ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА С МЕТАЛЛАМИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНТЕНСИВНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ТРИТИЯ

В. А.РОМОДАНОВ.

"Луч",г. Подольск, Московская обл.,Железнодорожная 24. РОССИЯ. Тел:8. Факс:4. Эл. п:*****@***dhtp. *****; *****@

АННОТАЦИЯ

Проведено исследование генерации трития, возникающей при бомбардировке ускоренными ионами смесей изотопов водорода из низкоэнергетической плазмы тлеющего разряда поверхностей различных металлов в расширенном диапазоне давлений, энергий и плотностей токов.

Показано, что увеличить скорость генерации трития можно за счёт увеличения энергии и потока ионов изотопов водорода, бомбардирующих мишень-наковальню, применению материалов с высоким номером таблицы Менделеева, при оптимальной температуре, понижения давления и наложения внешнего магнитного поля.

Высказано предположение, что для получения тепловой энергии за счёт ядерных реакций, возникающих при низкоэнергетическом взаимодействии изотопов водорода, на уровне около единиц кВт, для смесей изотопов водорода на основе протия, достаточно обеспечить скорость генерации трития на уровне около 1012 атом/с.

1.  ВВЕДЕНИЕ

Представленные ранее проекты практического использования явлений, возникающих при низкоэнергетическом взаимодействии изотопов водорода с металлами [1], пока не нашли своего воплощения из-за низкой воспроизводимости экспериментальных результатов. Значительное улучшение ситуации с воспроизводимостью, наступившее в результате открытия возможности влиять на скорость генерации трития с помощью магнитных полей [2], позволяет уточнить параметры тлеющего разряда, необходимые для получения значительной скорости трития, достаточной для получения избыточного тепла, предположительно, ядерной природы и уточнить некоторые особенности применения предложенных направлений практического использования.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Настоящая работа посвящена уточнению параметров разряда при наложении внешнего магнитного поля, а также поискам оптимальных материалов для интенсификации скорости генерации трития, позволяющих выйти на уровень1011 –1012 атом/с, достаточный по нашим оценкам, для получения избыточной мощности в Вт.

2.  МЕТОДИКА

В основе наших исследований лежит использование взаимодействия низкоэнергетической плазмы тлеющего разряда с металлами, при повышенных давлениях плазмообразующего газа и наложении магнитного поля, перпендикулярным к плоскости образца-катода [2]. Основное отличие от методик описанных в [1,2] заключалось в том, что в качестве плазмообразующего газа использовалась, только, натуральная смесь изотопов водорода с концентрацией 1,5 × 10-2 % дейтерия в протии (обычный водород) и эксперименты вели в расширенном диапазоне давлений (3-30,6)×103Па. Параметры на заданном режиме выдерживали в течение 4-8,5ч, после чего, плазмообразующий газ перекачивали из камеры вакуумным насосом в резиновые подушки и выключали разряд. Помимо образцов из молибдена, использовали также образцы из свинца, диаметром 100мм и толщиной 2мм, середина которых во время экспериментов находилась в расплавленном состоянии.

Эффективность регистрации β-частиц в режиме измерения проб составляла 28% по эталонам ВНИИФТРИ. Погрешность измерения содержания трития в пробах не превышала ±50%.

3.  РЕЗУЛЬТАТЫ

Основные результаты исследований приведены в табл.1.

Из этой таблицы можно выделить влияние отдельных параметров на скорость генерации трития уже более определённо, чем это было сделано в [1].

-Энергия ионов:

Определить точно необходимую энергию из представленных результатов пока невозможно. Ориентировочно, минимальную энергию можно определить из графика рис.1 [3], которая равна 100эВ. Уменьшение скорости генерации трития для энергии свыше 100эВ, зависимости 2 и 3, является кажущимся и связано с уменьшением плотности тока при низких давлениях и уменьшении энергии при повышении давления и напряжения в реальных условиях разрядных экспериментов.

Последние результаты (см. табл.1.) показывают, что возможность увеличения скорости генерации трития с увеличением энергии ещё существует, рис.1., зависимость 1. Так, для вольфрама увеличение напряжения от 360В до 490В и тока (а соответственно и плотности тока) от 1,9А до 3,1А, привело к увеличению скорости генерации трития с 1,1×107атом/с до 9,4×109атом/с (почти на три порядка). Из этих результатов можно сделать вывод, что снижение напряжения разряда до величины ниже 400В не целесообразно. Увеличение скорости генерации трития с понижением давления до (6-8)×103Па, для всех материалов, указывает именно на это обстоятельство. Несмотря на то, что при снижении давления для некоторых материалов (молибден, вольфрам) напряжение падало, увеличенная, за счёт снижения потерь на столкновения, энергия ионов приводила к повышению скорости генерации трития. Это происходило даже при значительном уменьшении плотности тока (как квадратная зависимость от давления). Таким образом желательно, чтобы и действующая энергия была значительно выше 100эВ.

-Поток ионов:

Увеличение энергии и потока ионов приводит к увеличению скорости генерации трития. Ранее получена пропорциональная зависимость скорости генерации трития от плотности тока с коэффициентом пропорциональности около 1,2-1,5 [4], рис.2.

