Способ и устройство для генерирования тепла

 

Изобретение относится к методам получения тепловой энергии и устройствам, генерирующим тепловую энергию, основанным на использовании в качестве рабочего вещества изотопов водорода. Для генерирования тепловой энергии используют источник изотопных водородных атомов и материал, имеющий кристаллическую структуру и способный удерживать в своей структуре изотопные атомы водорода. Для внедрения потока атомов в материал подводят энергию. Атомы сжимают в кристаллической структуре материала при сохранении ее целостности до заданного уровня, при котором осуществляется генерация избыточного тепла. Химический потенциал материала, насыщенного изотопными атомами водорода, должен превышать пороговую величину, при которой происходит избыточное тепловыделение, определяемое как выделенное тепло, превышающее тепловой эквивалент растворения в материале атомов изотопов водорода. Концентрация атомов в кристаллической структуре материала должна превышать концентрацию атомов водорода в гидриде материала при нормальном давлении. 2 с. и 75 з. п. ф-лы, 39 ил. 5 табл.

Изобретение относится к методам получения тепловой энергии и устройствам, генерирующим тепловую энергию, основанным на использовании в качестве рабочего вещества изотопов водорода, помещенных в кристаллическую структуру металлов.

Идеальный энергетический источник, являющийся целью творческих исследований и поисков на протяжении не менее последних тридцати лет, должен обладать следующими свойствами: а) использование дейтерия, который можно получать в неограниченном количестве из океанов; б) относительно малая радиоактивность продуктов реакций; в) большое энерговыделение, например, в форме тепла; г) источник может быть выполнен в относительно небольшом, даже портативном масштабе.

До настоящего времени ни один из энергетических источников не приблизился к достижению этих идеалов. Возможность преобразования дейтерия в энергию через реакции ядерного слияния в плотной плазме, используя либо магнитное удержание, либо инерциальное удержание для достижения необходимой плотности плазмы, температуры и времени удержания, необходимого для управляемого термоядерного синтеза, является целью творческих научных усилий ученых всего мира. Несмотря на это, возможность достижения управляемого ядерного синтеза в высокотемпературной плазме отнимет еще немало лет (см., например, Доклад об оценке техники) (Перечень ссылок в отношении ссылочных цифровых позиций в этом разделе приведен в конце раздела I).

Наиболее близким аналогом патентуемого способа является известный способ генерирования тепла (ЕР, A2, 0114356, H 05 H 1/04, 1984), который включает создание источника изотопных водородных атомов, создание материала, способного растворять изотопные водородные атомы и имеющего структуру, удерживающую с достижением высоких концентраций изотопные водородные атомы, контактирование материала с изотопными водородными атомами из источника водородных атомов.

Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является устройство для генерирования тепла (ЕР, A2, 0114356, H 05 H 1/04, 1984), которое содержит источник изотопных водородных атомов, материал, обладающий структурой, способной растворять изотопные водородные атомы, теплоотвод для отвода тепла от решетчатого материала и теплопотребляющее устройство.

Изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в генерации тепловой энергии при сжатии ядер изотопов водорода в кристаллической решетке материала, в котором растворены изотопные водородные атомы.

Данный технический результат достигается с помощью заявляемого способа, включающего следующие стадии: создание источника изотопных водородных атомов; создание решетчатого материала, способного растворять изотопные водородные атомы и имеющего кристаллическую структуру, удерживающую с достижением высоких концентраций изотопные водородные атомы, сжимаемые в решетчатом материале при сохранении целостности кристаллической структуры; контактирование решетчатого материала с изотопными водородными атомами из источника изотопных водородных атомов; подвод энергии для создания потока изотопных водородных атомов от источника в решетчатый материал, сжатие изотопных атомов водорода в решетчатом материале, сохраняя целостность структуры решетчатого материала при сжатии, до достижения предварительно заданного условия, при котором генерируют избыточное тепло за счет взаимодействия изотопных водородных атомов и решетчатого материала, причем предварительно заданное условие задает химический потенциал решетчатого материала, превышающий пороговую величину, при которой и выше которой имеет место избыточное тепловыделение, и концентрацию изотопных атомов водорода в кристаллической решетке, превышающую концентрацию атомов водорода в гидриде материала, уравновешенную при нормальном давлении (1 бар при 273 К), а избыточное тепло определяют как выделенное тепло, которое превышает использованный для растворения изотопного водорода в решетчатом материале джоулев тепловой эквивалент.

У решетчатого материала дополнительно создают по меньшей мере одну поверхность для контактирования с изотопным водородом, причем такую, что поверхность обладает поверхностными свойствами, обеспечивающими перенос атомарного изотопного водорода.

Целесообразно производить абразивную обработку указанной поверхности после литья или отжига.

Предпочтительно отводить по меньшей мере часть обычного водорода, присутствующего на поверхности решетчатого материала, до этапа контактирования.

Возможно применение жидкого источника изотопного водорода, например, в виде электролитической жидкости.

Жидкий источник изотопного водорода может использоваться в виде водного раствора, содержащего по меньшей мере один смешиваемый с водой компонент, являющийся растворителем изотопного водорода.

В качестве указанного компонента может использоваться растворитель изотопного водорода, представляющий собой дейтерированную воду.

Решетчатый материал можно заряжать посредством электролитической компрессии. В этом случае целесообразно прикладывать к решетчатому материалу переменное напряжение. Напряжение селективно регулируют до величины первого напряжения, устанавливающей первоначальный заряд у решетчатого материала при первом токовом уровне для достижения первого уровня изотопной водородной концентрации, а затем снова регулируют напряжение до величины второго напряжения, устанавливающей заряд, и, тем самым, заряжающей решетчатый материал при втором токовом уровне для достижения второго уровня изотопной водородной концентрации.

Генерируемое и выделяемое в устройстве тепло преобразуют в работу.

В качестве решетчатого материала применяют материал, выбранный из группы материалов, содержащей палладий, железо, кобальт, никель, рутений, родий, цирконий, гафний и их сплавов.

В решетчатый материал в виде его части добавляют радиоизотопные атомы.

Возможно добавление к решетчатому материалу атомов, испускающих под воздействием нейтронов лучи или частицы с высокой энергией.

Решетчатый материал можно возбуждать лучами или частицами с высокой энергией.

Для образования изотопных водородных атомов применяется дейтерий или тритий.

Возможно использование электрически проводящего решетчатого материала.

Источник изотопного водорода и решетчатый материал размещают в контейнере.

Образуемые газообразные электролитические продукты захватывают и рекомбинируют в жидкую форму с высвобождением тепла и пониженного давления.

На поверхности решетчатого материала осуществляют отравление каталитических веществ и процессов для предотвращения взаимодействия связанных поверхностью изотопных водородных атомов с изотопной водой, сопровождающегося образованием изотопного водородного газа.

Возможно применение расплавленного металлического изотопного гидрида, находящегося в контакте с решетчатым материалом.

Для ускорения миграции изотопного гидрида в решетчатый материал изотопный гидрид нагревают.

Для нагревания расплавленного металлического изотопного гидрида для переноса изотопного водорода в решетчатый материал периодически подводят энергию.

После подвода энергии на время менее одной микросекунды, в течение которого происходит перенос изотопного водорода до по меньшей мере пороговой величины химического потенциала, осуществляют отвод энергии.

Энергия может периодически подводиться с помощью лазера.

Кроме того, в процессе осуществления способа целесообразно производить электролитическую зарядку решетчатого материала.

Для образования решетчатого материала предпочтительно использовать палладий. В этом случае производят сжатие изотопного водорода в решетчатом материале до состояния, при котором превышение химического потенциала над химическим потенциалом данного решетчатого материала, уравновешенного с источником при температуре и давлении, соответствующих нормальным условиям, составляет 0,5 эВ.

Генерируемое тепло целесообразно отводить через теплоотводы.

Генерируемое тепло можно отводить также через теплопроводную жидкость.

Для образования решетчатого материала возможно использовать материал подложки, на которую наносят тонкую пленку решетчатого материала. Для этого подбирают материал с такими свойствами, которые при нанесении на него тонкой пленки создают на поверхности маску для эффективного действия в качестве решетчатого материала.

Целесообразно наносить на подложку тонкую пленку толщиной от 50 до 500 (1 =10^-10м).

Вышеуказанный технический результат достигается также с помощью патентуемого устройства, которое содержит следующие элементы:
источник изотопных водородных атомов;
решетчатый материал, обладающий кристаллической структурой и способный растворять изотопные водородные атомы;
теплоотвод для отвода тепла от решетчатого материала;
теплопотребляющее устройство;
средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов в решетчатом материале в количестве, при котором оказывается превышенным предварительно установленный химический потенциал в условиях сохранения целостности кристаллической структуры, причем упомянутый химический потенциал является химическим потенциалом, при котором и выше которого имеет место избыточное тепловыделение, а концентрация изотопных атомов водорода в кристаллической решетке материала должна превышать концентрацию атомов водорода в гидриде материала, уравновешенную при нормальном давлении (1 бар 273 К). Под избыточным теплом понимается генерирование тепла, величина которого превышает использованный для растворения изотопного водорода в решетчатом материале джоулев тепловой эквивалент.

Устройство может дополнительно содержать контейнер, в котором размещены источник изотопных водородных атомов, решетчатый материал и по крайней мере часть средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов.

Желательно, чтобы средство для накопления и сжатия изотопных водородных атомов содержало средство для наложения электрического поля поперек упомянутого решетчатого материала.

В состав устройства могут входить теплоизлучающие радиаторы, термически связанные с решетчатым материалом.

Теплопотребляющее устройство содержит средства для генерирования электричества, произведенного из генерированного устройством тепла.

Решетчатый материал содержит по меньшей мере один металлический элемент. Такой элемент может быть выбран из группы, содержащей металлы группы VIII или IVA и их сплавы.

Решетчатый материал может содержать также по меньшей мере один элемент, выбранный из группы элементов, содержащей палладий, железо, кобальт, никель, рутений, родий, осмий, иридий, титан, цирконий, гафний и их сплавы.

Кроме того, решетчатый материал может дополнительно содержать литий.

Решетчатый материал может содержать также по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из палладия, родия, рутения, титана, циркония и их сплавов.

Возможно использование решетчатого материала, содержащего фермионный металл.

В состав устройства желательно включать средства для функционирования в качестве подложки, имеющей относительно низкую способность к растворению и накапливанию изотопных водородных атомов, и для удержания тонкой пленки решетчатого материала. В этом случае решетчатый материал содержит тонкую пленку, прикрепленную к средству, функционирующему в качестве подложки.

Целесообразно, чтобы устройство содержало решетчатый материал со структурой композита, в которой диспергированы частицы с относительно высокой тепло- и электропроводностью и относительно низкой способностью к растворению и накапливанию водородных атомов.

Устройство может также содержать средства для функционирования в качестве подложки с относительно высокой тепло- и электропроводностью и относительно низкой способностью к растворению и накапливанию изотопных водородных атомов и для удерживания тонкой пленки решетчатого материала, а решетчатый материал содержит тонкую пленку, прикрепленную к средству, функционирующему в качестве подложки.

Подложка изготавливается из материала, выбранного из группы материалов, включающих в себя неактивный материал, не удерживающий изотопные водородные атомы до концентрации, при которой происходит выделение избыточного тепла, и дополнительно содержит полупроводники.

Предпочтительно, чтобы толщина тонкой пленки, считая от поверхности крепления у средства, функционирующего в качестве подложки, находилась в пределах от 50 до 500 (1 = 10^-10 м).

При использовании различных технологий нанесения покрытий на подложку возможно, что толщина тонкой пленки, считая от поверхности крепления средства, функционирующего в качестве подложки, превышает 500 (1 = 10^-10 м).

Средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов могут быть выполнены в виде твердотельных изотопноводородных средств, которые гранулированы с решетчатым материалом с образованием единой таблетки. Указанные средства снабжаются средствами подвода тепловой энергии для быстрого перехода изотопных водородных атомов в упомянутый решетчатый материал за время менее одной микросекунды.

Решетчатый материал выбирается из группы элементов, содержащей палладий, никель, железо, кобальт и их сплавы, а источник - из группы соединений, содержащей дейтерид лития, дейтерид натрия, дейтерид калия и их смеси.

Источник может быть также выбран из группы соединений, включающей в себя смеси расплавленных солей, включая эвтектические смеси.

Возможно выполнение устройства, в котором решетчатый материал содержит радиоизотопные атомы, выбранные из группы, включающей в себя ⁶⁰Co, ⁹⁰Sr, ¹⁰⁶Ru, ¹¹⁷Cs, ¹⁴⁷Pm, ¹⁷⁰Tm, ²¹⁰Po, ²³⁸Pu и ²⁴⁴Cm.

Решетчатый материал может содержать атомы, испускающие под воздействием нейтронов лучи или частицы высокой энергии.

Решетчатый материал может содержать также элемент, выбранный из группы, включающей в себя бор, бериллий и углерод-14 (¹⁴C).

Средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов предпочтительно содержат средства для возбуждения решетчатого материала лучами или частицами высокой энергии.

Источник изотопных водородных атомов содержит дейтерий или тритий.

В качестве источника изотопных водородных атомов может использоваться жидкость. Целесообразно, чтобы эта жидкость включала в себя электролит.

Средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов могут содержать средства для электролитического разложения электролита на изотопный водород, накапливающийся и сжимающийся на и в решетчатом материале.

В состав средств разложения электролита входят анодные средства и по меньшей мере один источник генерирования заряда, а также катодные средства, отделенные от материала.

Предпочтительно, чтобы решетчатый материал был электрически проводящим, а накапливающее и сжимающее средство содержало средства для присоединения материала в качестве катода, связанного со средствами разложения электролита.

В качестве электролита целесообразно использовать водный раствор, содержащий по меньшей мере один смешиваемый с водой компонент, являющийся растворителем изотопного водорода.

В качестве компонента, являющегося растворителем изотопного водорода, может использоваться дейтерированная вода.

Компонент, являющийся растворителем изотопного водорода, может включать в себя смесь изотопных водородных растворителей, из которых дейтерированная вода составляет по меньшей мере 99,5% от объема компонента, являющегося растворителем.

Электролит может содержать растворенный литий.

Целесообразно, чтобы контейнер, в котором размещены источник изотопных водородных атомов, решетчатый материал и по крайней мере часть средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов, содержал средства герметизации для захватывания материала, такого как молекулярный изотопный водород, генерируемый работающим электролитом под воздействием накапливающего и сжимающего средства.

Устройство предпочтительно содержит средства для рекомбинации вновь захваченного материала, включая молекулярный водород, для высвобождения теплоты образования молекулярного водорода и понижения давления.

На фиг. 1 изображен вид кубической кристаллической структуры с центрированными гранями в кристаллической решетке металла, такого как палладий, используемого согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 - вид расширенной β -формы кристаллической решетки при диффузии изотопного атома водорода в кристаллическую решетку;
на фиг. 3 - схематичный вид одного варианта реализации электролитической ячейки для сжатия ядер изотопного водорода в кристаллической решетке металлического стержня;
на фиг. 4 - схематичный вид варианта реализации электролизера, имеющего набор биполярных ячеек сжатой конфигурации для внедрения ядер изотопного водорода, таких как дейтроны, в кристаллическую решетку металла;
на фиг. 5 - схематичный вид альтернативного способа для достижения электролитического уплотнения атомов изотопного водорода в кристаллической решетке металла;
на фиг. 6 - схематичный вид электрода с тонкой пленкой палладия, выполненного для использования в изобретении;
на фиг. 7 - схематичный вид покрытого палладием электрода, выполненного для использования в изобретении;
на фиг. 8 - вид спектра (отсчеты в минуту) рассеяния, β -лучей из образца тяжелой воды, взятой из устройства, аналогичного показанному на фиг.3;
на фиг. 9 - схематичный вид парового генератора, который является иллюстративным примером реализации, представляющий один способ использования энергии, которая обеспечивается настоящим изобретением;
на фиг. 10 - схематичный вид системы для восстановления трития;
на фиг. 11 - схематичный вид в поперечном сечении генератора пучка нейтронов, выполненного в соответствии с одним вариантом реализации изобретения;
на фиг. 12 - схематичный вид устройства для пучка нейтронов, выполненного для нейтронной радиографии в соответствии с одним вариантом реализации изобретения;
на фиг. 13 - схематичный вид устройства для нейтронного пучка, предназначенного для анализа дифракции и рассеяния нейтронов в соответствии с другим вариантом реализации изобретения;
на фиг. 14 - схематичный вид устройства для нейтронного пучка, предназначенного для спектроскопии γ -лучей, получаемых при поглощении нейтронов в соответствии с другим вариантом реализации изобретения;
на фиг. 15 - вид ячейки калориметра Дюара с одним вакуумным отсеком;
на фиг. 16 - схематичный вид цепи обратной связи для защиты от гальваностатических колебаний.

