Способ увеличения интесивности экзотермической реакции ядерного синтеза с участием ядер изотопов водорода в металлическом кристаллическом теле и устройство для его осуществления

Способ увеличения интесивности экзотермической реакции ядерного синтеза с участием ядер изотопов водорода в металлическом кристаллическом теле и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

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

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

W = e 2 ℏ π m c 3 ∫ E с в . / ℏ ω max ω   d ω ,   ( 1 )

где ω - частота взаимодействующих с электроном НКП;

е - заряд электрона;

m - масса электрона;

с - скорость света;

ℏ - постоянная Планка, деленная на 2¶;

Е_св. - энергия связи электрона в атоме;

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

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

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

Δ W = e 2 ℏ π m c 3 ∫ ( Е с в . − Δ Е с в . ) / ℏ E с в . / ℏ ω     d ϖ ,   ( 2 )

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

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

R ≥ c ℏ Е с в . ,   ( 3 )

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ЗАДАЧА И ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТ

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

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

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

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

- образование металлического кристаллического тела его конденсацией из паров металла;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ρ + d → H 3 e + γ ( 5500      кэВ ) ,     ( 4 )

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

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

- источник газообразных изотопов водорода 1;

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

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

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

а также содержит не показанные на фиг.1

- средства измерения и контроля технологических параметров;

- средства регистрации продуктов реакций ядерного синтеза.

Предлагаемое устройство дополнительно может отличаться тем, что:

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

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