Воскресенье 19 Февраль 2017
Войти Регистрация

Login to your account

Username
Password *
Remember Me

Create an account

Fields marked with an asterisk (*) are required.
Name
Username
Password *
Verify password *
Email *
Verify email *

  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11

Способ возбуждения ядерной реакции в титане

 

1

Прохождение экзотермических реакций с избыточным тепловыделением, обусловленной не химической реакцией, при внедрении водорода или дейтерия в металл давно обратили на себя внимание во многих исследовательских лабораториях. Поводом послужили наблюдения при исследовании систем дейтерирования металлов эммисии нейтронов и обнаружение гелия после дейтерирования. Даже при интенсивном растворении цинка в растворе серной кислоты наблюдается излучение, которое засвечивает рентгеновскую пленку, что говорит о том, что кроме химических процессов происходят параллельно какие-то высокоэнергетические реакции.

Сорбция (наводораживание) металлов сопровождается значительным выделением тепла, что обусловлено прохождением экзотермической химической реакцией образования гидрида. Количество выделяемого тепла и условия образования гидридов описаны во многих работах и легко находятся по справочным данным в специализированной литературе. Реакция гидрирования обратима. Если нагреть гидрид, то он разлагается на металл и водород. По умолчанию руководствуясь законом сохранения энергии, стоит предположить, что, сколько тепловой энергии мы получаем при образовании гидрида, то столько же тепла мы должны подвести к образцу, чтобы «вернуть» систему в исходное состояние. В первом приближении этот баланс энергий соблюдается. Но некоторые аномальные тепловые эффекты, сопровождающиеся при наводораживании металлов, таких как Ni, Ti, FeTi, открывают новые возможности получения тепловой, а в дальнейшем и электрической энергии, аналогично получению энергии на атомных электростанциях. При проникновении атомов водорода или дейтерия в кристаллическую решетку данных металлов, возможно, происходят пока неизученные ядерные реакции. По уровню плотности выделяемой тепловой энергии данный процесс сопоставим с работой реактора на радиоактивном топливе.

С 2011 года на себя обратил внимание Андреа Росси, который, несмотря на скептицизм официальной науки, показал на лабораторной установке, что эти «экзотические» реакции проходят без ионизирующих излучений и их вполне можно уже применять для получения тепловой энергии и коммерческого ее использования.

По данным Андреа Росси его реактор выдаёт 10кВт/час тепловой мощности в виде пара, потребляя из сети 600 Вт/час электроэнергии, расходуя при этом 0,01г водорода и 0,10г никеля на 10кВт/час выработанной энергии. Росси утверждает, что это соотношение можно довести до 1 к 25-ти, но это критический режим работы реактора. Работает установка следующим образом. В металлическую трубку с электрическим подогревателем и мелкодисперсным никелевым порошком подаётся водород под давлением до 30 атмосфер. При пусковом нагреве до 350°С, как полагают авторы изобретения, молекулы водорода разделяются на атомы, которые вступают в ядерную реакцию с никелем. 14 января 2011 года на одном из итальянских заводов они провели пресс-конференцию с демонстрацией своего реактора примерно для полусотни приглашённых. Среди них были профессора из университета Болоньи, не связанные с проектом. Их попросили удостовериться, что установка действительно работает. После успешных тестирований Андрея Росси собрал и запустил 1МВт установку, состоящую из 125 отдельных модулей.

После столь значительных успехов Росси был приглашен для работы в США, где продолжает работать в настоящее время. Основную цель, которую преследует Росси и его партнеры в США - это, конечно получение электрической энергии. При КПД процесса 400% и выше, можно уже говорить о реальности этого замысла. Работа установки при температуре 350°С не позволяет получить пар нужных характеристик для работы промышленной паровой турбины. И свои исследования с 2012 г. Андреа Росси сосредоточил на исследовании высокотемпературного режима работы реактора. Андреа Росси не раскрывает деталей внутреннего устройства реактора, поскольку оно является коммерческой тайной. В настоящее время все права на данное устройство принадлежат американской компании Industrial Heat, где Росси возглавляет всю научно-исследовательскую и конструкторскую деятельность в отношении реактора.

На данный момент существуют низкотемпературная (E-Cat) и высокотемпературная (Hot-Cat) версии реактора. Первая для температур примерно 250-350°C, вторая для температур порядка 800-1400°C. В марте 2013г. был опубликован отчет независимых экспертов  о 32-х дневных испытаний высокотемпературной установки E-cat Андреа Росси, в котором полностью подтверждены уникальные тепловыделяющие свойства реактора возможно на базе низкоэнергетических ядерных реакций (LENR). За 32 дня 1 грамм топлива выработал 1,5 МВт-час тепловой энергии, что составляет невиданную даже в ядерной энергетике плотность мощности энерговыделения 2,1 МВт/кг.

 

Высокотемпературный керамический реактор Hot- Cat на тестировании.

На первом этапе тестирования, на протяжении 23 часов реактор работал без топлива, что позволило сделать калибровочные измерения. После этого было загружено топливо (Ni + Li(AlH4) массой около 1 г, имеющего вид мелкого порошка, и включен постепенно нарастающий нагрев. Увеличение мощности нагрева продолжалось до тех пор, пока средняя температура поверхности реактора не достигла 1260°С при потребляемой нагревателем мощности 810 Вт/ч. Работа в этом режиме продолжалась 10 суток. После этого мощность была поднята до 900 Вт/ч. В результате, за несколько минут температура реактора возросла до 1400°С. Дальнейшая работа происходила при мощности электронагрева около 900 Вт/чвплоть до заранее намеченного срока выключения (32 суток после включения реактора с топливом).

Из данных отчета видно, что отношение между подводимой электрической энергией, которая идет на нагрев реактора, и выделяемой тепловой составляет 3,5-4.