на фиг. 17 - схематичный вид схемы для высокой стабилизации регулируемого источника питания, используемого в качестве высокого выходного гальваностатического тока;
на фиг. 18 и 19 - вид графической кривой температуры над ванной в зависимости от времени (фиг.18) и потенциала ячейки в зависимости от временных данных (фиг.19) в случае использования палладиевого стержня 0,4·10 см в растворе 0,1(M) LiOD. Приложенный ток был 800 мА, температура ванны была 29,87^oC, и определенное тепловыделение Qf было 0,158 Вт. Время измерения (взятое в конце импульса калибровки) было примерно 0,45·10⁶ с после начала эксперимента;
на фиг. 20 и 21 - то же самое, что на фиг. 18, 19, за исключением того, что время измерения было примерно 0,89·10⁶ с, Qf = 0,178 Вт;
на фиг. 22 и 23 - то же самое, что на фиг. 18, 19, за исключением того, что время измерения было примерно 1,32·10⁶ с, Qf = 0,372 Вт;
на фиг. 24 и 25 - вид графической кривой температуры над ванной в зависимости от времени (фиг. 24) и потенциала ячейки в зависимости от времени (фиг. 25) в случае палладиевого стержня 0,2·10 см в растворе 0,1 (М) LiOD. Приложенный ток был 800 мА, температура ванны была 29,90^oC, определенное Qf было 0,786 Вт. Время измерения (взятое в конце импульса калибровки) было примерно 0,28·10⁶ с после начала эксперимента;
на фиг. 26 и 27 - аналогично фиг.24, 25, за исключением того, что время измерения было примерно 0,54·10⁶ с, Qf = 0,888 Вт;
на фиг. 28 и 29 - аналогично фиг.24, 25, за исключением того, что время измерения было примерно 1,32·10⁶ с, Qf = 1,534 Вт;
на фиг. 30 и 31 - графическая кривая температуры ячейки в зависимости от времени (фиг.30) и потенциал ячейки по отношению ко времени (фиг.31) в случае выполнения электрода из стержня палладия 0,4·1,25 см в растворе 0,1 (М) LiOD. Сила тока была 64 мА см^-2, температура ванны была 29,87^oC;
на фиг. 32 и 33 - температура ячейки в зависимости от времени (фиг.32) и потенциал ячейки в зависимости от времени (фиг.33)) в случае электрода из стержня палладия 0,4·1,25 см в растворе 0,1 (M) LiOD. Данная ячейка (гальванический элемент) отличается от показанной на фиг.30;
на фиг. 34 - скорость генерирования избыточной энтальпии как функции времени в случае ячейки на фиг.30;
на фиг. 35 - скорость генерирования избыточной энтальпии как функции времени в случае ячейки на фиг.32;
на фиг. 36 - результирующий выход специфической избыточной энергии как функции времени в случае ячейки на фиг.30;
на фиг. 37 - результирующий выход специфической избыточной энергии как функции времени в случае ячейки на фиг.32;
на фиг. 38 - график температуры ячейки по отношению к времени в случае палладиевого электрода 0,4·1,25 см в 0,1 (M) LiOD в течение периода, во время которого ячейка стала кипеть;
на фиг. 39 - график в двойном логарифмическом масштабе (избыточная энтальпия по отношению к плотности тока) по данным, указанным в табл. III-3 и III-A6-1.

При осуществлении изобретения было обнаружено, что атомы изотопного водорода, такие как предпочтительно используемые атомы дейтерия, когда накапливаются в кристаллической решетке металлов, способных растворять водород, могут достигать уплотнения (сжатия) и подвижности в кристаллической решетке, что является достаточным для образования событий генерирования тепла в кристаллической решетке металла. Данные события, как предполагается, связаны с ядерным синтезом, что подтверждается и количеством, и длительностью тепла, выделяемого из кристаллической решетки, и в результате образования продуктов ядерного синтеза. Эти события генерирования тепла могут быть связаны с образованием нейтронов и трития и, может быть, других продуктов ядерной реакции.

Далее приводятся сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения и примеры его конкретной реализации.

В разделе I описываются материалы и условия, соответствующие достижению требуемых условий для возникновения событий генерирования тепла и образования нейтронов в кристаллической решетке металла.

В разделе II описываются возможные варианты образования и использования нейтронов в соответствии с настоящим изобретением.

В разделе III описывается подробный анализ условий и событий, связанных с образованием тепла и нейтронов в соответствии с настоящим изобретением.

Раздел I.

Условия генерирования тепла в кристаллической решетке металла A. Кристаллическая решетка металла.

Металлы и сплавы металлов, которые соответствуют для использования в настоящем изобретении, являются способными растворять водород в кристаллической решетке путем электролитического разложения водорода на атомарный водород, адсорбции атомарного водорода на поверхности кристаллической решетки и диффузии атомов в кристаллическую решетку.

Необходимо также, чтобы металл сохранял свою структурную целостность, когда атомы изотопного водорода уплотняются в кристаллическую решетку металла при высоких концентрациях, например, на уровне насыщения гидрида. Иначе говоря, кристаллическая решетка металла должна быть способна разбухать без растрескивания, когда повышенная концентрация атомов изотопного водорода накапливается и уплотняется в кристаллической решетке.

Способность поглощать атомы водорода путем диффузии исследовалась на большом числе металлов (в том числе соответствующие сплавы металлов и металлы, легированные выбранными примесями), (см., например, [2], [3], [4], [5] и [6] ). Металлы VIII группы, в частности, палладий, родий, рутений, иридий, осмий, никель, кобальт, железо и их сплавы, такие как палладий-серебро и палладий-церий, являются предпочтительными, а также металлы группы IVA: титан, цирконий и гафний.

Металлы группы VIII имеют гранецентрированную кубическую структуру кристаллической решетки, как показано на фиг.1. При диффузии атомов изотопного водорода в кристаллическую решетку кристаллическая решетка способна принимать расширенную β -форму, которая размещает в кристаллической решетке высокую концентрацию диффундированных атомов и эффективно предотвращает локализованные напряжение и растрескивание.

Один возможный механизм в отношении событий ядерного синтеза, который, как предполагают, происходит в кристаллической решетке металла, загруженной изотопным водородом, включает в себя взаимодействие между валентными электронами в кристаллической решетке и парами изотопного водорода, которая дает возможность парам водорода становиться более локализованными и вследствие этого более способными к синтезу. Синтез, происходящий в соответствии с этим механизмом, может усиливаться фермиоными металлами, т.е. металлами, характеризующимися полуцелыми спиновыми состояниями. В качестве примеров фермионых металлов можно привести изотопы титана Ti²²₄₇ и Ti²²₄₉ (вместе образующие примерно 13% встречающихся в природе ядер Ti), Pd¹⁶₁₀₅ (образующий около 22% встречающихся в природе ядер Pd), Co²⁷₅₉ (образующий до 100% встречающихся в природе ядер Со), Ru⁴⁴₄₉ и Ru⁴⁴₁₀₁ (вместе образующие до 30% встречающихся в природе ядер Ru), Rh⁴⁵₁₀₃ (образующий до 100% встречающихся в природе ядер Rh), Ir⁷⁷₁₉₃ (образующий примерно до 3% встречающихся в природе ядер Ir) и Pt⁷⁸₁₉₅ (образующий примерно до 33,8% встречающихся в природе ядер Pt).

Встречающийся в природе палладий может быть особенно предпочтительным, так как изотопы Pd⁴⁶₁₀₅ имеют относительно большое поперечное сечение для нейтронов по сравнению с другими основными изотопами, присутствующими во встречающемся в природе Pd. Встречающийся в природе родий также считается обеспечивающим высоко предпочитаемую кристаллическую решетку.

Как будет показано ниже, кристаллическая решетка металла должна иметь (или быть обработанной, чтобы иметь) свойства поверхности, которые способствуют поглощению атомов изотопа водорода. Когда металл загружен в результате электрохимического распада тяжелой воды, как будет описано ниже, поверхность должна способствовать электролитическому формированию атомарного изотопного водорода на поверхности кристаллической решетки и также способствовать эффективной абсорбции атомарного изотопного водорода в кристаллической решетке. Последнее упомянутое требование будет нарушаться в некоторых металлах, таких как платина, поверхность которой эффективно катализует преобразование атомарного изотопного водорода в молекулярный газ за счет абсорбции в кристаллической решетке.

По этой причине, как легко видеть специалистам в этой области техники, такие металлы, как платина, которые в остальном могли бы обеспечивать благожелательную окружающую среду в кристаллической решетке металла для синтеза изотопного водорода могут быть неподходящими. Как будет показано ниже, проблема образования газа молекулярного водорода на поверхности кристаллической решетки может быть снижена путем использования каталитических ядов, тем самым давая возможность использования в остальном потенциально непригодных металлов.

Примеси, такие как платина, в объемной фазе металла, такого как палладий, могут также тормозить загрузку атомов изотопного водорода в кристаллическую решетку путем содействия образованию молекулярного газа за счет абсорбции атомов водорода. В этом отношении известно, что примеси многих металлов имеют тенденцию мигрировать к поверхности металла при нагревании до температуры плавления при плавке или обжиге. По этой причине металлы, такие как палладий, которые образованы в результате плавки или обжига, могут иметь значительные платиновые примеси в районах своей поверхности и поэтому могут показывать относительно слабую эффективность поглощения. Наоборот, твердотельная кристаллическая решетка, образованная в результате литья или отжига с последующей станочной обработкой или ей подобной для удаления наружных поверхностных слоев, будет иметь относительно низкие поверхностные примеси. Кристаллическая решетка после механической (станочной) обработки может дальше обрабатываться, например, с помощью абразивов для удаления возможных поверхностных загрязняющих веществ от механической обработки. Такие способы по снижению примесей в кристаллической решетке металлов известны.

Как будет показано ниже, отличительный признак, который считается важным в изобретении, составляет загрузку кристаллической решетки металла до высокого накопления атомов изотопного водорода, в частности, дейтерия. В таких металлах, как палладий, которые, как известно, подвергаются значительному гидридированию (соединению с обычным водородом) с течением времени (см., например, [4], [3], [2]), поэтому необходимо удалять по крайней мере часть обычного водорода, присутствующего в кристаллической решетке, перед загрузкой, так как это предварительно находящийся водород может ограничить наличные гнезда гидрида в кристаллической решетке. Наиболее предпочтительно удалять весь водород. Способы удаления или десорбирования водорода из кристаллической решетки металла, такие как плавление и охлаждение или дегазация в вакууме, известны.

На фиг. 2 показана кристаллическая решетка Pd-D (палладий- дейтерий), показывающая ядро дейтерия, свободно движущееся в ячейку и из ячейки. Хотя правильное описание системы палладий/атом изотопного водорода еще недостоверное, эксперименты, проведенные в поддержку настоящего изобретения, вместе с последующими экспериментами, сообщенными другими исследователями, показывают следующие особенности.

1. Атомы изотопного водорода высоко подвижные, коэффициент диффузии у дейтерия D_d около 10^-7 см²·с^-1 при 100 К. Эта особенность выведена частично из измеренного коэффициента S электролитического разделения водорода и дейтерия, который показывает, что S изменяется с потенциалом и приближается к предельной величине 9,5, указывая, что атомарные разновидности в кристаллической решетке так свободно связаны, что ведут себя как трехмерные классические вибраторы.

2. Атомы изотопного водорода существуют как ядра, например, дейтроны (D+) в кристаллической решетке, что подтверждается миграцией ядер в электрическом поле. Электрон из каждого ядра изотопного водорода считается делокализованным в структуре зоны кристаллической решетки металла.

3. Можно достаточно накапливать атомы изотопного водорода в кристаллической решетке для повышения химического потенциала кристаллической решетки примерно до 0,5 эВ, и может быть таким высоким как 2 эВ или выше химического потенциала металла, уравновешенного с атомами изотопного водорода при нормальном давлении (т.е. без подачи энергии).

4. Хотя потенциал отталкивания ядра изотопного водорода защищен в некоторой степени электронами в кристаллической решетке металла, маловероятно, что образуется молекулярный изотопный водород, например, D₂ по причине слабого S-признака электронных волновых функций. Далее образование газа изотопного водорода в кристаллической решетке не наблюдалось.

Металл должен быть в твердотельной форме, т.е. в форме твердотельного стержня, листа или т. п., когда кристаллическая решетка загружается в результате электролиза, как описано в разделе 1B (см. ниже). Альтернативно металл может быть выполнен в форме тонкой пленки, как описано в разделе 1Е ниже, или в порошковой форме, или в форме мелких частиц. Данная форма частиц металла используется, когда кристаллическая решетка должна загружаться путем нагревания в присутствии гидридов металла, как описано ниже, в разделе 1D. Анод должен равномерно отстоять от катода в любой из этих конфигураций, чтобы обеспечить равномерную загрузку.

В. Электролитическое уплотнение.

На фиг. 3 показана электролитическая ячейка или система 10 для электролитической загрузки кристаллической решетки металла атомами изотопного водорода. Как здесь определено, "загрузка" означает концентрирование атомов изотопного водорода в кристаллической решетке металла. Процесс загрузки также описывается как "уплотнение" атомов изотопного водорода в кристаллической решетке или накапливание этих атомов в ней. Как будет видно далее, процесс загрузки или концентрирования должен обеспечить концентрацию атомов изотопного водорода в кристаллической решетке до значительно более высокой величины, чем концентрация атомов водорода в гидриде металла, уравновешенных при нормальном давлении (1 бар при 273 К).

В процессе электролитической загрузки, показанной на фиг.3, водный раствор воды изотопного водорода (тяжелой воды) электролитически разлагается для образования атомов изотопного водорода (обозначенный ¹₁H или Н), включая атомы дейтерия (обозначенные ²₁H или ²D, или D) и атомы трития (обозначенные ³₁H или ³T, или T), и, предпочтительно, атомы дейтерия только или в комбинации с обычным водородом и/или тритием. Изобретение также предусматривает загрузку лития в кристаллическую решетку, либо его одного, либо в комбинации, что предпочтительнее, с атомами изотопного водорода для осуществления реакций ядерного синтеза с участием ядер лития, включая нейтронные взаимодействия с ядрами лития в кристаллической решетке для образования трития. Соответствующие источники лития для загрузки приведены ниже.

Компонент, который разлагается для образования атомов изотопного водорода, в тексте именуется как источник атомов изотопного водорода. Одним из предпочтительных источников является раствор электролита дейтеризованной воды или раствор электролита дейтеризованной воды, содержащей обычную воду и/или насыщенную тритием воду, и, например, такой электролит, как LiOD или Li₂SO₄. Разнообразие водных источников изотопного водорода, таких как насыщенные дейтерием или тритием кислоты, D₂SO₄, например, и насыщенные дейтерием или тритием основания, такие как NaOD или LiOD, способные электролитически разлагаться для образования соответствующих атомов изотопного водорода, соответствуют этой цели.

Электролитический источник предпочтительно включает в себя пропорцию тяжелой обычной воды к тяжелой воде при соотношении между примерно 0,5% обычной воды к 99,5% воды, насыщенной дейтерием и/или тритием.

Альтернативно источником изотопного водорода может быть обычная воды, дейтеризованная вода, насыщенная тритием вода или любая композиция из этих трех компонентов в таких молярных соотношениях, что пропорция обычных водородных ядер (протонов) в кристаллической решетке к суммарным дейтериевым ядрам (дейтеронам) и/или тритиевым ядрам (тритонам) предпочтительно находится между примерно 5:1 и 1:5.