Настоящие результаты показывают, что существует оптимальное соотношение по энергии и плотности тока. При снижении давления для вольфрама с 30,6×103 Па до 8×103 Па ( а соответственно и уменьшении плотности тока, приблизительно в 14 раз), увеличение энергии ионов (даже при снижении напряжения) привело к увеличению скорости генерации трития с 2,1×109атом/с до 9,4×109атом/с. Однако, при дальнейшем снижении давления, приблизительно в два раза, до 3×103 Па, скорость генерации трития упала на 2-3 порядка, для Mo, W. При этом средняя плотность тока упала приблизительно в 4 раза. Максимальная плотность тока при давлении 8×103 Па составляла около 1А/см2, что можно считать нижним пределом для экспериментов по генерации трития.

-Температура мишени-наковальни:

В отличие от генерации трития за счёт термической активации, без ядерных реакций, когда выход трития зависит экспоненциально от температуры [5], прямой зависимости от температуры для генерации трития в разряде с магнитным полем нет.

Таблица 1.

Генерация трития при взаимодействии плазмы натуральной смеси изотопов водорода с металлами, при наложении магнитного поля.

Материал

Параметры экспериментов

Результаты

Газ

Тем-пе-ра-тура

Ток

раз-

ряда

Нап-ря-же-ние

Вре-мя экс-пе-ри-

мен-

та

Дав-ле-ние в ка-мере

Ак-тив-но-сть про-бы

Ско-

ро-сть гене-ра-ции

три-тия

Коэ-фф. яде-рно-го вза-имо-

дей-ств.

К

А

В

Ч

Па,

×103

Им-пу-льс/с

Ат-ом /с

Ат-ом

/ион

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Исходный водород

Н2+

0,015%D2

0,08±

0,04

Ti-тл. раз.

Маг. поле

Н2+

0,015%D2

1090

3,1

410

4,1

7,4

140

6,3×

108

5,3×

10-11

Ti-0,5+Pt-0,15. Тл. раз. М. п.

Н2+

0,015%D2

1170

3,1

385

4

6,2

2000

7,5×

109

6,3×

10-10

Нерж. сталь-Тл.

разряд.

Маг. поле

Н2+

0,015%D2

1020

3,1

415

4

6

170

6,1×

108

5,3×

10-11

Н2+

0,015%D2

1230

3,1

395

4,1

14,2

20

1,7×

108

1,4×

10-11

Nb-Тле-ющий разряд.

Магнит-ное поле

Н2+

0,015%D2

1060

3,1

395

6

3

12

1,5×

107

1,3×

10-12

Н2+

0,015%D2

1020

3,1

450

4

6,3

350

1,3×

109

1,1×

10-10

Н2+

0,015%D2

1170

3,1

465

4

14,2

11

9,5×

107

8,3×

10-12

Мо-Тлею-щий разряд.

Магнит-ное поле

Н2+

0,015%D2

990

3,1

400

6

3

17

2,1×

107

1,8×

10-12

Н2+

0,015%D2

1020

3,1

415

4

6

1700

6,1×

109

5×

10-10

Н2+

0,015%D2

1290

3,1

525

8,5

16

330

1,5×

109

1,3×

10-10

Та-Тл. разряд. Магнит-ное поле

Н2+

0,015%D2

1020

3,2

510

4

7,2

250

1,1×

109

9,3×

10-11

Н2+

0,015%D2

1180

3,1

430

4

14,2

17

1,5×

108

1,3×

10-11

Продолжение табл.1.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

W-Тлею-щий

разряд.

Магнит-ное

поле

Н2+

0,015%D2

1005

3,1

490

6,5

8

3000

9,4×

109

8,3×

10-10

Н2+

0,015%

1255

3,1

530

8,5

14,8

660

2,8×

109

2,4×

10-10

Н2+

0,015%D2

1470

3,0

680

8

30,6

230

2,1×

109

1,9×

10-10

Н2+

0,015%D2

670

1,9

360

4

6

3

1,1×

107

1,5×

10-12

Pb-Тл. раз.

Маг. поле

Н2+

0,015%D2

620

1,9

350

4

6

24

8,7×

107

1,2×

10-11

Подпись:

10-10

10-12

10-14
 

1700

Энергия, эВ.

Рис.1. Зависимость коэффициента ядерного взаимодействия от энергии ионов изотопов водорода в тлеющем разряде[3].

1-Зависимость для Nb, Mo, Ta и W, полученная из результатов настоящей работы; 2-ранее полученная зависимость для W; 3-ранее полученная зависимость для Мо.

Вместе с тем, результаты для вольфрама и свинца, полученные при пониженных напряжениях и токах (две последние строчки табл.1), непропорционально низкие, что указывает на отрицательное влияние на скорость генерации трития температур ниже 700-800К. Очевидно, что оптимальные температуры лежат в диапазоне от 900К до 1300К, так как при более высоких температурах снижается энергия ионов за счёт термоэмиссии.

-Давление:

Оптимальное давление в данной серии экспериментов находилось в пределах от 6×103 Па до 8×103 Па, что согласуется с ранними результатами, рис.3 [1].