27 декабря 2014г. на сайте E-Cat World была опубликована статья о независимом воспроизведении высокотемпературного реактора Росси в России. В этой же статье содержится ссылка на доклад «Исследование аналога высокотемпературного теплогенератора Росси» физика Пархомова Александра Георгиевича. В докладе автор представил свою версию реактора Росси, данные по его внутреннему устройству и проведенным испытаниям. Главным вывод: реактор действительно выделяет больше энергии, чем потребляет. Отношение выделенного тепла к потребленной энергии составило 2,58. Более того, около 8 минут реактор проработал без подвода электрической мощности, после того, как питающий нихромовый провод перегорел, производя при этом около 750 Вт тепловой мощности.

Экспериментальный реактор Пархомова А.Г.

Для изготовления реакторов использованы трубки из керамики Al2O3 длиной 120 мм, наружным диаметром 10 мм и внутренним диаметром 5 мм. На трубку навиты электронагреватели. Внутри трубки находится 1 г порошка Ni +10% Li (Al H4). С наружной поверхностью трубки контактирует термопара. Концы трубки запечатаны жаростойким цементом.

Таким же цементом покрыта вся поверхность реактора. Ссылка на доклад Пархомова А.Г.

2

Наши исследования в данном направлении последние два с половиной года проводились в Лаборатории Экспериментальной Физики, г.Запорожье и в частной лаборатории в г. Москве. Основные усилия были направлены на инициирование реакций водорода и титана с помощью плазмы тлеющего и коронного разряда.

Известно, что при прохождении электрического разряда через разреженный газ образуется множество заряженных атомов и молекул. Например, если пропускать разряд через водород, то образуется огромное число заряженных атомов (протонов), а также заряженных молекул. Большое количество протонов и дейтронов можно легко получить, пропуская электрический разряд, соответственно через водород и дейтерий, но для того чтобы придать им большую скорость, необходимо разогнать их сильным электрическим полем, т.е. приложить напряжение в камере, в которой находится газ. Резерфорд, а затем Кокрофт и Уолтен в 1932 г. впервые показали, что искусственное превращение лития и бора (в качестве мишени) может быть достигнуто путем бомбардировки протонами с ускоряющим напряжением всего лишь 100 000 вольт. Процессы превращения этих элементов при бомбардировке протонами и дейтронами сопровождаются появлением ядер гелия, которые разлетаются в противоположных направлениях с выделением энергии до 17 МэВ на каждый акт реакции, что нам дает отношение 1 к 128-ми, т.е. на 1 вложенный киловатт/час, мы получаем 128 киловатт/час. Но этот способ получения энергии не нашел применения из-за низкого сечения реакции, т.к. только на 100 000 разогнанных протонов или дейтронов, только один попадает в ядро атома лития или бора.

Из работ, проводившихся в ФГУП “ЛУЧ”, г. Подольск, Московская обл., А.Б. Карабут и И.Б. Савватимовой, следует, что можно также получать ядерную реакцию с меньшим напряжением, если использовать в качестве мишени (катода) водородсорбирующий металл, в частности титан. Исследовались элементные и изотопные составы титанового катода до и после облучения ионами в плазме тлеющего разряда на образце, показавшем избыточное тепловыделение. Облучение проводилось ионами дейтерия при напряжении разряда меньше 1000 вольт, токе 10-20 мА.

Получены тепловые эффекты на титановом катоде, определяемые как 10-20% превышения энергии выхода над подводимой энергией, в образце весом 0.7 граммов в рабочей камере установки тлеющего разряда. В экспериментах с такими материалами катода как Mo, W, Zr положительного теплового эффекта не наблюдалось.

Нами было создано несколько плазменных реакторов и проведено исследование систем водород-титановый катод. Основываясь на наших ранних экспериментах, мы заметили, что пропускание электрического тока через гидрид титана, водород начинает сразу выделяться из гидрида даже при температуре до 70°С., далее омическим нагревом температура быстро поднимается до 300-400°С и выше, и происходит дальнейшая десорбция водорода. Проведя дополнительные эксперименты с порошком гидрида в кварцевой трубочке и подводом напряжения 220, 300, 2000 и 7000 Вольт постоянного или переменного напряжения через трубчатые токоподводы, мы наблюдали искровые разряды между порошинками гидрида и выделение водорода при прохождении электрического тока через гидрид. Основные исследования проводились с целью подбора оптимального напряжения переменного или постоянного тока, а так же геометрических параметров реактора.

Приступая к созданию лабораторной установки по наводораживанию порошков металлов(Ni, Ti, FeTi ) в период с 26 июля 2012г. по 21 ноября 2012г. , мы руководствовались многочисленными данными и исследованиями других лабораторий и институтов, которые показывают, что при наводораживании металлов могут появляться аномальные физические явления, приводящие к избыточному тепловыделению. Оставив ядерную диагностику и дорогостоящее оборудование для ее проведения в стороне, и пользуясь данными ядерной диагностики других исследовательских групп, основной упор в нашем исследовании мы сделали на диагностику избыточного тепловыделения методом калометрии и поиску основных условий (давление, температура, реакционный объем и т.д.) для выявления избыточного энерговыделения.

Для исследования процесса мы выбрали нами спроектированную двухреакторную схему.

Наличие второго реактора обусловливалось тем, что в него загружался готовый гидрид титана, который при нагревании до 500-600 град. С  выделял чистый водород 99,9% под давлением до 10 атм. Необходимость наличия чистого водорода так же является условием для наводораживания и активирования испытуемых порошков в первом реакторе (на рисунке он показан сверху). Баллон водорода объемом 10л и содержащий технический водород 1,4 м.куб (химический чистый водород в 10 раз дороже и его покупка связана с дефицитом на рынке таких баллонов), под давлением 150 атм., как выяснилось позже, также может применяться при наводораживании порошка титана, но активацию порошка титана сначала необходимо производить чистым водородом с предварительным отжигом в вакууме при температурах 500-600 град. для разрушения оксидной пленки. Наличие баллона с гелием в исследуемой системе позволяло производить проверку на герметичность под давлением соединений и швов после сборки, продувание системы для удаления воздуха для экспериментов без вакуумизации реакторов.