Разнообразие неводных растворителей может также обеспечивать соответствующие источники атомов изотопного водорода. Эти растворители могут включать в себя источники атомов изотопного водорода, такие как насыщенные дейтерием и/или тритием спирты, ацетонитрил, другие нитрилы, формамиды, другие амиды, фураны, пироли, пиридины, ионы и анионы металлов, ароматические соединения с одним кольцом связи, алкены, алканы, полиядерные ароматические соединения, гетероциклические соединения (функция S, N, О) и другие соединения, которые могут подвергаться восстановительному разложению для образования выхода атомов изотопного водорода, таких как сульфид водорода и другие сульфиды. Растворители могут разбавляться или суспензироваться в водной среде, содержащей либо неизотопную, либо изотопную среду, и другие компоненты растворителя, как сказано выше.

Текучая среда источника может также включать в себя компонент растворителя, который функционирует для отравления каталитической поверхности катода для предотвращения реакции ограниченных поверхностью атомов изотопного водорода с изотопной водой для образования молекулярного газа изотопного водорода. Разнообразие соединений, которые являются эффективными по предотвращению каталитического образования молекулярного водорода на зоне поверхности металла, хорошо известны. Они включают в себя ряд серосодержащих соединений, таких как тиомочевина или сульфид водорода, а также цианидные соли и тому подобное, и добавляются в текучую среду в количествах, эффективных для предотвращения преимущественно образования молекулярного газа на поверхности кристаллической решетки во время электролиза. Концентрация каталитических ядов, которые эффективны в растворах электролита, известны. Компоненты для усиления электролитической активности, такие как сульфат лития, также могут добавляться.

Система может далее включать в себя непогруженный нагревательный или каталитический элемент (не показан), который может нагреваться для содействия каталитической рекомбинации молекулярного изотопного водорода, такого как D₂ (образуемый на катоде) и O₂ (образуемый на аноде) для регенерирования изотопной воды. Дополнительно можно иметь погруженный каталитический анод для содействия той же цели, в частности, когда система подвергается синтезу с помощью газа дейтерия (D₂).

Как показано на фиг. 3, водный источник изотопного водорода находится в контейнере 14, который предпочтительно герметизирован, чтобы снова захватывать материал, такой как молекулярный изотопный водород, который может генерироваться во время электролиза. Катод или отрицательный электрод в системе образован металлическим стержнем 16, кристаллическая решетка которого должна загружаться атомами изотопного водорода. Как сказано выше, катод может быть блоком в форме пластины, стержня, трубки, прокатанного или планарного листа и т. п., или электродом, имеющим тонкую пленку или слой металла с соответствующей кристаллической решеткой, как подробно изложено в разделе I. Как будет показано ниже, форма и объем катода будут определять количество тепла, которое может быть генерировано в металле при данном электрическом потенциале.

Анод или положительный электрод 18 в системе типично включает в себя проволоку или лист в контейнере, такую как спиральная проволока 18, которая опоясывает металлический стержень 16, как показано. Показанная на фигуре конфигурация анода, как считается, обеспечивает относительно равномерную плотность загрузки в стержне во время электролитической загрузки. Анод может быть любым соответствующим проводником, таким как платиновый, никельный или угольный, который сам по себе не реагирует с жидкими компонентами в контейнере для образования нежелательных реакций.

Источник 20 генератора заряда в системе соединен обычно с электродами для образования требуемого электролитического разложения. Источником может быть стабильный источник питания постоянного тока, как показано, или альтернативно источником прерывистого или импульсного заряда или тока.

Типично источник устанавливается для обеспечения плотности тока по крайней мере около 1 мА/см² площади поверхности катода. Этот минимальный уровень тока может потребоваться для достижения требуемого конечного химического потенциала изотопных водородных атомов в кристаллической решетке металла. Предпочитаемые токи будут между примерно 2 и 2000 мА/см², хотя могут использоваться даже более высокие токи, которые могут быть фактически предпочтительными для более крупных катодов или в случае более электропроводных электролитических жидкостей. Например, уровни тока такие высокие, как 10000 мА/см² или выше, могут использоваться в некоторых применениях. Если ток установлен слишком высоким, скорость диффузии изотопных водородных атомов в кристаллическую решетку металла может стать скоростью, ограничивающей, смещающей систему в сторону образования молекулярного изотопного водорода, который снижает эффективность генерирования тепла в системе. Ступенчатая электролитная загрузка катода, как показано в следующих разделах, может быть полезна для устранения ограничивающего эффекта скорости, в частности, при повышенных плотностях тока.

В операции загрузки для накопления изотопных водородных атомов текучая среда источника помещается в контейнер 14 до уровня, при котором погружены электроды, и источник генерирования заряда инициируется путем установления требуемого уровня тока. Суммарное требуемое рабочее время для кристаллической решетки металла известных размеров может быть вообще определено, исходя из вышеназванного коэффициента диффузии порядка 10^-7 см²·с^-1 в случае водорода и изотопного водорода в металле. Типично для металлического стержня, диаметр которого в диапазоне нескольких миллиметров, могут потребоваться рабочие времена от нескольких часов до нескольких дней для достижения требуемого химического потенциала. Для стержней, диаметры которых насчитывают сантиметры, могут потребоваться рабочие времена до нескольких месяцев или больше. Примером зарядки является зарядка катода при относительно низком уровне тока порядка 64 мА/см² в течение примерно 5 периодов диффузионной релаксации и затем увеличение тока до уровня 128, 256, 512 мА/см² или выше, чтобы облегчить возникновение событий генерирования тепла, как показано в таблице III-A6-1 в разделе III. Установлено, что время зарядки (которое изменяется при разных температурах катода), вообще следует уравнению

Таким образом, для палладиевого стержня радиусом 0,2 см время, необходимое для достаточной зарядки, чтобы инициировать генерирование тепла, будет

Загрузка металла, т.e. электролитическое уплотнение изотопного водорода в кристаллическую решетку металла, проводится до конечного химического потенциала изотопного водорода в металле благодаря накоплению/уплотнению ядер изотопного водорода в кристаллической решетке, которое (накопление/уплотнение) является достаточным для образования требуемого уровня событий генерирования тепла в кристаллической решетке металла, как подтверждается количеством и длительностью тепла, генерированного в кристаллической решетке. Когда изотопным водородом является дейтерий, то подтверждением является образование продуктов ядерного синтеза, таких как нейтроны и тритий.

Предпочтительно металл загружается до химического потенциала по крайней мере на 0,5 эВ выше химического потенциала гидрида металла, уравновешенного при нормальном давлении (1 бар при 273 К), то есть без подачи энергии. Химический потенциал загруженного катодного металла определяется по сравнению с контрольной проволокой из того же металла, например палладия, которая электролитически заряжается теми же изотопными водородными атомами, а затем определяется уравновешиванием при стандартном давлении (1 бар). Считается, что контрольный отрезок проволоки содержит около 0,6 атомов изотопного водорода на атом металла при равновесии. Химический потенциал определяется из потенциала напряжения, измеренного между загруженными металлическим катодом и уравновешенным контрольным отрезком проволоки. Специалисты в этой области техники признают, что химический потенциал, выраженный в электрон-вольтах (эВ) вообще эквивалентен измеренному потенциалу напряжения, т.е. измеренные 0,5 В обычно переводятся в 0,5 эВ химического потенциала. Также следует отметить, что химический потенциал, необходимый для образования событий генерирования тепла, может зависеть от загружаемого металла. Поэтому некоторые металлы, например цирконий, могут вызывать такие события при других, возможно более низких, химических потенциалах.

Стадии электролитической реакции, которые связаны с загрузкой кристаллической решетки металла в системе, описанной выше, будут рассматриваться в отношении щелочного раствора тяжелой воды как источника дейтерия. Ниже показаны четыре стадии реакции, которые должны учитываться, когда D₂O восстанавливается на катоде:
D₂O + e^-1 ---> D_адс + OD^- (I)
D_адс + D₂O + e^- ---> D₂ + OD^- (II)
D_адс ---> D_{крист.решетки} (III)
D_адс + D_адс ---> D₂ (IV)
где
D_адс указывает адсорбированные атомы дейтерия и D_{крист.решетки} указывает дейтерий, диффундированный в кристаллическую решетку.

При потенциалах более отрицательных, чем +50 мВ (относится к электроду реверсируемого водорода), при Pd - D кристаллическая решетка находится в бета (β) фазе, дейтерий - в форме дейтронов, и является очень мобильным.

Общая линия протекания реакции D₂ состоит преимущественно из стадий (l) и (II) так, что химический потенциал растворенного D⁺ нормально определяется посредством относительных скоростей этих двух стадий. Установление отрицательного повышенного потенциала на выходном участке поверхности раздела некоторых металлических электродов для разрядки водорода на продолжающейся поверхности раздела [определяется по балансу всех стадий с (l) по (IV)] показывает, что химический потенциал может быть повышен для высоких величин. Химические потенциалы, такие высокие как 0,8 эВ, могут быть достигнуты, используя палладиевые диффузионные трубки (могут достигаться 2,0 эВ или выше).

На фиг. 4 представлен схематичный вид электролитической системы в виде ячейки 24, имеющей биполярный набор элементов ячейки в фильтр-прессованной конфигурации. Контейнер 26 ячейки имеет серию N электронных мембран, таких как мембраны 28, 30, 32, расположенных в контейнере, как показано на фиг. 4. Эти мембраны образуют металл, кристаллическая решетка которого должна быть загружена путем электролитического уплотнения атомами изотопного водорода согласно изобретению. Мембраны являются предпочтительно плотно сгруппированными листами палладия или ему подобного материала.

Каждая мембрана включает в себя радиаторные ребра, такие как ребра 28а, 28в, связанные с мембраной 28 для рассеивания тепла, генерируемого в мембранах.

Мембраны соединены путем крепления к стенкам контейнера вдоль их верхней, нижней и боковых кромок герметичным образом и, тем самым, делят внутреннее пространство контейнера на N+1 замкнутых отсеков, как отсек 34 между левой стороной контейнера на фигуре и мембраной 28, отсек 36 между мембранами 28, 30 и отсек 38 между мембраной 32 и правой стороной контейнера на фигуре.

Трубопровод 40 с управляемым клапаном (не показан) сообщается с отсеком 34 для заполнения камеры жидкостью источника и для удаления O₂, образующегося в камере во время работы. Патрубок 42 трубопровода сообщается с отсеками другими, нежели отсек 34, через клапаны (не показаны) по одному на каждый отсек для наполнения каждой камеры жидкостью источника и удаления D₂, образующегося в каждой камере во время работы.

Электролитическая движущая сила в ячейке генерируется анодом 48 и катодом 49, расположенными на противоположных концевых стенках контейнера, как показано на чертеже, и источником 44 генератора заряда, соединенным с этими двумя электродами. Электроды могут быть из любого соответствующего электродного материала. Предпочтительно анод из платины или угля, а катод - из палладия. Источник генератора заряда предназначен производить ток между электродами с плотностью предпочтительно между 2 и 2000 мА/см² (для суммарной площади мембран), как сказано выше. Серии схем ограничителей, таких как схема 46, одна для каждой пары мембран, таких как мембраны 28, 30, функционируют во время операции ячейки для выравнивания токов в смежных отсеках для цели, описываемой ниже. Такие схемы ограничителей известны в схемах электролизеров с набором биполярных элементов.

При функционировании каждый отсек наполняется жидкостью источника, такой как литиевая тяжелая вода (LiOD) и обычная вода в D₂O, и ток в ячейке регулируется в отношении соответствующего уровня. Как показано на фиг.4, потенциал напряжения на концах анода и катода распределяется в конфигурации последовательного соединения по выводам каждой мембраны так, что левая сторона каждой мембраны заряжена отрицательно относительно непосредственно противостоящего анода или мембранной поверхности, а правая сторона каждой мембраны заряжена положительно относительно непосредственно противостоящей мембранной поверхности или катода. Таким образом, каждый отсек функционирует как электролитическая ячейка, в которой раствор источника изотопного водорода электролитически разлагается на одной мембранной поверхности для образования атомов изотопного водорода, которые затем диффундируют в эту мембрану.

Стадии электролитической реакции, которые несут ответственность за загрузку кристаллической решетки металла в системе пакетного электролизера, будут рассматриваться в электролизере, изображенном на фиг. 3, на примере щелочного раствора тяжелой воды в качестве источника дейтерия. Четыре реакции, которые могут способствовать уплотнению в мембранах
D₂O + e^-1 ---> D_адс + OD^- (I)
D_адс + D₂O + e^- ---> D₂ + OD^- (II)
D_адс ---> D_{крист.решетки} (III)
D_адс + D_адс ---> D₂ (IV)
Реакция (l) протекает на правой мембране (более отрицательной в каждом отсеке), вызывая появление реакций с (II) по (IV) в мембране и OD^- в отсеке. Так как атомы D_{кристал.решетки} существуют преимущественно как свободные подвижные ядра, эти ядра имеют тенденцию перемещаться через мембрану к катоду ячейки (т.е. направо к фигуре). Когда атомы D_{кристал.решетки} достигают правой стороны мембраны, реакция (III) в обратном направлении образует D_адс ,который затем может реагировать с OD^-, образованном в отсеке. Альтернативно атомы D_адс могут реагировать через реакцию (IV) для образования газа D₂ в отсеке. Процесс загрузки продолжается, пока все пластины (мембраны) не будут загружены полностью.

Как сказано выше, схемы ограничителей действуют для выравнивания тока в каждом отсеке. Следует отметить, что путем поддержания тока в каждом отсеке по существу одинаковым, количество D_адс, образованного в одном отсеке и втянутого через мембрану в правый смежный отсек, будет по существу равно количеству OD^-, образованного в этом правом смежном отсеке. Это снижает образование D₂, образующегося в отсеках, то есть увеличивает образование D₂O в результате реакции D_адс и OD^- на мембране.

Преимущество пакетной компоновки пластин (мембран), описанных выше, заключается в том, что количество O₂ и D₂, образуемое в системе, снижается, так как образование О₂ по существу ограничено отсеком 34, а образование D₂ аналогичным образом снижается в результате рекомбинации с OD^- в каждом отсеке. Иначе говоря, суммарный химический потенциал в системе, который является суммой отдельных химических потенциалов каждой мембраны, на величину молекулярного газа, образуемого в результате электролиза, увеличивается. Эффективность системы соответственно увеличивается, а проблемы рециркулирования молекулярного газа снижаются.

Пакетная конфигурация мембран также дает возможность плотной паковки загруженных мембран без очень длительных периодов диффузии, которые требуются для полной загрузки твердотельного блока. Плотная паковка загруженных мембран, в свою очередь, ведет к значительно более высокому потоку нейтронного пучка при измерении, например, на правой стороне ячейки, так как большой процент нейтронов, испускаемых каждой внутренней мембраной, будет проходить через всю серию мембран в ячейке.

С. Загрузка в случае использования гидридов металлов.

На фиг. 5 схематично показана альтернативная система, обозначенная в целом под позицией 50, для уплотнения (внедрения) атомов изотопного водорода в кристаллическую решетку металла в соответствии с патентуемым изобретением.

Металл, подлежащий загрузке в этой системе, находится в форме тщательно перемешанной смеси металла и изотопного гидрида металла, такой как, например, расплавленная соль изотопного гидрида металла, или смесь расплавленной соли металла и гидрида металла, которая образует источник атомов изотопного водорода. Иллюстративные примеры расплавленных гидридов металлов включают в себя Li/Na/K/D (дейтерид) и другие родственные гидриды, такие как Li/Na/D.

Примеры смесей расплавленных солей включают в себя эвтектические смеси Li/Na/N/Cl и LiD и другие связанные с ними смеси, такие как Li/K/Cl и LiD или NaD или LiH, NaT, LiH или NaT.

