВ с кристаллом NaI(Tl); 65 - область спектра, соответствующая комптоновскому рассеянию гамма-квантов энергии 5500 кэВ; 66 - фоновый спектр гамма-квантов, измеренный за 28 часов через сутки после образования ртутной матрицы; 67 - амплитудный спектр гамма-квантов от конденсора реактора, измеренный в течение 7000 с после отжига кристаллической ртутной матрицы.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для реализации заявляемого способа в общем случае необходимо:

- образование металлического кристаллического твердого тела конденсацией из паров металла;

- одновременно с образованием металлического кристаллического твердого тела внедрение в него изотопов водорода так, чтобы при образовании твердого тела хотя бы часть атомов с ядрами, участвующими в реакции ядерного синтеза, в твердом теле оказывалась по соседству друг с другом, то есть на наименьшем возможном расстоянии друг от друга;

- увеличение размеров микрокристаллов сконденсированного из паров металла кристаллического тела с внедренными в него изотопами водорода путем отжига металлического кристаллического тела;

- наблюдение реакций ядерного синтеза с участием изотопов водорода в металлическом кристаллическом теле путем регистрации продуктов реакций ядерного синтеза.

Для реализации способа производят следующие операции:

- подготавливают установку, позволяющую на некоторой поверхности конденсировать металлическое кристаллическое твердое тело из паров металла в среде газообразных изотопов водорода, позволяющую увеличивать размеры микрокристаллов сконденсированного из паров металла кристаллического тела с внедренными в него изотопами водорода путем отжига металлического кристаллического тела и позволяющую наблюдать реакции ядерного синтеза с участием изотопов водорода в твердом теле путем регистрации продуктов реакций ядерного синтеза;

- от источника газообразных изотопов водорода 1 заполняют часть установки для конденсации твердого тела газом изотопов водорода;

- образуют пары металла в части установки для конденсации твердого тела;

- в среде газообразных изотопов водорода на некоторой поверхности конденсируют пары металла в твердую кристаллическую матрицу так, чтобы при образовании матрицы хотя бы часть атомов с ядрами, участвующими в реакции ядерного синтеза, в матрице оказывалась по соседству друг с другом, то есть на наименьшем возможном расстоянии друг от друга;

- увеличивают размеры микрокристаллов сконденсированного из паров металла кристаллического тела путем его отжига;

- наблюдают реакции ядерного синтеза с участием изотопов водорода в матрице путем регистрации продуктов реакций ядерного синтеза.

Для реализации заявляемого способа в частном случае образования в водородно-дейтериевой газовой среде, содержащей молекулы дейтероводорода HD, металлического кристаллического твердого тела, не разлагающего молекулы дейтероводорода на атомы, достаточно:

- образование металлического кристаллического тела конденсацией из паров металла;

- одновременно с образованием металлического кристаллического тела внедрение в него молекул дейтероводорода HD;

- увеличение размеров микрокристаллов сконденсированного из паров металла кристаллического тела с внедренными в него молекулами дейтероводорода HD путем отжига металлического кристаллического тела;

- наблюдение реакций ядерного pd-синтеза по формуле (4) с участием протона и дейтрона в металлическом кристаллическом теле путем регистрации гамма-квантов энергии 5500 кэВ, излучаемых при реакциях ядерного синтеза.

Для реализации способа в этом частном случае производят следующие операции:

- подготавливают установку, позволяющую на некоторой поверхности конденсировать металлическое кристаллическое твердое тело из паров металла в среде газообразного дейтероводорода HD, позволяющую увеличивать размеры микрокристаллов сконденсированного из паров металла кристаллического тела с внедренными в него молекулами дейтероводорода HD путем отжига металлического кристаллического тела и позволяющую наблюдать реакции ядерного pd-синтеза по формуле (4) путем регистрации гамма-квантов энергии 5500 кэВ, излучаемых при реакциях ядерного синтеза;

- от источника газообразных изотопов водорода 1 заполняют часть установки для конденсации твердого тела водородно-дейтериевой газовой средой при давлении от 3,3·10⁴ до 4,0·10⁴ Па и парциальном давлении дейтероводорода HD не менее 1,7·10⁴ Па;

- образуют в части установки для конденсации твердого тела пары металла, не разлагающего молекулы дейтероводорода HD на атомы;

- в указанной водородно-дейтериевой газовой среде на некоторой поверхности пары металла конденсируют в твердую кристаллическую матрицу так, чтобы в нем находились молекулы дейтероводорода HD;

- увеличивают размеры микрокристаллов сконденсированного из паров металла кристаллического тела путем его отжига;

- наблюдают реакции ядерного синтеза в матрице путем регистрации гамма-квантов 5500 кэВ, сопутствующих реакциям ядерного pd-синтеза по формуле (4).

ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Возможность реализации заявляемых изобретений следует из теоретических представлений об увеличении вероятности туннельного прохождения через кулоновский барьер атомных ядер - реагентов реакции ядерного синтеза, вызванного уменьшением кулоновского отталкивания между этими атомными ядрами на расстояниях между ними, определяемых формулой (3), при внедрении этих атомных ядер в образующуюся металлическую кристаллическую матрицу.

Возможность реализации заявляемого изобретения была подтверждена экспериментально. В эксперименте искали реакции слияния ядер водорода и дейтерия (протона и дейтрона) и реакции слияния двух ядер дейтерия (двух дейтронов) при образовании кристаллической металлической ртути, содержащей молекулы водорода Н₂, дейтероводорода HD и дейтерия D₂.

Экспериментальная установка была рассчитана на обнаружение в такой ртутной матрице реакций ядерного синтеза [6]

$$p+\text{d}\to {}^{\text{3}}\text{H}\text{e}+\gamma \left(\text{5500}\text{ кэВ}\right),\left(\text{4}\right)$$

$$\text{d}+\text{d}\to {}^{\text{3}}\text{H}\text{e}\left(\text{0,82}\text{ МэВ}\right)+\text{n}\left(\text{2,45 МэВ}\right),\left(\text{5}\right)$$

где символы "p", "d" , "γ" и "n" соответственно обозначают протон, дейтрон, гамма-квант и нейтрон; в скобках приведены энергия образующегося в реакции (4) гамма-кванта и энергия образующихся в реакции (5) частиц. Реакции ядерного синтеза искали по излучению гамма-квантов с энергией 5500 кэВ при pd-реакции и по излучению нейтронов энергии 2,45 МэВ при dd-реакции. Поиск других продуктов ядерных реакций pd- и dd-синтеза не проводили.

