Устройство для генерирования тепловой энергии и холодный термоядерный реактор

 

Использование: для генерирования тепловой энергии вследствие реакций холодного ядерного синтеза для повышения эффективности процесса. Сущность изобретения: устройство содержит: а) первое количество (МА) первого твердого материала, способного поглощать водород с последующим генерированием тепловой энергии, б) второе количество (СО) второго твердого материала, способного выделять водород при температуре выше ранее заданной, находящееся, по крайней мере, частично в контакте с первым количеством (МА), и с) третье количество (ЕТ) третьего твердого материала, способного генерировать тепловую энергию при прохождении по нему электрического тока, расположенное так, что оно термически связано с вышеупомянутым первым (МА) и/или вторым количеством (СО), а также содержит, по меньшей мере, первый вывод (Т1) и второй вывод (Т2), соответственно связанные электрически с первым (МА) и третьим (ЕТ) количеством, при этом первый и третий материалы - проводящего или полупроводящего типа, и взаимное расположение количеств (МА, ЕТ) таково, что, по меньшей мере, на часть второго количества (СО) воздействует электрическое поле, когда первый вывод (Т1) и второй вывод (Т2) подключены к генератору электрической энергии (G1). 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение относится к методам и устройствам для генерирования тепловой энергии, основанным на физическом явлении, свойственном реакции холодного ядерного синтеза.

Реакции холодного ядерного синтеза отмечены в нескольких физических явлениях: статья Ж.Ф.Церофолини и А. Фоглио-Пара "Могут ли двуядерные атомы решить загадку холодного синтеза?". Технология Синтеза, том 23, стр. 98-102, 1993 (G. F.Cerofolini and A. Foglio-Para "Can binuclear atoms solve the cold fusion puzzle?" FUSION TECHNOLOGY, Vol. 23, pp. 98-102, 1993) кратко иллюстрирует такие явления и связанные с ними химические и ядерные реакции; в литературе также упоминаются другие интересные статьи. Техническая и патентная литература по этому вопросу очень обширна вследствие практического интереса к данному предмету.

Первые исследования холодного ядерного синтеза, как такового, принадлежат М. Флейшману (М.Fleischmann) и С.Понсу (S.Pons) и стали известны в 1989 году. Явление, которое они рассматривали, представляет собой загрузку дейтерия электродами, изготовленными из палладия или титана; в процессе этого явления отмечается неожиданное генерирование тепловой энергии, которое характеризуется реакциями ядерного синтеза между атомами дейтерия, приводящими к образованию гелия.

Данное изобретение основывается именно на этом физическом явлении.

В экспериментах, проводимых до сих пор, для изготовления электродов использовались несколько материалов, способных поглощать водород и его изотопы, среди них: палладий, титан, платина, никель, ниобий.

В экспериментах, проводимых до сих пор, дейтерий всегда получался из газообразного топлива, например из газовых смесей водорода, или из жидких видов топлива, например растворов электролитических соединений водорода в тяжелой воде. Недостаток этих видов "топлива" заключается в рассеивании синтезного материала, т.е. водорода. Фактически он выделяется и улетучивается в газообразной форме около электрода как раз тогда, когда внутри его концентрация достигает значений, необходимых для начала синтеза. Кроме этого, при увеличении температуры электрода жидкости кипят, а в газах концентрация атомов снижается, что тормозит синтез.

Другое известное технологическое решение, раскрытое в международной патентной заявке N WO 90/10935, касается устройства и способа генерирования энергии металлической решеткой, способной накапливать изотопные атомы водорода. Это решение, однако, раскрывает применение металлической решетки, а не твердого вещества в качестве системы накопления водорода.

Второе упомянутое в этом же документе решение описывает смесь металла и изотопной гидридной соли расплавленного металла, которая служит источником изотопных атомов водорода.

Однако пример гидридов расплавленного металла включает Li/Na/К/D, которые являются элементами группы 1.