Термозатворы, которые представляли из себя кюветы с водой не понадобились. Теплопроводность нержавеющей стали 12Х18Н10, примененной нами, очень низкая. Так, в экспериментах на длине реактора 500мм и наружном диаметре 12мм, если по центру длины реактора была температура 650 град. С, то по краям реактора температура была 200-250 град. Далее, испытав уплотнительные кольца (алюминий, фторопласт)  между фланцами и прийдя к заключению, что герметичность фторопластовых уплотнительных колец лучше, и теплопроводность фторопласта намного ниже чем у алюминия, получили хорошую термоизоляцию между приваренным фланцем реактора и фланцем подводящей арматуры. Отдельный тест фторопластового кольца показал, что материал-фторопласт держит температуру до 600 град. С  и затем слегка его поверхность покрывается плавящейся тонкой пленкой без ухудшения физических свойств всего кольца. Во всех экспериментах температура внешнего фланца при температуре середины (длина активной части реактора 100мм) 650-800 град. С оставалась немного выше комнатной. Поэтому отпала необходимость в длинных (до двух метров, что было сделано в целях безопасности) подводящих нержавеющих трубках. Стоит обратить внимание, что внутренние поверхности фланцев необходимо изготавливать с треугольной проточкой, минимум две, типа «папа-мама» или «папа-папа». В первом испытуемом реакторе этого не было сделано и даже используя высокотемпературный герметик, утечки водорода при комнатной температуре и давлении до 5-ти атм. имели место быть.

На фотографиях выше примеры изготовленных фланцев имеющих проточки и показавших отличный результат.

По поводу выбора геометрии и материала реактора. Применение нержавеющей стали 12Х18Н10 необходимое условие. Т.к. этот материал имеет низкую проницаемость для водорода даже при температурах до 1000 град. С. И в меньшей степени склонен к «водородной болезни» - охрупчиванию металлов при наводораживании. Геометрия ректора выбрана «больше в длину, чем в ширину» и связана с низкой теплопроводностью порошков, что затрудняет эффективный теплосъем от энерговыделения в порошках. Поэтому, чем меньше внутренний диаметр реактора, тем выше радиальная передача тепла между рабочим порошком и внутренней поверхностью реактора. Это важно при проектировании агрегатов рассчитываемые на большие мощности работы. Лучше проектировать несколько реакторов с меньшим диаметром и большей длиной, притом же объеме, чем один, но с большим радиальным расстоянием от внутренних слоев рабочего порошка до внутренней поверхности. Это в некоторой степени усложняет конструкцию и добавляет соединения запорной арматуры. Эксперименты и опыт создания гидридных аккумуляторов водорода показывают, что выходить за больший диаметр, чем 20мм, нецелесообразно.

По этим соображениям мы остановили свой выбор на реакторе длиной 550мм, внешним диаметром 12мм и толщиной стенки 1,5мм. Для осуществления теплосъема при рабочей температуре до 600-700 град. С  мы применили авиационный порционный ручной насос высокого (до 200 атм.) давления. За один такт работы насоса объем перекачивающей жидкости составляет 15,6 мл. Для теплоотвода применили медные трубки диам.12мм имеющие фторопластовые переходники для обеспечения нормальной рабочей температуры гидравлических кранов и соединительных шлангов.  Мы не стали конструировать радиальный (труба в трубе) более эффективный  теплосъем, т.к. в первых экспериментах необходим прямой контакт термопары с рабочим реактором, а случае радиального теплосъема прямой контакт затруднен, что могло внести погрешность в измерения. В дальнейшем это действительно оказалось оправданным. В первом варианте для теплового контакта между медной трубой и реактором мы применили четыре толстых медных провода для лучшей теплопередачи, которые закладывались между двумя ТЭНами и между реактором и медной трубой, обматывали все медной фольгой толщиной 0,4мм и собирали т.н. «куклу» оборачивая асбестовой лентой, что видно на приведенных фотографиях.

Для теплоизоляции собранных таким образом реакторов мы применили огнеупорные кирпичи с пропиленными по всей длине пазами для размещения реакторов и подвода датчиков термопар. Такая система теплопередачи от реактора к охлаждающей трубке оказалась крайне неэффективна. Например, при температуре стенок реактора в 400 град. С и прокачке воды при комнатной температуре, наблюдается очень низкое снижение температуры реактора и вода после прохождения «на вылет» из медной трубки имеет температуру немного выше, чем до прохождения рядом с реактором. Поэтому было принято решение тепловой контакт усилить методом сварки меди и нержавейки, что крайне затруднительно. С некоторыми трудностями удалось спаять реактор и охлаждающую трубку серебряным припоем. После этого теплопередача возросла в несколько раз.

Далее была собрана четырехходовая гидравлическая система, позволяющая направлять поток охлаждающей воды последовательно через два реактора, параллельно, и/или отдельно охлаждать только один из двух реакторов. После этого приступили к экспериментам.

Измерительная аппаратура состояла из четырех термопар - по две на каждый реактор, одна на стенке реактора, другая на охлаждающей медной трубке, гидравлического термометра до 350-ти град.

С , бытового дозиметра «Терра-П» фирмы Экотест (г. Киев), стрелочных манометров высокого и низкого давления на баллонных редукторах, вакуумного манометра и манометра низкого давления до 2-х атм.  А также обычных вольт и амперметров, которые фиксировали потребляемую электрическую мощность нагревательных ТЭНов. В сборке использовали по два ТЭНа на каждый реактор. Второй ТЭН был аварийным, т.к. ТЭНы  плохо переносят условия термоизолированной работы без конвенции воздуха и через некоторое время выходят из строя. В этом случае без разборки «куклы» для экономии времени электрическая мощность подводится на второй (аварийный) ТЭН.