Ртутную матрицу получали конденсацией пара металлической ртути в газовой среде, содержащей молекулы водорода Н₂, молекулы дейтероводорода HD и молекулы дейтерия D₂. Выбор именно ртути в качестве материала матрицы был обусловлен тем, что на металлической ртути не происходит диссоциации молекул изотопов водорода, а также тем, что ртуть не образует устойчивых гидридов [33]. Поэтому в металлической ртути изотопы водорода могут находиться в молекулярном виде. Внедрение в объем кристаллической ртутной матрицы молекул изотопов водорода было возможно за счет их физической адсорбции на поверхности образующейся матрицы или за счет увлечения молекул изотопов водорода парами ртути при ее конденсации. Кроме того, выбор ртути в качестве материала матрицы упрощал конструкцию экспериментальной установки ввиду ее низких относительно других металлов температур испарения и плавления.

Экспериментальная установка включала в себя следующие основные элементы:

- источник водородно-дейтериевой газовой смеси молекул водорода Н₂, молекул дейтероводорода HD и молекул дейтерия D₂;

- реактор, наполненный водородно-дейтериевой газовой смесью, в одной части которого - в испарителе, металлическую ртуть путем ее нагревания испаряли, а в другой части реактора - в охлаждаемом конденсоре, пары ртути конденсировали в кристаллическую металлическую ртуть;

- газовакуумная система для дозированного напуска водородно-дейтериевой газовой смеси из источника водородно-дейтериевой газовой смеси в реактор, для контроля давления газа в газонаполняемых элементах экспериментальной установки и их вакуумирования;

- сцинтилляционный спектрометр гамма-квантов и нейтронный интенсиметр для измерения интенсивности излучения гамма-квантов и нейтронов от реактора.

Основной частью реактора 4 (фиг.2) являлся п-образный трубчатый корпус 7 из кварцевого стекла толщиной 2 мм, внутренний диаметр труб равнялся 46 мм. Габаритный размер корпуса реактора по вертикали был равен 180 мм, по горизонтали 220 мм. Одна из нижних частей п-образного корпуса реактора являлась испарителем металлической ртути, другая нижняя часть корпуса реактора являлась кондесором, в котором кристаллизовали пары ртути. Со стороны испарителя к корпусу реактора была приварена трубчатая опора 14 из кварцевого стекла. Корпус реактора имел патрубок 15 для его соединения с газовакуумной системой, который проходил через водяной холодильник 16 для предотвращения попадания паров ртути в газовакуумную систему. Соединительный патрубок 15 и водяной холодильник 16 были выполнены из кварцевого стекла. Объем корпуса реактора вместе с соединительным патрубком 15 был равен 750 см³.

На одном конце корпуса реактора - испарителе был помещен нагреватель №1, выполненный из нихромовой проволоки, обмотанной вокруг испарителя реактора. Нагреватель №1 позволял нагревать испаритель реактора до температуры 600°С. Другой конец корпуса реактора - конденсор был помещен в холодильник. Холодильник состоял из медного хладовода 13, который мог охлаждаться жидким азотом. Температура конденсора могла опускаться до минус 110°С, при этом из паров ртути в конденсоре образовывалась кристаллическая металлическая ртуть.

В эксперименте жидкая металлическая ртуть массой 405 г вначале находилась в испарителе, в конденсоре ртути не было. При включении нагревателя №1 ртуть испаряли из испарителя и ее пары конденсировали в конденсоре, при конденсации всей ртути в конденсоре высота столба ртути равнялась 18 мм. Для транспортировки паров ртути от испарителя к конденсору стенки реактора нагревали нагревателем №2 (позиция 10). Для предотвращения стекания по стенкам реактора жидкой ртути в конденсор перед конденсором находился кольцевой ртутоприемник 12, соединенный с испарителем возвратным патрубком 11 из кварцевого стекла. По этому возвратному патрубку ртуть, осажденная на стенках реактора, возвращалась в испаритель. Для уменьшения теплопередачи с воздухом весь реактор и холодильник реактора были обмотаны слоем асбеста за исключением небольшой части корпуса реактора около возвратного патрубка 11. Через эту прозрачную часть реактора проводили визуальный контроль процесса конденсации ртути.

Для контроля испарения и конденсации ртути использовали три термопарные датчика температуры 8, закрепленные на наружной поверхности корпуса реактора. Одним из этих датчиков температуры измеряли температуру испарителя, другим датчиком измеряли температуру стенок реактора, вдоль которых пары ртути транспортировались к конденсору, третьим датчиком измеряли температуру конденсора.

Источник водородно-дейтериевой газовой смеси включал в себя:

- камеру изотопного обмена 32 (фиг.4) для приготовления из газообразных водорода и дейтерия газовой смеси, содержащей молекулы дейтероводорода HD;

- два газовых баллона давлением до 100 атм, снабженных газовыми вентилями высокого давления для дозированной подачи газа в камеру изотопного смешивания - один баллон 33 (фиг.4) с газообразными водородом, другой баллон 34 (фиг.4) с газообразным дейтерием.

Корпус 17 камеры изотопного обмена (фиг.3) представлял из себя цилиндрический стакан из нержавеющей стали диаметром 160 мм и высотой стенок 90 мм. Толщины днища и стенок корпуса камеры были равны 10 мм и 5 мм соответственно. Корпус камеры вакуумно-плотно закрывался крышкой 19 из нержавеющей стали толщиной 10 мм. В корпус камеры был вварен штуцер 18 из нержавеющей стали для соединения камеры с газовакуумной системой.

В качестве катализатора реакции изотопного обмена

$${\text{H}}_{\text{2}}+{\text{D}}_{\text{2}}\to \text{2HD}\left(\text{6}\right)$$

в камере размещалась никелевая фольга, которая могла нагреваться до 1000°С, поэтому наружная поверхность стенок корпуса камеры находилась в тепловом контакте с водяным холодильником 22, наружная поверхность днища корпуса находилась в тепловом контакте с водяным холодильником 20 с двумя штуцерами 21. При нагреве никелевой фольги в камере через водяные холодильники пропускали воду для охлаждения корпуса камеры.

Нагреватель никелевой фольги представлял из себя полую керамическую трубку 23 с наружным диаметром 50 мм, на которую была намотана спираль из нихромовой проволоки 24. Два конца нихромовой проволоки 24 через вакуумный электропереходник 28 в корпусе камеры подключались к источнику переменного электрического напряжения амплитудой до 240 В. Керамическая трубка 23 с нихромовой проволокой 24 была вставлена в керамический стакан 25 с керамической опорой 26, вокруг которого была обмотана никелевая фольга. Температура никелевой фольги измерялась платино-родиевой термопарой 27. Для более эффективного изотопного обмена внутри керамической трубки 23 помещался силикагель 29, покрытый металлом, катализирующим реакцию изотопного обмена по формуле (6).

