CN108633319A - 用于触发放热反应的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了用于在反应材料中触发并维持放热反应的方法和设备，反应材料包括吸氢金属。通过加载吸氢材料，例如过渡金属，以及包括一个或多个氢同位素的氢气来制备反应材料。还公开了用于触发放热反应的不同条件和系统配置。

Description

用于触发放热反应的方法和装置

优先权要求

本申请要求美国临时申请号为62 / 263，121，名称为用于触发放热反应的方法和装置的美国专利申请的优先权，其于2015年12月4日提交，其内容据此全文以引用方式并入本申请。

技术领域

本申请通常涉及发热，尤其是涉及触发放热反应以产生过量热量。

背景技术

数十年来，科学家一直在寻找替代能源来替代化石燃料和核能。在过去的三十年中，科学家们多次观察到氢/氘在各种金属或合金中达到高负荷水平时产生过量热量的现象。这种产生过量热量的现象归因于封闭核之间的放热反应。在一个是基于海森堡不确定性原理的理论中，当囚禁在金属晶格内的小禁区内时，两个氘原子核具有广泛的扩散动量。具备克服库仑势垒必要动量的两个氘原子核的组合概率就显得统计显着性，在俘获的氘气中触发聚变反应。根据第二理论，两个被俘获的氘核通过穿过量子隧道来克服库仑势垒，以达到较低的能量状态，即形成⁴He核。

尽管这些实验已在全球范围内再现，但以一致的方式在负载有氢/氘的金属或合金中产生过量热量的努力尚未成功。科学家们已经探索了不同的条件，在该条件下，可以随意并可控制地触发过量热量的产生。然而，迄今对放热反应触发条件的研究鲜有定论。

本申请启示了用于触发并维持放热反应的有利方法和装置。

发明内容

公开了用于触发放热反应的方法和装置。

在一些实施例中，包含有金属容器和电极的设备用于触发放热反应。金属容器镀有吸氢材料。金属容器具有一个或多个开口端。电极通过第一开口端被容纳到金属容器中。金属容器内充满加压氢气。为了触发放热反应，在金属容器和电极之间施加电压。在一些实施例中，可以施加磁场。磁场的强度被设置为预定阈值。例如，磁场的强度可以在500和700高斯之间。在一些实施例中，选择被施加到金属容器及电极之间电压，取决于金属容器的尺寸。例如，电压可以取决于金属容器和电极之间的距离。在一个实施例中，被电镀在金属容器内壁上的吸氢材料包括镍、钯或其他能够形成氢化物或氘化物的金属或金属合金。在一个实施例中，在吸氢材料下镀一层金。在另一个实施例中，不解离氢或氘的银层或其他金属层镀在吸氢材料下。

在一些实施例中，用于触发放热反应的设备包括金属容器及电极。电极通过金属容器的开口端被容纳。电极镀有吸氢材料。在一些实施例中，首先将电极镀上一层金，并将吸氢材料镀在金层的上层。金属容器可以具有一个或多个开口端，并且开口端是密封的。金属容器内充满加压氢气。为了触发放热反应，在金属容器和电极之间施加电压。电压取决于金属容器的尺寸，例如金属容器和电极之间的距离。可选地，可以施加磁场并且将磁场的大小设置为预定阈值。

在一些实施例中，用于承载放热反应的设备包括金属容器及电极，以及用于放热反应的设备制备包括如下步骤。从电镀开始。在一个实施例中，金属容器镀有吸氢材料。在另一个实施例中，吸氢材料镀在电极上。在电镀之后，将电极插入金属容器中，并将金属容器密封并充满加压氢气。在金属容器和电极之间施加预定磁场强度和预定电压的可选磁场，以触发放热反应。

附图简述

图1是用于触发放热反应的示例性设备的截面图。

图2是示出用于触发放热反应的第二示例性设备的截面图。

图3显示了示例性钯晶格结构。

图4是示出配置成控制放热反应的示例性系统的功能框图。

图5是示出制备放热设备的示例性过程的流程图。

图6是示出发生在本文所述示例性设备内的放热反应的热量测定图。

详细说明

图1示出了示例性放热设备100，包括金属容器102、电极104和盖子106。金属容器102由不与氢反应或吸收氢的材料制成。在一个实施例中，金属容器102由不锈钢制成，例如316L级。金属容器102的壁应该足够厚以承受电镀、高压、高温等，这里描述的过程和条件是示例性方法的部分。例如，在一个实施例中，金属容器102的壁比1/16英寸厚。其他尺寸可运作良好。在一些实施例中，金属容器102呈管状，并且是圆筒。圆筒的直径可以介于0.8到1英寸之间。例如，在一个实施例中，圆筒的外径是1英寸，圆筒的内径是0.875英寸。管的长度约为12英寸，管的尺寸决定着在反应器内能电镀多少吸氢材料。产生的热量与电镀在反应器内部的吸氢材料的量成正比。在一些实施例中，容器的形式或形状是为了便于制造和易于操作而选择的。例如，金属容器102可以由矩形形状制成。