Задачей данного изобретения является создание способа и соответствующего устройства, способных эффективно генерировать тепловую энергию посредством использования вышеупомянутого явления и свободных от вышеупомянутых недостатков.

Эта задача достигается благодаря способу, изложенному в пункте 1, и устройству, имеющему признаки, изложенные в пункте 5; дальнейшие преимущественные аспекты этого изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах. Изобретение также касается холодного термоядерного реактора, имеющего признаки, приведенные в пункте 12, в котором такое устройство успешно применяется; дальнейшие выгодные аспекты данного изобретения приводятся в соответствующих зависимых пунктах.

Используя твердый материал, способный выделять водород при достижении температуры выше заранее заданной, приведя его в контакт с другим твердым материалом, способным поглощать водород и при этом генерировать тепловую энергию, и нагревая его до температуры выше вышеупомянутой заданной, происходит генерирование тепловой энергии другим материалом, которое длится некоторое время, и ее количество ощутимо, так как водород как синтезный материал не может легко выделяться из твердых материалов, а порог рабочей температуры очень высок и соответствует температуре синтеза одного из твердых материалов.

Изобретение станет более ясным в результате последующего описания с учетом прилагаемых чертежей, в которых: на Фиг. 1 схематически показано сечение структуры части первого реактора и первого устройства в соответствие с данным изобретением; на Фиг. 2 схематически показано сечение структуры части второго реактора и второго устройства в соответствии с данным изобретением; на Фиг. 3 схематически показано сечение термобатареи известного типа, применяемой в реакторе на Фиг. 2.

Изобретение основано на известном в области интегральных электронных схем факте, что в процессе их изготовления некоторые материалы, такие как, например, нитрид кремния, обогащаются водородом, вызывая ухудшение характеристик. Такое явление описано, например, в статье С. Манзини (S. Manzini) "Активная допинговая нестабильность в лавинных диодах с n+ -p кремниевой поверхностью". Твердотельная электроника, том 2, стр. 331-337, 1995, и в статьях, приведенных в списке литературы.

Настоящее изобретение использует с пользой это "вредное" свойство таких материалов.

Этап обработки, типичный для методов изготовления интегральных электронных схем, который приводит к формированию материалов, богатых водородом, - это метод PECVD (отложение химического пара, усиленное плазмой); подробности об этом этапе обработки, а также обо всех методах изготовления интегральных электронных схем на основе кремния можно найти в книге S. М. Sze "VLSI Technology", McGraw-Hill, 1988. Кроме того, существуют методы изготовления интегральных электронных схем на германии и арсениде галия, хорошо известные в литературе.

Типичная химическая реакция между водородными соединениями при применении метола PECVD следующая: АН_n + BH_m ---> А_xВ_y + A-H_j + B-H_k + H₂ [1] Такая реакция по уменьшению окисления [1] проходит слева направо, если мы достигаем довольно высокой температуры T1, например 400^oC, и если мы вынуждаем два левых реагента находиться в плазменной фазе, а не в газообразной; при такой "низкой" температуре T1 реакция [1] не является завершенной и стехиометрической, и поэтому многие связи между водородом и элементами А и В сохраняются, вообще, эти связи единичные, то есть "j" и "k" равны единице; из реакции [1] получается твердый состав, имеющий высокое содержание химически связанного водорода (и, следовательно, дейтерия и трития, если они присутствуют в стартовых материалах) и газообразного водорода, который не остается в большом количестве в данном составе.

Если полученный таким образом твердый состав затем нагревается (даже после возможного охлаждения при комнатной температуре) до температуры T2, которая выше предыдущей, например 800^oC, реакция [1] становится завершенной и стехиометрической, т.е. имеет место следующая реакция: A-H_j + B-H_k ---> А_xВ_y + H₂ [2] с выделением содержащегося водорода.