Для приготовления газовой смеси, содержащей HD-молекулы, камеру сначала вакуумировали, затем в нее напускали газообразный дейтерий до давления 2,6·10⁴ Па (200 мм рт.ст.), после чего в камеру напускали газообразный водород так, что давление газа в камере становилось равным 5,2·10⁴ Па (400 мм рт.ст.). После этого перекрывали вакуумный вентиль, соединяющий камеру с газовакуумной системой, и через нагреватель никелевой фольги пропускали ток так, что температура никелевой фольги становилась равной 1000°С. Такую температуру никелевой фольги поддерживали в течение 30 минут, после чего нагреватель выключали. Согласно работе [34], в результате описанной процедуры в камере образовывалась газовая смесь, содержащая 25 % молекул водорода Н₂, 25 % молекул дейтерия D₂ и 50% молекул дейтероводорода HD, что соответствовало парциальному давлению 2,6·10⁴ Па (200 мм рт.ст.) газообразного дейтероводорода HD и парциальным давлениям 1,3·10⁴ Па (100 мм рт.ст.) газообразных водорода и дейтерия.

Газовакуумная система (фиг.4) включала в себя следующие основные элементы:

- масляный вакуумный пластинчато-роторный насос 30 марки 2НВР-5ДМ;

- азотную ловушку 31, предотвращающая попадание масла из вакуумного насоса в остальную часть газовакуумной системы;

- механический вакуумметр 37 (образцовый вакуумметр ГОСТ 6521-60) для измерения давления газовой смеси в диапазоне от 1·10¹ до 1·10⁵ Па (от 10 мм рт.ст. до 760 мм рт.ст.);

- вакуумметр теплоэлектрический 36 марки 13ВТ3-003 для измерения давления воздуха или давления водорода в реакторе в диапазоне от 1·10^-1 до 1·10⁵ Па (от 7.5·10^-2 до 750 мм рт.ст.);

- вакуумметр термопарный 38 марки ВИТ-2, позволяющий измерять давление воздуха в диапазоне от 1·10^-1 до 20 Па (от 1·10^-3 до 2·10^-1 мм рт.ст.);

- вакуумные вентили 3, позволяющие перекрывать отдельные части газо-вакуумной системы.

Элементы газовакуумной системы, а также реактор 4 и камера изотопного обмена 32 были соединены между собой по схеме фиг.4 газопроводящими трубопроводами 6 из нержавеющей стали с внутренним диаметром 6 мм.

Спектрометр гамма-квантов и нейтронный интенсиметр предназначались для измерений в импульсном режиме интенсивности нейтронного и гамма-излучения от конденсора реактора. Схема измерений поясняется фиг.5.

Спектрометр гамма-квантов содержал следующие основные элементы:

- спектрометрический детектор гамма-квантов 39 (сцинтиблок типа 6931-20 производства ОАО "Кристалл", РФ, г. Усолье-Сибирское), состоящий из цилиндрического кристалла NaI(Tl) диаметром 150 мм и высотой 100 мм, фотоумножителя световых импульсов, вызванных гамма-квантами в кристалле NaI(Tl), и предусилителя импульсов фотоумножителя;

- высоковольтный блок 40 электропитания детектора гамма-квантов, позволяющий получать постоянное напряжение до 2000 В током до 50 мкА;

- усилитель-формирователь 41 импульсов гамма-квантов;

- амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП) 42 на 4000 каналов, преобразующий амплитуду импульсов гамма-квантов в цифровой сигнал;

Нейтронный интенсиметр содержал следующие основные элементы:

- детектор нейтронов 43, состоящий из восьми параллельно соединенных гелиевых счетчиков 44 типа СНМ-17, распределенных равномерно в один слой в замедлителе нейтронов - прямоугольном листе полиэтилена 45 размером 80×400×1000 мм;

- высоковольтный блок 46 электропитания детектора нейтронов, позволяющий получать постоянное напряжение до 5000 В током до 50 мкА;

- предусилитель 47 импульсов нейтронов;

- усилитель-формирователь 48 импульсов нейтронов;

- амплитудный дискриминатор 49 импульсов нейтронов;

- счетчик 50 импульсов нейтронов;

- амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП) 51 на 1000 каналов, преобразующий амплитуду импульсов нейтронов в цифровой сигнал;

В спектрометре гамма-квантов и нейтронном интенсиметре использовали усилители-формирователи импульсов, амплитудно-цифровые преобразователи, счетчик импульсов, выполненные в электронном стандарте КАМАК [35]. Амплитудные спектры импульсов гамма-квантов (далее - гамма-спектры) и нейтронов от амплитудно-цифровых преобразователей 42 и 51, а также показания счетчика 50 импульсов нейтронов по магистрали крейта КАМАК 52 через контроллер КАМАК 53 передавали в компьютер для отображения и обработки информации о интенсивности нейтронного и гамма-излучения. Гамма-спектрометр и нейтронный интенсиметр позволяли детектировать не менее 10⁴ импульсов в секунду.

Усиление импульсов гамма-квантов в спектрометре выбирали так, чтобы охватить диапазон энергий гамма-квантов от 100 до 8000 кэВ. Градуировку амплитудного спектра гамма-квантов по энергии проводили методом наименьших квадратов по центроидам пиков полного поглощения гамма-квантов энергии 1460,9 кэВ фонового радионуклида ⁴⁰K, гамма-квантов энергии 2614,6 кэВ фонового радионуклида ²⁰⁸Tl, гамма-квантов энергии 4438,9 кэВ от источника из радионуклидов ²³⁹Pu-Be и гамма-квантов энергии 6130 кэВ от источника из радионуклидов ²³⁸Pu-¹³С. Интегральная нелинейность гамма-спектрометра в области энергии гамма-квантов 1460-6130 кэВ не превышала 0,7%, энергетическое разрешение в пике полного поглощения гамма-квантов энергии 4438,9 кэВ равнялось 5,2%.

Для измерения интенсивности гамма-квантов энергии 5500 кэВ реакции ядерного pd-синтеза по формуле (4) в гамма-спектре анализировали интенсивность счета импульсов в области энергий 4800÷5800 кэВ. Эта область энергии гамма-спектра наиболее чувствительна к гамма-квантам энергии 5500 кэВ, поскольку охватывает пик их полного поглощения и пик вылета с энергией около 4990 кэВ, вызванный вылетом из детектора одного из аннигиляционных гамма-квантов, связанных с образованием электрон-позитронных пар в результате взаимодействия гамма-квантов энергии 5500 кэВ с кристаллом NaI(Tl).

Усиление импульсов нейтронного детектора выбирали так, чтобы в амплитудном спектре импульсов нейтронного интенсиметра интенсивность импульсов электронного шума приблизительно равнялась 100 с^-1. Пример такого спектра представлен на фиг.6. Порог амплитудного дискриминатора импульсов нейтронов выбирали в провале нейтронного спектра так, чтобы небольшое изменение усиления импульсов в нейтронном канале наименьшим образом влияло на измерение интенсивности счета нейтронов. На фиг.6 положение порога дискриминации отмечено стрелкой.