金属容器102可具有一个或多个开口端。在图1中，金属容器102被示出为仅具有一个开口端。在一些实施例中，金属容器102可以具有两个或更多个开口端。为了容纳电极104、输入/输出端口114和电压控制装置116，至少一个开放端需要是可移除的或可更换的。

如图1所示，电极104通过一个开口端，被容纳在金属容器102中。在一些实施例中，电极104被放置在金属容器102中央，与金属容器102的多个侧壁等距。电极104可以由钨、钼、钴或镍，或其他可以承受高电压和高温环境的坚固金属制成。

在一些实施例中，电极104由与金属容器102相同的形状制成，以在金属容器102内产生均匀的电场。在一些实施例中，电极104形成为直径为1/16英寸的杆。金属容器102呈管状，其外径1英寸，内径0.875英寸。金属容器102的长度是12英寸，电极104延伸到金属容器102中，电极104和金属容器102的底部之间的距离（图1中的d）优选为0.6英寸。

电压控制设备116是可移除的电通路。电压控制设备116保持电极104位于金属容器102中央的适当位置。电压控制设备116优选由陶瓷制成，但可以是任何电绝缘材料制成。电压控制设备116使用一个安全的高电压连接器将电极104连接到高压电源。由铝制成的盖子放置在电通路上方，以为压力设备114提供容纳处。压力设备114被配置为向金属容器102去除或供给气体，以及被配置为监测金属容器102内的气体压力。在另一实施例中，盖子可以由不锈钢或任何其他合适的金属制成。

为了制备用于放热反应的设备100，第一步骤是提供吸氢材料，用于吸收氢或氘。在一个优选的实施例中，吸氢材料110要么电镀在金属容器102的内部，要么电镀在电极104上，公知的吸氢材料包括钯、镍、钛和其它已知的金属及合金，以形成氢化物或氘化物。在一些实施例中，钯、钯合金或钯生成物被用作吸氢材料，并经由电解工艺电镀在金属容器的内壁上。在一个实施例中，电镀层的厚度约为7微米。在宏观尺度看，该镀层在金属容器102的侧壁及底部上是匀厚的。然而，在优选的实施例中，在微观尺度看，通过在特殊条件下执行电镀过程以强行粗糙沉积，所电镀的吸氢材料的表面被制成粗糙的。

在一些实施例中，在吸氢材料110下电镀一金层108。在一个实施例中，该层108的厚度大约为10微米，并且在宏观尺度看，在金属容器102的侧壁及底部上是均匀的。与吸氢材料110一样，该金层108优选是粗糙的，在电解工艺中实现。该金层108用作密封层，以在吸氢材料中保持高载氢，也可以用作其它功能，如在容器和吸氢材料之间提供的接触面。不吸收氢的其他金属，如银，可用作替代金。

在一些实施例中，当电解用作电镀的方法时，电镀吸氢材料110和金108，以覆盖金属容器102的侧壁及底部，除了在金属容器的顶部附近的条带。这条带将金属容器暴露在金属容器102和电极104之间所施加的高电压差之下。当施加高电压时，为防止电极104金属容器102之间产生火花，平行于金属容器暴露区域的电极104部分，涂有绝缘体118，例如，聚四氟乙烯。

在图1所示的设备100中，吸氢材料110和金层108被电镀在金属容器的内壁上。在一些实施例中，吸氢材料可以电镀在电极104，如图2所示。相比于在金属容器的内部，在电极上电镀吸氢材料更容易。另外，电极104可以被容易地移除，并用新的测试样本替换。在一些实施例中，电极104首先电镀非吸氢材料108，例如，镀金。然后将吸氢材料110电镀在非吸氢材料108上。如图2所示，电极104接地。电源被连接到金属容器102，以在金属容器102和电极104之间提供电压差。电压差可以设为预定值。实验结果表明，一定的电压值在触发放热反应是最佳的，并且最佳的电压值与反应器100的几何形状关联。

