Способ получения тепловой энергии

013479 Изобретение относится к способу получения тепловой энергии, в котором с помощью подачи электрической энергии легкий исходный материал, подходящий для процессов синтеза ядер, диссоциирует,ионизируется и затем индуцируется синтез. Способ создания факела посредством плазменной дуги, в котором водяной пар диссоциирует на водород и кислород за счет подачи электроэнергии и водород затем ионизируется, известен из ЕР 0919317 А 1 и применяется для термической обработки металлов. С помощью этого способа водяной пар вводится через сопла в электродную камеру, где возникает плазменная дуга за счет подачи электрической энергии. В приборе серийного производства, основанном на этом способе, плазменная горелка в форме пистолета запитывается электрической энергией при помощи устройства электропитания, которое может работать от стандартного напряжения сети. Внутри трубки горелки возникает электрическая дуга между анодным соплом и катодом, которая преобразовывает воду в этом месте сначала в парообразное состояние, а затем в состояние плазмы. В этом процессе молекулы воды диссоциируют, и компоненты ионизируются и испускаются в виде плазменного пучка из форсунки горелки под давлением, созданным естественным образом. С помощью такого плазменного пучка металл можно резать, сваривать, паять и подвергать различного рода термической обработке. В принципе, это устройство подходит для обработки любого негорючего материала, включая нержавеющую и высоколегированную сталь, алюминий, титан, кирпич, бетон, керамику благодаря достоинствам лазерного луча. В ЕР 463089 В 1 описывается так называемый холодный ядерный синтез, при котором посредством электролиза атомы дейтерия вводятся в вещество, решетка которого имеет кристаллическую структуру,причем в результате холодного синтеза выделяется избыточное тепло посредством ядерного синтеза в кристаллической структуре без разрушения решетки вещества. В нем описаны физические процессы касательно различных исходных материалов и реактивных материалов применительно к электролизу. Описанные там процессы были проанализированы с научной точки зрения в прошлом и поэтому являются частью научных знаний специалистов в данной области. Тем временем на базе этого предложения было проведено много экспериментов и выдвинуто много предложений, но насколько можно установить, до настоящего времени ни одно из них не могло быть реализовано в качестве замены обычных жизненно необходимых населению носителей энергии, таких как газ, нефть, уголь или уран, используемых при производстве энергии, будь это прямое производство тепла, электрической энергии или механической энергии. Это действительное положение дел как для систем в масштабах промышленного производства, так и для систем бытового назначения. Таким образом, данное изобретение предлагает способ для решения этой проблемы, который предоставляет возможность производить избыточное тепло даже в малогабаритном блоке путем использования холодного ядерного синтеза. В соответствии с изобретением эта проблема решается с помощью способа, охарактеризованного в основном пункте формулы изобретения. Дополнительные предпочтительные варианты реализации изобретения описаны в зависимых пунктах. В соответствии с изобретением для получения тепловой энергии используется плазменная дуга (с переключаемой полярностью), находящаяся между катодом и анодом, в которой подходящие легкие исходные материалы, способные к осуществлению процессов синтеза, переводятся в состояние плазмы при подаче электроэнергии. Для этого используется катод, выполненный из металла, который дает возможность частицам, образованным в плазме, рассеиваться, а также дает возможность протекания процесса синтеза в металлической решетке. Плазменная дуга между электродами обычно поддерживается за счет электроэнергии. Плазменная дуга поддерживается в среде, состоящей из материала, который содержит исходные материалы, необходимые для ядерного синтеза, например водород, дейтерий или атомы трития или их ионы, а также атомы и ионы лития. В качестве исходного вещества может быть использована простая вода с ее естественными изотопами или с целью увеличения эффективности тяжелая вода, вода, насыщенная дейтерием, вода,содержащая тритий, и/или их смесь с обычной водой. Необходимый легкий исходный материал может быть в твердом, жидком или газообразном состоянии и затем помещен вблизи плазменной дуги. Находясь в газообразном состоянии, он может вводиться непосредственно; жидкое состояние требует промежуточной стадии парообразования, например, непосредственно за счет тепла плазменной дуги. В плазменной дуге эти частицы переходят в состояние плазмы под действием тока выше 3 А, и их количество является достаточным, чтобы обеспечить соответствующий (Н+, D+, Т+, Li+ но не О+ или N+) ионный поток в направлении катода. Можно ожидать, что после прохождения катодного падения потенциала ионы будут ударяться о катод с определенной ударной энергией и концентрация ионов на катоде будет очень высокая. Вообще, чтобы реализовать получение избыточного тепла, катод изготавливается из материала,имеющего металлическую решетку, которая обеспечивает возможность осуществления процесса ядерного синтеза. Катод может полностью состоять из этого материала или может быть только нанесен в виде покрытия. Материалы, которые подходят для этого, являются, в принципе, металлами из группы IIХ и группы IV А Периодической системы и их сплавами. В частности, к ним относятся палладий, железо,кобальт, никель, рутений, родий, осмий, иридий, титан, цирконий, гафний и их сплавы. Частицы, дви-1 013479 жущиеся по направлению к катоду, диссоциируют в решетку материала катода, где они обеспечивают процесс синтеза ядер, описанный