Тщательно перемешанная смесь, которая показана в гранулированной форме под позицией 52 на фиг.5, образована путем смешивания частиц металла, таких как частицы 54, с расплавленной солью и формирования смеси в когезивной форме в соответствии с известными способами гранулирования (таблетизирования). Смесь спекается при подходящей температуре спекания, которая должна быть ниже температуры плавления палладия, согласно известным методам спекания. Нагревательный элемент 56 (фиг.5) обеспечивает управляемое нагревание тщательно перемешанной смеси. После спекания химический потенциал материала измеряется как сказано выше. При необходимости спеченный материал может загружаться атомами изотопного водорода далее, например электролитически, чтобы довести химический потенциал в материале до требуемого уровня.

Альтернативно смесь может нагреваться лазерами высокой энергии (не показаны) в условиях, которые содействуют диффузии атомов изотопного водорода, полученных из источника, в кристаллические решетки частиц металла. Более конкретно, тепловой источник предназначен производить достаточную волну энергетического удара, чтобы возбудить атомы водорода в металле до конечного химического потенциала по крайней мере около 0,5 эВ в течение периода около одной микросекунды или меньше.

Устройства для фокусирования пучков высоких энергий на гранулированных материалах могут быть основаны, например, на лучевой технике, разработанной для инерциального удержания высокотемпературной плазмы.

Следует отметить, что кристаллическая решетка металла, образованная способом спекания, может быть изготовлена с содержанием выбранных молярных отношений атомов изотопного водорода, таких как выбранные содержания атомов дейтерия и трития.

D. Кристаллические решетки тонкослойных металлов.

На фиг.6 и 7 показано два типа композитных электродов с кристаллическими решетками тонкослойного металла, предназначенных для осуществления патентуемого изобретения. Электрод 41 (фиг.4) выполнен путем образования тонкого слоя 43 кристаллической решетки металла на электродной подложке 45, такой как уголь.

В одном варианте реализации подложка 45 может быть "неактивным" материалом, который сам по себе не может загружаться атомами изотопного водорода до уровня, который поддерживает события генерирования тепла.

Альтернативно подложка 45 может быть изготовлена из материала, способного поддерживать процесс генерации тепла, когда загружен атомами изотопного водорода, как указано выше. Одно преимущество этой конфигурации состоит в том, что поверхностные свойства материала подложки могут быть широко замаскированы в такой композитной структуре. Например, подложка 45 может быть металлической кристаллической решеткой платины, которая покрывается тонким слоем 43 палладия. Здесь палладий является эффективным средством для содействия поверхностной адсорбции и диффузии атомов изотопного водорода в электродный слой 43 и для предотвращения каталитического образования газа водорода на поверхности платины.

В варианте реализации, в котором подложка и нанесенный на нее слой являются кристаллическими решетками, которые могут загружаться изотопным водородом для протекания тепловыделяющих реакций, материал подложки предпочтительно является таким, который благодаря либо своему уровню примесей либо своим поверхностным каталитическим свойствам не может сам по себе легко загружаться электролитическим способом атомами изотопного водорода. Предпочитаемые металлы подложки включают в себя палладий, родий, рутений, иридий, осмий, никель, кобальт, железо, цирконий, титан, платину, гафний и их сплавы. Аналогичным образом тонкослойный металл также является металлом, который может поддерживать процесс выделения энергии или реакции образования нейтронов при выбранном химическом потенциале, и поверхностные свойства которого дают возможность легко загружать металл. Предпочитаемые тонкослойные металлы включают в себя названные ранее выше, а именно палладий, родий, рутений, иридий, осмий, никель, кобальт, железо, цирконий, титан, гафний и их сплавы, наиболее предпочтительными являются палладий, родий, рутений, иридий и цирконий.

Тонкий слой может быть образован разными известными способами осаждения тонкого слоя, включая распыление, испарение и химическое осаждение газообразной фазы. Типичные условия осаждения выбираются для образования слоя или пленки толщиной примерно между 50 и 500 , хотя могут быть приемлемыми и более толстые слои.

В одном варианте нанесение тонкого слоя производится в закрытой камере с помощью магнетрона постоянного тока или распыления плазмы в ВЧ-разряде при выбранном давлении газа изотопного водорода. Давление газа в камере определяется выбранными атомами изотопного водорода в тонкослойной кристаллической решетке. Например, распыление может проводиться в атмосфере дейтерия/трития, чтобы "засеять" кристаллическую решетку атомами изотопного водорода требуемой концентрации.

Композитный электрод может использоваться в электролитической ячейке, такой, как описано выше, вместо катода из твердотельного металла с его кристаллической решеткой. Здесь тонкослойная кристаллическая решетка загружается электролитически до химического потенциала, достаточного для содействия реакции синтеза, как указывалось выше, предпочтительно с непрерывной подачей электролитического тока.

Одно преимущество тонкослойного электрода, когда субстрат неактивный, состоит в том, что возможна большая возможность управления образованием тепла, так как тонкий слой, который поддерживает реакции синтеза, может загружаться относительно быстро до требуемого уровня и реакция будет проходить относительно быстро после загрузки. Рассеяние тепла из тонкого слоя также может управляться более точно с помощью потока текучей среды, находящегося в контакте со слоем, например, через подложку.

На фиг. 7 показан трубчатый электрод 47, изготовленный путем образования тонкого слоя 49 металла - кристаллической решетки на соответствующей трубчатой подложке 51. Подложка может быть выполнена из неактивного материала, например, в виде угольного стержня, или альтернативно может быть образована из материала, имеющего кристаллическую решетку, способную поддерживать реакции тепловыделения, когда она загружена атомами изотопного водорода, как указано выше.

Еще в одном варианте реализации подложка 51 может быть материалом, таким как вольфрам, который эффективен для абсорбирования γ -лучей или другого вида радиации, образуемой в тонком слое при производстве тепла. В этом варианте реализации энергия, образуемая от реакций в тонком слое 49, может рассеиваться внутренним и внешним потоками текучей среды.

В другом варианте реализации подложка может быть выполнена из материала, атомы которого могут подвергаться превращению в результате бомбардировки гамма-лучами высокой энергии, нейтронами, α - или β -частицами, образованными событиями реакций тепловыделения в тонком слое. Такая подложка может использоваться, например, для образования изотопов выбранного металла или для легирования субстрата, такого как полупроводниковый субстрат, изотопными добавками выбранного металла.

E. Возбуждение высокой энергией кристаллической решетки металла.

В соответствии с другим отличительным признаком настоящего изобретения устройство включает в себя средство для возбуждения кристаллической решетки загруженного металла с помощью лучей или частиц высокой энергии. Возбуждающее средство может включать в себя:
а) включение радиоизотопных атомов (или атомов, которые становятся радиоизотопными после захвата нейтрона) в кристаллическую решетку металла;
b) включение радиоизотопных атомов в жидкостный источник изотопного водорода;
с) образование кристаллической решетки тонкослойного металла на радиоизотопной подложке;
d) образование радиоизотопного тонкого слоя на кристаллической решетке металла подложки;
e) размещение эмиттера частиц или лучей высокой энергии в твердотельной фазе вблизи кристаллической решетки, как, например, в сердцевине кристаллической решетки;
f) образование нейтронов в кристаллической решетке путем включения бериллия или ему подобного в кристаллическую решетку и/или в прилегающую подложку;
g) генерирование α -частиц в кристаллической решетке путем включения бора или ему подобного в кристаллическую решетку и/или в прилегающую подложку;
h) бомбардировка загруженной кристаллической решетки частицами высоких энергий с помощью источника или ускорителя, такого, как источник нейтронов или позитронов, или ускорителя дейтронов и протонов.

В одном варианте реализации кристаллическая решетка содержит такие радиоактивные атомы, как ⁶⁰Со, ⁹⁰Sr, ¹⁰⁰Ru, ¹¹⁷Cs, ¹⁴⁷Pm, ¹⁷⁰Tm, ²¹⁰Po, ²³⁸Pu, ²⁴²Cm или ²⁴⁴Cm, которые излучают гамма (γ)-лучи и/или альфа (α), и/или бета (β)-частицы.

Альтернативно или дополнительно кристаллическая решетка может содержать атомы, которые образуют радиоизотопные атомы при бомбардировке частицами высоких энергий или при захвате нейтронов, или которые испускают частицы высокой энергии при бомбардировке частицами высоких энергий или при захвате нейтронов. Например, кристаллическая решетка может содержать бериллий, который образует нейтроны при бомбардировке альфа-частицами, или бор, который образует альфа-частицы при бомбардировке тепловыми нейтронами, или ¹⁴C, который может излучать нейтроны при бомбардировке нейтронами высоких энергий. В другом варианте реализации загруженная кристаллическая решетка помещается против радиоизотопного источника или погружается в жидкостную суспензию или раствор радиоизотопных атомов. Еще в одном варианте реализации кристаллическая решетка бомбардируется нейтронами высокой энергии, протонами, дейтронами или подобными частицами из внешнего источника частиц высокой энергии, такого как ускоритель частиц или электрический разряд.

F. События генерирования нейтронов и тепла.

В этом разделе рассматриваются события генерирования тепла в результате реакций синтеза, которые, как считают, происходят в структуре кристаллической решетки, загруженной изотопным водородом. Некоторые основные эксперименты генерирования тепла, проведенные в подтверждение настоящего изобретения, были основаны на катодном восстановлении D₂O из жидкостной фазы при комнатной температуре, используя плотности тока между 0,8 и 70 мА/см². Атомы дейтерия уплотнялись (внедрялись) в формы листа и стержня из металла палладия из 0,1 (М) растворов LiOD в 99,5% D₂О + 0,5% H₂O. Потенциалы на электродах измерялись по отношению к контрольному электроду Pd-D в равновесии фаз, как описано выше. Были произведены следующие типы У наблюдений:
1) Калориметрические измерения тепловых балансов при низких плотностях тока (менее 1,6 мА см^-2) проводились при использовании листообразного катода палладия 2 мм х 8 см х 8 см (полученного от "Джонсон Маттей" PLC), окруженного большим платиновым листом в качестве противоэлектрода. Измерения проводились в ячейках Дьюара, поддерживаемых в больших водяных ваннах при постоянной температуре (З00 К), причем температура внутри ячейки и водяной ванны контролировалась термометрами Бекмана. Эквивалент тяжелой воды (HWE) в ячейке Дюара, величина и коэффициент по закону Ньютона потерь на охлаждение определялись путем добавления горячей D₂O и последующими измерениями кривых охлаждения.

2) Калориметрические измерения при высоких плотностях тока проводились путем использования стержней диаметром 1, 2 и 4 мм и длиной 10 см (полученных от "Джонсон Маттей" PLC), окруженных анодом из платиновой проволоки, намотанной на остов стеклянных стержней. Ячейки Дюара монтировались с резистивными нагревателями для определения по закону Ньютона потерь на охлаждение, температуры измерялись калиброванными термометрами. Перемешивание в этих экспериментах (и в экспериментах по пункту 1) производилось путем разбрызгивания газа, используя электролитически генерируемый O₂. При длительных экспериментах было подтверждено, что величины добавок D₂O в ячейку, необходимых для поддержания постоянных объемов, были величинами, которые требовались, если реакции (l), (II) и (IV) (см. выше раздел 1B) были в основном сбалансированы реакцией
4OD^- ---> 2D₂O + O₂ + 4e^- (V)
Далее, вычитание омических потерь потенциала в растворе для ячейки, содержащей большой платиновый анод, показывает, что электролиз D₂O является доминирующим процессом, т. е. выделяемое джоулево тепло близко к необходимому, если результирующая реакция управляется процессами (I), (II) и (IV). При таком предположении было установлено, что калориметрические эксперименты с использованием больших листовых палладиевых катодов показали, что согласно закону Ньютона охлаждение почти точно уравновешивает номинал джоулева тепла (после продолжительного электролиза для насыщения кристаллической решетки металла), когда металл загружен при плотности тока около 0,8 мА/см².

При более высоких плотностях тока порядка 1,2 мА см^-2 и 1,6 мА см^-2 генерирование избыточной энтальпии более 9% и более 25% номинала джоулева тепла отмечалось в таких случаях (эти величины допускают возможность около 4% в отношении того факта, что D₂ и O₂ получаются вероятнее всего из 0,1 (М) LiOD, а не из одной D₂O. Это производство избыточной энтальпии оказалось воспроизводимым в трех группах длительных измерений.

В табл. 1-A приведены результаты нагревания кристаллической решетки, которые наблюдались при разной геометрии и размерах катода и плотностях тока. Номинал избыточной удельной теплоемкости, вычисляемый как величина произведенного тепла минус входное джоулево тепло, также именуемый здесь как эквивалент джоулева тепла, определялся по уравнению
J = I(V - 1,54 B)
где
I - ток ячейки;
V - напряжение на электродах;
1,54 В - напряжение, при котором реакции (I), (II) и (IV), уравновешенные реакцией (V), являются термонейтральными, т.е. напряжение, при котором ячейка ни поглощает, ни выделяет тепла.

Величины избыточной удельной теплоемкости выражались как номинал избыточной удельной теплоемкости в Вт/см³.

Параметры, которые влияют на производство энтальпического тепла в уплотненной кристаллической решетке, природа и величина эффектов могут быть оценены из нижеследующих наблюдений, приведенных в данных табл.1-A:
а) генерирование избыточного энтальпического тепла (общее тепло, произведенное в кристаллической решетке, минус эквивалент джоулева тепла, необходимого для загрузки кристаллической решетки и поддержания кристаллической решетки в загруженном состоянии) значительно зависит от плотности приложенного тока (т.е. величины сдвига в химическом потенциале) и пропорционально объему электродов, т.е. события нагрева протекают в массе палладиевых электродов;
б) генерирование энтальпии может превышать 10 Вт/см³ палладиевого электрода; это сохраняется при длительности экспериментов свыше 120 ч, в течение которых типично выделяется избыточное тепло 4 МДж/см³ электродного объема;
в) может достигаться избыточное тепло значительно выше события прерывания. Фактически можно видеть, что возможны обоснованные проекты до 1000%;
г) эффекты определялись путем использования D₂O с небольшими количествами (0,5 - 5%) обычной воды. Проектирование в отношении использования соответствующих смесей D₂O/DTO/T₂O (как обычно делается в области исследования ядерного синтеза), следовательно, может обеспечить тепловые избыточные выделения в диапазоне 10³ -10⁶% (даже при отсутствии спиновой поляризации) при выделении энтальпии свыше 10 кВт/см³. Здесь следует отметить, что в условиях последнего эксперимента, приведенного в таблице, с использованием только D₂O, значительная часть катода плавится (точка плавления 1554^oC), указывая, что могут достигаться очень высокие температуры реакции.

Одно из возможных объяснений генерирования избыточного энтальпического тепла, наблюдаемого в загруженной кристаллической решетке, может заключаться в реакции между уплотненными ядрами в кристаллической решетке. Как сказано выше, изотопные водородные ядра, растворенные в кристаллической решетке металла в соответствии с изобретением, значительно уплотнены и подвижны. Вопреки этому высокому уплотнению, молекулярный изотопный водород, т.e. D₂, не образуется в силу низкого признака S-электрона электронных волновых функций. Однако низкий S-признак в сочетании с высоким уплотнением и мобильностью растворенных типов ядер говорит о возможности значительного количества плотных коллизий между растворенными ядрами. Поэтому можно считать, что некоторые из этих коллизий образуют реакции между ядрами. Наряду с другими возможны три следующие реакции, которые могут происходит при использовании изотопного водорода дейтерия:
²D + ²D ---> ³T (1,01 МэВ) + H (3,02 МэВ) (VI)
²D + ²D ---> ³Не (0,82 МэВ) + n (2,45 МэВ) (VII)
²D + ²D ---> ⁴He + γ (24 МэВ) (VIII)
Эти реакции будут легко детектироваться в результате образования трития (T), генерирования нейтронов высокой энергии (n) и гамма-лучей.

Степень образования/накопления трития (T) измерялась путем использования ячеек (испытательные трубки, герметизированные "Парафильмом"), содержащих палладиевые стержнеобразные электроды в диаметре 1 мм и длиной 10 см. Образцы электролита в 1 миллилитр изымались с интервалами в 2 дня и нейтрализовались калий-водородным фталатом. Содержание T определялось путем использования жидкостного сцинтилляционного состава "Реди-Гель" и счетной системы LS 5000 TD Бекмана. Вычисление эффективности определялось равным примерно 45%, используя стандартные образцы T-содержащих растворов.

