ITMI992217A1 - Metodo e relativa apparecchiatura per generare energia termica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione si riferisce ad un metodo e ad un dispositivo per generare energia termica tramite un fenomeno fisico attribuibile a reazioni di fusione nucleare fredda.

Più in particolare, l’invenzione riguarda un metodo per generare energia termica tramite una reazione di fusione nucleare a freddo utilizzando almeno un primo materiale atto ad assorbire idrogeno posto in un’atmosfera ad alto contenuto di idrogeno o a contatto con un altro materiale in grado di rilasciare idrogeno e in cui è prevista una fase di riscaldamento iniziale ad una predeterminata temperatura di innesco di detta reazione.

L’invenzione riguarda anche un’apparecchiatura per l’attuazione del suddetto metodo.

Arte nota

Com’è oramai ben noto, reazioni di fusione nucleare fredda sono state riscontrate in svariati laboratori di ricerca sparsi in tutto il mondo.

Per comprendere a fondo gli aspetti del relativo fenomeno fisico si può fare riferimento ad un articolo di G.F.Cerofolini e A. Foglio-Para: "Can binuclear atoms solve thè cold fusion puzzle ?", FUSION TECHNOLOGY, Vol.23, pp.98-102, 1993, che illustra brevemente i fenomeni fisici inerenti la fusione fredda e le reazioni chimiche e nucleari associate. Inoltre, altri interessanti articoli sono citati nella bibliografia di quell’articolo.

L’interesse pratico per l'argomento è molto elevato.

In questo specifico settore tecnico, è noto che svariati materiali sono in grado di assorbire idrogeno e suoi isotopi. Tali materiali sono stati utilizzati con successo per la realizzazione di elettrodi destinate ad apparecchiature per la fusione nucleare a freddo; tra questi materiali citiamo: palladio, titanio, platino, nichel, niobio.

Negli esperimenti messi in pratica fino ad ora si è potuto dimostrare che immagazzinando Idrogeno o suoi iso tropi nel reticolo cristallino di alcuni metalli facenti parte del gruppo dei metalli di transizione si può arrivare ad ottenere una produzione anomala di energia termica quando la concentrazione dell’idrogeno supera i valori tipici dell’equilibrio termodinamico. In queste condizioni si verifica anche una trasmutazione dei materiali coinvolti; vale a dire: idrogeno e metallo.

Il fenomeno fisico su cui si basa la presente invenzione è affine a questo tipo di reazione e relativa trasmutazione.

Questa fenomenologia viene indicata nell’ambiente scientifico con la sigla LENRs (low Energy Nuclear Reaction s) in quanto tutti i dati sperimentali portano a concludere che la fusione nucleare a freddo comporta interazioni a livello del nucleo atomico.

I primi studi sulla fusione nucleare a freddo, in quanto tale, sono dovuti a M.Fleischmann e S.Pons e sono stati divulgati nel 1989. Una domanda di brevetto intemazionale No. WO/ 90 10935 è stata depositata da questi due scienziati ricercatori.

Il fenomeno da essi considerato è il caricamento di deuterio da parte di elettrodi di palladio o titanio. Durante tale caricamento si riscontra una generazione di energia termica inattesa che viene attribuita ad una reazione di fusione nucleare tra gli atomi di deuterio per formare elio.

Il deuterio è sempre stato ricavato da un combustibile gassoso, ad esempio miscele gassose di idrogeno, oppure da un combustibile liquido, ad esempio soluzioni di composti elettrolitici dell'idrogeno in acqua pesante. Lo svantaggio concesso all’impiego di tali "combustibili" consiste nella dispersione del materiale di fusione, cioè l'idrogeno. Questo, infatti, si libera e sfugge facilmente sotto forma di gas in prossimità dell'elettrodo proprio quando la concentrazione al suo interno raggiunge valori utili per l'innesco della fusione. Inoltre all' aumentare della temperatura dell'elettrodo, nei liquidi si verifica l'ebollizione mentre nei gas la concentrazione degli atomi diminuisce e ciò ostacola la fusione.