в литературе, в это время выделяется избыточное тепло. Это избыточное тепло может отводиться разнообразными способами, известными специалистам; простейшим из них является, например, отведение тепла с помощью жидкой среды таким образом, что это тепло может затем быть преобразовано напрямую или косвенно многими различными способами в другую форму энергии, например электрическую или механическую. Палладий зарекомендовал себя наиболее предпочтительным материалом для катода, который особенно хорошо подходит благодаря высокому уровню работы выхода электронов, который составляет 5,6 эВ, по сравнению с другими перечисленными выше материалами. Посредством соответствующего охлаждения катода намного проще предотвратить электронный поток по плазменной дуге, создаваемый теплом, которое вырабатывается на катоде, так как этот электронный поток не участвует в какой-либо мере в процессе образования тепла или даже мешает ему, поскольку тогда не формируется или ослабляется требуемый поток частиц в направлении катода для инициирования ядерного синтеза в катоде. Чтобы достигнуть подобного результата при использовании других материалов с более низким уровнем работы выхода электронов, необходимо предпринять значительные усилия для большего охлаждения, чтобы предотвратить или минимизировать нежелательный поток электронов от катода. Форма и размер катода так же, как и плотность протекающего через него тока, определяют количество тепла, которое может быть выработано в металле при данном электрическом потенциале. Анод также может иметь покрытие или быть выполненным из одного из вышеупомянутых материалов, но возможно использование для этого любого электропроводящего материала, такого как платина, никель, углерод или медь, которые сами не взаимодействуют с компонентами процесса, чтобы предотвратить образование нежелательных реакций. Желательна такая конфигурация анода, которая способствует взаимодействию плазмы с катодом на большей площади. В соответствии с другим предпочтительным вариантом реализации плазма заряжается импульсами тока. Эти импульсы тока воздействуют или вместо постоянного тока, или дополнительно к постоянному току и производят эффект короткого резкого повышения тока и, следовательно, температуры в плазменной дуге так, что образуется большее количество желаемых частиц, чем осуществляется поток частиц в направлении катода, упомянутого выше, в той мере, чтобы затем осуществить ядерный синтез с катодным материалом, в результате чего вырабатывается больше тепловой энергии, чем необходимо для работы плазменной дуги. В зависимости от токов, при которых существует плазменная дуга, ширина импульсов может находиться в диапазоне от микросекунд до секунд. В случае применения палладия,например, импульсы тока могут иметь величину 60 А в течение короткого периода времени, например 1 мкс, чтобы получить требуемую температуру. В зависимости от тока и ширины импульса могут быть образованы многие изотопы ионов водорода (Н+, D+,T+ ) или другие соответствующие ионы (Li+), которые в дальнейшем могут использоваться в процессе синтеза; конечно, ток необходимо выбирать таким образом, чтобы материал катода не разрушался. Эти импульсы тока вызывают тройной эффект: вопервых, быстрое нагревание, упомянутое выше, для образования частиц D+, T+; во-вторых, защиту от перегрева термически медленно реагирующего материала катода, вызванного нежелательным потоком электронов; и, в-третьих, рост процессов синтеза, поскольку они особенно эффективны в кристалле палладия при высоких токах, быстрое изменение тока и вследствие этого быстрое (в диапазоне микросекунд) изменение потенциала в твердом теле и в плазме. В соответствии с другим вариантом реализации способа плазменная дуга может поддерживаться вместо постоянного тока большим числом импульсов тока в единицу времени. Для осуществления этой операции без постоянного рабочего напряжения частота должна быть достаточно высокой, чтобы плазма дугового разряда получила следующий импульс уже во время послесвечения от предшествующего импульса. В соответствии с предпочтительным вариантом реализации импульсы тока генерируются с помощью источника высокого напряжения, который заряжает конденсатор, и управляемого искрового промежутка; предпочтительным является применение конденсатора емкостью, достаточной для поддержания необходимых минимальных токов в пределах минимальной ширины импульсов. Кроме того, предпочтительно, если дополнительная энергия в виде высокочастотной (HF) энергии накладывается на плазменную дугу. Если HF вводится при частоте ионной плазмы pi (i=H+, D+, Т+) рассматриваемых водородных изотопов или других изотопов, подходящих для синтеза, то имеется возможность увеличить их энергию управляемым способом, чтобы успешно оказывать воздействие на процесс синтеза. Если частота HF прикладываемого поля высокой частоты HF выбрана ниже рассматриваемой частоты pi ионной плазмы, то имеется возможность создания между плазмой и поверхностью катода высокочастотного HF пограничного слоя, в котором осуществляется активное ионное бомбардирование поверхности палладиевого катода с энергией ионов от нескольких 100 до возможно 1000 эВ, что усиливает процесс синтеза. Изменение потенциала при высокочастотном пилообразном режиме плазменной горелки также применимо для создания пограничного слоя. Процессы синтеза особенно эффективны, если последовательность ударов высокоэнергетических-2 013479 ионов изотопов водорода и быстрое изменение потенциала (как в твердом теле, так и в плазме) в микросекундном диапазоне мкс находятся в определенной временной взаимозависимости, особенно, если эти явления происходят практически одновременно. В соответствии с другим вариантом реализации катод, предпочтительно