Способ осуществления низкотемпературного ядерного синтеза на тяжелых атомных ядрах

 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может использоваться в управляемых источниках ядерной энергии. Способ включает загрузку исходного материала, содержащего тяжелые атомные ядра, в ядерный реактор и облучение материала потоком нейтронов. В результате захвата ядром трех нейтронов оно преобразуется в результате бета-распада в стабильное ядро с более высоким на одну ступень атомным номером. После захвата четвертого нейтрона исходное ядро превращается в ядро, в составе которого число альфа-частиц на единицу больше, чем у исходного ядра. Захват нейтронов ядром протекает с выделением энергии. Изобретение направлено на использование энергии и продуктов внутриядерного превращения тяжелых ядер. 1 ил.

Область техники, к которой относится изобретение.

Ученые всех стран давно ищут пути и возможности построения управляемого термоядерного источника энергии, использующего слияние легких ядер в более сложные ядра, в результате чего выделяется большое количество энергии. Проблема осложняется тем, что каждое атомное ядро имеет положительный заряд, ядро окружено электрическим полем, препятствующим сближению ядер на расстояния, позволяющие объединение ядер и выделение ядерной энергии. Для этой цели требуется нагревать реагирующие вещества до температуры, которую не могут выдерживать современные конструкции. Очевидно, мои предложения по решению проблемы использования ядерных реакций низкотемпературного ядерного синтеза являются актуальными в настоящее время и закладывают начало реального осуществления источников, основанных на использовании синтеза ядер и способов осуществления ядерного синтеза. Одним из способов, позволяющих осуществление ядерного синтеза при низких температурах, которые могут выдерживать современные конструкции, является предлагаемый в заявке способ. Таким образом, изобретение относится к области ядерной энергетики.

Уровень техники Предлагаемый способ осуществления низкотемпературного ядерного синтеза на тяжелых атомных ядрах не имеет аналогов. Он позволяет осуществить управляемую реакцию ядерного синтеза при низких температурах на современном уровне технического развития. Условно его можно сравнивать с ядерным синтезом, использующим столкновения легких атомных ядер, по сравнению с которым предлагаемый способ имеет существенные преимущества.

Близким по назначению способом низкотемпературного ядерного синтеза заявленному способу является предложенный в 1989 г. и не реализованный до настоящего времени, описанный в ст. В.А. Царева "Новые данные по низкотемпературному ядерному синтезу" (по материалам конференции в Прово, шт. Юта, США, 22-24 октября 1990 г.), (ж. Успехи физических наук, 1991 г., т. 161, N 4, стр. 152-177).

В 1989 г. группой С. Джонса из Университета Брайама Янга "было обнаружено испускание нейтронов при насыщении дейтерием кристаллических решеток переходных металлов палладия и титана. Это явление получило название "низкотемпературного ядерного синтеза" (НТС).

Цитата.

"Важнейший вывод, вытекающий из материалов конференции, состоит в безусловном доказательстве реальности явления НТС. Однако сейчас речь уже не идет о первоначальных надеждах на осуществление непрерывного "стационарного" процесса низкотемпературного синтеза при "прокачивании" изотопов водорода через кристаллическую решетку. Скорее следует говорить о явлениях редких, спорадических и, по-видимому, не имеющих отношения к "холодному" слиянию ядер в классическом понимании этого термина".

Конец цитаты.

Группа из Лос-Аламосской национальной лаборатории и Университета Брайама Янга проводила исследования с насыщением титана действием из газовой фазы. Отмечен избыток нейтронов по сравнению с фоном в баллонах, в которых проводились опыты, что свидетельствует о имеющих место реакциях синтеза.

Модели НТС.

Наиболее популярна идея об "ускорительном" или "ускорительно-трещинном" механизме (УТМ) НТС.

В УТМ синтез фактически является не "холодным" (как в мюкатализе), а "микроскопически горячим". Энергия, необходимая для преодоления кулоновского барьера, сообщается ионам за счет ускорения в трещинах, возникающих в процессе насыщения металлов изотопами водорода. Наиболее существенным свидетельством в пользу УТМ являются результаты корреляционных экспериментов.