При температурах между T1 и T2 будут выделяться лишь более слабо связанные атомы.

Конечно, температуры T1 и T2 зависят от используемых элементов A и B; кроме того, следует учитывать, что не существует критических величин, которые вызывают резкие колебания скорости реакции для реакций [1] и [2].

Поэтому метод в соответствие с данным изобретением предлагает использовать первое количество первого твердого материала, способного поглощать водород с последующим генерированием тепловой энергии, и использовать второе количество второго твердого материала, способного выделять водород, когда он достигает температуры выше заданной, приводить в контакт, хотя бы частично, друг с другом вышеупомянутое первое и вышеупомянутое второе количества и нагревать вначале, по крайней мере, вышеупомянутое второе количество, по крайней мере до тех пор, пока оно не превысит вышеупомянутую заранее заданную температуру хотя бы в одной части. Стартовое нагревание может также быть вызвано средой, в которой размещены эти два количества.

Стартовое нагревание вызывает во втором количестве освобождение какой-то части водорода; этот водород будет двигаться, например, посредством диффузии в твердом материале во втором количестве и проходить, по крайней мере частично, первое количество, так как оно находится в контакте со вторым количеством. Первое количество поглощает водород и начинает вырабатывать тепловую энергию вследствие предполагаемых реакций ядерного синтеза и затем начинает нагреваться.

Поскольку эти два количества находятся в контакте, второе количество нагревается первым количеством, и поэтому процесс выделения водорода продолжается; как следствие, первое количество продолжает нагреваться. Если первое количество не будет в состоянии нагреть второе количество в достаточной мере, можно ожидать, что "стартовый" нагрев будет продолжаться, например, в течение всего процесса генерирования тепловой энергии.

Конечно, вышеупомянутый твердый состав на основе нитрида кремния является лишь одним из возможных вторых материалов, которые проявляют такие выделительные свойства. Такие вторые материалы могут быть получены разными методами, среди которых метод PECVD.

Таким образом, в качестве первого материала можно выбрать: палладий, титан, платину, никель и его сплав, и любой другой материал, способный поглощать.

Тот факт, что стартовое нагревание второго количества может повлечь в некоторых случаях стартовое нагревание и первого количества благодаря их контакту, является преимуществом, так как в таких случаях поглощение водорода первым количеством усиливается; такой нагрев можно также стимулировать, если необходимо, соответствующим расположением материалов и источника тепловой энергии.

Надежда на спонтанное движение водорода во втором количестве к первому количеству может привести к недостаточному генерированию тепловой энергии.

Чтобы устранить этот недостаток, целесообразно хотя бы часть второго количества подвергнуть воздействию электрического поля с силовыми линиями такой формы и направления, чтобы ускорять движения ядер освобожденного во втором количестве водорода по направлению к первому количеству.

Напряженность электрического поля может быть установлена заранее с учетом желаемой тепловой энергии.

Если генерируемая тепловая энергия соответствующим образом не отводится, температура двух количеств будет продолжать возрастать до тех пор, пока они не расплавятся, а устройство не выйдет из строя; если необходимо получать разные тепловые мощности в разное время, то управление генерируемой тепловой энергией посредством напряженности электрического поля весьма благоприятно; с помощью инвертирования поля можно даже погасить эффект спонтанного движения водорода, и, следовательно, полностью затормозить генерирование тепловой энергии.

Вырабатываемая таким образом тепловая энергия может затем использоваться как таковая или превращаться в другие формы энергии хорошо известным способом.

В отношении случая, в котором вторым материалом является твердый состав, основанный на нитриде кремния, водород и его изотопы, которые освобождаются в результате реакции [2], поглощаются первым поглощающим материалом с хорошим КПД, так как эти два материала находятся в контакте друг с другом и оба они твердые.

Важно, чтобы концентрация водорода во втором материале по количеству атомов на кубический сантиметр была достаточной для возникновения значительного числа синтезных явлений на единицу объема первого материала.