Le intense ricerche condotte nel mondo negli ultimi dieci anni hanno cercato di affrontare le difficoltà derivanti dalla necessità di superare le condizioni d’equilibrio termodinamico dell’idrogeno assorbito nel metallo. Queste ricerche hanno condotto alla realizzazione di svariate apparecchiature per consentire ad una matrice metallica di assorbire idrogeno in modo efficiente.

Le apparecchiature più note nel settore sono le seguenti:

1) cella elettrolitica semplice a bassa tensione;

2) cella elettrolitica con catodo polarizzato;

3) cella elettrolitica con scarica ad alta tensione;

4) cella gassosa ad alta temperatura;

5) scarica in un gas tra due elettrodi;

6) riscaldamento d’idruri metallici con impulsi di corrente e campo magnetico;

7) cella di potenza in corrente alternata.

Nella totalità di queste apparecchiature sperimentali precedentemente elencate il comune obiettivo è di indurre nel materiale metallico le condizioni di innesco per una produzione spontanea d’energia in eccesso.

In effetti, in tutte queste apparecchiature non vengono tenuti sotto controllo i parametri che determinano lo sviluppo della reazione, ma si effettuano solo alcune semplici rilevazioni ad anello aperto della quantità di calore generata e dei prodotti della reazione come He, T, ecc... Ad esempio, dopo gli esperimenti si analizza il materiale di risulta per controllare le eventuali trasmutazioni.

Prove sperimentali effettuate presso la Richiedente hanno invece portato a concludere che per conseguire risultati pratici in questo settore di ricerca occorre applicare un opportuno controllo dei parametri che determinano la reazione nucleare a freddo.

Il problema tecnico che sta alla base della presente invenzione è quello di escogitare un metodo ed una relativa apparecchiatura aventi rispettive caratteristiche funzionali e strutturali tali da consentire un’effettiva e controllata generazione di energia termica in eccesso tramite un fenomeno di fusione nucleare a freddo di tipo controllato.

Sommario deH’invenzione

L’idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione è quella di confinare l’idrogeno all’interno di una matrice di un metallo appartenente al gruppo dei metalli di transizione tramite un processo di caricamento che può essere di vario tipo, ad esempio per elettrolisi, pressione gassosa, temperatura, ecc... Nel caso in cui il metallo sia Nichel, tramite una predeterminata quantità di energia , ad esempio sotto forma di corrente elettrica, un opportuno aumento della temperatura di questa struttura metallica di partenza consente di raggiungere uno stato di innesco per la generazione di un’energia termica in eccesso rispetto all’energia d’ingresso per portare la struttura in detto stato.

Inoltre, regolando opportunamente il flusso di energia in ingresso tramite una modulazione della quantità di corrente erogata nel tempo è possibile ottenere una maggiore o minore amplificazione di energia, a parità di potenza media, agendo sull’intensità e sulla frequenza nel tempo degli impulsi di corrente.

Sulla base della suddetta idea di soluzione il problema tecnico viene risolto da un metodo del tipo precedentemente indicato e definito nella qui allegata rivendicazione 1 .

Il problema tecnico è risolto altresì da un’apparecchiatura del tipo precedentemente indicato e definita dalla rivendicazione 5 e seguenti.

Le caratteristiche ed i vantaggi del metodo secondo l’invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un esempio di attuazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ad un’apparecchiatura illustrata nel disegno allegato.

In tali disegni:

Breve descrizione dei disegni

La figura 1 mostra una vista schematica di un’apparecchiatura, o reattore per l’amplificazione di energia, realizzata per l’attuazione del metodo secondo l’invenzione;

la figura 2 mostra una vista schematica di un modulo di controllo incorporato nell’apparecchiatura di figura 1.

Descrizione dettagliata ^

Con riferimento a tale figura, con 1 è globalmente e schematicamente descritta un’apparecchiatura realizzata secondo l’invenzione per ottenere energia termica in eccesso.

L’apparecchiatura 1 comprende essenzialmente un reattore 5 nel quale avviene una reazione di fusione nucleare a freddo in accordo con il metodo della seguente invenzione.