Основное внимание на конференции было уделено экспериментальным работам по НТС. Конференция подвела итог полутора годам "эры холодного синтеза", прошедших после первых сообщений в марте 1989 г., которые всколыхнули весь мир. За это время "холодный синтез" пережил период невероятной популярности, обусловленной надеждами решить на его основе энергетические проблемы, стоящие перед человечеством. Позже на смену восторгам пришли скептицизм, раздражение и неверие не только в энергетику, но и в реальность самого явления. Причиной этому послужили поток отрицательных результатов, полученных различными группами, и ставшая сущим проклятием для экспериментов по НТС невоспроизводимость их результатов. Еще одной немаловажной причиной неверия в НТС было отсутствие сколько-нибудь ясного понимания возможного механизма этого явления. Оно никак не хотело укладываться в привычные рамки представлений ядерной физики и физики твердого тела.

Таким образом, суть НТС заключается в следующем.

1. Для осуществления НТС необходимо обеспечить насыщение кристаллических решеток переходных металлов палладия или титана дейтерием. Контакт ядер дейтерия с поверхностным слоем переходных металлов позволяет повысить вероятность туннельного преодоления ядрами дейтерия кулоновского барьера и осуществить реакцию синтеза при низких температурах реагентов.

2. Полученный эффект очень слабый и непригоден для использования в ядерной энергетике.

3. Данный тип синтеза не соответствует названию НТС, больше отвечает названию "микроскопически горячего" синтеза.

4. С момента обнаружения, до настоящего времени заметного успеха в его освоении и использовании не получили.

5. Возможность и целесообразность применения НТС в управляемых источниках ядерной энергии вызывает сомнение.

Как отмечает экспертиза Института проблем безопасного развития атомной энергетики, цитирую: "Следует подчеркнуть, что современной науке не известен простой способ осуществления ядерных реакций синтеза при низких энергиях частиц (то есть то, что автор называет "низкотемпературный ядерный синтез").

Конец цитаты.

Сущность изобретения.

Предлагаемый способ осуществления низкотемпературного ядерного синтеза на тяжелых атомных ядрах предназначен для использования его в управляемых источниках ядерной энергии на использовании внутриядерного синтеза. Он представляет собой доступную для реализации разновидность способов использования внутриядерной энергии с помощью ядерных реакторов. До настоящего времени считалось, что ядерный синтез с выделением полезной энергии для нужд энергетики возможен только на легких ядрах и его целесообразно использовать только с применением легчайших ядер. (Г.А. Зисман, О.М. Тодес. Курс общей физики, т. 3, с.429) Цитата.

"При превращении атомных ядер энергия связи, приходящаяся в среднем на один нуклон, меняется. Это означает, что превращение атомных ядер может быть использовано для получения энергии. Для того, чтобы судить о том, какие ядерные реакции пригодны для этих целей, обратимся к графику дефектов масс на один нуклон. (Фиг.1). График показывает, что в принципе возможно добывать атомную энергию за счет двух типов превращения атомных ядер: 1. Энергия выделяется при синтезе ядер из более легких, если возникающие ядра обладают A < 60. Так, при соединении двух дейтонов с (дефектом массы на 1 нуклон ≈ 1 МэВ) в ядро гелия (дефект массы на 1 нуклон ≈ 7 МэВ) должна выделиться энергия 4(7-1)≈ 24 МэВ.

Энергия выделяется при делении тяжелых ядер. Так, при делении ядра ₉₂U²³⁸ на две равные доли получаются ядра с массовыми числами A ≈ 119. Выделяющаяся при этом энергия составит примерно 238(8,5-7,5)≈ 240 МэВ." Конец цитаты.

Замечание.

Данная цитата содержит глубокие ошибки, суть которых состоит в том, что в ней не учтены особенности строения атомного ядра. Современная теория строения атомного ядра содержит противоречивые представления о ядре. В приведенной выше цитате имеется прямое указание на то, что ядерный синтез для тяжелых ядер недоступен и содержится весьма убедительное обоснование. Однако следует обратить внимание на другую особенность строения ядра.