В случае нитрида кремния и никеля концентрация 10²² может быть выбрана для водорода в нитриде кремния, а массу нитрида кремния можно довести до уровня в 9 раз больше, чем масса никеля, таким образом число атомов водорода, которые могут быть освобождены, примерно равно числу имеющихся атомов никеля; фактически, плотность никеля равна 910²². В сущности, для целей использования в качестве твердого топлива наличие А_xВ_y в твердом составе не является строго обязательным; важно присутствие A-H_j + B-Н_k, поэтому теоретически можно использовать либо только A-Н_j, либо только B-Н_k.

Конечно, нельзя исключить присутствия в твердом составе других химических элементов или соединений, которые могли бы участвовать, полностью или в какой-то мере, в химической реакции между элементами А, В, Н.

Для целей использования в качестве твердого топлива важно добиться, чтобы реакция [1] не завершилась реакцией [2], чтобы удержать большее количество водорода в получающемся в результате твердом составе; конечно, если какое-то количество несвязанного химически водорода окажется захваченным в этом составе, например, в атомной, и/или молекулярной, и/или ионной форме, то это не создаст проблем, наоборот, будет преимуществом, так как он обязательно выделится, когда состав будет нагрет до температуры выше T1.

С нитридом кремния и при использовании вышеупомянутых методов PECVD, концентрация водорода 10²² атомов на кубический сантиметр достигается легко.

Вышеупомянутый способ может быть реализован с помощью устройства, содержащего: а) первое количество первого твердого материала, способного поглощать водород с последующим генерированием тепловой энергии, в) второе количество второго твердого материала, способное выделять водород при достижении температуры выше ранее заданной, находящееся хотя бы частично в контакте с первым количеством.

На Фиг. 1 и 2 первое количество обозначено MA, а второе количество СО.

Вышеупомянутое устройство может далее выгодно содержать тепловые элементы ET, способные нагревать вначале, по крайней мере, второе количество CO, по крайней мере, до тех пор, пока оно не превысит ранее заданную температуру хотя бы в одной его части.

Благоприятно и то, что тепловые элементы ET могут быть такими, что будут нагревать, хотя бы вначале, также и первое количество MA в значительной степени; конечно, практически невозможно полностью избежать нагревания первого количества MA, так как оно находится в контакте со вторым количеством CO.

В обоих вариантах реализации изобретения, показанных на Фиг. 1 и 2, такое нагревание происходит вследствие прохождения электрического тока, то есть тепловые элементы ET содержат третье количество третьего твердого материала, способного генерировать тепловую энергию, когда через него протекает электрический ток, размещенное так, чтобы быть термически связанным со вторым количеством CO; или же тепловые элементы ET могут быть термически связаны с первым количеством MA и нагревать второе количество CO косвенно; и наконец, можно принять во внимание также и прямое нагревание как MA, так и CO количеств.

В варианте устройства, показанном на Фиг. 1, тепловые элементы ET составляются из резистора RES, заключенного в изолятор IS из электроизоляционного, но термически проводящего материала, и заключены во второе количество СО. Напротив, в варианте, показанном на Фиг. 2, тепловые элементы ET размещаются сбоку от второго количества CO и состоят только из такого третьего количества материала, с которым электрически соединены два вывода T2 и T3, приспособленные также для соединения с генератором электрической энергии G2, который может находиться либо внутри, либо снаружи устройства в соответствии с данным изобретением.

Конечно, существует несколько вариантов получения стартового нагревания, но менее практичных и менее управляемых. Устройство в соответствии с данным изобретением далее может выгодно включать в себя третье количество третьего твердого материала, и, по крайней мере, первый вывод и второй вывод, электрически связанные соответственно с первым и третьим количествами, если вышеупомянутый первый материал и вышеупомянутый третий материал являются веществами проводящего или полупроводящего типа и если взаимное расположение первого и третьего количеств таково, что, по крайней мере, часть второго количества оказывается под влиянием электрического поля, когда первый вывод и второй вывод присоединены к генератору электрической энергии, то можно управлять движением водорода из второго количества к первому количеству.