В этих экспериментах стандартные добавки 1 мл электролита производились после взятия образца. Потери D₂O по причине электролиза в этих и других экспериментах, изложенных здесь, определялись путем использования только D₂O. Регистрация объема D₂O-добавок производилась в отношении всех экспериментов. Во всех экспериментах все соединения были герметизированы.

Измерения трития показали, что DTO накапливается в заряженных палладиевых ячейках до степени около 100 dpm/мл электролита. На фиг.8 показывающей спектр сцинтилляции β -затухания типичного образца, видно, что типами ядер является фактически тритий.

G. Применение: электрический генератор.

На фиг. 9 схематично показано устройство электрического генератора 55, выполненного в соответствии с одним вариантом реализации изобретения. Устройство в общем случае включает в себя реактор 63, который генерирует тепло в соответствии с принципами изобретения, и генератор 65, который преобразует тепло, произведенное в реакторе, в электричество. В приведенном варианте реализации используется электролитическое уплотнение атомов изотопного водорода из водной среды для загрузки металлического катода.

Реактор 65 включает в себя камеру 67 реактора, опоясанную защитной оболочкой 69, которая обеспечивает нейтронную защиту. Когда источником атомов изотопного водорода является водная среда, камера предпочтительно проектируется для функционирования в условиях высокого давления для возможности использования температур текучей среды в реакторе значительно выше 100^oC.

Камера реактора содержит один или больше катодных металлических стержней, таких как стержень 70, которые служат в качестве кристаллической решетки металла, загружаемой атомами изотопного водорода в соответствии с принципами настоящего изобретения и которые (стержни), следовательно, имеют свойства, упомянутые выше, допускающие уплотнение и накопление атомов изотопного водорода в кристаллической решетке металла. Хотя может быть достаточным одного металлического стержня для относительно мелкомасштабного реактора, когда стержни могут иметь размер нескольких сантиметров или больше в диаметре, предпочитается множество стержней по причине длительных периодов, которые потребуются для диффузии атомарного водорода в один стержень большого диаметра. Альтернативно катод может быть выполнен в виде листа гофрированной или спиральной формы. Анод 71 образован на наружной поверхности камеры, как показано на чертеже.

Камеры реактора заполняется источником атомов изотопного водорода, таким как LiOD в дейтеризованной воде (фиг.9) под позицией 72. Электролитическое разложение источника и последующая диффузия атомов изотопного водорода в металлические катоды возбуждаются источником 73 генератора заряда, как было изложено выше. Катод, анод и источник генератора заряда также именуются здесь совместно как средство обеспечения диффузии изотопного водорода из источника в кристаллическую решетку металла катода (катодов) и как электролитическое средство.

Генератор в устройстве (реактора) включает в себя теплообменную систему 75, которая функционирует для циркулирования охлажденной текучей среды через трубопровод 77 в реакторе, и текучей среды, нагретой в реакторе, в котел (не показан) в генераторе для образования пара с помощью обычно паровой турбины генератора. Таким образом, тепло, образованное в загруженных металлических катодах в реакторе, используется путем теплообмена между реактором и генератором для приведения в действие генератора для генерирования электричества. Хотя на чертеже не показано, генератор может быть соединен с источником 73 для подачи части электричества, генерируемого при функционировании устройства, на источник 73.

Генератор может также включать в себя реактор-систему циркуляции текучей среды для подачи материала источника в реактор и для отвода побочных продуктов реактора, включая тритий.

Следует отметить, что альтернативно реактор может быть выполнен для функционирования при температурах в несколько сот градусов Цельсия или выше для достижения более эффективного преобразования тепла кристаллической решетки в пар, в паровой турбине. Такой реактор будет предпочтительно использовать смесь металла/расплавленной соли дейтерида при высокоэнергетическом нагревании для образования диффузии атомов изотопного водорода в частицы металла, как здесь описано. Результирующая быстро нагреваемая масса частиц может охлаждаться, например, циркулирующим литием или тому подобным, в соответствии с известными конструкциями реакторов.

Из приведенного выше можно видеть, как устройство генератора отвечает разным целям изобретения. Устройство использует дейтерий, фактически неисчерпаемый источник энергии, применяемый для производства тепла, и продукты реакции - тритий и предпочтительно изотопы Не - либо существующие в малом количестве (тритий), либо относительно благоприятные (гелий).

Далее, устройство может быть выполнено в небольшом масштабе, соответствующем, например, для портативного генератора.

Н. Извлечение продуктов реактора.

Теплогенерирующие реакции, которые происходят в кристаллической решетке металла, загруженной дейтерием, могут характеризоваться образованием трития. Тритий может быть образован в реакторе либо как тяжелая вода, насыщенная тритием (DTO), либо в результате электролиза DTO как газ дейтерий, насыщенный тритием (DT). Когда источник реактора также содержит обычную воду, могут также образовываться насыщенные тритием разновидности газа НТО и HT. Так как с течением времени в реакторе будет создаваться некоторое количество трития, реактор предпочтительно снабжен системой извлечения для удаления трития и поддержания уровня трития в реакторе в заданных пределах. На фиг.10 схематично показана система извлечения 160, предназначенная для удаления трития из воды реактора и газа, образуемого в реакторе. Система предназначена выполнять два отдельных процесса: один, который переносит тритий в источнике реактора в дейтерий или газ водорода, и второй процесс, в котором сепарирование газа, содержащего тритий, производится способом криогенной дистилляции.

Каталитический обмен трития осуществляется в парообразной фазе или жидкой фазе гидрофобного каталитического основания, обозначенного в целом под позицией 162. В этом способе жидкая фаза D₂O/DTO или H₂O/DH-O/D₂O/DTO/HTO из ячейки реактора подается по трубопроводу 164, который, в свою очередь, соединен с ячейкой для каталитического разложения.

Вода из ячейки реактора подводится в прямой контакт с потоком газа дейтерия путем циркуляции в противотоке через каталитический слой. Поток газа дейтерия может подаваться из газодистилляционной колонны, которая используется, как описано ниже, для отделения трития. Противоточный поток через каталитический слой содействует реакции
DTO + D₂^{катализатор} ---> D₂O + DT
Вода, которая обогащена D₂O, возвращается в ячейку реактора через трубопровод 168. Конструкция и функционирование систем каталитического обмена в жидкой фазе, соответствующих для использования в настоящем изобретении, описаны в предшествующих публикациях и хорошо известны в области техники.

Альтернативно каталитический слой может быть выполнен для противоточной операции жидкой фазы в соответствии с известными способами. В этом случае вода из реактора сначала испаряется и перегревается, затем в противотоке пропускается через гидрофобный каталитический слой относительно потока газа дейтерия. После реакции обмена газовый поток конденсируется и возвращается в реактор.

Газовый поток, поступающий из обменного слоя, сушится и очищается, и пропускается по трубопроводу 170 в криогенную дистилляционную колонну 166 через насос 161. Колонна содержит насадку Сульцера и охлаждается жидким гелием из вспомогательной линии 170 жидкого гелия. Дистилляция производится примерно при давлении 1,5 бар. D₂, который концентрируется в верхней части колонны и частично освобожден от трития, подается на каталитический слой по трубопроводу 174, как показано на чертеже.

Более тяжелые газы изотопного водорода в колонне, то есть DT и Т₂ направляются во вторую дистилляционную колонну 179, снабженную кольцами диксон, и охлаждается посредством линии 178, по которой циркулирует жидкий гелий. DT, который концентрируется в верхней части колонны, может пропускаться через преобразователь 180 для получения Т₂ в соответствии с реакцией
2DT ---> T₂ + D₂
Этот материал сепарируется в колонне за счет образования D₂ и DT в верхнем конце колонны и Т₂ - в нижнем конце. Т₂ отводится периодически и хранится либо в газовом контейнере, таком как контейнер 182, либо в виде тритида металла. Система способна сепарировать тритий примерно до 98% (моль %) чистоты.

Следует отметить, что при содержании в воде реактора обычной воды будет также образовываться изотопный газ H₂ и H и в самом реакторе и в результате каталитического обмена с D₂. Этот газ может быть сепарирован от D₂, DT и Т₂ в криогенных дистилляционных колоннах и легко устраняется, например, путем сжигания с O₂.

Вышеописанная система предназначена для удаления трития из воды реактора. Как сказано выше, процесс электролитического уплотнения, протекающий в реакторе, также генерирует молекулярный изотопный водород, например D₂ и DT, образуемые электролитическим разложением тяжелой воды, содержащей тритированную тяжелую воду. Этот газ может быть преобразован в воду путем каталитического сжигания в реакторе, как сказано выше.

Альтернативно или дополнительно изотопные газы могут очищаться в системе удаления трития, описанной выше, путем ввода газа из реактора непосредственно в криогенную дистилляционную колонну в системе через трубопровод 184 с регулирующим клапаном в системе удаления трития.

Газ отделяется в системе дистилляции из двух колонн, причем сепарированный D₂ подается на каталитический слой для обмена трития с водой реактора, DT образует D₂ и Т₂, как указано выше.

Из вышесказанного можно видеть, как реализуются признаки изобретения. Теплогенерирующие реакции в кристаллической решетке металла реактора генерируют тритий, который сам по себе может быть использован как источник изотопного водорода в реакторе этого типа и может также быть легко сохранен в чистой форме для других целей, таких как, например, различные медицинские и диагностические применения.

Литература
1. Доклад о технической оценке энергии звезд: американский и международный поиск энергии синтеза: Конгресс США, Оффис технической оценки, 100-й Конгресс.

2. Мюллер Дж.П. и др. Гидриды металлов, Академик пресс, Н.Й., 1968.

3. Рон M. и др. Гидриды металлов, т.1 и 2, 1984, Элсвиер, Н.Й., 1985.

4. Везироглы Т.Н. Системы металл-водород, Пергамон пресс, Н.Й., 1982.

5. Дандапани Б. и Флейшман M. Жур. Электронная химия, 39: 323 1972.

6. Бамбакадис Г. Гидриды металлов, Пленум пресс, 1981.

Раздел II.

Образование нейтронов и применения
Согласно одному из вариантов применения изобретения установлено, что атомы изотопного водорода, такие как атомы дейтерия, когда они диффундируют в кристаллическую решетку, реализуется их уплотнение и подвижность в кристаллической решетке, которые достаточны для инициирования событий генерирования нейтронов. События генерирования нейтронов также характеризуются генерированием избыточного энтальпического тепла, т.е. количество тепла, генерируемое в кристаллической решетке, значительно больше, чем эквивалент джоулева тепла, используемого для загрузки кристаллической решетки до химического потенциала, при котором происходят события генерирования нейтронов. В разделе I, как сказано ранее, описываются материалы и условия, соответствующие достижению требуемых условий для осуществления событий генерирования нейтронов в кристаллической решетке металла.

Нейтроны, образованные в кристаллической решетке металла, коллимируются для образования пучка нейтронов, и этот пучок используется в разных способах применения нейтронного пучка для анализа материалов. В этом разделе описываются иллюстративные устройства, предназначенные для нейтроннолучевого анализа материалов мишени.

События генерирования нейтронов.

Как сказано выше и в соответствии с условиями осуществления изобретения, установлено, что кристаллическая решетка металла, загруженная атомами изотопного водорода до химического потенциала по крайней мере около 0,5 эВ, содействует возникновению событий генерирования нейтронов, которые подтверждаются образованием нейтронов высокой энергии.

Одно объяснение в отношении генерирования нейтронов, образуемых в кристаллической решетке металла, наблюдаемое в загруженной кристаллической решетке, состоит в возможности протекания реакций между уплотненными ядрами в кристаллической решетке. Как сказано выше, изотопные ядра водорода, растворенные в кристаллической решетке металла на уровне химических потенциалов выше примерно 0,5 эВ, являются высоко уплотненными и подвижными. Несмотря на это высокое уплотнение D₂ не образуется по причине низкого признака S-электрона электронных волновых функций. Однако низкий S-признак в сочетании с высоким уплотнением растворенных типов ядер указывает на возможность значительного количества взаимных коллизий между растворенными ядрами. Поэтому можно считать, что некоторые из этих коллизий вызывают реакции между ядрами. Две реакции, которые можно предполагать в кристаллической решетке, содержащей преимущественно ядра дейтерия, следующие
²D + ²D ---> ³Т (1,01 МэВ) + H (3,02 МэВ) (V)
²D + ²D ---> ³He (0,82 МэВ) + n (2,45 МэВ) (VI)
Эти реакции следует учитывать в отношении генерирования трития (³T) и нейтронов (n) в металле.

Для измерения генерирования нейтронов в загруженной кристаллической решетке металла поток нейтронов от стержнеобразного палладиевого катода с диаметром в один миллиметр и длиной 10 см измерялся путем использования монитора Харвелла для определения эквивалента нейтронной дозы (тип 95/0949-5). Эффективность счета этого типа прибора со сферой Боннера в отношении нейтронов 2,5 МэВ, предполагалась около 2,4·10^-4. Далее, суммарная эффективность спектрометра в отношении геометрии используемой ячейки была очень слабая. Тем не менее, эти эксперименты по контролю уровней генерирования нейтронов в несколько раз выше превосходили фон на контрольном электроде.

Несколько основных экспериментов генерирования тепла было проведено для демонстрирования, что события генерирования нейтронов, происходящие в кристаллической решетке металла, также сопровождаются образованием избыточного энтальпического тепла, то есть тепла, превышающего энергию эквивалента джоулева тепла, используемой во время загрузки кристаллической решетки металла. Эксперименты были основаны на катодном восстановлении D₂O из жидкой фазы при почти комнатной температуре, используя плотности тока примерно между 0,8 и 70 мА/см². Атомы дейтерия уплотнялись в листообразном и стержнеобразном образцах палладиевого металла из растворов 0,1 (M) LiOD в 99,5% D₂O + 0,5% H₂O. Потенциалы электродов измерялись относительно Pd-D контрольного электрода, заряженного до равновесия фаз, как описано выше.

Применения.

A. Генератор нейтронного пучка.

На фиг. 11 схематично показан генератор 60 нейтронного пучка, выполненный согласно изобретению. Этот генератор включает в себя пакетный реактор 62, который генерирует нейтроны в соответствии с принципами изобретения, и коллиматор 64, который коллимирует нейтроны, полученные в реакторе для образования нейтронного пучка, обозначенного под позицией 61.

Когда источник изотопного водорода производит атомы и дейтерия, и трития, предполагается следующая реакция, протекающая в кристаллической решетке
²D + ³Т ---> ³Не (0,82 МэВ) + n(17,58 МэВ) (VII)
которая будет производить нейтроны с распределением энергии на уровне 17,5 МэВ.

Коллиматор, показанный на фиг. 12, является расширяющим коллиматором, предназначенным для формирования пучка нейтронов высокой энергии или тепловых нейтронов (если нейтроны термализованы для выхода из реактора или в самом коллиматоре).

Верхняя (по ходу потока нейтронов) секция 80 коллиматора образована из литого или механически обработанного алюминия и имеет отверстие 82 круглой формы, расположенное непосредственно у реактора. Заслонка 84 из (B₄C) используется для управления экспозицией. Внутренняя часть оправы футерована для защиты от нейтронов обкладкой 86 из кадмия или бора, типичная толщина которой менее 1 мм. Для использования при генерировании тепловых нейтронов эффективный материал для термализации нейтронов, такой как блок полиэтилена (не показан), может быть установлен между реактором и коллиматором или заключен в коллиматор.

Нижняя (по ходу потока нейтронов) секция 88 коллиматора выполнена из алюминия или ему подобного материала и имеет обкладку 90 из бора или свинца для содействия в подавлении гамма-лучей. Между секциями 80 и 88 установлен защитный кожух 92 фильтра, содержащий съемный фильтр 94, такой как висмутовый монокристаллический фильтр, для фильтрации гамма-лучей из нейтронного пучка.

Коллиматор и реактор могут быть погружены в бассейн, цементная стенка которого обозначена под позицией 96. Бассейн действует как нейтронная защита.