Цитата.

"Отметим, что громадная разница в энергиях связи изотопа углерода 12 и изотопа бора 12 сейчас объясняется так называемым эффектом счетверения, согласно которому нуклонам внутри ядра энергетически выгодно объединяться в четверки, содержащие по два протона и два нейтрона".

Конец цитаты. (Ю.М. Широков и Н.П. Юдин. Ядерная физика. - М., 1972, с. 182).

Замечание.

Данная цитата позволяет найти тот путь, который я использовал для решения поставленной цели - осуществить ядерный синтез на тяжелых ядрах.

Ошибочным является мнение, что тяжелые ядра непригодны для ядерного синтеза. Возможность ядерного синтеза обеспечивается тем, что внутри ядра как легкого, так и тяжелого, нуклоны энергетически объединяются в четверки. Соотношение энергий связи атомных ядер убеждает нас в том, что все ядра, как легкие, так и тяжелые стремятся в своем составе образовать энергетическую структуру частиц, в которых нуклоны упакованы наиболее плотным образом.

Именно это свойство ядер использовано в предлагаемом способе осуществления низкотемпературного ядерного синтеза на тяжелых атомных ядрах. Таким образом, вопреки сложившемуся традиционному распространенному мнению, данный метод позволяет использовать для осуществления внутриядерного синтеза область тяжелых атомных ядер, что значительно расширяет возможности и позволяет подобрать такие атомные ядра, у которых образовавшаяся четверка слабо связана с исходным атомным ядром и может самостоятельно отделиться от него в виде альфа-частицы.

Таким образом, первым и очень важным признаком изобретения является исключение распространенной иллюзии о том, что невозможно использовать тяжелые ядра для экзотермического ядерного синтеза. Для его успешного осуществления необходимо создать следующие условия. Собрать в атомном ядре четыре независимых нуклона. После чего они, находясь на расстоянии 10^-13 см друг от друга, самостоятельно объединятся, образуя энергетически связанную четверку нуклонов. Энергия связи между нуклонами увеличится от нуля до энергии связи между нуклонами свободной альфа-частицы, порядка 28,48 МэВ на каждую четверку нуклонов, такая же энергия выделится ядром и может быть использована для нужд ядерной энергетики. Кроме этой энергии выделяется энергия, соответствующая образовавшейся связи между возникшей четверкой нуклонов и остальным составом ядра. Необходимость изменить сложившееся ошибочное мнение о невозможности изотермического ядерного синтеза на тяжелых атомных ядрах послужила причиной для выделения этого вопроса в качестве обособленного способа осуществления ядерного синтеза на тяжелых ядрах.

Вторым признаком изобретения является использование способности внутри ядер, перегруженных нейтронами, части нейтронов превращаться в протоны. Это позволяет избежать необходимость сталкивать одноименно электрически заряженные ядра или нуклоны для осуществления реакции синтеза. Для этого достаточно облучать ядра медленными нейтронами. Остальные процедуры выполнит само ядро.

Третьим признаком изобретения является возможность использовать такие ядра, для которых образовавшаяся четверка нуклонов практически не связана с остальным ядром, произвольно от него отделяется в виде альфа-частицы. При этом исходный материал после ряда реакций синтеза остается неизменным. Расходуются только нейтроны, захваченные ядром и соединенные им в альфа частицы. При этом возможно получить самую высокую удельную энергоотдачу.

Четвертым признаком изобретения является открывающаяся возможность эффективно использовать синтез тяжелых ядер для промышленного производства золота, утилизации ядерных отходов и других полезных преобразований атомных ядер специального назначения.