Так происходит в приборе, показанном на Фиг. 2. Точнее, в вышеупомянутой реализации третье количество, обозначенное ET, выполняет функцию как теплового элемента, так и поляризатора второго количества CO.

Первое количество MA и третье количество ET образуют конденсатор с двумя плоскими параллельными пластинами, в который вставлен диэлектрик в виде второго количества CO. К первому количеству MA присоединен вывод T1, а к третьему количеству ET присоединены два вывода T2 и T3; между выводами T1 и T2 подключается генератор напряжения G1 для поляризации второго количества CO; между выводами T2 и T3 подключается генератор напряжения G2 для нагревания второго количества CO.

На Фиг. 2 к первому количеству MA присоединен еще один вывод T4, между выводами T3 и T4 - еще один генератор напряжения G3.

Когда потенциал третьего количества ET меняется от точки к точке благодаря генератору G2 и когда, в общем, первый материал и третий материал различны, может потребоваться проверка с помощью генератора G3 напряженности электрического поля и, следовательно, поляризации второго количества СО, когда положение меняется, например, для получения равномерного генерирования тепловой энергии в первом количестве MA.

Использование большего числа генераторов необходимо как для соединения различных точек первого количества MA, так и для соединения различных точек третьего количества ET, а также для соединения точек первого и третьего количеств.

Можно с успехом снабдить устройство электрической системой управления, показанной на Фиг. 2, для управления по крайней мере разностью потенциалов между первым выводом T1 и вторым выводом T2, чтобы контролировать всю вырабатываемую тепловую энергию.

Устройство для генерирования тепловой энергии, описанное выше, успешно применяется в холодном термоядерном реакторе, который рассматривается как завершенная установка, способная генерировать энергию для мирных целей человека; устройство для генерирования тепловой энергии поэтому составляет ее сердцевину; Фиг. 1 и 2 показывают только основную часть двух реакторов такого типа, тогда как другие компоненты отсутствуют, такие как: паровые турбины, системы мониторинга и сигнализации, механические инфраструктуры и т.д., хорошо известные в области генерирования энергии.

Одно из преимуществ использования в реакторе устройства в соответствие с данным изобретением заключается в том, что вышеупомянутое устройство может достигать, если это необходимо, довольно высоких температур (более чем 800^oC) и, следовательно, эффективность возможного термодинамического цикла преобразования теплоты в работу может быть довольно высокой.

На Фиг. 1 первое количество MA имеет форму контейнера, например цилиндрического, такой контейнер показан погруженным в резервуар VA, содержащий, например, воду ACQ, в который холодная вода может втекать через вход IN, а когда нагреется в результате контакта с контейнером MA, она может вытекать через выходы OUT.

На Фиг. 2 первое количество MA имеет форму плоской пластины и помещено сбоку на преобразователе тепловой энергии в электрическую энергию, способном преобразовывать, по крайней мере, часть тепловой энергии, вырабатываемой первым количеством MA.

На Фиг. 2 этот преобразователь включает в себя систему термоэлементов, расположенную так, что ее области горячего контакта термически связаны, по крайней мере, с первым количеством MA.

Эта система термобатарей включает четыре термобатареи TP, каждая из них имеет первый вывод P1 и второй вывод P2, последовательно соединенные друг с другом; вывод P1 первой термобатареи TP соединен с положительным выводом PP преобразователя. Вывод P2 последней термобатареи TP соединен с отрицательным выводом PN преобразователя.

Термобатареи TP электрически отделены друг от друга прокладками SE из электрически изолирующего материала, в то время как термически они связаны с первым количеством MA посредством связывающего устройства АС из электрически изолирующего, но термически проводящего материала.