图1和图2显示其中一个电极接地。然而，应当说明的是，在一些实施例中，电极都没接地，即，反应器可以制成“浮动式”。

可以设想的是，在本文所述的圆柱形金属容器内存在谐振电压。容器中的氘气是离子的，可以通过高电压产生的电场加速。氘离子实现的速度取决于氘离子的平均自由程。反过来，氘离子速度决定了与氘离子关联的德布罗意波的波幅，它决定了氘离子可以刚好放入的限制空间。在金属氢化物中，有几个相关的限制尺寸。例如，自由空间中氘气分子中两个氘原子之间的平均间距为0.741埃。D2分子离子的平均间距为1.058埃。在β相氘化钯的晶格尺寸是4.026埃，钯空位的大小推测为晶格尺寸的一半，或2.013埃。实验证据表明，在某些金属氘化物的空位中可能发生D-D放热反应，最有可能的是钯。实验已经观察到放热反应是在钯氘化时触发，当电压、温度和压力被设定为加速氘离子，以实现的2.013埃的德布罗意波波长，数值上与钯晶格空位的推测尺寸相等，如下所示。下面的等式，等式（1），给出在给定压力P和温度T下，电压V₀和德布罗意波波长X之间的关系。

式（1），

其中：

h =普朗克常数=

b =金属圆筒容器的内半径= 0.0111m

a =中央电极的半径= 0.0007938m

r = b

d =氘的横截面尺寸= 2.75埃

NA= 阿伏伽德罗常数= 6.022×10²³ mol^-1

q =元电荷= 1.602×10^-19C

R =摩尔气体常数= 8.314J/mol K

T =以开尔文为单位的气体温度；对于这个例子，T = 62C

P =以帕斯卡为单位的气体压力= 1.05psi（磅力/平方英寸）

M_D =氘质量= 3.343×10^-27kg

X =限制尺寸=德布罗意波波长

下表列出了不同平均压力、温度和电压下氘离子的德布罗意波波长：

平均psi	平均电压	温度（摄氏度）	德布罗意波 (A)
				1.10	1237	54.3	0.740
1.16	176	54.3	2.013

在一些实施例中，在氘离子的德布罗意波波长约为0.741埃和2.013埃时，可观察到放热反应。这些波长分别对应于分子氘中两个氘原子之间的距离以及钯空位的推测大小。

在图3所示的示例性钯晶格中，氘核，即氘原子或离子，可以在晶格内的不同位置捕获到；例如，氘离子可以在钯原子之间的空隙中捕获到（如图3中的S1所示）。氘离子也可以在如S3所示的钯空位中被捕获，在S3中钯原子在晶格中缺失。空位的直径假定为晶格参数长度的一半，或2.013埃。为了填补空位，要求氘核的德布罗意波波长等于或小于2.013埃。此外，为了允许两个氘核粘结以在空位中形成分子氘，氘离子需要具有大约等于S4的德布罗意波波长，这大约是0.741埃。

在一些实验中，当以1237伏特加速氘核，以及在独立场合时以176伏特的加速氘核时，通过实验观察到放热反应。此时的实验条件使得，在氘核加速朝着反应器壁并进入钯中时，生成2.014埃和0.74埃的德布罗意波波长。这表明在氘离子的德布罗意波波长和离子可被捕获的一个或多个物理晶格尺寸之间可能存在联系。为了加速氘核以实现对应于物理晶格尺寸的德布罗意波波长，在该物理晶格中离子可以被捕获，可以使用等式（1）来确定施加在金属容器102和电极104之间的电压。

总之，钯晶格提供其中可捕获氘离子的至少两个位置，从而提供了两个氘离子的波函数重叠的机会：在钯原子之间的开放空间，或在图3中所示的钯晶格的空位。钯原子之间的平均开放空间具有0.96埃的尺寸，而空位具有2.013埃的推测尺寸。压力、温度和电压条件可以改变，以生成符合所需物理尺寸的各种德布罗意波波长。

在一些实施例中，反应器100的开口端被密封，以在不同的操作阶段实现并保持不同的压力。在一些实施例中，反应器100可以具有两个开口端，且两个开口端可以被配置为单独地接收电极104与压力控制装置114和电压控制装置116在一些实施例中，例如，通过焊接，轨道焊接等，一个开口端可以被永久地密封，以避免化学反应。如上所述，电极104以及压力控制装置114和电压控制装置116的一个开口端或多个开口端需要非永久密封。压力控制装置114和电压控制装置116包括图4所示的一批控制装置阵列。