Первые пуски показали, что без участия процессов сорбции/десорбции водорода общий КПД системы с нагревом от ТЭНов имеет уровень 50%. Это связано с потерями тепла через входящие окна в огнеупорные кирпичи, нагрев самих кирпичей, потери на краях охлаждающих медных трубок и теплоизлучением металлизированных шлангов, т.к. при прогреве системы до 500 град. С когда вода внутри охлаждающего контура закипала, пар проходил расстояние до буферной емкости и нагревал краны и шланги до 100-та град. С. (без прокачки воды в системе). Зная ориентировочно эти теплопотери можно было продолжать эксперименты и выявлять общую суть происходящих процессов.

Первый порошок, который загрузили в экспериментальный реактор, был никель. За неимением готового порошка никеля мы приобрели техническую никелевую толстую пластину и на циркулярной пиле путем многократного распиливания собрали мелкую фракцию. Вес загружаемого порошка в полный объем реактора составил 124 грамма. Т.к. никель при гидрировании увеличивает свой объем до 30-40% ,мы уменьшили вес загружаемого порошка. На обоих концах реактора устанавливали нержавеющие сеточки для предотвращения рассыпания порошка. Загрузили 70 грамм и встряхиванием постарались распределить порошок по всему объему нерж. трубки. После вакуумирования и напуска чистого водорода (путем нагрева второго реактора, который содержал 30 грамм гидрида титана), мы не зафиксировали подъема температуры при напуске водорода в пределах погрешности. Многократные циклы проб активации порошка никеля не привели к каким-либо значимым результатам. Температуру насыщения чистым водородом доводили до 500-т град С. при давлении до 3-х атм. Также подавали давление из баллона с техническим водородом до 8-ми атм. Особых эффектов не наблюдали. Возможно, это связано с крупностью порошка и/или примесями, которые присутствовали в исходной пластине, плюс порошок «сработки» рапидной пилы.

Намного информативней оказался порошок чистого титана. Полный реактор содержит 42 грамма порошка титана. У него меньше увеличение объема при гидрировании, чем у никеля, но все равно, чтобы избежать разрыва реактора при увеличении объема, мы загрузили всего 30 грамм порошка. Следует обратить внимание на свойство применявшихся ТЭНов. Мощность одного ТЭНа – 750 Ватт. Основные, рабочие ТЭНы были длиной 380мм. Температурное тарирование на воздухе показало, что центральная часть (около 100мм) прогревается до 640 град С , и далее к краям температура падает до 380 град. С. Отсюда следует, что эффективному прогреву порошка подвергается из 30 граммов загруженного, только одна треть, т.е. около 10-ти грамм.

После отжига порошка титана при температуре 500 град. С в вакууме (мы применили компрессор от холодильника, он держит вакуум по показаниям манометра до -0,9-ти атм. см. фото) и периодическим напуском чистого водорода, из вспомогательного реактора, для увеличения скорости разрушения оксидной пленки, мы добились активации порошка. Активация порошка проверяется достаточно просто. Реактор комнатной температуры нагревается и по показаниям манометра мы видим увеличение давления в системе при температуре выше 550 град. С. При этой температуре начинается десорбция водорода из титана. После поднятия давления, в нашем случае 5 атм. и отключая напряжение на ТЭНах мы видим медленное, в течении 20-30 минут падение давления и температуры (Это без прокачки охлаждающей воды). Этот процесс инерционный и сравнивать процесс остывания реактора по времени в случае присутствия водорода под давлением в системе и без такового, для выявления избыточного тепла, не корректно или сопряжено с трудностями одинаковых первоначальных условий. Далее, проводя эксперименты, мы варьировали напуск чистого водорода и технического водорода, или только технического под давлением до 8-ми атм. и температуре от 300 до 600 град. С. Провели несколько вариаций по начальной температуре напуска. Перед каждым напуском водорода, особенно при температурах выше 300 град. С , проверяли систему на герметичность давлением гелия, т.к. утечки из системы водорода во время проведения теста, сопряжены с безопасностью работающего персонала на случай взрыва. Необходимость присутствия во время проведения эксперимента лица, который находится рядом с огнетушителем и аварийным рубильником электросети, обязательна!

При напуске водорода в прогретый реактор (300-500град. С ) не было отмечено сильного разогрева реактора, что поначалу обескураживало. По литературным данным, при подаче водорода на нагретый до такой температуры порошок титана, должна подниматься температура вплоть до 800 град. С. В нашем случае поданное давление медленно снижалось и явных признаков сорбции не происходило. Медленное снижение давления могло, конечно, свидетельствовать о сорбции, но и утечка из реактора водорода также могла происходить на таких высоких температурах.

Весь процесс изменился только после начала прокачки охлаждающей воды. В первый цикл нагрева реактора, вода присутствует в охлаждающей медной трубке. После достижения температуры внутри «куклы» выше 100 град. С , вода закипает, температура растет, из выходящего патрубка слышно шипение, закипание и выход пара с порциями горячей воды. После этого процесс испарения заканчивается, идет подъем температуры до 550-ти град. С  и выделением водорода, и подъемом давления до 6-8-ти атм. (выше пока не поднимали). Остановку подъема давления осуществляли снятием напряжения с ТЭНа (это надо делать предварительно, т.к. после снятия напряжения по тепловой инерции давление еще продолжает расти около одной минуты). Если на этом этапе не охлаждать реактор, то давление т.е. сорбция проходит долго, в течении 5-6 минут. Если подать порцию воды (недопустимо большое количество -это может привести к гидроудару и резкому термонапряжению стенок реактора, что чревато аварией), наш порционный насос отлично подходит к этой цели, то порция испарившейся воды быстро охлаждает реактор и сразу! происходит снижение давления с 8-ми до 0 атм., по показанию манометра. В этот момент с задержкой в 1-2сек температура очень резко поднимается от первоначальной на 200-300 град. Эксперимент воспроизводился 6 раз для выявления оптимальной температуры, с которой лучше начать охлаждать и до какой температуры производить охлаждение. Априори было понятно, что если в систему внести давление из вне, т.е. из баллона до 15-20 атм., то резкий подъем температуры может и не остановиться на отметке в 600 град. С. Здесь и заключается в конечном итоге вся исследовательская работа - объем, температура, давление.