Термобатареи - хорошо известные устройства, действие которых основывается на использовании эффекта Зеебека (Seebeck effect).

На Фиг. 3 схематически показано сечение термобатареи TP; она содержит первый элемент E1 из первого электропроводящего материала в форме маленькой пластины, второй элемент E2 из второго электропроводящего материала, иного, нежели первый, и изолирующий элемент E1 из электроизолирующего материала в виде маленькой пластины; элемент E1 наложен на элемент E1, который наложен на элемент E2; элементы E1 и E2 находятся в электрическом контакте друг с другом на первом конце, называемом областью горячего контакта, а на втором конце, называемом областью холодного контакта, они представляют соответственно первый вывод P1 и второй вывод P2.

Если первый конец элементов E1 и E2 доводится до температуры выше, чем температура их второго конца, между выводами P1 и P2 создается разность потенциалов обычно порядка сотен милливольт, которая зависит от разности температур. Материалы, применимые для элементов E1 и E2, хорошо известны в литературе.

Формула изобретения

1. Устройство для генерирования тепловой энергии, содержащее: а) первое количество (МА) первого твердого материала, способного поглощать водород с последующим генерированием тепловой энергии, и б) второе количество (СО) второго твердого материала, способного выделять водород при достижении температуры выше ранее заданной, находящееся, по крайней мере, частично в контакте с первым количеством: и также содержащее тепловые элементы (ЕТ), способные нагревать вначале, по крайней мере, вышеупомянутое второе количество (СО), по крайней мере, до тех пор, пока оно не превысит вышеупомянутую ранее заданную температуру хотя бы в одной части; в котором вышеупомянутые тепловые элементы (ЕТ) содержат третье количество (ЕТ, RES) третьего твердого материала, способного генерировать тепловую энергию при прохождении по нему электрического тока, расположенное так, что оно термически связано с вышеупомянутым первым (МА) и/или с вышеупомянутым вторым (СО) количеством, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, первый вывод (Т1) и второй вывод (Т2), соответственно связанные электрически с вышеупомянутым первым (МА) и вышеупомянутым третьим (ЕТ) количеством, при этом вышеупомянутый первый и вышеупомянутый третий материалы - проводящего или полупроводящего типа, и взаимное расположение вышеупомянутых количеств (МА, ЕТ) таково, что, по меньшей мере, на часть второго количества (СО) воздействует электрическое поле, когда вышеупомянутый первый вывод (Т1) и вышеупомянутый второй вывод (Т2) подключены к генератору электрической энергии (G1).

2. Устройство в соответствии с п.1, отличающееся тем, что вышеупомянутые тепловые элементы (ЕТ) способны нагревать, по крайней мере, вначале, по крайней мере, часть вышеупомянутого первого количества (МА).

3. Устройство в соответствии с п.1, содержащее также два вывода (Т2, Т3), электрически связанные с вышеупомянутым третьим количеством (ЕТ), для соединения с выводами генератора электрического тока (G2).

4. Устройство в соответствии с п.1, содержащее электрическую систему управления, для регулирования, по крайней мере, разности потенциалов между вышеупомянутым первым выводом (Т1) и вышеупомянутым вторым выводом (Т2).

5. Холодный термоядерный реактор, содержащий, по крайней мере, устройство для генерирования электрической энергии в соответствии, по крайней мере, с одним из пп.1-4.

6. Реактор в соответствии с п.5, содержащий также преобразователь тепловой энергии в электрическую энергию, способный превращать, по крайней мере, часть тепловой энергии, генерируемой вышеупомянутым первым количеством (МА).

7. Реактор в соответствии с п.6, отличающийся тем, что вышеупомянутый преобразователь содержит систему термобатарей, расположенную так, что ее области горячего контакта термически связаны, по крайней мере, с вышеупомянутым первым количеством (МА).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3