Опубликованная литература (такая как Коллиматоры для радиографии тепловыми нейтронами, Д.Ридель Паб. Ко. Бостон, МА, 1987), содержит необходимые подробности о конструкции коллиматоров нейтронных пучков. Коллиматор в устройстве также именуется как средство для коллимации.

Из вышесказанного можно видеть, как генератор нейтронных пучков реализуется с помощью заявленного изобретения. Источник нейтронов в генераторе является простым и недорогим, требующим (в одном варианте реализации) только электролитической системы для медленной загрузки кристаллической решетки металла атомами изотопного водорода. В противоположность традиционным радиоизотопным источникам нейтронов, источник может легко перезагружаться без манипулирования изотопами. Далее, проблемы безопасности и охраны здоровья, связанные с расщепляющимися изотопами, такими как полоний и радий, устраняются.

Хотя система имеет ограниченный выход потока нейтронов по сравнению с ядерным реактором или ускорителем частиц, нейтронный выход может селективно увеличиваться, например, путем увеличения числа и/или толщины, и/или химического потенциала металлических пластин (электродов) в реакторе. Далее, распределение энергии у нейтронов в пучке селективно изменяется от уровня тепловых нейтронов низкой энергии (или даже холодных нейтронов), образуемых в результате термализации пучка в соответствии с традиционными способами, примерно до 3,5 МэВ для реактора, загруженного дейтерием, и до 17,5 МэВ для кристаллической решетки металла, загруженной смесью атомов дейтерия и трития.

В. Нейтронная радиография.

Радиография является способом, с помощью которого получают затененное изображение "внутренности" материала мишени путем подвергания материала облучению пучком. Важный, связанный с материалом параметр в радиографии - это поперечное сечение захвата материала, которое показывает вероятность, что атом будет взаимодействовать с облучающим пучком, проходящим через материал. В случае рентгенографии (облучения рентгеновскими лучами), поперечное сечение элементов увеличивается с увеличением атомного веса так, что атомы с высоким молекулярным весом, такие как свинец, образуют эффективную защиту от проникновения радиации.

Наоборот, в нейтронной радиографии поперечное сечение поглощения нейтронов совершенно не зависит от размера ядра и, в частности, является относительно высоким для таких атомов, как водород, литий, бор и золото; и относительно низким для таких элементов, как алюминий, сера, углерод и кислород (Чрин Р.Е. Захват излучаемых нейтронов, Пергамон пресс, Нью-Йорк, 1984). Нейтронная радиография таким образом составляет уникальный способ для детектирования наличия элементов высокого поперечного сечения, таких как бор, в материале низкого поперечного сечения, или наоборот, присутствие материала низкого поперечного сечения, такого как углерод, в материале более высокого поперечного сечения.

На фиг. 12 схематично показано устройство 100, предназначенное для нейтронной радиографии в соответствии с одним вариантом реализации изобретения. Устройство включает в себя реактор 102 с загруженным металлом для производства нейтронов высоких энергий, коллиматор 104 для коллимации нейтронов в нейтронный пучок, обозначенный под позицией 106, и камеру 108 детектора, где происходит радиография материала образца 110.

В реакторе и коллиматоре используются общие конструктивные признаки патентуемого изобретения, изложенные в разделе IIA выше. В то время, как в обычном случае энергия нейтронного пучка находится в диапазоне энергии тепловых нейтронов, нейтроны могут быть термализованы в коллиматоре или до поступления в коллиматор с помощью обычного средства, например, при проходе через полиэтиленовый блок.

Камера для образца в устройстве включает в себя соответствующее опорное средство (не показано) для поддерживания образца или материала мишени в положении, при котором пучок направляется на образец. В камере также находится лист пленки 112, на котором регистрируется радиографическое изображение образца, и преобразователь 114, из которого воздействующие на пленку частицы, например бета-частицы, излучаются, когда поверхность преобразователя бомбардируется нейтронами. Преобразователь предпочтительно устанавливается в прямом контакте с пленкой и образован из тонкой гадолиниевой пленки или аналогичного материала, способного излучать воздействующие на пленку частицы в ответ на нейтронную бомбардировку. Пленка и преобразователь также именуются совместно как регистрирующее средство. Различные типы регистрирующих средств, используемых в нейтронной радиографии, описаны (например, Математика и физика нейтронной радиографии, Д.Рейдель Паблишинг Ко., Бостон, Масс. , 1986).

Устройство может использоваться в разнообразных радиографических применениях на базе нейтронов тепловых и высоких энергий, как описано в книге (Шофильд, Нейтрон и его применения, Института физики, Лондон, Англия, 1983), в частности, в отношении структурного анализа взрывных устройств, механических сборок и лопастей турбин самолетов.

С. Дифракция нейтронов.

Дифракция нейтронов дает информацию о положениях и движениях ядер в кристаллическом или поликристаллическом материале по рассеянию пучка нейтронов на ядрах материала образца. Способ отличается от дифракции рентгеновских лучей или способов кристаллографии, в которых центрами рассеяния пучка рентгеновских лучей являются электронные облака. Так как нейтронный пучок зависит от событий рассеяния, включающих в себя рассеяние на ядрах, может быть получена обширная информация, которую невозможно получить посредством дифракции рентгеновских лучей.

Во-первых, поскольку поперечное сечение рассеяния ядра не зависит от атомного номера определенным образом (см. выше), изображение плотности ядер, которое образуется при облучении образца дифракции, может обозначить расположение более легких атомов, например атомов водорода, которое не видно на изображении электронной плотности.

Во-вторых, данный способ способен различать и локализовать места изотопных атомов, потому что ядра разных изотопов одного и того же атома могут рассеивать нейтроны совершенно по разному. Таким образом, способ, в частности, полезен для кристаллографического анализа образцов, в которых произведены специфические изотопные замены. Например, анализ трехмерной структуры сложных макромолекуляров, таких как белки, может быть упрощен путем замены дейтерием или тритием в выбранных местах аминокислоты, чтобы определить положение этих мест в образце дифракции.

Наконец, дифракция нейтронного пучка имеет способность детектировать параметрические центры рассеяния благодаря дополнительному нейтронному рассеянию из-за взаимодействия магнитного момента атома с магнитным моментом нейтрона. Это дает возможность исследовать магнитные структуры, которые несут ответственность за интересные магнитные свойства образца, такие как ферромагнетизм, антиферромагнетизм и гелимагнетизм.

На фиг. 13 показано схематично устройство 120 для использования при анализе с помощью нейтронного пучка материала образца. В этом устройстве нейтроны, образованные нейтронным реактором 122, и коллимированные коллиматором 124, направляются на монокристаллический монохроматор 126. Кристалл монохроматора функционирует для отражения тех нейтронов, которые имеют конкретную длину волны и поэтому энергию, чтобы производить отраженный выходной пучок, имеющий выбранный диапазон нейтронных энергий. Конструкция реактора и коллиматора описана выше. Коллиматор предпочтительно предназначен производить узкий пучок с расширением, например, в пределах ±0,5^o.

Монохроматизированный пучок направляется на материал образца 130, производя рассеянный пучок, интенсивность которого при разных углах рассеяния связана с кристаллической структурой и атомной композицией образца, как сказано выше. Распределение рассеянных нейтронов измеряется с помощью вращающегося детектора или детекторного средства 132, предназначенного измерять интенсивность нейтронного пучка в диапазоне большого угла рассеяния, как показано на фиг.13. Нейтронный детектор предпочтительно является цилиндрическим счетчиком, наполненным газом BF₃ в соответствии с обычной конструкцией нейтронного детектора (Бекон Г. Е. Физика нейтронов, Вайкхам Пабликейшнс, Лондон, 1989).

Устройство может использоваться в разнообразных областях, использующих нейтронное рассеяние, например, для определения атомной и молекулярной структуры органических и биоорганических молекул, для исследования статических и динамических аспектов молекулярного беспорядка и фазовых переходов в молекулярных системах.

D. Захват излучаемых нейтронов.

Захват излучаемых нейтронов включает в себя соударение нейтронов с ядрами мишени с образованием либо радиоактивного, либо очень краткосрочно существующего ядра соединения. Если нейтронное соударение образует радиоактивность, т. е. процессы эмиссии с измеряемым периодом полураспада, природа ядер, способных поглощать нейтроны, может определяться путем измерения эмиссии гамма-лучей и/или альфа- или бета-частиц и согласования их со спектрами и/или характеристиками эмиссии частиц известных образцов. Этот способ известен как анализ нейтронной активации и широко используется для определения элементов или соединений, присутствующих в материале образца.

Если во время жизни событий излучения нейтронов порядка от 10^-16 до 10^-18 или меньше, природа материала образца определяется из спектра гамма-лучей материала. Этот прием иногда именуется как анализ гамма-лучей быстрой эмиссии. Быстрый эмиссионный способ является дополнительным к анализу активации нейтронов в связи с тем, что многие элементы мишени не образуют стабильные радиоактивные изотопы в результате нейтронной бомбардировки. Быстрый эмиссионный способ также имеет преимущество в том, что он является мгновенным, неразрушающим и образует остаточную активность, величиной которой можно пренебречь (см. ссылку 1).

На фиг. 14 схематично показано устройство 140 для использования в анализе быстрого захвата излучаемых нейтронов материала образца. В этом устройстве нейтроны, образованные нейтронным реактором 142, и коллимированные коллиматором 144, направляются на материал образца 146 в камере 148 образца. Конструкция реактора и коллиматора была описана выше. Нейтроны, образованные реактором либо выше (по ходу потока нейтронов), либо в самом коллиматоре, могут быть термолизованы и/или монохроматизированы посредством способов, изложенных выше.

Гамма-спектр, произведенный в образце, измерялся обычным гамма-детектором или детектирующим средством 150, например, типа твердотельного германиевого детектора. Для способов захвата медленно излучаемых нейтронов устройство может быть модифицировано для детектирования радиоактивных частиц распада, например, путем добавления сцинтилляционных детекторов для детектирования альфа- и бета-частиц.

Устройство имеет широкий диапазон аналитических применений, включая анализ изотопного материала, музейных или археологических образцов, прецизионное детектирование загрязняющих веществ окружающей среды, обнаружение взрывчатых материалов для безопасности аэропорта, третейский анализ и медицинский диагноз.

Хотя эта часть изобретения описана со ссылкой на конкретные варианты реализации конструкции и применений, специалистам в этой области техники должно быть понятно, что разные изменения и модификации могут иметь место без отклонения от изобретения. В частности, очевидно, что генератор нейтронного пучка может иметь применения за пределами элементного и кристаллографического анализа, например, в медицине для лечения злокачественных опухолей с помощью пучка нейтронов высокой энергии.

Раздел III.

Подробный анализ образования энтальпического тепла.

Изобретение касается нового явления, заключающегося в том, что дейтероны, высоко уплотненные в результате катодной поляризации в палладиевой кристаллической решетке, генерируют энтальпию больше той, которая может быть приписана общей энтальпии в электролитической реакции
2D₂O ---> 2D₂ + O₂ (I)
Величина избыточной энтальпии была такой большой (типично 1 - 20 Вт·см^-3 для электродного объема, поддерживаемого в течение периодов 100 ч, т.е. создается 0,36 - 7,2 МДж·см^-3 в течение циклов измерения), что это невозможно было приписать какому-либо химическому процессу [1,2].

Наиболее удивительное отличие этих результатов (исключая тот факт, что ядерные процессы могут инициироваться этим способом) заключается в том, что высвобождение энтальпии явно не связано с любой из хорошо известных реакций ядерного синтеза [3]
²D + ²D ---> ³T (1,01 МэВ) + ¹H (3,02 МэВ) (II)
²D + ²D ---> ³Не (0,81 МэВ) + n (2,45 МэВ) (III)
которые имеют самые высокие (и примерно равные) поперечные сечения известных типов реакций дейтеронов с высокой энергией. Хотя были зафиксированы низкие уровни трития и достаточно нейтронов [1], высвобождение энтальпии было в основном таким, которое не было связано ни с нейтронами, ни с тритонами. В других приведенных работах указывается, что основной процесс с участием трития также может быть связан с этим [4 - 8].

Последовательные серии измерений, которые были проведены, показали, что необходимо проводить много экспериментов на значительном числе электродов и в течение длительных периодов времени (средняя длительность, выбранная для цикла измерения, была 3 мес). Поэтому было необходимо адаптировать дешевую конструкцию калориметра: некоторые обоснования выбора однокамерной ячейки типа сосуда Дьюара, показанного на фиг.15, приведены ниже.

Все измерения, проведенные в этом разделе, были проведены с палладиевым стержнем диаметром 0,1, 0,2, 0,4 и 0,8 см, а также платиновым стержнем диаметром 0,1 см в качестве электродов. Палладиевые электроды (Джонсон Маттей, PC) были образованы из трех отдельных партий материала, типичные характеристики которых приведены в табл. III-1.

Номера партий (композиций) использованного палладия указаны в результатах, приведенных ниже. Более подробно ячейка 200, являющаяся согласно настоящему изобретению сосудом типа Дьюара, показана на фиг.15.

В этой ячейке палладиевый электрод 212 приварен к палладиевому выводу 214 диаметром 0,05 см, и этот вывод 214 (также как 216 платинового анода 218) был покрыт защитной оболочкой из стекла 220, чтобы избежать любой возможности рекомбинации дейтерия и кислорода в зоне газового объема 222 ячейки 200. Платиновый (Джонсон Маттей, 99,9%) спиральный анод 218 был плотно обвит с близким расположением витков на остове 224 стеклянных стержней, окружающих катод 212. Электроды 212, 218 удерживались на месте посредством глубокой Кель-Ф-заглушки и Кель-Ф-прокладки в нижней части ячейки 200. Конфигурация анода и катода обеспечивала установление однородного потенциала на поверхности катода 212. Это обеспечивало равномерные и высокие уровни зарядки катода 212.

Измерения температуры проводились с помощью специально калиброванных термисторов 232 (термометрические сверхстабильные термопары 10 кОм, стабильность в год ±0,02). Ячейка 200 калибровалась в течение каждого цикла измерения при использовании резистивного нагревательного элемента 234 (Ди-Джи-кей ±1% точности цепочек резистора, выполненных из металлической пленки, с сопротивлением 5х20 0м, тепловая стабильность лучше, чем 100 ppm/^oC). Соединения 236 с этими элементами 234 (а также с другими компонентами, такими как термисторы 232 и контрольные электроды 237 с контрольным соединением 235, включенными в специальные ячейки) были выполнены посредством верхних Кель-Ф-заглушек 238, которые также содержали наполняющую трубку 240 и выход газа. Заглушка 238 затем герметизировалась на ячейке 200 с помощью "Парафильма".

Ячейка 200 поддерживалась в специально выполненных водяных банях, перемешивание в которых производилось посредством мешалок/регуляторов "Техне Темпюнит Tu-16A". Две или более водяных бань, каждая из которых содержала до пяти ячеек Дьюара 200, поддерживались таким образом, что от 8 до 12 ячеек могли функционировать одновременно. Результаты, представленные в этом разделе, основаны примерно на 54 полных экспериментах и 360 калибровок ячеек. Установлено, что температура бани на глубинах более 0,5 см ниже поверхности водяной бани могла поддерживаться лучше, чем ±0,01^o установленной температуры (которая была около 303,13 К), при этом обеспечивалась возможность свободного испарения с поверхности воды.

Постоянная температура поддерживалась во всем объеме бани. Уровень в каждой водяной бане поддерживался постоянным посредством непрерывной подачи с помощью насоса дозиметра, соединенного со второй термостатической водяной баней.

Минимальный ток, использованный во всех приведенных здесь экспериментах, был 200 мА и было установлено, что ячейки могли использоваться при токах до 800 мА с 0,1 (M) LiOD в качестве электролита. С электролитами 0,1 (М) LiOD + 0,5 (M) Li₂SO₄ или 1 (M) Li₂SO₄ могли использоваться такие высокие токи, как 1600 мА из-за более низкого джоулева тепловыделения в этих растворах.

