RU2145122C1

RU2145122C1 - Low-temperature nuclear fusion reaction process in heavy fermion systems

Info

Publication number: RU2145122C1
Application number: RU97110878A
Authority: RU
Inventors: О.Л. Олендский; А.Ю. Терез
Original assignee: Олендский Олег Леонидович; Терез Александр Юрьевич
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 2000-01-27

Abstract

FIELD: nuclear engineering. SUBSTANCE: low-temperature nuclear fusion reactions occur during saturation of crystal lattice of compound with deuterium and tritium nuclei. Nuclear reaction is accelerated by using compounds with heavy fermions in which active mass of electrons grows tens-fold with the result that deuterium and tritium nuclei can draw together at distance required for fusion reaction. Proposed process implies that nuclear reactions proceed within entire volume of specimen. EFFECT: reduced time of fusion reaction. 1 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной физике. Данный способ проведения реакции D + D и D + T может быть использован для получения спектрально чистых потоков нейтронов с энергией 2,4 МэВ и 14,06 МэВ, а также, в перспективе, для получения энергии. The invention relates to nuclear physics. This method of carrying out the reaction D + D and D + T can be used to obtain spectrally pure neutron fluxes with an energy of 2.4 MeV and 14.06 MeV, as well as, in the future, for energy production.

Наиболее близкими аналогами являются мюонный катализ реакции D +D и пьезоядерный синтез в твердом теле. Мюонный катализ реакции D + D был предложен А.Д.Сахаровым в 1948 году. Суть этого способа заключается в следующем [2, 3] . Смесь дейтерия или трития, находящаяся при определенной температуре и давлении, облучается потоком мюонов. При этом происходит образование мезомолекулы ddμ и dtμ, т. е. молекул, в которых электрон замещен μ- мезоном. Поскольку мюон в 207 раз массивнее электрона, ядра дейтерия и трития сближаются на расстояние, достаточное для начала реакции синтеза. Освободившийся после слияния ядер мюон может участвовать в последующих актах образования мезомолекул. Данный способ не получил практического применения вследствие малого времени жизни мюонов, малой вероятности образования мезомолекулы и захвата мюона ионом гелия. Кроме того, заметная эффективность процесса наблюдается лишь при 500^oC и 3000 атм, что весьма осложняет и удорожает данный способ.The closest analogues are muon catalysis of the D + D reaction and piezonuclear fusion in a solid. Muon catalysis of the D + D reaction was proposed by A.D. Sakharov in 1948. The essence of this method is as follows [2, 3]. A mixture of deuterium or tritium at a certain temperature and pressure is irradiated with a stream of muons. In this case, the formation of the ddμ and dtμ mesomolecules, i.e., molecules in which the electron is replaced by the μ meson, occurs. Since the muon is 207 times more massive than the electron, the nuclei of deuterium and tritium come close to a distance sufficient to start the synthesis reaction. A muon released after nuclear fusion can participate in subsequent acts of the formation of mesomolecules. This method has not received practical application due to the short lifetime of the muons, the low probability of the formation of a mesomolecule and the capture of the muon by a helium ion. In addition, a noticeable efficiency of the process is observed only at 500 ^o C and 3000 ATM, which greatly complicates and increases the cost of this method.

Идея пьезоядерного синтеза в твердом теле была выдвинута в 1986 году С. Джоунсом. Этот способ проведения синтеза состоит в следующем [4]. Ионы дейтерия или трития внедряют в кристаллическую решетку металлов типа палладия, титана, платины или их сплавов ZrNbV, Na_xWO₃, используя свойство данных металлов хорошо растворять водород и его изотопы. Внедрение может производиться либо путем электролиза тяжелой воды, когда в качестве катода используется палладий или титан, либо насыщением палладиевой или титановой стружки изотопами водорода под давлением, либо путем бомбардировки металлического электрода ионами дейтерия, трития из плазмы газового разряда.The idea of piezuclear fusion in solids was put forward in 1986 by S. Jones. This method of synthesis is as follows [4]. Deuterium or tritium ions are introduced into the crystal lattice of metals such as palladium, titanium, platinum or their alloys ZrNbV, Na _x WO ₃ , using the property of these metals to dissolve hydrogen and its isotopes well. The introduction can be carried out either by electrolysis of heavy water, when palladium or titanium is used as a cathode, by saturation of palladium or titanium chips with hydrogen isotopes under pressure, or by bombarding a metal electrode with deuterium ions, tritium from a gas discharge plasma.