Результатом предлагаемого способа осуществления низкотемпературного ядерного синтеза является выделение полезной энергии путем захвата 4 нейтронов, преобразования 2 избыточных нейтронов в протоны и объединения поступивших нуклонов в четверки. Возможно отделение четверки нуклонов от ядра продукта реакции в виде альфа-частицы. Материал, в котором происходит синтез при этом, не расходуется, он служит поставщиком ядер, в которых происходит реакция синтеза и может использоваться многократно. Сущность способа заключается в том, что исходный материал - поставщик тяжелых ядер загружают в ядерный реактор и облучают потоком нейтронов. Атомные ядра захватывают нейтроны и при этом выделяется энергия. После присоединения трех нейтронов, как правило, ядро превышается в бета минус радиоактивный изотоп. После излучения высокоэнергетического электрона, ядро преобразуется в стабильное ядро элемента с более высоким атомным номером на одну ступень. После захвата четвертого нейтрона ядро вновь становится бета минус радиоактивным и после излучения кванта энергии превращается в ядро, в составе которого число четверок нуклонов на единицу больше, чем у исходного ядра. В отличие от использования легких атомных ядер, которые имеют сильную ядерную связь между четверками нуклонов, тяжелые ядра обладают большими внутриядерными электрическими полями, стремящимися эту связь между четверками нуклонов ослабить. Поэтому связь между четверками нуклонов ослаблена и можно подобрать материал, в котором вновь сформированная четверка нуклонов может самостоятельно отделиться от исходного ядра в виде альфа-частицы, позволяя выполнять повторные акты синтеза.

По сравнению с известным низкотемпературным ядерным синтезом (НТС) заявленный способ имеет следующие отличительные признаки: 1) Известный НТС в качестве реагента использует материалы палладий или титан.

Заявленный способ может использовать в качестве реагента следующие тяжелые материалы; никель-60, цинк-66, германий-72, селен-78, стронций-86, свинец-206 и др., а также, переходные металлы палладий-104 и титан-48.

2) Известный НТС основан на насыщении переходных металлов дейтерием, что повышает вероятность туннельного объединения ядер дейтерия по схеме D+D _→ ₂He³ + n или D+D _→ ₁H³ + p Заявленный способ использует реакции радиационного захвата ядром реагента медленных нейтронов, излучаемых специальным генератором нейтронов и реакции преобразования избыточных нейтронов в протоны внутри ядра реагента путем бета минус распада.

3) Известный НТС обладает очень малой энергетической эффективностью и не пригоден для использования в ядерной энергетике.

Заявленный способ основывается на использовании известных ядерных реакций, имеющих широкое применение в технике, имеющих высокую энергетическую эффективность. Реакции заявленного способа обладают высокой технологичностью для выделения ядерной энергии в управляемых источниках ядерной энергии.

4) Известный НТС является фактически не "холодным", а "микроскопически горячим". Энергия, необходимая для преодоления кулоновского барьера, сообщается ионам за счет ускорения в трещинах, возникающих в процессе насыщения металлов изотопами водорода.

В заявленном способе реагирующие нуклоны в ядро реагента попадают в виде нейтральных частиц - нейтронов, которым электрическое поле ядра не оказывает препятствия к проникновению в ядро. Внутри ядра часть захваченных нейтронов превращается в протоны и образуется связь нуклонов, обеспечивающая выделение ядерной энергии. В этом случае название низкотемпературного ядерного синтеза является оправданным.

5) Использование известного НТС позволяет только получить еле отличимый сигнал от среднего уровня фона.

Использование заявленного способа позволяет произвести достаточно точный расчет количества расходуемого реагента и количества произведенной энергии.

Так например, если используют в качестве реагента титан-48 и облучают его медленными нейтронами, то в реакторе будет реализована следующая цепочка ядерных реакций:
₂₂Ti⁴⁸+ n _→ ₂₂Ti⁴⁹_{+ 8,1 MэB
22}Ti⁴⁹+ n _→ ₂₂Ti⁵⁰_{+ 11 MэB
22}Ti⁵⁰+ n _→ ₂₂Ti⁵¹<sub>+ 6,3 MэB

23</sub>V ⁵¹+ n _→ ₂₃Ti⁵²_{+ 7,3 MэB}

Итого: 37,6 МэВ
При израсходовании 1 кг титана-48 выделится 4,7 · 10²⁶ МэВ энергии, что соответствует 1,8 · 10¹⁰ ккал, что соответствует сжиганию 1,59 тыс. т. бензина.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления ядерного синтеза на тяжелых атомных ядрах заявленным способом.