Перейдем к цифрам нашего эксперимента.

Общий внутренний объем одного реактора, подводящих трубок диам.4мм и длиной 2,9м, одной трубки диам. 6мм и длиной 1м составляет -92,2 см. куб. Фактически объем немного меньше из-за засыпанного порошка титана в реакторе. Необходимо знать, какой объем водорода участвовал в процессе эксперимента. Вот  формула, по которой находят. Это "уравнение состояния идеального газа", или уравнение Менделеева - Клапейрона.

p * V = n * R * T

p - давление в Паскалях.

R = 8.314 Универсальная газовая постоянная.

T - Температура в Кельвинах.

V - Объем в метрах куб.

n - количество вещества в молях.

Найдем количество в молях, поделив массу на молярную (2 г/моль) для водорода. Выразим давление в паскалях (умножим мПа на миллион), а температуру  переведем в Кельвины - прибавим к Цельсиям 273.2

Рассчитав по этой формуле, мы нашли (расчет велся при 600град. С и давлении 5атм.), что участвовавший в процессе вес водорода составляет всего 0,012г, что соответствует 0,139 литрам. При отдельном испытании и фактическом замере при комнатной температуре давления в системе 5 атм., и выпущенном водороде в измерительный гидрозатвор, мы получили 0,6 литра водорода, что по расчетам должно было дать 0,44 литра. Здесь может вносить погрешность грубая шкала манометра в точное давление 5 атм.

В одном из опытов температура после охлаждения резко подскочила до 880 град. С , начальная была 440 град. С , давление водорода в суете эксперимента не отмечена, , но наверняка не выше 8-10 атм. и после начала теплосъема этой температуры охлаждающей водой, количество порций воды также не считалось, была нарушена герметизация медной охлаждающей трубки.

Фото расплавления серебряного припоя и проплавление медной трубки.

Пар начал выходить между зазорами кирпичей и не достигать охлаждающей емкости. Тепловой замер при этом стал невозможен, но этот выход из стоя охлаждающей системы (из-за расплавления серебряного припоя и «проедания» отверстий в медной трубке) открыл возможность экспериментов с резким охлаждением реактора и выявлению необходимых условий для генерации ожидаемого дополнительного тепла. Вот поистине нет худа без добра. В целом после этой проведенной работы стал понятен механизм сорбции/десорбции водорода порошком титана. Как станет далее видно из описания процесса и механизма получения дополнительного тепла мы наткнулись на важный момент! присутствия резкого охлаждения реактора для резкого скачка вверх температуры. Многие исследователи процесса наводораживания/дейтерирования никеля, палладия не применяют систему охлаждения водой (исключение Андреа Росси, поэтому у него наверняка и получилось добиться результата). Да, это действительно сопряжено с определенными трудностями, которые нам пришлось инженерно просто, на первый взгляд, решить. Если взять ячейку Араты, японского ученого, авторитет которого никто не подвергает сомнению, и который получил гелий в реакторе при дейтерировании палладия, то в описании видно, что насыщение палладия производится при комнатной температуре и давлении дейтерия до 30 атм., и происходит подъем температуры реактора от комнатной до 70-80 град. С. и держится в течении суток.

Франческо Челани, из Италии также не снимает избыточное тепло водой, переводя его в пар. Все тепловые замеры ведутся с помощью тепловизоров, что сопряжено с большими погрешностями в калометрии процесса, на что ему указали на конференции в Сеуле, где присутствовал Ю.Н. Бажутов, который также занимаясь ядерным детектированием процессов при наводораживании никеля, не уделяет внимание съему тепла с помощью гидравлической части.

Установка Франческо Челани на конференции в Сеуле

Установка Ю.Н. Бажутова в Курчатовском НИЦ

После удачных, на наш взгляд, экспериментов и имея аварийный реактор, подлежащий ремонту, мы решили изменить конструкцию реактора и способ теплоподвода. Основываясь на наших ранних экспериментах, мы заметили, что пропускание электрического тока через гидрид титана, водород начинает сразу выделяться из гидрида даже при температуре до 70 град. С., далее омическим нагревом температура быстро поднимается до 300-400 град. С. и происходит дальнейшая десорбция водорода. Это очень важное значение может иметь в процессе циклирования - сорбции/десорбции и получения дополнительного тепла. Чем меньше энергии мы затратим на процесс десорбции (он эндотермичен), тем соответственно больше получим тепловой энергии при сорбции (экзотермическая реакция). Проведя дополнительные эксперименты с порошком гидрида в кварцевой трубочке и подводом переменного тока 220 Вольт через трубчатые токоподводы мы наблюдали искровые разряды между порошинками гидрида.

На приведенных фотографиях можно увидеть стадии процесса.

Чтобы исключить возгорание от атмосферного воздуха в кварцевой трубочке при выделении водорода, мы предварительно продували систему гелием, затем перекрывали краном один конец кварцевой трубочки, а другой конец с помощью гибкого шланга помещали в кювету с водой.  Процесс искровых разрядов сопровождается бурным выделением водорода. Отсюда родилось конструктивное решение будущего реактора.  Этому технологическому решению решили присвоить собственное имя – «ТИГР».  «Токовый Импульсный Гидридный Реактор».

 

Схема реактора. Фото реактора «ТИГР» и керамический вкладыш-диэлектрик с порошком гидрида.

В этой схеме решен вопрос теплосъема со всей площади реактора, в котором находится порошок металла. Токоподвод в герметичный реактор мы решили простым технологичным  способом- применили автомобильные свечи зажигания. В качестве диэлектрика мы применили высокотемпературную керамическую трубочку . При первом же испытании керамика не выдержала температурных и механических нагрузок и растрескалась.