Данный способ проведения ядерного синтеза, после многочисленных проверок, не привел к сколь-нибудь значительным практическим результатам. Протекание реакции D + D и D + T уверенно регистрируется лишь при неравновесных условиях насыщения кристаллической решетки изотопами водорода. Общепринятой модели протекания таких реакций на сегодняшний день нет [1]. This method of nuclear fusion, after numerous checks, did not lead to any significant practical results. The reaction D + D and D + T can confidently be detected only under nonequilibrium conditions for the saturation of the crystal lattice with hydrogen isotopes. There is currently no generally accepted model for the occurrence of such reactions [1].

В качестве прототипа предлагаемого нами способа мы выбрали способ, описанный в патенте [7]: "Способ получения нейтронов и гамма-квантов". В этом способе металл, способный к образованию химического соединения с дейтерием, подвергается механическому или тепловому воздействию с целью образования объемных неоднородностей. После насыщения образца дейтерием на него оказывается ударное воздействие с амплитудой более 25 Гпа. В соответствии с существующими представлениями о механизме пьезоядернорго синтеза в образце возникают локальные области с очень высокими напряженностями поля, в которых ионы дейтерия ускоряются до энергий, необходимых при ядерном слиянии. Данный способ обладает весьма низкой эффективностью, т. к. области с большой локальной неоднородностью имеют очень малый суммарный объем, а сам процесс синтеза носит принципиально нестационарный характер. Кроме того, огромные нагрузки на образец будут приводить к его разрушению и сделают весьма трудным процесс использования данного способа на практике. As a prototype of our proposed method, we have chosen the method described in the patent [7]: "A method for producing neutrons and gamma rays". In this method, a metal capable of forming a chemical compound with deuterium is subjected to mechanical or thermal stress in order to form bulk inhomogeneities. After the sample is saturated with deuterium, a shock action with an amplitude of more than 25 GPa is exerted on it. In accordance with the existing ideas about the mechanism of piezuclear nuclear synthesis, local regions with very high field strengths arise in the sample, in which deuterium ions are accelerated to the energies necessary for nuclear fusion. This method has a very low efficiency, because regions with a large local heterogeneity have a very small total volume, and the synthesis process itself is fundamentally unsteady. In addition, huge loads on the sample will lead to its destruction and will make the process of using this method in practice very difficult.

Осуществить стационарную реакцию синтеза во всем объеме образца стало задачей изобретения, предлагаемого в данной заявке. To carry out a stationary synthesis reaction in the entire sample volume has become the task of the invention proposed in this application.

В предлагаемом способе проведения реакции ядерного синтеза D + D и D + T используется эффект увеличения эффективной массы электронов в кристаллической решетке некоторых экзотических соединений - так называемых систем с "тяжелыми фермионами". The proposed method for carrying out the nuclear fusion reaction D + D and D + T uses the effect of increasing the effective mass of electrons in the crystal lattice of some exotic compounds - the so-called systems with "heavy fermions".

Поставленная задача решается за счет того, что способ осуществления реакции низкотемпературного ядерного синтеза включает следующие операции. Кристаллическую решетку соединения насыщают ядрами дейтерия и трития. Согласно настоящему изобретению, для ускорения ядерной реакции применяют соединения с "тяжелыми фермионами", в которых эффективная масса электронов увеличивается в десятки раз. Это позволяет ядрам дейтерия и трития сближаться на расстояние, необходимое для протекания реакции ядерного синтеза. The problem is solved due to the fact that the method of carrying out the reaction of low-temperature nuclear fusion includes the following operations. The crystal lattice of the compound is saturated with nuclei of deuterium and tritium. According to the present invention, compounds with "heavy fermions" in which the effective mass of electrons is increased tenfold are used to accelerate the nuclear reaction. This allows the nuclei of deuterium and tritium to come closer to the distance necessary for the course of the nuclear fusion reaction.

Системы с "тяжелыми фермионами" - это соединения актинидов и редкоземельных металлов, у которых нестабильные 4f и 5f оболочки, т.е. f-уровень лежит близко к уровню Ферми и возникает ситуация с неустойчивой валентностью. Если f-уровень лежит в непосредственной близости к уровню Ферми - это промежуточная валентность, т.е. гибридизация f-электронов с электронами проводимости. Но и когда f-уровень лежит существенно ниже уровня Ферми, свойства электронов меняются из-за коллективных эффектов типа эффекта Кондо, т. е. рассеяния электронов проводимости на локализованных магнитных моментах f-центров. В обоих случаях плотность состояний на уровне Ферми увеличивается, причем на 2-3 порядка больше, чем в обычных металлах. Таким образом можно говорить о увеличении эффективной массы электронов, о появлении "тяжелых электронов". Понятно, что эти тонкие эффекты наблюдаются при пониженных температурах, вот типичные примеры соединений с "тяжелыми фермионами":
CeCu₂Si₂ - T_кр = 0,6 K γ = 1000
UBe₁₃ - T_кр = 0,95 K γ = 1100
UPt₃ - T_кр = 0,5 K γ = 450
CeAl₃ - T_кр= 0,7 K γ = 1620
где T_кр - температура перехода в экзотическое состояние, γ - электронная теплоемкость, величина, прямо указывающая на увеличение эффективной массы электронов. В обычных металлах γ₀ = 1 мДж/моль K². Конечно, было бы неправильно считать, что эффективная масса пропорциональна электронной теплоемкости, т.е.:

где m_o - масса свободного электрона и m_эф - порядка 1000 m_o. Реально масса носителей заряда меньше термодинамической массы, и с учетом перенормировки эффективной массы она составляет m_эф = 40 m_o. Данная цифра является, в большинстве случаев, нижним пределом [6]. В свободном дейтерии расстояние между дейтронами составляет 7,4 10^-9 см. Радиус действия ядерных сил в триплетном спиновом состоянии составляет 1,7 10^-13 см, что дает для свободного дейтерия скорость ядерного синтеза 10^-70 c^-1. Увеличение эффективной массы электронов в кристаллической решетке более чем в 40 раз приведет к сближению дейтронов, диффундированных в решетку, и, как следствие, к увеличению скорости ядерного синтеза на 15-20 порядков [5].Systems with “heavy fermions” are compounds of actinides and rare-earth metals in which unstable 4f and 5f shells, i.e. The f level lies close to the Fermi level and a situation arises with unstable valency. If the f-level lies in close proximity to the Fermi level, this is an intermediate valency, i.e. hybridization of f-electrons with conduction electrons. But even when the f level lies well below the Fermi level, the properties of the electrons change due to collective effects such as the Kondo effect, i.e., scattering of conduction electrons by the localized magnetic moments of the f centers. In both cases, the density of states at the Fermi level increases, and is 2-3 orders of magnitude higher than in ordinary metals. Thus, we can talk about an increase in the effective mass of electrons, about the appearance of "heavy electrons". It is clear that these subtle effects are observed at low temperatures, here are typical examples of compounds with "heavy fermions":
CeCu ₂ Si ₂ - T _cr = 0.6 K γ = 1000
UBe ₁₃ - T _cr = 0.95 K γ = 1100
UPt ₃ - T _cr = 0.5 K γ = 450
CeAl ₃ - T _cr = 0.7 K γ = 1620
where T _cr is the temperature of the transition to an exotic state, γ is the electron specific heat, a value directly indicating an increase in the effective mass of electrons. In ordinary metals, γ ₀ = 1 mJ / mol K ² . Of course, it would be wrong to assume that the effective mass is proportional to the electronic heat capacity, i.e.:

where m _o is the mass of a free electron and m _eff is of the order of 1000 m _o . Actually, the mass of the charge carriers is less than the thermodynamic mass, and taking into account the renormalization of the effective mass, it is m _eff = 40 m _o . This figure is, in most cases, the lower limit [6]. In free deuterium, the distance between deuterons is 7.4 10 ^-9 cm. The radius of action of nuclear forces in the triplet spin state is 1.7 10 ^-13 cm, which gives free fusion deuterium 10 ^-70 s ^-1 . An increase in the effective mass of electrons in the crystal lattice by more than 40 times will lead to the convergence of deuterons diffused into the lattice, and, as a result, to an increase in the rate of nuclear fusion by 15–20 orders of magnitude [5].

Внедрение ионов дейтерия и трития в кристаллическую решетку возможно перечисленными выше способами: электролизом тяжелой воды, насыщением гранул дейтерием и тритием под высоким давлением и диффузия ионов дейтерия и трития из газового разряда в катод. После насыщения образца ионами дейтерия и трития образец охлаждается ниже T_кр для данного соединения. После достижения образцом T_кр будет наблюдаться эмиссия нейтронов вследствие начала реакции D + D и D + Т.The incorporation of deuterium and tritium ions into the crystal lattice is possible by the methods listed above: electrolysis of heavy water, saturation of granules with deuterium and tritium under high pressure, and diffusion of deuterium and tritium ions from the gas discharge into the cathode. After the sample is saturated with deuterium and tritium ions, the sample is cooled below T _cr for a given compound. After the sample reaches T _cr, neutron emission will be observed due to the onset of the reaction D + D and D + T.