Детекторы гамма-квантов и нейтронов располагали на наименьшем возможном расстоянии от конденсора реактора. Расстояние от центральной части конденсора реактора 4 до центра входного окна детектора гамма-квантов 39 было равно 120 мм, до центра поверхности детектора нейтронов 43 было равно 250 мм. При проведении экспериментов температура детекторов оставалась неизменной с точностью до 1°С, что контролировали термопарными датчиками температуры, закрепленными на корпусах детекторов.

Эффективность регистрации гамма-квантов и нейтронов определяли с помощью источника из радионуклидов ²³⁹Pu-Ве, который помещали на место конденсора реактора в медный хладовод 13 холодильника реактора 4. Такой источник излучает гамма-кванты - энергия основной группы гамма-квантов равна 4438,9 кэВ, и нейтроны с энергией до 13 МэВ, максимальная интенсивность излучения приходится на нейтроны с энергией 3,3 и 5,1 МэВ, средняя энергия нейтронов 7,7 МэВ [36]. Вероятность излучения нейтронов и гамма-квантов энергии 4438,9 кэВ источником ²³⁹Pu-Ве одинакова с точностью до 10% [37]. Паспортное значение интенсивности излучения нейтронов использованным источником ²³⁹Pu-Ве было равно (1,0±0,1)·10⁵ с^-1, погрешность интенсивности указана на уровне доверительной вероятности 0,68.

Эффективность ε_γ,4433 регистрации гамма-спектрометром гамма-квантов энергии 4438,9 кэВ от источника ²³⁹Pu-Ве определяли по интенсивности счета импульсов в диапазоне ΔК каналов гамма-спектра (фиг.7) источника ²³⁹Pu-Ве, соответствующей диапазону энергий гамма-квантов 3700÷4800 кэВ. Эта область энергий охватывает пик полного поглощения гамма-квантов 57 энергии 4438,9 кэВ и пик вылета 56 с энергией 3927 кэВ, вызванный вылетом из детектора одного из аннигиляционных гамма-квантов, связанных с образованием электрон-позитронных пар в результате взаимодействия гамма-квантов энергии 4438,9 кэВ с кристаллом NaI(Tl). При вычислении эффективности ε_γ,4433 не учитывали пик вылета 55 с энергией 3416 кэВ, вызванный вылетом из детектора двух аннигиляционных гамма-квантов. Эффективность ε_γ,4433 вычисляли как отношение числа зарегистрированных за некоторое время надфоновых импульсов в области энергий 3700÷4800 кэВ гамма-спектра источника ²³⁹Pu-Ве, к числу гамма-квантов, излученных источником за то же время. Полученное значение эффективности ε_γ,4433 было равным 2,9%. Погрешность определения величины ε_γ,4433 на уровне доверительной вероятности 0,68 была не более 15% и в основном определялась погрешностью паспортного значения интенсивности излучения нейтронов источником ²³⁹Pu-Ве.

Согласно работе [38] эффективности регистрации кристаллом NaI(Tl) размером ⌀150×100 мм гамма-квантов энергии 4438,9 кэВ и 5500 кэВ, излучаемых точечным источником на расстоянии 120 мм от поверхности кристалла, различаются не более чем на 10%. Поэтому в дальнейших оценках эффективность ε_γ,5500 регистрации гамма-квантов энергии 5500 кэВ, излучаемых при реакции pd-синтеза по формуле (4), принимали равной эффективности ε_γ,4433 регистрации гамма-квантов энергии 4438,9 кэВ от ²³⁹Pu-Ве источника.

В эксперименте искали гамма-кванты энергии 5500 кэВ от реакций ядерного pd-синтеза по формуле (4) в ртутной матрице. Поэтому для определения эффективности регистрации гамма-квантов от реакции pd-синтеза, было необходимо учитывать взаимодействие этих гамма-квантов с ртутной матрицей. Согласно [39], линейный коэффициент ослабления твердой металлической ртутью потока гамма-квантов энергии 5500 кэВ равен 0,57 см^-1.

Учет взаимодействия гамма-квантов с ртутной матрицей осложнялся тем, что в эксперименте не контролировали, в какой именно пространственной области матрицы проходила реакция pd-синтеза.

Для реакции, происходящей на поверхности ртутной матрицы, гамма-кванты реакции матрицей не поглощаются и эффективность их регистрации можно было принять равной ε_γ,5500 ~2,9 %.

Напротив, эффективность регистрации гамма-квантов реакции pd-синтеза резко уменьшается за счет их поглощения ртутью для реакции, проходящей равномерно по всему объему ртутной матрицы диаметром 46 мм и высотой 18 мм, которая получалась при полной конденсации ртути в конденсоре реактора. В этом случае при средней длине пробега гамма-квантов в ртути около 20 мм поглощение гамма-квантов ртутью уменьшало эффективность регистрации гамма-квантов реакции pd-синтеза приблизительно в 30 раз до значения ε_γ,5500 ~0,1%.

Таким образом, измерение интенсивности счета надфоновых импульсов в области энергий гамма-спектра 4800÷5800 кэВ обеспечивало эффективность регистрации гамма-квантов энергии 5500 кэВ, излучаемых при реакции pd-синтеза по формуле (4) в ртутной матрице, в диапазоне от 0,1% до 2,9%.

Эффективность ε_n регистрации нейтронным интенсиметром нейтронов от ²³⁹Pu-Ве источника, определяемая как отношение числа зарегистрированных за некоторое время надфоновых импульсов нейтронов, к числу нейтронов, излученных источником за то же время, была равна 2,1%.

Погрешность определения величины ε_n на уровне доверительной вероятности 0,68 была не более 15% и в основном определялась погрешностью паспортного значения интенсивности излучения нейтронов ²³⁹Pu-Ве источником.

Энергия нейтронов, излучаемых ²³⁹Pu-Ве источником, близка к энергии нейтронов, образуемых в реакции dd-синтеза по формуле (5). Поэтому в дальнейших оценках эффективность регистрации нейтронным интенсиметром нейтронов, излучаемых при реакции dd-синтеза, принимали равной эффективности регистрации нейтронов от ²³⁹Pu-Ве источника.

При реакции dd-синтеза внутри ртутной матрицы, образуемой в конденсоре реактора, взаимодействие нейтронов с матрицей мало меняет эффективность регистрации нейтронов.

Согласно [40], полное сечение взаимодействия с атомными ядрами ртути нейтронов энергии 2,45 МэВ, излучаемых при реакции ядерного dd-синтеза, приблизительно равно 7 барн. Соответствующий этой величине сечения линейный коэффициент ослабления потока нейтронов твердой металлической ртутью равен 25 см^-1. Тогда, даже если бы реакция dd-синтеза происходила равномерно по всему объему ртутной матрицы диаметром 46 мм и максимально возможной высотой 18 мм, то при средней длине пробега нейтронов в ртути около 20 мм взаимодействие нейтронов с ртутью приблизительно лишь на 10% уменьшало бы эффективность регистрации нейтронов реакции dd-синтеза. Поэтому влияние ртутной матрицы на эффективность ε_n регистрации нейтронным интенсиметром нейтронов, излучаемых при реакции dd-синтеза по формуле (5) в матрице, не учитывали и принимали величину эффективности ε_n ≈2%.