图4是说明用于控制氢注入或氢吸收金属中放热反应的示例性系统400的框图。该示例性系统400包括阴极105、阳极104、压力控制设备114、电压控制设备116、磁铁112（可选）和多个热电偶412。阳极104经由电压控制装置116与电源连接。阴极105由用作金属容器102的金属制成。金属容器102不与氢反应。金属容器电镀有不吸收氢气的金属108。一层可吸收氢/氘的金属110被电镀在金属108的顶层，且金属108用作密封件，以防止注入到金属110的氢/氘的流失。某些类型的金属，例如，钯、镍、钛和镧已知可吸收氢，并具有吸收大量的氢的能力。尽管在图4中，阳极104与电源连接，阴极105接地，如上所述，阴极105和阳极104的位置可切换，如果金属108和可吸收氢/氘的金属110上被电镀到阳极104上。同样，应当注意的是，本公开的术语“金属”可以指单一金属，金属合金或其它任何金属产品。

在图4中，外部磁铁安装在反应器圆筒的外部，以在反应器壁内部提供氘离子进入钯或其他氘吸收材料的磁场。实验表明，可以使用外部磁场来控制观察到的放热反应的速率。在一些实施例中，不用外部磁铁进行实验，但是0.5高斯的地球磁场可以提供足够的场强来触发并维持放热反应。实验观察到反应器功率输出与磁场强度成正比。可以使用亥姆霍兹线圈（未示出）来取消或控制撞击在反应器上的磁场强度。

示例性系统400包括多个热电偶412，其被置于系统400内的不同位置以进行热量测定。示例性系统400还包括电压控制设备116和压力控制设备114，电压控制设备116进一步包括连接器（未示出）、电源416及可选的射频信号发生器418。在一些实施例中，施加到阳极104的电压仅包括具有5mA电流的约5000伏的直流分量。在一些实施例中，施加到阳极104的电压包括组合在电压控制设备116内的直流分量和射频分量。电压组合部件的一个例子是一个偏置器420，其将射频信号叠加到直流偏移，而无需放大其中一个信号。压力控制设备114还包括用于测量系统400内的压力的压力计414，用于控制输入气体量的流量计402以及多个气罐406。

在制备用于吸氢金属110中放热反应的系统400时，吸氢金属110被电镀在阴极105上，通过连接系统与真空室（未示出），该反应室（即在阳极104和阴极105之间的密封空间）被抽成高压力真空，例如10^-6托。在反应室已经清除不需要的气体残留物之后，可以通过流量计402将各自存储在气体容器406中的不同类型的反应气体引入反应室以进行放热反应。反应气体可以包括氘气、氢气或氢气和氘气的混合物。一旦反应室中的反应气体达到所需的压力设定点时，就关闭阀门以密封室。施加触发条件，以触发注氢金属中的放热反应。

在一些实施例中，触发条件包括在阴极105和阳极104之间的施加电压差。如上所述，电压差可以被设置为谐振射频电压。谐振电压取决于反应室的一个几何尺寸或多个几何尺寸。在一些实施例中，用于提供谐振电压的电源可以仅包括直流部件。在一些实施例中，电源可以都包括直流部件和射频信号。

在一些实施例中，触发条件还包括在反应室中施加磁场。磁场强度优选设定为预定阈值。可以通过磁铁112或通过使用亥姆霍兹线圈（未示出）的电流来提供磁场。磁场也可以是地球磁场的一个组成部分。

在一些实验中，在放热反应触发之后，可以通过压力控制设备114从反应室中抽取气体样品，并储存在样品室410中。然后可以分析样品，如使用质谱仪，以确定可以揭晓反应细节的化学或物理变化。例如，氦的存在可能表明氢核的核聚变反应。

图5是示出用于在示例性系统400中制备并触发放热反应的示例性过程的流程图。系统400包括金属容器（例如金属容器102）和电极（例如，阳极104）。在制备系统400时，金属容器电镀有吸氢材料（例如氢/氘吸收金属110）（步骤502），并将电极插入金属容器中。然后将金属容器泵抽至高真空（步骤504），并填充加压氢气（步骤506）。在一些实施例中，加压氢气的压力范围从0.01PSIA到2PSIA。在金属容器和电极之间施加预定电压（步骤508）。预定电压取决于金属容器和电极的一个或多个几何尺寸，并且可以设置为上述谐振射频电压之一。确定电压的值以触发金属容器中的放热反应（步骤510）。在适当的环境温度和维持的氢气/氘气压力下，放热反应可以在金属容器中维持。