Процесс смешивания в калориметрах для этих пределов тока определялся путем использования инжекции красителя в сочетании с видеозаписью. Радиальное смешивание оказалось очень быстрым (период времени менее 3 с), тогда как осевое смешивание отнимало примерно 20 с времени при самых низких используемых токах. Так как время тепловой релаксации калориметров было примерно 1600 с, калориметры могли рассматриваться как хорошие смешиватели. Ввиду высокой степени смешивания и аксиально однородной инжекции тепла, максимальное изменение температуры в калориметрах было определено как 0,01^o за исключением зоны контакта с нижними Кель-Ф-прокладками, где изменение достигало 0,02^o. Эти распределения температуры определялись путем использования ячеек, которые содержали 5 термисторов, которые могли перемещаться в радиальном и осевом направлениях.

Все приведенные здесь измерения проводились гальваностатически, используя стабилизаторы напряжения модели Т2101 фирмы "ХиТек инструменто", соединенные как гальваностаты. Используемая обратная связь схемы (фиг.16) обеспечивала общую защиту от колебаний. Выходы гальваностата далее контролировались регулярно для проверки колебаний (не обнаружено во всей этой работе) и уровня фона (при 60 и 120 Гц менее 0,04% токов источника постоянного тока).

Измерения свыше 800 мА проводились с использованием схемы, показанной на фиг.17, это обеспечивало распространение высокой степени стабилизации, достигаемой с помощью гальваностата, на значительно более высокие уровни тока (измерения при уровнях тока до 25000 мА и использование других типов калориметров также проводилось). Электроды заряжались при 4 мА·см^-2 в течение более 5 периодов или циклов диффузионной релаксации. Затем применялись другие плотности тока, как указано в сообщенных результатах. Приведенные здесь данные были получены после периода с длительностью свыше 5 последних периодов диффузионной релаксации.

Коэффициенты теплопередачи определялись ежедневно (в специальных экспериментах каждые 9 ч), используя гальваностаты для возбуждения резистивных нагревательных элементов. Принятая схема измерения была следующей: объемы электролита ячейки пополнялись каждые 12, 24 или 48 ч в экспериментах с использованием токов в диапазоне 800 - 1600, 400 - 800 и 200 - 400 мА, соответственно, относительно установленной метки; предоставлялась возможность для уравновешивания температуры ячеек в течение 3 ч (более 6 периодов тепловой релаксации); джоулево тепло затем прикладывалось в течение 36 ч с помощью резистивных нагревателей, при этом входной ток от гальваностатов регулировался таким образом, что конечное повышение температуры по наклонной базовой линии было около 2^o. Температура ячейки, напряжения ячейки, температуры бани и, если это необходимо, напряжения нагревателей контролировались каждые 5 минут при использовании мультипроцессоров ММ модели 199 Кейтлея для ввода данных в компьютеры модели Compaq Deskpro 386, 16 МГц. Примеры таких измерений в двух разных экспериментах в трех разных периодах времени показаны на фиг. 19 - 28. Схемы измерения поддерживались разомкнутыми за исключением периодов фактической операции получения измерения (при измерении напряжения предоставлялась возможность стабилизировать параметр в течение 2 с перед снятием измерения, сопротивлениям термисторов предоставлялась возможность стабилизироваться в течение 8 с перед операцией измерения). Данные измерений визуально отображались на дисплее в реальном масштабе времени, а также записывались на диски. Изменения в этих операциях для специальных экспериментов приведены ниже.

Эксперименты при низких и средних плотностях тока проводились с использованием электрода длиной 10 см, для более высоких плотностей тока длины электродов уменьшались на 1,25 см и зазор обмотки анода уменьшался для обеспечения равномерного распределения тока, такие укороченные электроды помещались на дно ячейки Дьюара, чтобы обеспечить адекватное перемешивание.

Эксперименты проводились с использованием D₂O (Кебридж изотоп, 99,9% изотопной чистоты); 0,1 (M) LiOD приготавливалось путем добавления металла-Li (А.Д. Маккей, ⁶Li/⁷Li = 1/9) в D₂O; 0,1 (M) LiOD + 0,5(М) Li₂SO₄ и 1 (M) Li₂SO были приготовлены путем добавления высушенной соли Li₂SO₄ (Альдрих, 99,9%, безводный ⁶Li/⁷Li = 1/11) в 0,1 (M) LiOD и D₂O соответственно. Содержание легкой воды в ячейке контролировалось посредством NMP и никогда не поднималось выше 0,5%. Взятые пробные образцы для анализа HDO и трития были образованы путем использования соответствующих электролитов. Одна ванна электролита использовалась в любой из приведенных экспериментальных серий.

Нормальные потери из-за электролиза (и испарения при высоких температурах ячейки) устранялись путем добавления D₂O.

Эффективность тока для электролизов согласно реакции (I) определялась путем измерения общих скоростей выделения газа из ячеек. Неожиданно эти эффективности были выше, чем 99%, как показано путем регистрации добавок D₂O. Такие высокие эффективности тока теперь также описываются в других работах [II] . Высокие величины можно понять с точки зрения ингибирования окисления D₂ на аноде в результате образования Pt-оксида и в результате экстенсивной дегазации содержания кислорода в электролите в области катода путем удаления D₂. Эти высокие эффективности тока значительно упрощают анализ экспериментальных данных посредством модели "черного ящика", которая кратко описывается ниже.

Модели "черного ящика" для калориметра.

Как и в случае всех остальных физико-химических и технических устройств, оценка данных с помощью электрохимических калориметров типа Дьюара требует конструкции, основанной на точных моделях "черного ящика". Предпочитаемый способ анализа данных основан на создании модели по экспериментальным данным, используя анализ нелинейности регрессии.

Калориметрия для модели должна быть предпочтительно основана на соответствующем наборе заготовок, на соответственно выполненных и герметизированных ячейках, тщательно спланированном анализе данных, включая способы нелинейной регрессии. Модель должна тщательно учитывать все компоненты теплопередачи, включая электрический вход энтальпии, калибровочный тепловой вход, тепловой вход для пополнения потерь электролита из-за электролиза и испарения, тепловой поток от ячейки в результате излучения и теплопроводности, теплопередача от ячейки по причине латентного тепла испарения D₂O, тепловые потери энтальпии, происходящие в газовом потоке (например, D₂, О₂ и D₂O), тепло, генерируемое при рекомбинации D₂ и O₂ (если имеет место), и любое избыточное тепло, генерируемое в ячейке. Далее, следует учитывать изменение температуры в ячейке в зависимости от времени из-за изменения состава вещества в ячейке. Первостепенное внимание должно быть также уделено точной стабильности температуры внешней ванны и атмосферы. Особенно тщательный выбор должен быть также произведен в отношении контрольно-измерительной аппаратуры и устройств измерения температуры, таких как термисторы, элементы нагревателей, омметры, вольтметры, циркуляторы ванн, стабилизаторы напряжения, мультиплексоры и средства обработки данных.

Результаты.

Избыточная энтальпия при использовании палладиевых стержнеобразных электродов в растворах D₂O.

Итог результатов, полученных при использовании стержнеобразных электродов диаметром 0,1, 0,2 и 0,4 см, приведены в табл. III-3, тогда как соответствующие результаты в отношении других экспериментов приведены в табл. III- A6-1.

В табл. III-3 приведены периоды времени, протекшие от начала конкретного эксперимента, плотность тока, напряжение ячейки, вход энтальпии, избыточная энтальпия Qf и избыточная энтальпия на единицу объема. Производные величины в таблице были получены методом апроксимации анализа данных и точной подгонкой при использовании конструкции типа "черного ящика", кратко здесь изложенного. Оценки ошибок ограничивались данными, полученными для упомянутого метода. Данные приведены в отношении трех электролитов. Номера партий (составов) конкретных электродов также указываются. Измерения производились по мере возможности, когда достигалось стабильное состояние генерирования избыточной энтальпии. Однако это было невозможно в отношении некоторых электродов при самых высоких используемых плотностях тока, потому что ячейки часто доводились до точки кипения. Величины, приведенные в отношении этих случаев, применяются в периодах времени непосредственно перед быстрым увеличением температуры ячейки (см. раздел "Пики энтальпии").

Все измерения проводились в одной и той же партии (составе) D₂O изотопной чистоты 99,9%. Все измерения в J или M проводились с марта 1989 года [2].

Величины номиналов генерирования избыточной энтальпии, приведенные в табл. III-3, являются нижними пределами, потому что способ вычисления и игнорирование латентного тепла испарения ведут к недооценке Qf. Имеется другой фактор, который ведет к дополнительной недооценке Qf: растворение в электродах изотопных атомов является экзотермическим и поэтому наклон основной линии (графической) вызывает снижение растворимости со временем и, тем самым, поглощение тепла. Этот фактор трудно определить количественно, так как содержание дейтерия в кристаллической решетке не будет находиться в равновесии при любом значении температуры ячейки. Поэтому мы пренебрегали всеми факторами, которые будут давать небольшие положительные коррекции в отношении производных величин избыточной энтальпии. Из этих коррекций, упомянутых выше, коррекции, связанные с систематической недооценкой выхода из ячейки, являются наиболее значительными.

Контрольные (слепые) эксперименты.

В табл. III-4 приведены результаты разных контрольных экспериментов: измерения с использованием палладиевых электродов в легкой воде (H₂O) платиновых электродов в легкой и тяжелой воде, и измерения с использованием палладиевых электродов диаметром 0,8 см в тяжелой воде. Можно видеть, что большинство этих экспериментов показали небольшие отрицательные величины в отношении избыточной энтальпии. Эти отрицательные величины свойственны, как предполагается, системам, дающим тепловой баланс в соответствии с электролитической реакцией (I) или соответствующей реакцией для легкой воды, так как способ вычисления и пренебрежение выходом энтальпии из ячейки по причине испарения ведет к недооценке потоков тепла из ячейки.

Временная зависимость явлений: "Пики в энтальпии".

На фиг. 30 - 33 приведены примеры графиков температуры-времени и общего потенциала-времени в экспериментах, которые показывают значительное увеличение выходов тепла, тогда как на фиг.34 и 35 приведены производные номиналы выделения удельной избыточной энтальпии. На фиг. 36 и 37 приведена временная зависимость общих удельных избыточных энтальпий для соответствующих секций экспериментальных данных. Из этих временных зависимостей следует ряд временных зависимостей: во-первых, скорости генерирования избыточной энтальпии увеличиваются медленно со временем, во-вторых, пики (максимумы) в образовании избыточной энтальпии накладываются на медленное увеличение или генерирование стабильного состояния энтальпии. Эти пики происходят в непредсказуемые времена и непредсказуемой длительностью. После таких пиков образование избыточной энтальпии возвращается к величине базовой линии, которая может быть выше, чем непосредственно перед инициированием пика. В- третьих, было установлено, что ячейки часто нагреваются до точки кипения (см., например, фиг.38). Скорость образования энтальпии должна становиться исключительно большой при этих условиях, так как доминирующий режим теплопередачи является теперь латентным теплом испарения. Однако невозможно на этой стадии сделать количественные оценки выхода тепла, так как ячейки и контрольно-измерительные приборы не соответствуют для вывода оценок при этих условиях.

Следует также отметить, что хотя потенциал ячейки первоначально снижается (согласно с ситуацией в отношении пиков), обычно имеет место изменение в сторону увеличения потенциала со временем, когда ячейки нагреваются до точки кипения вероятно из-за потери электролита при его разбрызгивании из ячейки.

Достижение кипения может быть связано с пиком производства энтальпии или с увеличением базового уровня производительности. В результате осуществления непрерывности экспериментов (или по крайней мере снижения плотности тока), когда достигалась точка кипения, данные процессы еще не могли различаться. Причины для этого следующие: растворение D в Pd является экзотермическим при этих условиях, быстрые повышения температуры поэтому должны сопровождаться заметным увеличением химического потенциала (фугативностью) за счет растворенного D+, так как химическое равновесие не может быть установлено путем относительно медленных процессов диффузионной релаксации. Следует избегать таких условий при настоящей стадии научных поисков, так как они могут привести к неуправляемому выбросу энергии. Следует обратить внимание на тот факт, что быстрое увеличение температуры сопровождается заметным увеличением скорости генерирования трития. Другие аспекты явления пиков относятся к разделу "Обсуждение", приведенному ниже.

Обсуждение.

Результаты в отношении генерирования избыточной энтальпии, представленные в табл. III-3, показывают, что очень точные величины тепловых потоков могут быть получены посредством простой адаптированной калориметрической техники. Основанием для этой высокой точности является очень большое количество полученных данных, которые составляют ~1000 измерений графика профилей температуры-времени многоячеистой структуры, которые использовались для определения четырех параметров модели "черного ящика". Пятый параметр определялся отдельно от графика профиля напряжения-времени измеряемой ячейки. Это указание о точности применяется к случайным ошибкам, но следует снова подчеркнуть, что способ вычисления ведет к системной недооценке, которая однако может быть легко скорректирована.

Эти сведения о точности исходят из контрольных экспериментов. В табл. III-4 показано, что калориметрический способ, адаптированный в этих экспериментах, дает удовлетворительные тепловые балансы в отношении электролиза в соответствии с реакцией (I) или в отношении реакции
2H₂O ---> 2H₂O + O₂ (IV)
в отношении широкого диапазона условий и систем. Эксперименты на палладиевых электродах диаметром 0,8 см в D₂O рассматриваются как наиболее значительные контрольные результаты. Вместе с рядом других исследований мы также провели эксперименты на системе Pd, которая дает нулевую избыточную энтальпию. Генерирование избыточной энтальпии на электродах диаметром 0,8 см теперь достигается путем использования недавно полученного состава электродного материала. Значительное генерирование избыточной энтальпии в случае таких экспериментов, которые приведены в табл. III-3, должны рассматриваться в свете контрольных экспериментов. Генерирование удельной избыточной энтальпии может достигать скоростей таких высоких, как 100 Вт·см^-3. Это примерно в пять раз выше, чем самая высокая величина, достигнутая в недавнем исследовании с использованием калориметрии Сибека [10]. Величины избыточной энтальпии, приведенные в табл. III-3, также широко согласуются с результатами, содержащимися в ряде других сообщений (например, [9], см. при сравнимых экспериментальных условиях).

Следует отметить, что настоящие данные подтверждают мнение о связи генерирования энтальпии "стабильного состояния" с процессом или процессами в массе электродов, хотя это утверждение не выглядит проливающим свет как и утверждение на основании результатов, содержащихся в предварительной публикации [1]. Представленные здесь данные показывают, что скорости производства избыточной энтальпии значительно увеличиваются с увеличением плотности тока (см. фиг.39 - скорость увеличения по крайней мере порядка I²), так что процесс имеет внешний вид порогового явления. Необходимы эксперименты более высокой точности при низких плотностях тока, чтобы решить действительно ли это так, и, если да, каково пороговое значение плотности тока или потенциала. При самых высоких плотностях тока нет различимой систематической разности между данными в отношении разных партий (составов) электродов и электролитов, используемых в этих экспериментах. Разброс в результате относительно небольшой при этих высоких плотностях тока, но этот разброс становится большим при снижении до промежуточной плотности тока. Вероятно, что этот разброс связан с различиями в материале электрода и/или в растворе, но возможно также, что содержание дейтеронов в кристаллической решетке более чувствительно к условиям на поверхности измерения при снижении до промежуточных плотностей тока. Отсутствие генерирования избыточной энтальпии в случае электродов диаметром 0,8 см, взятых из партии 1 (по составу), явно указывает на важность условий изготовления образцов для определения Qf. Следует отметить, что большинство исследований, известных на сегодня, проводились при относительно низких плотностях тока, что должно учитываться в отношении изменений результатов. Далее, калориметрические устройства и способы оценки данных, адаптированные во многих этих исследованиях, не дают возможности точного измерения низких величин избыточной энтальпии.

Сообщения в отношении величин суммарного избытка различные, так как они зависят от длительности конкретного эксперимента (измерения, показывающие избытки -50 МДж·см^-3, проводятся в настоящее время). Итоговые удельные избыточные энтальпии при пиках энтальпии возможно лучше определяются количественными значениями. На фиг.35, 37, 38 приведены данные в отношении самого большого пика, наблюдаемого до сегодняшнего дня, и представляют интерес тем, что суммарная энтальпия в пиках также значительно выше величин, которые могут быть приписаны любым химическим реакциям. Далее, из этих пиков видно, что скорости образования энтальпии до 17-и раз (уровни плато) и 40-а раз (величины пиков) больше общих входов энтальпии в ячейки. Как сказано ранее [1] , использование энергетических эффективных систем также дает возможность конструировать эффективные системы генерирования тепла даже, если генерирование избыточной энтальпии было ограничено до величин базовой линии согласно табл. III-3.