В проведенных экспериментах фон нейтронного интенсиметра варьировал около значения 1 с^-1 , фон гамма-спектрометра в области энергий 4800-5800 кэВ варьировал около значения 0.1 с^-1.

Экспозиция при периодическом измерении интенсивности гамма-квантов и нейтронов обуславливалась динамикой конденсации ртутной матрицы и составляла 1000 с. При этом минимальная статистически значимая интенсивность регистрируемых гамма-квантов и нейтронов за счет реакций ядерного синтеза в ртутной матрице была порядка 10% от фонового значения интенсивности.

Таким образом, экспериментальная установка позволяла обнаружить в ртутной матрице реакции синтеза по формуле (4) для молекулы дейтероводорода HD с минимальной интенсивностью 1÷10 с^-1 и для молекулы дейтерия D₂ реакции синтеза по формуле (5) с минимальной интенсивностью порядка 10 с^-1.

Согласно [6], при ускорительном механизме реакций ядерного синтеза сечение pd-реакции по формуле (4) приблизительно в 10⁵ раз меньше сечения dd-реакции по формуле (5). При ядерном синтезе за счет туннельного эффекта наоборот, вероятность синтеза в молекуле дейтероводорода HD по формуле (4) приблизительно в 10⁹ раз выше, чем вероятность синтеза в молекуле дейтерия D₂ по формуле (5). Поэтому при ускорительном механизме этих двух реакций в ртутной матрице чувствительность установки к обнаружению pd-синтеза была на четыре порядка меньше ее чувствительности к обнаружению dd-синтеза. При туннельном механизме этих реакций ядерного синтеза, наоборот, чувствительность установки к обнаружению pd-синтеза была на десять порядков выше ее чувствительности к обнаружению dd-синтеза.

С использованием описанной выше экспериментальной установки всего было проведено несколько десятков однотипных экспериментов по поиску реакций ядерного синтеза по формулам (4) и (5) при образовании кристаллической матрицы из металлической ртути, содержащей молекулы водорода Н₂, молекулы дейтероводорода HD и молекулы дейтерия D₂.

Также были проведены контрольные эксперименты, в которых ртутная матрица образовывалась в среде только газообразного водорода или только газообразного дейтерия. В этих контрольных экспериментах ртутная матрица не содержала молекул дейтероводорода HD.

Вначале каждого эксперимента в камере изотопного обмена приготавливали газовую смесь, содержащую молекулы водорода Н₂, дейтероводорода HD и дейтерия D₂. В испаритель реактора заливали металлическую ртуть так, чтобы в конденсоре реактора ртути не было. После этого начинали непрерывные периодические измерения интенсивности нейтронного и гамма-излучения от реактора, период измерений равнялся 1020 с (17 минутам), экспозиция каждого измерения была равна 1000 с. Кроме этого, интенсивность нейтронного излучения измеряли с периодом 100 с и экспозицией 99 с. Такой режим измерений выдерживали в течение всего эксперимента.

Через несколько часов после начала измерения интенсивности нейтронного и гамма-излучения реактор вакуумировали до давления 1,3 Па (10^-2 мм рт.ст.) и заполняли газовой смесью из камеры изотопного обмена. В различных экспериментах давление газовой смеси в реакторе варьировали в диапазоне от 3,3·10⁴ до 4,0·10⁴ Па (от 250 до 300 мм рт.ст.). Затем температуру конденсора реактора доводили до минус 100°С, охлаждая холодильник конденсора жидким азотом, после чего начинали испарение ртути из испарителя реактора и ее конденсацию в конденсоре.

В различных экспериментах время испарения ртути составляло от 30 до 100 минут и зависело от температуры нагрева испарителя. Во время конденсации ртути температуру конденсора в различных экспериментах варьировали от температуры минус 40°С (близкой к температуре плавления ртути минус 38,9°С) до температуры минус 110°С, регулируя подачу жидкого азота в холодильник конденсора. После испарения из испарителя реактора всей ртути и конденсации ее паров в конденсоре, кристаллическую металлическую ртуть, содержащую молекулы водорода Н₂, дейтероводорода HD и дейтерия D₂, выдерживали в конденсоре несколько часов при температуре около минус 100°С, затем проводили отжиг кристаллической ртутной матрицы ее нагревом при прекращении охлаждения холодильника конденсора до температуры около минус 40°С на время около одной минуты и снова выдерживали в конденсоре несколько часов при температуре около минус 100°С.

В конце эксперимента определяли содержание изотопов водорода в кристаллической ртути. Для этого реактор вакуумировали до давления 1,3 Па (10^-2 мм рт.ст.) - откачивали из реактора водородно-дейтериевую газовую смесь, закрывали вакуумный вентиль на реакторе и начинали нагрев конденсора реактора до расплавления в нем металлической ртути. При плавлении ртути из нее высвобождался водород и наблюдался скачок давления газа в объеме реактора. Парциальное давление выходившего при плавлении ртути водорода было порядка 10 Па (10^-1 мм рт.ст.), что соответствовало содержанию в кристаллической ртути порядка 10¹⁸ молекул водорода Н₂, молекул дейтероводорода HD и молекул дейтерия D₂.

Экспериментальные результаты были получены следующие. В нескольких из проведенных экспериментов наблюдали превышение над фоном интенсивности регистрации гамма-квантов с характерной для реакции pd-синтеза энергией 5500 кэВ при конденсации паров ртути в кристаллическую ртуть в водородно-дейтериевой газовой среде, а также при отжиге ртутной матрицы. На фиг. 8 представлена полученная в одном из таких удачных экспериментов временная зависимость интенсивности счета импульсов в области энергий 4800-5800 кэВ гамма-спектра, наиболее чувствительной к гамма-квантам энергии 5500 кэВ. В этом эксперименте испарение ртути из испарителя реактора проводили при температуре 550÷600°С за время ΔT₁=5000 с, исходное давление водородно-дейтериевой газовой смеси в реакторе было равно 3,6·10⁴ Па (270 мм рт.ст.). Через четыре часа после окончания кристаллизации ртутной матрицы в течение одной минуты проводили ее отжиг. На фиг.8 указаны интервал времени ΔT₁=5000 с (позиция 60), в течение которого конденсировали ртутную матрицу, и момент ее отжига. Из временной зависимости интенсивности счета импульсов гамма-квантов видно (фиг.8), что именно при образовании кристаллической ртутной матрицы в водородно-дейтериевой газовой среде и в течение приблизительно 7000 с (интервал времени ΔТ₂ на фиг.8, позиция 61) после ее минутного отжига повышается интенсивность излучения конденсором реактора гамма-квантов энергий 4800-5800 кэВ.