图6是表示放热反应结果的图。为了进行热量测定，将金属容器102浸入散热器中，该散热器收集在放热反应期间产生的过量热量。在一个实施例中，散热器是水箱。监测水箱各个位置的温度，并记录温度变化。基于温度变化和散热器的比热，确定金属容器102散发的热量以及由散热器收集的热量。基于散热器执行的热量测定，可以确定金属容器102的温度。在整个放热反应过程中监测和记录金属容器102的温度。在图6中绘制出金属容器102的记录温度与时间的关系曲线。温标显示在图表的左侧。作为比较，控制反应器的温度也被记录并绘制在图6中。除了不包含加压的氢气/氘气之外，控制反应器具有与金属容器102相同的构造。图6进一步示出了施加在金属容器102和电极104之间的电压，其中电压刻度显示在图的右侧。用于比较研究的控制反应器也可以施加相同的电压。

实验运行约三天半。在开始时，金属容器102和控制反应器的温度重合。在时间t1，可提供大约5000V电压及0.0001安培电流的电源被接通大约4小时。从时间t1开始，金属容器102的温度和控制反应器的温度开始偏离。在时间t1和时间t4之间，除了t2和t3之间的短时间段之外，尽管在该时间段期间不施加明显的电压，两个温度之间的差异随着时间而增加。在t2和t3之间的时间段内，施加相对较小的电压。更重要的是，在t3和t4之间的时间段期间，金属容器102的温度升高，虽然没有明显的高压刺激输入。在实验的其余阶段，金属容器102的温度保持高于控制反应器温度几个摄氏度。

在不偏离本发明的范围和基本特征的情况下，可以以除本文所述的其他特定方式来实施本文公开的发明。因此，本发明多个实施例在所有方面都应被视为说明性地，而非限制性地，且所有在所附权利要求的含义和等效范围内的变化都将被纳入其中。

Claims (20)

1.一种触发并维持放热反应的设备，包括：

电镀有吸氢材料的金属容器，所述金属容器具有一个或多个开口端，并充满加压氢气；

通过第一开口端被容纳到所述金属容器中的电极；以及

电源系统，被配置为在所述金属容器和所述电极之间施加第一电压，所述第一电压取决于所述金属容器的尺寸，并被配置为触发放热反应。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述加压氢气包括氘。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述吸氢材料包括第10族元素中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的设备，其中施加第二电压以维持放热反应，且其中所述第二电压低于所述第一电压。

5.根据权利要求1所述的设备，其中在所述吸氢材料下电镀有一层金。

6.根据权利要求1所述的设备，其中在所述吸氢材料下电镀有一层银。

7.根据权利要求1所述的设备，其中施加在所述金属容器和所述电极之间的所述第一电压取决于所述金属容器和所述电极之间的距离。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述金属容器和所述电极之间的所述距离是0.4375英寸，并且所述第一电压大约为5000V。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述加压氢气的压力在0.01PSIA—2PSIA之间。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述金属容器由不锈钢制成，并且所述一个或多个开口端被密封，以保持预定压力。

11.根据权利要求1所述的设备，其中施加预定强度的磁场。

12.一种设备，包括：

金属容器，所述金属容器具有一个或多个开口端，并充满加压氢气；

通过第一开口端被容纳到所述金属容器中的电极，所述电极电镀有吸氢材料；以及

电源系统，被配置为在所述金属容器和所述电极之间提供第一电压，所述第一电压取决于所述金属容器的尺寸。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述加压氢气包括氘。

14.根据权利要求12所述的设备，其中在所述吸氢材料下电镀有一层金。

15.根据权利要求12所述的设备，其中所述加压氢气的压力是0.01PSIA—2PSIA。

16.根据权利要求12所述的设备，其中施加在所述金属容器和所述电极之间的所述第一电压取决于所述金属容器和所述电极之间的距离。

17.根据权利要求16所述的设备，其中所述金属容器与所述电极之间的所述距离是0.4375英寸，并且所述第一电压大约是5000V。

18.一种制备用于发热的放热设备的方法，所述方法包括：

用吸氢材料电镀所述金属容器；

泵抽所述金属容器至高真空；

用加压氢气充满所述金属容器；

在所述金属容器和所述电极之间施加电压，所述电压取决于所述金属容器的尺寸；以及

触发所述金属容器中的放热反应。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述金属容器的所述尺寸为所述金属容器和所述电极之间的距离，且其中所述电压被配置为取决于所述金属容器的尺寸，以便在所述金属容器中触发所述放热反应。

20.一种制备用于发热的放热设备的方法，所述放热设备包括金属容器和电极，所述方法包括：

用吸氢材料电镀所述电极；

泵抽所述金属容器至高真空；

用加压氢气充满所述金属容器；

在所述金属容器和所述电极之间施加电压，所述电压取决于所述金属容器的尺寸；以及

触发所述金属容器中的放热反应。