Список литературы для раздела III (включая в качестве прототипа)
1. Флейшман М. и др. Электроаналитическая химия, 1989, 261, 301.

2. Кайнтла Р.К. и др. Жур. Водородная энергия, 1989, 14, 771.

3. Олифант М.Л. и др. Природа, 1934, 133, 413.

4. Пакхам Р.Дж. и др. Электроаналитическая химия, 1989, 270, 451.

5. Вольф К.Д. и др. Протоколы рабочей группы по явлениям холодного синтеза, Санта-фе Н.M., 23 - 25 мая 1989 года, представленные в Технику ядерного синтеза.

6. Штормс Е. и др. Протоколы рабочей группы по явлениям холодного синтеза, Санта-фе Н.М., США, 23 - 25 мая 1989.

7. Янгар П.К., Пятая международная конференция по появившимся системам ядерной энергии, Кай, Зап.Германия, 3 - 6 июля 1989 г.

8. Кришнан М.С. и др., передано в "Технику ядерного синтеза".

9. Адзик Р. и др. Электрохимическая научная ежегодная конференция, 30 - 31 октября 1989 г, Кливленд, ОН, в процессе издания.

10. Ориани Р.А. и др. 176-е собрание электрохимического общества, Голливуд, ФЛ., США, октябрь 1989 года, представлено в издание "Природа".

11. Вильямс Д.Е. и др. Природа, 1989, 342, 375.

Формула изобретения

1. Способ генерирования тепла, включающий стадии: создание источника изотопных водородных атомов; создание решетчатого материала, способного растворять изотопные водородные атомы и имеющего кристаллическую структуру, удерживающую с достижением высоких концентраций изотопные водородные атомы, сжимаемые в решетчатом материале при сохранении целостности кристаллической структуры; контактирование решетчатого материала с изотопными водородными атомами из источника изотопных водородных атомов, отличающийся тем, что подводят энергию для создания потока изотопных водородных атомов от источника в решетчатый материал и при этом сжимают изотопные атомы водорода в решетчатом материале, сохраняя целостность структуры решетчатого материала при сжатии, до достижения предварительно заданного условия, при котором генерируют избыточное тепло за счет взаимодействия изотопных водородных атомов и решетчатого материала, причем предварительно заданное условие задает химический потенциал решетчатого материала, превышающий пороговую величину, при которой и выше которой имеет место избыточное тепловыделение, и концентрацию изотопных атомов водорода в кристаллической решетке, превышающую концентрацию атомов водорода в гидриде материала, уравновешенную при нормальном давлении (1 бар при 273 К), а избыточное тепло определяют как выделенное тепло, которое превышает использованный для растворения изотопного водорода в решетчатом материале джоулев тепловой эквивалент.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно получают по меньшей мере одну поверхность у решетчатого материала для контактирования с изотопным водородом, причем такую, что поверхность обладает поверхностными свойствами, обеспечивающими перенос атомарного изотопного водорода.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что производят абразивную обработку поверхности после литья или отжига.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что отводят по меньшей мере часть обычного водорода, присутствующего на поверхности решетчатого материала, до этапа контактирования.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что применяют жидкий источник изотопного водорода.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что применяют источник в виде электролитической жидкости.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что применяют жидкий источник в виде водного раствора, причем водный раствор содержит по меньшей мере один смешиваемый с водой компонент, являющийся растворителем изотопного водорода.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что компонент, являющийся растворителем изотопного водорода, представляет собой дейтерированную воду.

9. Способ по п. 4, отличающийся тем, что заряжают решетчатый материал посредством электролитической компрессии.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что прикладывают переменное напряжение к решетчатому материалу.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что проводят селективное регулирование напряжения до величины первого напряжения, устанавливающей первоначальный заряд у решетчатого материала при первом токовом уровне для достижения первого уровня изотопной водородной концентрации, и снова регулируют напряжение до величины второго напряжения, устанавливающей заряд и тем самым заряжающей решетчатый материал при втором токовом уровне для достижения второго уровня изотопной водородной концентрации.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно превращают тепло, генерированное в устройстве и выделяемое им, в работу.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что для решетчатого материала применяют материал, выбранный из группы материалов, содержащей палладий, железо, кобальт, никель, рутений, родий, цирконий, гафний и их сплавы.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавляют радиоизотопные атомы в виде части решетчатого материала.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавляют к решетчатому материалу атомы, испускающие под воздействием нейтронов лучи или частицы с высокой энергией.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что решетчатый материал возбуждают лучами или частицами с высокой энергией.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что для образования изотопных водородных атомов применяют дейтерий.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что для образования изотопных водородных атомов применяют тритий.

19. Способ по п.4, отличающийся тем, что применяют электрически проводящий решетчатый материал.

20. Способ по п.4, отличающийся тем, что размещают источник и решетчатый материал в контейнере.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что захватывают газообразные электролитические продукты и рекомбинируют продукты в жидкую форму с высвобождением тепла и понижением давления.

22. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют отравление каталитических веществ и процессов на поверхности для предотвращения взаимодействия связанных поверхностью изотопных водородных атомов с изотопной водой, сопровождающегося образованием изотопного водородного газа.

23. Способ по п.1, отличающийся тем, что применяют расплавленный металлический изотопный гидрид, находящийся в контакте с решетчатым материалом.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что нагревают изотопный гидрид для ускорения миграции изотопного гидрида в решетчатый материал.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что периодически подводят энергию для нагревания расплавленного металлического изотопного гидрида для переноса изотопного водорода в решетчатый материал.

26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что отводят энергию после ее подвода на время менее 1 мкс, в течение которого происходит перенос изотопного водорода до по меньшей мере пороговой величины химического потенциала.

27. Способ по п.25, отличающийся тем, что периодически подводят энергию от лазера.

28. Способ по п.25, отличающийся тем, что осуществляют электролитическую зарядку.

29. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для образования решетчатого материала применяют палладий.

30. Способ по п.29, отличающийся тем, что производят сжатие изотопного водорода в решетчатом материале до состояния, при котором превышение химического потенциала над химическим потенциалом данного решетчатого материала, уравновешенного с источником при температуре и давлении, соответствующих нормальным условиям, составляет 0,5 эВ.

31. Способ по п.1, отличающийся тем, что отводят генерируемое тепло через теплоотводы.

32. Способ по п.1, отличающийся тем, что отводят генерируемое тепло через теплопроводную жидкость.

33. Способ по п.1, отличающийся тем, что для образования решетчатого материала выбирают материал подложки и наносят тонкую пленку решетчатого материала на подложку.

34. Способ по п.33, отличающийся тем, что подбирают материал подложки с такими свойствами, которые при нанесении на него тонкой пленки создают на его поверхности маску для эффективного действия в качестве решетчатого материала.

35. Способ по п.34, отличающийся тем, что наносят тонкую пленку с толщиной на подложку.

36. Устройство генерирования тепла, содержащее источник изотопных водородных атомов, решетчатый материал, обладающий кристаллической структурой и способный растворять изотопные водородные атомы, теплоотвод для отвода тепла от решетчатого материала и теплопотребляющее устройство, отличающееся тем, что содержит средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов в решетчатом материале в количестве, при котором оказывается превышенным предварительно установленный химический потенциал в условиях сохранения целостности кристаллической структуры, причем упомянутый химический потенциал является химическим потенциалом, при котором и выше которого имеет место избыточное тепло, а концентрация изотопных атомов водорода в кристаллической решетке материала должна превышать концентрацию атомов водорода в гидриде материала, уравновешенную при нормальном давлении (1 бар при 273 К), причем под избыточным теплом понимается генерирование тепла, величина которого превышает использованный для растворения изотопного водорода в решетчатом материале джоулев тепловой эквивалент.

37. Устройство по п.36, отличающееся тем, что оно содержит дополнительно контейнер, в котором размещены источник изотопных водородных атомов, решетчатый материал и по крайней мере часть средства для накопления и сжатия изотопных водородных атомов.

38. Устройство по п.36, отличающееся тем, что средство для накопления и сжатия изотопных водородных атомов содержит средства для наложения электрического поля поперек упомянутого решетчатого материала.

39. Устройство по п.36, отличающееся тем, что оно дополнительно включает в себя теплоизлучающие радиаторы, термически связанные с решетчатым материалом.

40. Устройство по п. 36, отличающееся тем, что теплопотребляющее устройство содержит средства для генерирования электричества, произведенного из генерированного устройством тепла.

41. Устройство по п.36, отличающееся тем, что решетчатый материал содержит по меньшей мере один металлический элемент.

42. Устройство по п.41, отличающееся тем, что решетчатый материал содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, содержащей металлы группы VIII или IVA и их сплавы.

43. Устройство по п.41, отличающееся тем, что решетчатый материал содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы элементов, содержащей палладий, железо, кобальт, никель, рутений, родий, осмий, иридий, титан, цирконий, гафний и их сплавы.

44. Устройство по п.41, отличающееся тем, что решетчатый материал дополнительно содержит литий.

45. Устройство по п.41, отличающееся тем, что решетчатый материал содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из палладия, родия, рутения, титана, циркония и их сплавов.

46. Устройство по п.41, отличающееся тем, что решетчатый материал содержит фермионный металл.

47. Устройство по п.36, отличающееся тем, что содержит средства для функционирования в качестве подложки, имеющей относительно низкую способность к растворению и накапливанию изотопных водородных атомов, и для удержания тонкой пленки решетчатого материала, а решетчатый материал содержит тонкую пленку, прикрепленную к средству, функционирующему в качестве подложки.

48. Устройство по п.36, отличающееся тем, что содержит решетчатый материал со структурой композита, в которой диспергированы частицы с относительно высокой тепло- и электропроводностью и относительно низкой способностью к растворению и накапливанию водородных атомов.

49. Устройство по п. 36, отличающееся тем, что дополнительно содержит средства для функционирования в качестве подложки с относительно высокой тепло- и электропроводностью и относительно низкой способностью к растворению и накапливанию изотопных водородных атомов и для удерживания тонкой пленки решетчатого материала, а решетчатый материал содержит тонкую пленку, прикрепленную к средству, функционирующему в качестве подложки.

50. Устройство по п.49, отличающееся тем, что подложка изготовлена из материала, выбранного из группы материалов, включающих в себя неактивный материал, не удерживающий изотопные водородные атомы до концентрации, при которой происходит выделение избыточного тепла, и дополнительно содержит полупроводники.

51. Устройство по п. 50, отличающееся тем, что толщина тонкой пленки, считая от поверхности крепления у средства, функционирующего в качестве подложки, находится в пределах .

52. Устройство по п. 50, отличающееся тем, что толщина тонкой пленки, считая от поверхности крепления средства, функционирующего в качестве подложки, превышает
53. Устройство по п.36, отличающееся тем, что накапливающие и сжимающие средства содержат твердотельные изотопно-водородные средства, которые гранулированы с решетчатым материалом с образованием единой таблетки.

54. Устройство по п.53, отличающееся тем, что накапливающие и сжимающие средства содержат средства для приложения внешней энергии к таблетке.

55. Устройство по п. 54, отличающееся тем, что средства приложения внешней энергии содержат средства подвода тепловой энергии для быстрого перехода изотопных водородных атомов в решетчатый материал.

56. Устройство по п.55, отличающееся тем, что средства подвода тепловой энергии имеют уровень энергии, достаточный для перевода изотопных водородных атомов в упомянутый решетчатый материал за время менее 1 мкс.

57. Устройство по п.53, отличающееся тем, что решетчатый материал выбран из группы элементов, содержащей палладий, никель, железо, кобальт и их сплавы, а источник - из группы соединений, содержащей дейтерид лития, дейтерид натрия, дейтерид калия и их смеси.

58. Устройство по п.57, отличающееся тем, что источник выбран из группы соединений, включающей в себя смеси расплавленных солей, включая эвтектические смеси.

59. Устройство по п.36, отличающееся тем, что решетчатый материал содержит радиоизотопные атомы.

60. Устройство по п.36, отличающееся тем, что решетчатый материал содержит радиоизотопные атомы, выбранные из группы, включающей в себя ⁶⁰Co, ⁹⁰Sr, ¹⁰⁶Ru, ¹¹⁷Cs, ¹⁴⁷Pm, ¹⁷⁰Tm, ²¹⁰Po, ²³⁸Pu и ²⁴⁴Cm.

61. Устройство по п.36, отличающееся тем, что решетчатый материал содержит атомы, испускающие под воздействием нейтронов лучи или частицы высокой энергии.

62. Устройство по п.61, отличающееся тем, что решетчатый материал содержит элемент, выбранный из группы, включающей в себя бор, бериллий и углерод-14 (¹⁴C).

63. Устройство по п.36, отличающееся тем, что накапливающие и сжимающие средства содержат средства для возбуждения решетчатого материала лучами или частицами высокой энергии.

64. Устройство по пп.36 - 63, отличающееся тем, что источник изотопных водородных атомов содержит дейтерий.

65. Устройство по пп.36 - 63, отличающееся тем, что источник изотопных водородных атомов содержит тритий.

66. Устройство по п.36, отличающееся тем, что источник изотопных водородных атомов является жидкостью.

67. Устройство по п.66, отличающееся тем, что жидкость включает в себя электролит.

68. Устройство по п.67, отличающееся тем, что накапливающие и сжимающие средства содержат средства для электролитического разложения электролита на изотопный водород, накапливающийся и сжимающийся на и в решетчатом материале.

69. Устройство по п.67, отличающееся тем, что средства разложения электролита содержат анодные средства и по меньшей мере один источник генерирования заряда.

70. Устройство по п.69, отличающееся тем, что средства разложения электролита содержат катодные средства, отделенные от материала.

71. Устройство по п.69, отличающееся тем, что материал является электрически проводящим, а накапливающее и сжимающее средство содержит средства для присоединения материала в качестве катода, связанного со средствами разложения электролита.

72. Устройство по п.67, отличающееся тем, что электролит представляет собой водный раствор, содержащий по меньшей мере один смешиваемый с водой компонент, являющийся растворителем изотопного водорода.

73. Устройство по п.72, отличающееся тем, что компонент, являющийся растворителем изотопного водорода, представляет собой дейтерированную воду.

74. Устройство по п.72, отличающееся тем, что компонент, являющийся растворителем изотопного водорода, включает в себя смесь изотопных водородных растворителей, из которых дейтерированная вода составляет по меньшей мере 99,5% от объема компонента, являющегося растворителем.

75. Устройство по п. 67, отличающееся тем, что электролит содержит растворенный литий.

76. Устройство по п. 37, отличающееся тем, что контейнер содержит средства герметизации для захватывания материала, такого, как молекулярный изотопный водород, генерируемый электролитом под воздействием накапливающего и сжимающего средства.

77. Устройство по п. 76, отличающееся тем, что содержит средства для рекомбинации вновь захваченного материала, включая молекулярный водород, для высвобождения теплоты образования молекулярного водорода и понижения давления.

Приоритет по пунктам:
13.03.89 - по пп.1, 5 - 12, 17 - 20, 22 - 32, 36 - 41, 55 - 57, 63 - 73 и 75.

21.03.89 - по пп.58, 76 и 77.

10.04.89 - по пп.53 и 54.

14.04.89 - по п.21.

18.04.89 - по п.74.

02.05.89 - по пп.2 - 4, 13 - 16, 33 - 35, 42 - 52, 59 и 61.

16.05.89 - по пп.60 и 62.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27, Рисунок 28, Рисунок 29, Рисунок 30, Рисунок 31, Рисунок 32, Рисунок 33, Рисунок 34, Рисунок 35, Рисунок 36, Рисунок 37, Рисунок 38, Рисунок 39, Рисунок 40, Рисунок 41, Рисунок 42, Рисунок 43, Рисунок 44, Рисунок 45, Рисунок 46, Рисунок 47, Рисунок 48, Рисунок 49, Рисунок 50