Вид гамма-спектра 62 (фиг.9), измеренного за время ΔT₁=5000 с при кристаллизации ртутной матрицы, и вид гамма-спектра 67 (фиг.10), измеренного за время ΔТ₂=7000 с после минутного отжига полученной при конденсации кристаллической ртутной матрицы и ее обратного быстрого охлаждения, позволяет связать увеличение интенсивности излучения гамма-квантов в диапазоне энергии 4800-5800 кэВ при этих процессах с излучением из матрицы гамма-квантов энергии 5500 кэВ.

В этих гамма-спектрах (фиг.9 и фиг.10) виден пик полного поглощения 63 гамма-квантов энергии 5500 кэВ и пик вылета 64 с энергией около 5000 кэВ, вызванный вылетом из детектора одного из аннигиляционных гамма-квантов, связанных с образованием электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-квантов энергии 5500 кэВ с кристаллом NaI(Tl).

В этих спектрах также видно превышение над фоном в области энергий гамма-квантов 3000÷4500 кэВ (позиция 65 фиг.9 и фиг.10), которое соответствует комптоновскому рассеянию в детекторе гамма-квантов энергии 5500 кэВ, в области энергий больших 5800 кэВ гамма-спектры совпадают с фоновым гамма-спектром (позиция 66 фиг. 9 и фиг.10).

Вид гамма-спектров (фиг.9 и фиг.10), измеренных при кристаллизации ртутной матрицы и после ее отжига, а также вид аналогичных гамма-спектров, полученных в нескольких других экспериментах, позволяет утверждать, что при конденсации кристаллической ртутной матрицы в водородно-дейтериевой газовой среде и при ее отжиге ртутная матрица излучала гамма-кванты энергии 5500 кэВ. Излучение этих гамма-квантов было связано именно с образованием кристаллической ртутной матрицы или с ее отжигом, поскольку гамма-спектры, измеренные в промежутки времени, когда не конденсировали кристаллическую ртутную матрицу или не проводили ее отжиг, не отличались от фоновых гамма-спектров.

Также можно утверждать, что излучение гамма-квантов энергии 5500 кэВ было связано именно с pd-синтезом по формуле (4), поскольку этот эффект наблюдался только при образовании ртутной матрицы в водородно-дейтериевой газовой среде, в то время как во всех контрольных экспериментах, когда ртутная матрица образовывалась в среде только газообразного водорода или только газообразного дейтерия, эффект отсутствовал.

Таким образом, действительно конденсация кристаллической ртутной матрицы в водородно-дейтериевой газовой среде и ее отжиг приводят к интенсификации реакции ядерного синтеза для молекул дейтероводорода HD, находящихся в матрице.

Для описанного выше эксперимента обработка гамма-спектров (фиг.9 и фиг.10), измеренных при кристаллизации ртутной матрицы и после ее отжига, в области 4800-5800 кэВ дала сверх фона 116±25 импульсов, зарегистрированных за 5000 с при конденсации кристаллической ртутной матрицы и 111±29 импульсов, зарегистрированных за 7000 с после отжига матрицы (указаны статистические погрешности на уровне одного среднеквадратичного отклонения). Измеренное в этом эксперименте газовыделение из кристаллической ртутной матрицы показало, что в матрице находилось приблизительно 1·10¹⁸ молекул дейтероводорода HD.

Конечно, нельзя считать, что все молекулы дейтероводорода HD в кристаллической ртутной матрице находились в одинаково благоприятных условиях для прохождения реакции pd-синтеза по формуле (4).

Результаты эксперимента позволяют только оценить усредненную по всем молекулам дейтероводорода HD в ртутной матрице вероятность P_HD реакции pd-синтеза для одной молекулы дейтероводорода HD за 1 с по формуле

$$P_{HD}=\frac{N_{\gamma ,5500}}{T{N}_{HD}{\epsilon }_{\gamma ,5500}},c^{-1},\left(7\right)$$

где N_γ,5500 - число гамма-квантов, зарегистрированных в области энергий 4800-5800 кэВ гамма-спектра;

Т - время измерения гамма-спектра, с;

N_HD ~10¹⁸ - число молекул дейтероводорода HD в кристаллической ртутной матрице;

ε_γ,5500 ~0,01 - эффективность регистрации гамма-квантов 5500 кэВ от ртутной матрицы в области энергий 4800-5800 кэВ гамма-спектра.

Оценка по формуле (7) показывает, что при образовании кристаллической ртутной матрицы, содержащей молекулы дейтероводорода HD, и при ее отжиге была достигнута вероятность реакции ядерного синтеза по формуле (4) для одной молекулы дейтероводорода HD не меньше 1,5·10¹⁸ с^-1.

Необходимо отметить, что не во всех случаях, когда кристаллическую ртутную матрицу конденсировали в водородно-дейтериевой газовой среде и проводили ее отжиг, наблюдали излучение из матрицы гамма-квантов ядерного pd-синтеза. Это обстоятельство, возможно, объясняется тем, что как и при конденсации матриц других металлов [41], микроструктура кристаллической ртутной матрицы сильно зависела от параметров конденсации матрицы - от скорости конденсации ртути, давления газа в реакторе и температуры подложки, на которую конденсировалась ртуть. В проведенных экспериментах параметры конденсации ртути варьировались. С одной стороны, точное воспроизведение этих параметров требовало усовершенствования всей экспериментальной установки, в частности, введения дополнительного контроля микроструктуры ртутной матрицы при ее конденсации. С другой стороны, в эксперименте параметры конденсации ртути варьировали с целью получения наибольшей интенсивности реакции pd-синтеза.

В то же время, ни в одном из проведенных экспериментов не обнаружили излучения нейтронов от реактора с интенсивностью, статистически значимо отличной от нейтронного фона. Поскольку экспериментальная установка обеспечивала обнаружение по нейтронному излучению не менее 10 с^-1 реакций dd-синтеза по формуле (5) в ртутной матрице, и в матрице содержалось порядка 10¹⁸ D₂-молекул, то отсутствие наблюдаемого нейтронного излучения от реактора означает, что вероятность реакции dd-синтеза для молекулы дейтерия D₂ в ртутной матрице была менее 10^-17 с^-1.

В проведенных экспериментах вероятность реакции dd-синтеза не оказалась существенно выше вероятности реакции pd-синтеза, в то время как по ускорительному механизму реакции ядерного синтеза вероятность dd-синтеза должна быть на пять порядков больше вероятности pd-синтеза. Это означает, что наблюдавшиеся для молекул дейтероводорода HD в кристаллической ртутной матрице реакции pd-синтеза идут не по ускорительному механизму, а путем туннельного прохождения через кулоновский барьер, препятствующий слиянию ядер при ядерном синтезе.