На чертеже изображен наиболее удобный вариант установки, где используется насыщение образца ионами дейтерия и трития из газового разряда. В данной установке легко сочетается узел обработки ионами с возможностью глубокого охлаждения образца. Процесс протекает следующим образом. Устройство дозированной подачи смеси D + Т 1 вводит газовую смесь в разрядный промежуток между электродами 2 и 3, где образуется плазма 4. Электрическое поле, приложенное между образцом 5 и сеточным электродом 3, вытягивает из плазмы ионы D⁺ и T⁺ и направляет их на образец 5. Избыток газа откачивается из разрядного промежутка вакуумным насосом. Образец 5 закреплен на дне сосуда 6, который изолирован по теплу от стенок установки теплоизоляционными развязками 8. После насыщения образца ионами дейтерия и трития в сосуд 6 наливается жидкий гелий. Пары гелия откачиваются вакуумным насосом. Вследствие принудительного кипения гелия под вакуумом температура сосуда 6, а значит, и образца 5, понижается до T_кр и начинается реакция ядерного синтеза.The drawing shows the most convenient installation option, where the sample is saturated with ions of deuterium and tritium from a gas discharge. This unit easily combines the ion processing unit with the possibility of deep cooling of the sample. The process proceeds as follows. The dosed mixture supply device D + T 1 introduces the gas mixture into the discharge gap between the electrodes 2 and 3, where plasma 4 is formed. An electric field applied between the sample 5 and the grid electrode 3 draws D ⁺ and T ⁺ ions from the plasma and directs them to sample 5. Excess gas is pumped out of the discharge gap by a vacuum pump. Sample 5 is fixed to the bottom of the vessel 6, which is insulated by heat from the walls of the installation with heat-insulating interchanges 8. After the sample is saturated with deuterium and tritium ions, liquid helium is poured into the vessel 6. Helium vapor is pumped out by a vacuum pump. Due to the forced boiling of helium under vacuum, the temperature of the vessel 6, and hence of sample 5, drops to T _cr and the nuclear fusion reaction begins.

Данный способ проведения синтеза на порядок проще мюонного катализа и в то же время не требует неравновесных состояний, как в пьезоядерном способе синтеза, что делает весьма перспективным предлагаемый нами способ. Со временем появятся соединения с "тяжелыми фермионами" с более высокой критической температурой, что еще более увеличит эффективность данного способа проведения реакции ядерного синтеза. This method of synthesis is an order of magnitude simpler than muon catalysis and at the same time does not require nonequilibrium states, as in the piezonuclear synthesis method, which makes our method very promising. Over time, compounds with "heavy fermions" with a higher critical temperature will appear, which will further increase the efficiency of this method of carrying out a nuclear fusion reaction.

Литература
1. Нефедов В. И. Холодный ядерный синтез. Вестник АН СССР. 1991 г. N 1.Literature
1. Nefedov V. I. Cold nuclear fusion. Bulletin of the USSR Academy of Sciences. 1991 N 1.

2. Cershtein S.S., Ponomarev L.J. //Muon Physic /Eds. V.Hughes, C.S.Wu. -New York: Academic Press. 1975. V.III. P.141. 2. Cershtein S.S., Ponomarev L.J. // Muon Physic / Eds. V.Hughes, C.S.Wu. -New York: Academic Press. 1975.V.III. P.141.

3. Зельдович Я.Б., Сахаров А.Д. ЖЭТФ. 1957 г., т. 32, с. 947. 3. Zeldovich Ya.B., Sakharov A.D. JETP. 1957, v. 32, p. 947.

4. Царев В.А. Аномальные ядерные эффекты в твердом теле. УФН, 1992 г., т.162, N 10. 4. Tsarev V.A. Abnormal nuclear effects in a solid. UFN, 1992, vol. 166, N 10.

5. Jones S.E., Palmer E.P., Crirr J.B. et al. Observation of cold nuclear fusion in condences matter. Nature. 1989. V.338. N 6218. 5. Jones S.E., Palmer E.P., Crirr J.B. et al. Observation of cold nuclear fusion in condences matter. Nature. 1989. V.338. N 6218.

6. Каган Ю., Кикоин К.А., Прокофьев Н.В. Перенормировка эффективной массы и эффект де Гааза-Ван Альфена в системах с тяжелыми фермионами. Письма в ЖЭТФ. т. 56, вып. 4. 6. Kagan Yu., Kikoin K.A., Prokofiev N.V. Renormalization of the effective mass and de Haas-Van Alphen effect in systems with heavy fermions. Letters to JETP. t. 56, no. 4.

7. Патент РФ RU 2073964 C1, кл. G 21 B 1/00, 1997 г. 7. RF patent RU 2073964 C1, cl. G 21 B 1/00, 1997

Claims

A method for carrying out a reaction of low-temperature nuclear fusion, which consists in saturating the crystal lattice of the compound with deuterium and tritium nuclei, characterized in that compounds with "heavy fermions" are used to accelerate the reaction, in which the effective mass of electrons increases by tens of times, which allows the deuterium and tritium nuclei to come closer together at the distances necessary for the course of the nuclear fusion reaction.