Наверняка это произошло из-за коэффициента теплового расширения керамики, поэтому следующим материалом диэлектрика выбрали кварцевое стекло, у которого коэффициент теплового расширения минимален.

Кварцевая трубочка с трубчатыми токоподводами и латунный вкладыш под внутренний диаметр реактора.

В целом, такое конструктивное решение оказалось оправданным, т.к. пользуясь нагревом порошка с помощью ТЭНов, мы неизбежно имеем теплопотери. В нашем же случае, вся подведенная электрическая энергия передается непосредственно порошку гидрида (или другому испытуемому порошку). Кроме все прочего мы с помощью этого способа имеем возможность подводить электрический ток любой частоты, напряжения и формы импульса, что может оказаться очень эффективным средством для десорбции водорода (кроме термического), и это еще предстоит выяснять в будущих экспериментах.

Первые пуски «ТИГРа» были сопряжены с трудностями электрического контакта свечей зажигания с токоподводящими вкладышами, герметизации резьбовых соединений, прохождению тока по гидриду, с нелинейностью потребляемого тока и т.д.  При данных геометрических размерах энергопотребление реактором усреднено составляло по  переменному (50 Гц) напряжению 30 Вольт, по току 20-25 Ампер. Как показал эксперимент, выделение водорода из-за прохождения тока (не из-за повышения температуры!) происходит только на первой стадии процесса. Вероятно, это связано, что на этой стадии имеет место выделение водорода только из альфа-фазы гидрида, т.е. удаляется водород, который находится в дефектах и микротрещинах кристаллической решетки металла.  Далее, выделение водорода, вероятно, идет только из-за омического нагрева свыше 300-400 град С. и далее. Датчик температуры мы разместили на наружной стенке реактора, рядом с охлаждающей рубашкой и не имели возможность непосредственно измерить температуру порошка гидрида. Поэтому инерционность показаний температуры вносило погрешность в интерпретацию эксперимента и приходилось действовать интуитивно, согласуясь с визуализацией процесса в предварительных экспериментах с прозрачной кварцевой трубочкой. Еще одним, на наш взгляд, важным явлением, с которым мы столкнулись при работе с реактором «ТИГР», это быстрая сорбция водорода  в гидрид при отключении электрического тока. Сорбция происходила в течении 3-5 секунд при автономном давлении 5-6 атм. без охлаждения реактора. В случае использовании ТЭНа, тепловая инертность (без охлаждения), после отключения ТЭНов, не позволяет быстро сорбировать водород, который находится в системе под давлением. Резкого поднятия температуры термопара на фиксировала, т.к. было сказано выше, скорость передачи температуры от порошка гидрида к датчику термопары затруднен. Путь, по которому шел тепловой импульс, состоял из стенки кварцевого стекла 2мм, технологический зазор между кварцевой поверхностью и латунным вкладышем 0,3-0,4 мм, стенка реактора из низкотеплопроводной нержавеющей стали - 3мм и плюс расстояние до датчика по поверхности реактора в сторону 7-8 мм. На основании проведенных исследований можно считать, что процессы, происходящие в реакторе  «ТИГР» имеют все шансы быть перспективными и открывающие новые физические явления в гидридах металлов и стоит продолжить исследование в этом направлении.

3

Об энергетике процесса, плотностях энергии.

 По справочным данным поглощение одного моля (1 моль в обычных условиях занимает 22,4 л. , молярная масса водорода равна 2 г. Плотность в пересчете на 1 л составит 2 г/22,4 л = 0,09 г/л.) водорода порошком титана сопровождается выделением энергии от 60-100 кДж. Разброс по уровням энергии, вероятно, связан с первоначальными условиями наводораживания. Будем в своих расчетах придерживаться средних значений – 80 кДж/ моль. Можно представить, плотность энергии этого процесса :

Если каждую секунду порошком титана будет поглощаться 22,4 литра водорода, то в час поглотится 80 640 литров. Это даст 3600*80 000 Дж=288 мДж , что соответствует мощности 288/3,6= 80 кВт/час. (1кВт/час = 3,6 мДж). Действуя циклически, одна секунда сорбция/одна секунда десорбция, мощность от тепловыделения, при циклировании 22,4 литров водорода, будет 40кВт/час.

Один грамм титана может поглотить 0,4 литра водорода. Для поглощения 22,4 литров водорода необходимо 56 грамм порошка. Т.е. , создав необходимые условия для сорбции/десорбции, равные двум секундам, мы имеем плотность энергии – 56грамм/40 кВт/час –это теоретический максимум. Плотность энергии такого процесса очень высока. Представить себе 40-ка киловаттный нагреватель, который должен за секунду передать свою мощность объему реактора (к примеру, наш реактор с внутренним диам. 8мм и длиной 550мм, имеет объем – 27,6 см.куб. и вес находящегося в нем порошка – 30 грамм), трудно. К тому же в следующую секунду необходимо отвести тепло от такого объема. Имея в запасе такой высокий уровень плотности энергии, видно, что практическая реализация агрегата вполне достойно будет выглядеть в массогабаритных характеристиках.

На основании проведенных экспериментов можно приступить к предварительным расчетам и проектированию нагревательного агрегата.

Первое, стоит учесть, что процесс сорбции/десорбции одного моля водорода может идти в пределах 8-10-ти секунд. Для этого, наверняка, 56-ти граммов порошка титана будет мало, и ничего не мешает использовать большее количество -250-300 грамм. (Стоимость одного килограмма 10-12 долл. ). При растягивании во времени циклов, мы снижаем плотность энергии до конструктивных возможностей и работаем не в критических диапазонах теплонапряженности.

Второе, предварительно, имея цикл 8-10 секунд, при габаритах нашего реактора, соединив их параллельно в количестве 10-ти штук , что соответствует объему – 276 см. куб., мы ориентировочно выходим на минимальную рабочую мощность 10кВт/час без высоких теплонапряжений и возможностью несложного проектирования охлаждающей системы.