Таким образом, в проведенных экспериментах и при конденсации кристаллической ртутной матрицы, содержащей молекулы дейтероводорода HD, и при ее отжиге для молекул дейтероводорода HD в матрице были созданы условия для увеличения вероятности туннельного прохождения через кулоновский барьер, препятствующий слиянию ядер при ядерном синтезе, что позволило наблюдать реакции pd-синтеза в матрице. При этом достигнутая для молекулы дейтероводорода HD в матрице вероятность реакции ядерного синтеза порядка 10^-18 с^-1 на много порядков превышает вероятность реакции ядерного синтеза в изолированной молекуле дейтероводорода HD.

Этот экспериментальный результат доказывает возможность использования предлагаемого способа и увеличение интенсивности экзотермической реакции ядерного синтеза.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Е.П.Велихов, В.П.Смирнов. Состояние исследований и перспективы термоядерной энергетики. Вестник Российской академии наук. 2006, т. 76, №5, с.419.

2. Дж.Блат, В.Вайскопф. Теоретическая ядерная физика. М.: Инлит., 1954, 658 с.

3. М.Fleischmann, S.Pons. Electroanal. Chem., 1989, v. 261, p. 301; Erratum. 1989, v. 263, p. 187.

4. S.E.Jones, E.P.Palmer, J.B.Czir et.al. Nature, London, 1989, v.338, p.737.

5. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.: Наука, 1974, 752 с.

6. В.А.Царев. УФН, 1990, т. 160, с.1.

7. С.С.Гернштейн, Ю.В.Петров, Л.И.Понамарев. Мюонный катализ и ядерный бридинг. УФН, 1990, т. 160, Вып. 8, с.3.

8. В.В.Кольцов, А.А.Римский-Корсаков. Изв. АН СССР, Сер. физ., 1989, т.53, с.2085.

9. М.А.Листенгартен. Внутренняя конверсия гамма-лучей. В кн. Гамма-лучи. М.: - Л. Изд. АН СССР, 1961, с.271.

10. Neve de Mevergnier, Phys. Rev. Lett., 1972, v. 29, p. 1188.

11. Д.П.Гречухин, А.А.Солдатов. Исследование конверсионного процесса в связи с эффектами химического окружения атома. М.: ИАЭ, 1982, с. 23.

12. О.В.Ворыхалов, Е.А.Зайцев, В.В.Кольцов, А.А.Римский-Корсаков. Изв. РАН, Сер. физ., 1992, т. 56, с.30.

13. В.В.Кольцов, Л.Г.Машеров, Д.Н.Суглобов. Изв. РАН, Сер. физ., 1998, т. 62, с.975.

14. В.В.Кольцов, Л.Г.Машеров, Д.Н.Суглобов., Ю.В.Мортиков. Изв. РАН, Сер. физ., 2000, т. 64, с.562.

15. М.М.Всеволодов, В.Ю.Добрецов, Д.П.Гречухин. ЯФ, 1992, т. 55, с.304.

16. В.Ю.Добрецов. ЖЭТФ, 1992, т. 102, с.774.

17. А.И.Ахиезер, В.Б.Берестецкий. Квантовая электродинамика. М.: Наука, 1969, 623 с.

18. H.B.G. Casimir and D. Polder. Phys. Rev., 1948, v. 73, p. 360. A.A.Гриб, С.Г.Мамаев, В.М.Мостепаненко. Вакуумные квантовые эффекты в сильных полях. М.: Энергоатомиздат, 1988, 288 с.

19. Hulet R.H., Hilfer E.S., Klepner D. Phys. Rev. Lett., 1985, v. 55, p. 2137.

20. R.Matloob, R.Loudon. Phys.Rev. 1996, v. A53, p. 4567; R. Matloob. Ibid., 1999,v.A60, p.50.

21. B.B.Кольцов. Изв. РАН, Сер. физ., 2000, т. 64, с.557.

22. B.B.Кольцов. Изв. РАН, Сер. физ., 1993, т. 57. с.100.

23. B.B.Кольцов. Тезисы 51-го Совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. Саров, 3-8 сентября 2001 г., с. 193.

24. Th. Welton. Phys. Rev., 1948, v. 74, p. 1157. Т.Вельтон. Некоторые наблюдаемые эффекты, обусловленные квантово-механическими флуктуациями электромагнитного поля. В кн. Вопросы причинности квантовой механики. М.: Инлит., 1955, с.269. В.Вайскопф. Физика в двадцатом столетии. М.: Атомиздат, 1977,с.92.

25. X.Л.Фоке. Холодный ядерный синтез. М.: Свитекс, 1993, 183 с.

26. JP 91160397, з. 18.11.89 г., опубл. 10.07.91 г., см. Х.Л.Фоке. Холодный ядерный синтез: сущность, проблемы, влияние на мир, взгляд из США. М.: СВИТЭК, 1993, с.173.

27. «Лазерно-индуцированная реакция холодного ядерного синтеза в системе металл-газ для Ti-D₂-H₂-T₂», И.Л.Бельтюков и др. Физика металлов и металловедение, 1992, №6, с.138.

28. ЕР 394204, з. 18.04.89 г., опубл. 24.10.90 г., см. Х.Л.Фоке. Холодный ядерный синтез: сущность, проблемы, влияние на мир, взгляд из США. М.: СВИТЭК, 1993, с.169.

29. Д.Р.О. Моррисон. Обзор по холодному синтезу. УФН, 1991, т. 161, №12, с.129.

30. WO 2009/125444 A1, опубл. 15.10.2009.

31. RU 2056656 С1, МПК-6 G21G 4/02, G21B 1/00, опубл. 20.03.96.

32. RU 2145123 G21B 1/00, опубл. 27.01.2000 (прототип).

33. Н.А.Галактионова. Водород в металлах. М. Гос. Научно-техническое изд. по черной и цветной металлургии, 1959, 256 с.

34. А.И.Бродский. Химия изотопов. Изд-во АН СССР, М., 1952, 352 с.

35. С.С.Курочкин. Системы КАМАК-ВЕКТОР. М.: Энергоиздат, 1981. 232 с.

36. З.В.Ершова, А.Г.Волгин. Полоний и его применение. М., Атомиздат, 1974, 232с.

37. J.B.Seaborn, G.E. Mitchell, N.R. Fletcher, R.H. Davis. Gamma Rays from the Be⁹(α, n)C¹² Reaction. Phys. Rev., 1963, v. 129, p. 2217.

38. Н.А.Вартанов, П.С.Самойлов. Прикладная сцинтилляционная гамма-спектрометрия. М.: Атомиздат, 1969, 463 с.

39. О.Ф.Немец, Ю.В.Гофман. Справочник по ядерной физике. Киев: Наук. Думка, 1975, 415 с.

40. И.В.Гордеев, Д.А.Кардашев, А.В.Малышев. Ядерно-физические константы. Справочник. М., 1963, 507 с.