Рассмотрим пример использования предлагаемого способа. В качестве исходного материала могут применяться атомные ядра с A > 60. Допустим, в нашем примере исходным материалом является свинец 206, являющийся стабильным изотопом. Его относительная распространенность составляет 25%.

Исходный материал загружают в ядерный реактор и производят его облучение мощным потоком медленных нейтронов, которые получают от специального генератора.

В реакторе происходит захват ядром нейтронов и выделение большого количества энергии.

Pb206 + n _→ Pb207 + 6,67 MэB
Pb207 + n _→ Pb208 + 7,59 MэB
Pb208 + n _→ Pb209 + 3,6 MэB
В результате захвата трех нейтронов ядро оказалось перегруженным нейтронами и внутри ядра происходит преобразование одного из них в протон. Это преобразование сопровождается излучением электрона.

Захват четвертого нейтрона сопровождается преобразованием его в протон и таким образом внутри ядра появились четыре новых нуклона, из них два протона и два нейтрона и создавались условия для их объединения в альфа-частицу.

Внутри ядра полония 210 осуществляется формирование альфа-частицы, после чего она отделяется от ядра под действием сильного электрического поля.

Следует обратить внимание, что все реакции, участвующие в данной цепочке формирования альфа-частицы, являются экзотермическими, несмотря на то, что происходят они в тяжелых ядрах. В результате такого соединения четырех нуклонов в альфа частицу выделяется энергия 30,06 МэВ и исходное ядро остается неизменным.

Таким образом, выполнив цикл указанных реакций превращения ядра свинца 206 в ядро полония 210, будет сформирована альфа-частица и после ее отделения ядро снова превратится в ядро свинца 206. Этими действиями достигают поставленной цели - выделения ядерной энергии путем слияния четырех нейтронов в альфа-частицу. В результате выделится энергия 30,06 МэВ. Из них 28,48 МэВ - за счет образования новой альфа-частицы и 1,6 МэВ - за счет преобразования двух нейтронов в протоны. Таким образом, на каждый израсходованный нейтрон получают энергоотдачу порядка 7,5 МэВ. При израсходовании 1 т нейтронов выделится энергии около 16 · 10⁷ ккал, что соответствует сжиганию 20 г угля, не считая расхода окислителя, т.е. в 20 млн. раз калорийнее угля. Следует добавить, что эта энергия будет самой дешевой и самой доступной.

Сравнение предложенного способа получения ядерной энергии со способом столкновения атомных ядер и нуклонов позволяет сделать вывод в пользу предложенного способа.

1) Предложенный способ позволяет получить результат без применения сверхвысоких температур. Способ столкновения ядер встречает непреодолимые трудности на этом пути.

2) Предложенный способ реализует наивысшую энергоотдачу, порядка 7,5 МэВ на расходуемый нуклон. Способ столкновения ядер встречает непреодолимые трудности и в реализации энергоотдачи и ограничивается возможной энергоотдачей порядка 3,5 МэВ.

3) Предложенный способ может использовать большой набор различных исходных материалов в то время, как способ столкновения ядер ограничивается дейтерием и тритием.

Вот неполный перечень преимуществ предложенного способа по сравнению со столкновением атомных ядер.

Как отмечает экспертиза Института проблем безопасного развития атомной энергетики, цитирую: "Утверждение автора об открытии именно простого способа получения атомной энергии путем ядерного синтеза при низких энергиях полностью опрокидывает сложившиеся сегодня научные воззрения. Поскольку существование такого способа действительно открыло бы необычайно благоприятные перспективы в энергетике..." и т.д.