О дополнительном тепловыделении в этом процессе и коэффициенте прибавочной энергии.

Процессы, связанные с наводораживанием металлов, применяются с 70-х годов прошлого века в промышленности. Основными можно назвать – это получение гидридов металлов для разных отраслей науки и техники и безопасное хранение водорода в аккумуляторах на основе гидридпорошков. Вопрос, почему используя эти технологические процессы, инженеры и техники прошли мимо явления дополнительного выделения тепла?  Следуя закону сохранения энергии, мы видим что, сколько тепловой энергии мы получаем при сорбции водорода, то столько же энергии необходимо затратить для процесса десорбции и якобы выигрыша в энергии нет. Процесс наводораживания/дейтерирования палладия привлекал многих научных исследователей и особенно после 1989 года, когда было сделано заявление о дополнительном тепловыделении и объяснили это ядерными реакциями синтеза. Не будем перечислять множество работ в этом направлении, а покажем действительные физические условия для возникновения эффекта дополнительного энерговыделения.

Ядерная диагностика показала, что в момент тепловой вспышки, при сорбции водорода в металл, наблюдается эммисия нейтронов и гамма-импульс. Расчеты показали, что на шесть единиц химической энергии при сорбции, приходится одна единица ядерной энергии. Наглядно, это можно представить, как если бы мы шести киловаттным ТЭНом нагревали порошок металла для десорбции водорода и вновь получали бы эти шесть киловатт при сорбции, при отключенных ТЭНах, то при сорбции мы получили бы семь киловатт. Если на процесс сорбции/десорбции уйдет один час, то коэффициент дополнительной энергии составит 7/6= 1,16 т.е. КПД процесса будет 116%. Если в течении часа произвести процесс сорбции/десорбции два раза, то 8/6= 1,33 и КПД возрастает до 133%. Если четыре раза, то КПД – 166%. Если процесс сорбции/десорбции длится пять минут, за час пройдет 12 циклов, то дополнительно к шести киловаттам мы получаем 12 киловатт ядерной энергии, что в сумме дает КПД – 300%. Этот механизм получения дополнительного тепла от ядерной энергии как раз и заключается в том, что необходимо термо/бароциклирование и чем чаще в единицу времени нам удастся это осуществить, тем выше будет КПД процесса.

Это очень важный момент для понимания и вот почему многие исследователи прошли мимо таких больших возможностей применения этого процесса. Действительно, например,  при заправке гидридных аккумуляторов водорода, при гидрировании металлов, процесс сорбции длится от 10-ти до 30 минут. Из вышеприведенных данных видно, что сорбирование 22,4 литра водорода сопровождается энерговыделением на уровне 45 Вт/час. Допустим, что в гидридный аккумулятор водорода закачивается 1 м. куб. водорода на протяжении 30 минут.  Химическое выделение при этом составляет 80 кДж/ 22,4 литра  и 3571 кДж/м. куб.  Это соответствует 1кВт/час/1 м. куб. или 2кВт/30 мин/ 1м. куб.

Ядерной, дополнительной энергии, в процессе сорбции будет выделено (напомним соотношение 6:1) – 330 Вт. Понятно, что малая добавка дополнительного тепловыделения (2000 +330=2330/2000=1,16) не могла быть замечена, или могла быть списана на погрешность измерений при калометрии, тем более ядерной диагностикой этого процесса долгое время никто не занимался.

В настоящий момент многие исследователи ядерных процессов, как было описано выше, останавливаются на этом, незначительном выделении дополнительного тепла и вычисляют количество выделившийся энергии при сорбции. А здесь как раз и важен момент термоциклирования, который по конструктивным сложностям исполнения и не применяют в своих лабораторных установках или скорей всего не придают или не создают условий для частых тепловых вспышек, которые соответствуют фазовым переходам металл/гидрид металла.

Здесь кроется только один «подводный камень».  По литературным данным порошок металла может сорбировать/десорбировать водород до 5000 циклов. После этого поглотительная способность кристаллической решетки металла падает. Предположительно, если при получении КПД процесса на уровне 400-600% необходимо производить 1 цикл в минуту, то это примерно четверо суток работы при массе порошка 56 грамм и генерируемой максимальной мощности около 40 кВт/час. 560 грамм – это сорок суток , килограмм – 70 суток, при стоимости одного килограмма 300-400 рос. рублей (имеется в виду титан), это вполне удовлетворительно смотрится на уровне рыночных цен. Но это только предварительные пессимистичные  расчеты и по некоторым данным, при компактировании и легировании титана углеродными, медными, присадками циклы сорбции/десорбции могут доходить до 100 000.

Видео этих экспериментов можно посмотреть по ссылкеПродолжение дальнейших экспериментов по плазменному возбуждению реакции было осуществлено в г. Москве. Видео этих экспериментов можно посмотреть по ссылке.

4

Не вдаваясь в подробное описание плазменно-водородных экспериментов, кратко можно сказать, что в некоторых случаях мы наблюдали явное превышение выделения тепловой энергии над энергией, вводимой в разряд. В контрольных экспериментах при использовании вместо порошка титана порошка латуни в атмосфере водорода избыточного тепловыделения нет. Сложность электрической схемы питания и достаточно малая мощность разряда от 3 Ватт на коронном разряде и до 400 Ватт на тлеющем разряде не позволяла спроектировать реактор с высокой плотностью энергии.

После участия в семинаре «Холодный ядерный синтез и шаровая молния» в РУДН, Москва, 25 декабря 2014г., на котором Пархомов А.Г. докладывал о репликации реактора Росси, мы решили провести собственный аналогичный эксперимент. Мы пригласили Пархомова А.Г. в нашу лабораторию и провели очень доброжелательную и конструктивную встречу. Обсудили детали его эксперимента и нашего представления о процессах, которые происходят внутри керамического реактора.