41. Л.С.Палатник, М.Я.Фукс, В.М.Косевич. Механизм образования и субструктура конденсированных пленок. М.: Наука, 1972, 320 с.

Заявленная группа изобретений относится к средствам для исследований протекания реакций ядерного синтеза с участием ядер изотопов водорода. В заявленном изобретении предусмотрено образование металлического кристаллического тела (МКТ) его конденсацией из паров металла, внедрение в МКТ атомов изотопов водорода так, чтобы хотя бы часть атомов с ядрами водорода оказывалась на наименьшем возможном расстоянии друг от друга. При этом внедрение атомов изотопов водорода осуществляется одновременно с образованием самого МКТ конденсацией паров металла в среде газообразных изотопов водорода, а также слиянием металлических микрокристаллов, полученных конденсацией паров металла в среде газообразных изотопов водорода и их отжигом в среде газообразных изотопов водорода. Заявленное устройство содержит следующие узлы, соединенные газопроводящим трубопроводом с вентилями: источник газообразных изотопов водорода; реактор с возможностью испарения металла и конденсации паров металла в МКТ в среде газообразных изотопов водорода, средство регулирования давления газовой среды в источнике газообразных изотопов водорода и в реакторе; средства контроля давления данной газовой среды, а также средства регистрации продуктов ядерных реакций. Техническим результатом является создание условий для повышения интенсивности протекания ядерных реакций. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ увеличения интенсивности экзотермической реакции ядерного синтеза с участием ядер изотопов водорода в металлическом кристаллическом теле, включающий образование металлического кристаллического тела его конденсацией из паров металла, внедрение в металлическое кристаллическое тело атомов изотопов водорода так, чтобы хотя бы часть атомов с ядрами - реагентами реакции синтеза оказывалась в металлическом кристаллическом теле по соседству друг с другом, на наименьшем возможном расстоянии друг от друга, отличающийся тем, что реакцию ядерного синтеза проводят внедрением атомов изотопов водорода в металлическое кристаллическое тело одновременно с образованием самого металлического кристаллического тела конденсацией паров металла в среде газообразных изотопов водорода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию ядерного синтеза проводят слиянием металлических микрокристаллов, получаемых при конденсации паров металла в среде газообразных изотопов водорода, при их отжиге в среде газообразных изотопов водорода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют регистрацию продуктов реакций ядерного синтеза в металлическом кристаллическом теле.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию ядерного синтеза проводят внедрением молекул изотопов водорода в металлическое кристаллическое тело одновременно с образованием самого металлического кристаллического тела конденсацией в среде газообразных изотопов водорода паров металла, не разлагающего молекулы изотопов водорода на атомы.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию ядерного синтеза проводят внедрением молекул изотопов водорода в металлическую кристаллическую ртуть одновременно с образованием самой металлической кристаллической ртути конденсацией в среде газообразных изотопов водорода паров ртути.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что внедрение атомов изотопов водорода в металлическое кристаллическое тело осуществляют конденсацией паров металла в водородно-дейтериевой газовой среде, содержащей молекулы водорода Н₂, молекулы дейтероводорода HD и молекулы дейтерия D₂.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что внедрение атомов изотопов водорода в металлическое кристаллическое тело осуществляют конденсацией паров металла в водородно-дейтериевой газовой среде при давлении от 3,3·10⁴ до 4,0·10⁴ Па и парциальном давлении дейтероводорода HD не менее 1,7·10⁴ Па.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что при проведении реакций ядерного синтеза в водородно-дейтериевой газовой среде, содержащей молекулы водорода Н₂, молекулы дейтероводорода HD и молекулы дейтерия D₂, осуществляют регистрацию гамма-квантов энергии 5500 кэВ, свидетельствующих о реакции ядерного синтеза с участием протона и дейтрона в металлическом кристаллическом теле по формуле
p+d→³Hе+γ(5500 кэВ).

9. Устройство для ядерного синтеза с участием ядер изотопов водорода в металлическом кристаллическом теле, отличающееся тем, что содержит следующие узлы, соединенные газопроводящим трубопроводом с вентилями:
источник газообразных изотопов водорода;
реактор с возможностью испарения металла и конденсации паров металла в кристаллическое металлическое тело в среде газообразных изотопов водорода так, чтобы хотя бы часть атомов с ядрами - реагентами реакции синтеза оказывалась в металлическом кристаллическом теле по соседству друг с другом, то есть на наименьшем возможном расстоянии друг от друга;
средство регулирования давления газовой среды в источнике газообразных изотопов водорода и в реакторе;
средства контроля давления газовой среды в источнике газообразных изотопов водорода и в реакторе;
а также средства измерения и контроля технологических параметров, средства регистрации продуктов реакций ядерного синтеза.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что источник газообразных изотопов водорода содержит соединенные между собой газопровододящим трубопроводом с вентилями газовый баллон с водородом, газовый баллон с дейтерием и камеру изотопного смешивания с возможностью дозированной подачи газообразных водорода и дейтерия в камеру изотопного обмена, в которой с помощью катализатора возможно получать газообразный дейтероводород HD путем изотопного обмена между молекулами водорода и дейтерия и с возможностью дозированной подачи газовой смеси из камеры изотопного обмена в реактор.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что реактор с возможностью испарения металла и конденсации металла в металлическое кристаллическое тело в среде газообразных изотопов водорода выполнен в виде герметичной камеры и содержит патрубок для вакуумирования камеры и подачи газа в камеру, испаритель, металл в испарителе и конденсор с возможностью нагрева металла в испарителе до температуры, достаточной для испарения металла, с возможностью конденсации в конденсоре паров металла в металлическое кристаллическое тело в среде газообразных изотопов водорода, с возможностью проведения слияния металлических микрокристаллов, полученных при конденсации паров металла, при их отжиге в среде газообразных изотопов водорода.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что средство регулирования давления газовой среды содержит вакуумный насос с возможностью получения в реакторе, в камере изотопного обмена и в газопроводящем трубопроводе с вентилями давления газа не более 0,1 Па.

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что средства контроля давления газовой среды содержат датчики давления газа в реакторе, в камере изотопного обмена и в газопроводящем трубопроводе с вентилями с возможностью измерения давления газа в диапазоне от 0,1 до 10⁵ Па.

14. Устройство по п.9, отличающееся тем, что средства измерения и контроля технологических параметров содержат датчики температуры катализатора в камере изотопного обмена, температуры испарителя и конденсора реактора с возможностью измерения температуры в диапазоне от минус 100°С до 1000°С.

15. Устройство по п.9, отличающееся тем, что средства регистрации продуктов реакций ядерного синтеза содержат детектор гамма-квантов и детектор нейтронов с возможностью измерения интенсивности излучения гамма-квантов и нейтронов, образующихся в реакциях ядерного синтеза, происходящих в реакторе.