выполненный из палладия,сначала может последовательно насыщаться определенным изотопом водорода и затем бомбардироваться другим изотопом, который подходит для ядерного синтеза, чтобы специально вызвать определенные реакции, например D-D, D-T. В этом предпочтительном варианте реализации изобретения материал катода охлаждают. Это может осуществляться соответствующим охлаждением материала, нанесенного только на поверхность, или охлаждением катода в целом. Например, катод может быть охлажден за счет исходного материала, который затем будет испаряться и превращаться в плазму. Более того, возможно также активное охлаждение катода и различные способы введения исходных материалов в плазму. Процесс ядерного синтеза становится особенно эффективным, если поддерживаются низкие оптимальные температуры катода. Предпочтительно, чтобы условия для потока электронов из материала катода выбирались так, чтобы поток электронов был минимален. Это может достигаться посредством выбора соответствующих материалов,предпочтительно палладия или других материалов, подходящих для ядерного синтеза, с максимальной работой выхода электронов и с соответствующим охлаждением. Как указано выше, отвод избыточной энергии может выполняться разнообразными способами, известными специалистам. Единственный чертеж представляет принципиальную схему системы для выполнения процесса, в котором избыточная энергия выводится в виде пламени. Для этого соответствующую среду, например водяной пар, помещают в камеру сгорания 1 с анодом 3 и катодом 4, которые отделены друг от друга посредством изоляционного материала 9. Общеизвестно из литературы, что для стабилизации плазменной дуги водяной пар должен быть введен в камеру сгорания 1 с закручиванием. Анод 3 имеет сопло 2 для выхода пламени, образованного плазменной дугой 10. Конструктивное исполнение выходного сопла можно подобрать исходя из соответствующего применения (например, сопло Лаваля). Электроды соединены с управляющим источником питания 5, который обеспечивает необходимой энергией плазменную дугу в стандартном режиме работы. Параллельно управляющему источнику питания 5 через искровой промежуток 6 подключаются конденсатор или батарея 7 конденсаторов и высоковольтный источник питания 8. Способ согласно данному изобретению был опробован с помощью выпускаемого аппарата (Multiplaz 2500) компании Multiplaz AG, который представляет собой прибор для тепловой обработки, подобный описанному выше. В этом приборе используется вода и плазменная дуга поддерживается посредством пилообразного напряжения (пилообразное напряжение частично постоянного тока приблизительно 150 В с максимумом 250 В, частота приблизительно 25 кГц, максимальное значение выходного тока приблизительно 8-10 А). Благодаря подсоединению высоковольтного источника питания 8, который заряжает конденсатор 7 с емкостью 1 F, генерируются импульсы тока дополнительно к рабочему напряжению через управляемый искровой промежуток 6, что приводит к образованию импульса тока с подходящим током в плазме, например 60 А в катоде с палладием, и длительностью приблизительно 1-2 мкс. Это позволяет производить значительно более высокую выходную энергию, чем было необходимо для генерации плазмы. Благодаря данному способу имеется возможность рентабельного производства тепла. Данный способ может применяться везде, где на данный момент используются ископаемые, и/или возобновляемые,и/или химические виды топлива, для того, чтобы применять тепловую энергию непосредственно или путем преобразования в другие формы полезной энергии (механическая энергия, электрическая энергия). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения тепловой энергии, включающий использование камеры сгорания (1) с анодом (3) и катодом (4), в которой катод выполнен из металлического материала, металлическая решетка которого подходит для осуществления процесса синтеза,формирование в камере сгорания (1) газообразной атмосферы, содержащей исходные материалы,требующиеся для ядерного синтеза,отличающийся тем, что генерируют плазменную дугу (10) между электродами (3, 4), инициируют высокочастотные изменения потенциалов, напряжений и токов снаружи и/или внутри плазмы и материала катода предпочтительно в микросекундном диапазоне, при этом для выхода из камеры пламени, создаваемого плазменной дугой (10), используют анод (3), в котором выполнено выходное сопло (2). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения требуемого состояния плазмы используют ток величиной больше или равной 3 А. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что величина тока в импульсах и ширина используемых импульсов являются достаточными для поддержания условий в отношении температуры и плотности, необходимых для генерирования частиц в плазме в течение достаточного периода времени. 4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что плазменная дуга функцио-3 013479 нирует при достаточно большой частоте импульсов тока. 5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что импульсы тока генерируются посредством высоковольтного источника питания, который заряжает конденсатор, и управляемого искрового промежутка. 6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в плазменную дугу вводят дополнительную энергию в виде высокочастотной энергии, предпочтительно на частоте ионной плазменной частоты или ниже. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что катод, предпочтительно палладиевый, последовательно насыщают определенным изотопом водорода и затем бомбардируют другим изотопом, который подходит для синтеза ядер. 8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что условия для электронного потока от катодного материала выбирают так, чтобы уменьшить электронный поток до минимума.