Подтверждением возможности осуществления предлагаемого способа являются следующие сведения:
1) Соблюдение закона сохранения энергии. Согласно закону сохранения энергии, если внутри ядра происходят какие-либо реакции преобразования, в результате чего связь между нуклонами увеличивается, ядро должно излучить соответствующую порцию энергии. Таким образом, в результате преобразования ядра свинца 206, имеющего энергию связи порядка 1622,3 МэВ (см. Ю.М. Широков и Н.П. Юдин. Ядерная физика. М., 1972, с. 663), в ядро полония 210, имеющего энергию связи порядка 1645,2 МэВ (там же), энергия связи ядра увеличивается на величину 1645,2 - 1622,3 = 22,9 МэВ. К этой энергии добавится энергия преобразования двух нейтронов в протоны на величину 1,6 МэВ, следовательно, имеем 22,9 + 1,6 = 24,5 МэВ. Образовавшаяся в ядре полония 210 альфа-частица имеет отрицательную энергию связи с ядром, поэтому она отделяется от ядра и излучается с энергией порядка 5,3 МэВ (см. И.Е. Иродов. Сборник задач по атомной и ядерной физике. М., 1976, с. 226).

Таким образом, после восстановления ядра свинца 206 будет выделена энергия порядка 24,5 + 5,3 = 29,8 МэВ, что достаточно близко к рассчитанному значению 30,06 МэВ.

Поскольку в данной реакции разность энергий связи положительна, следовательно, экзотермическая реакция на тяжелых ядрах возможна. Этим подтверждается ошибочность утверждения о невозможности осуществления экзотермической реакции синтеза на тяжелых ядрах.

Наблюдаемый спад графика дефектов масс на нуклон для тяжелых ядер (см. фиг. 1), происходит за счет уменьшения энергии связи между четверками нуклонов в составе ядра. Внутри каждой четверки связь нуклонов практически не меняется и соответствует энергии связи свободной альфа-частицы, равной 28,11 МэВ. Это свойство ядер и обеспечивает возможность использовать тяжелые ядра в ядерных источниках энергии. В отличие от использования легких атомных ядер, которые имеют сильную ядерную связи между четверками нуклонов, тяжелые ядра обладают большими внутриядерными электрическими полями, стремящимися эту связь разорвать. Поэтому связь между четверками нуклонов ослаблена.

2) Реакция захвата нейтрона. Для успешного осуществления реакции, необходимо обеспечить достаточно большое эффективное сечение захвата.

Цитирую:
"В используемых в ядерной физике источниках заряженных частиц и гамма квантов энергия частиц должна быть не ниже нескольких МэВ, а в большинстве случаев выше 10 МэВ, так как в противном случае ядерные реакции не идут из-за пороговых и барьерных эффектов. Напротив, нейтроны не подвержены действию кулоновского барьера и вступают в экзотермические реакции со всеми ядрами (кроме He3 и He4). Поэтому взаимодействие нейтронов с ядрами крайне интенсивно при энергии нейтрона, близкой к нулю". (Ю.М.Широков и Н.П.Юдин. Ядерная физика. - М., 1972, с. 435).

Таким образом, в отношении реакции захвата нейтрона препятствий для тяжелых ядер не имеется.

Подводя итоги изложенным соображениям, можно утверждать, что имеются веские доказательства не только возможности осуществления экзотермического ядерного синтеза на тяжелых ядрах, но и целесообразности его применения в промышленности в ближайшее время.

Формула изобретения

Способ осуществления низкотемпературного ядерного синтеза, предназначенный для использования его в управляемых источниках ядерной энергии, отличающийся тем, что он включает загрузку исходного материала, содержащего тяжелые атомные ядра, в ядерный реактор, облучение материала потоком нейтронов, при котором в результате захвата ядром трех нейтронов оно преобразуется в результате бета-распада в стабильное ядро с более высоким на одну ступень атомным номером, а после захвата четвертого нейтрона оно превращается в ядро, в составе которого число альфа-частиц на единицу больше, чем у исходного ядра, при этом захват нейтронов ядром протекает с выделением энергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1