Основное отличие наших исследований от экспериментов Пархомова А.Г. и Андреа Росии в том, что мы используем в качестве сорбирующего металла - титан. При наводораживании титана наблюдаются аналогичные эффекты по избыточному тепловыделению. При подаче водорода под давлением в реакционную зону, при температурах исключающих сорбцию,  наблюдается подъем температуры порошка титана на 50º-70º С и этот подъем нельзя объяснить химической природой реакции. Проведенные эксперименты в другой лаборатории, достоверно показали, если водород заменить на дейтерий, то при прочих равных условиях дельта подъема температуры в два раза больше. Ядерная диагностика при этом показывает незначительную нейтронную вспышку и импульсное гамма излучение, что говорит еще раз о нехимической природе данного явления. Приоритет в данной области реакций дейтерия с титаном принадлежит Цветкову С.А. (Россия), который еще в 1997г. подал заявку и получил патент РФ № 2145123 « Способ ядерного синтеза и устройство для его осуществления».

Стоит обратить особое внимание на то, что при превышении в реакторе давления более 15-ти атм. начинаются автомодельные осцилляции температуры и давления при неизменной подводимой мощности к реактору. Реакция начинает как бы «дышать» и поддерживать сама себя. Такие же автомодельные 50-ти градусные осцилляции видны на графике в эксперименте А.Г. Пархомова при достижении температуры 1300°С. Для того, чтобы реакция шла в этом автоколебательном режиме и не пошла «вразнос», здесь важно соблюсти баланс подводимой и отводимой мощности.

5

На основании проведенного исследования уже сегодня можно приступить к изготовлению и выпуску экономичных электрических котлов и нагревателей. Ожидаемая экономия данного вида нагревательных элементов, в сравнении с обычными ТЭНами, в 3-4 раза. Наличие у потребителя счетчика электроэнергии с тарификацией день/ночь, позволит отказаться или существенно снизить потребление газа. В этом случае финансовые затраты на отопление дома, дачи, офисных и промышленных помещений может снизится в 6-7 раз. Преимущество (над керамическими при 1300ºС) предлагаемых тепловыделяющих трубок еще в том, что рабочая температура находится в интервале 650°С-950°С., что позволяет их применять в производственных циклах, где необходима высокая температура и на данный момент применяются обычные ТЭНы. Например, в лесо/зерносушилках, при отоплении птичников и птицефабрик, в экструдерах для литья полимерных материалов, различных тепловых пушках и т.д. Так же возможна замена газовой горелки в бытовых и промышленных котлах и рядным монтажом тепловых трубок в объеме камеры сгорания без переделки теплообменника и всей теплоциркуляционной системы. Большим сегментом для рынка сбыта являются жители загородных домов, коттеджных городков, владельцы овощных и цветочных теплиц, где строительство газораспределительных сетей нецелесообразно или отсутствует вообще. Даже при наличии газового отопления, где существует месячный лимит на объем газа, многие люди дублируют систему отопления электрическим котлом.

Предлагаемый высокотемпературный тепловыделяющий модуль (ВТМ) выглядит следующим образом. Нержавеющая труба, возможно покрытая тонким слоем керамики, для обеспечения изоляции и окисления от атмосферного воздуха, диаметром 10-12мм и длиной 300-500мм. В трубку загружается порошок или таблетки титана. Масса загрузки 30 и 50 грамм соответственно. Ориентировочное время работы до замены порошка или таблеток - 6 месяцев. Тепловыделяющая мощность одного модуля длиной 300мм от 1 до 2 кВт. Длиной 500мм от 3 до 4 кВт. Для достижения большей необходимой мощности ВТМ собираются в пакеты. Использование нержавеющих трубок (сталь 316L) и подводящей пневматической арматуры Swagelok (Германия) или Hy-Lok (Южная Корея), позволит сделать работу нагревательных элементов безопасной и долговечной.  На представленной блок-схеме показана сборка из четырех ВТМ. Понижающий трансформатор, питающийся от сети 220 или 380 вольт, понижает напряжение до 5-ти вольт, и соединятся низковольтной обмоткой с сильноточными клеммами, расположенными на концах нержавеющих трубок. Это надежный и простой способ нагрева, взамен использования нихромовых нагревателей. Система снабжается буферной емкостью высокого давления объемом до 1-го литра, датчиками давления и температуры, а также блоком автоматизации и управления.

6

Текущие эксперименты

Более перспективными для систем отопления, на наш взгляд являются низкотемпературные от 50°С до 120°С тепловые модули (НТМ).

Свойство некоторых интерметаллических соединений, таких как LaNi5 и FeTi взаимодействуют с водородом/дейтерием при комнатных температурах, но при давлениях выше 20-ти атм. В этом случае отпадает необходимость в использовании электрической энергии и реакция начинается сразу после подачи давления водорода в трубку. Т.е. по сути, мы имеем автономный источник тепла. По данным некоторых лабораторий, после подачи дейтерия под давлением до 30-ти атм. в реакторную зону, где находится низкотемпературный интерметаллид PdZr в виде порошка, температура стенок реактора поднимается от комнатной до 80°С и держится в течении двух суток. Стоит предположить, что это повториться с намного более дешевым и доступным интерметаллидом- FeTi. Мы ожидаем в нашем эксперименте такого же автоколебательного процесса подъема и спада температуры, как это наблюдалось в случае высокотемпературного реактора. Какая будет продолжительность этой реакции, каков период автоколебаний и возможность реакции к незатуханию - на это ответит прямой эксперимент. Сейчас изготовляется многофункциональный гидридный источник водорода высокого давления, который подключится к пневматической системе. Кварцевые реакторы заменяются нержавеющими реакторами высокого давления. В случае успешных тестирований НТМ тепловыделяющий элемент будет намного проще и функционально легче впишется в системы отопления.

15 марта 2015г.

Ведущий сотрудник проекта  Хрищанович Андрей Петрович.

Экспериментальная лаборатория, г. Москва, РФ

Лаборатория Экспериментальной Физики  «ТЭТ» ,

 г. Запорожье, Украина

Наши эксперименты