Detto reattore 5 comprende un supporto 2 avente combinate caratteristiche di buon isolamento elettrico e buona conducibilità termica.

Ad esempio, il supporto 2 può essere un substrato di carburo di silicio o di diamante sintetico. Nulla vieta però di utilizzare allo scopo altri materiali e, ad esempio, un substrato semiconduttore.

II reattore comprende inoltre uno strato 3 metallico accoppiato al supporto 2. Lo strato 3 può essere ad esempio uno strato sottile, un film o una barretta di un materiale metallico in grado di assorbire idrogeno in quantità sufficientemente elevata.

Materiali metallici di questo tipo fanno parte del gruppo di metalli di transizione come ad esempio il Nichel (Ni), il Palladio (Pd) ed il Tungsteno (W). In alcuni casi, può essere utilizzato un materiale semiconduttore .

Il reattore 5 comprende anche una camera 4 di reazione che avvolge completamente lo strato 3 metallico. Una cupola 6 è vincolata al supporto 2 e delimita con esso la camera 4 di reazione.

Nella camera 4 è contenuto un materiale reattivo, ad esempio idrogeno (H2), deuterio (D2) o altri composti in grado di liberare questi due gas nelle condizioni di processo previste dal metodo secondo l’invenzione.

In sostanza, nella camera 4 il materiale metallico dello strato 3 è posto in un’atmosfera ad elevato contenuto di idrogeno o, in alternativa, a contatto con un materiale in grado di rilasciare idrogeno, ad esempio nitruro di silicio deposto con tecnica PECVD.

Alle contrapposte estremità dello strato 3 metallico sono previsti rispettivi terminali di contatto elettrico collegati ad un modulo di controllo 8 esterno alla camera 4 di reazione. Il modulo di controllo 8 può essere ad esempio un microcontrollore elettronico, di tipo integrato, destinato alla gestione dei parametri di reazione come meglio apparirà dal seguito della descrizione.

Un sensore 9 di temperatura è alloggiato nella camera 4 di reazione e collegato al modulo di controllo 8 per monitorare la temperatura di reazione.

Vantaggiosamente, secondo l’invenzione, l’apparecchiatura 1 comprende anche un convertitore 11 termoelettrico associato al supporto 2 per prelevare energia termica prodotta in eccesso dalla reazione di fusione nucleare a freddo.

Il convertitore 11 è inserito in un percorso 12 di fluido di raffreddamento che comprende mezzi 13 per la circolazione di detto fluido, almeno un radiatore 14 e sensori 7 di temperatura collegati al modulo di controllo 8.

Il convertitore 11 è inoltre collegato elettricamente ad un accumulatore 10 di energia elettrièa, ad esempio una batteria tampone, per consentire il prelievo di energia elettrica prodotta. L’accumulatore 10 comprende terminali 15 d'uscita collegati al modulo di controllo 8 per fornire l’energia necessaria all’avviamento ed al controllo della reazione di fusione nucleare a freddo.

Per completezza di descrizione occorre notare che è previsto anche un collegamento elettrico 16 di ricircolo tra il prelievo di energia elettrica a valle del convertitore 11 e l’alimentazione elettrica ai terminali dello strato 3 metallico, sotto il controllo del modulo di controllo 8.

Il metodo secondo la presente invenzione propone di utilizzare una prima quantità in forma solida di un primo materiale atto ad assorbire idrogeno, ad esempio lo strato 3 conduttore o semiconduttore, per generare energia termica in eccesso sulla base di una. reazione di fusione nucleare a freddo.

Come già detto in precedenza, come primo materiale si può scegliere tra: palladio, titanio, platino, nichel, leghe di questi, e qualsiasi altro materiale conduttore o semiconduttore che evidenzia tale proprietà di assorbimento d’idrogeno.

Il metodo secondo l’invenzione prevede inoltre l’impiego di una

seconda quantità di un secondo materiale atto a rilasciare idrogeno in

forma gassosa o ionica. L’idrogeno viene posto a contatto almeno in

parte con detta prima quantità nella camera 4 di reazione.

Nel caso in cui si utilizzi il Nichel, la prima quantità viene <' >inizialmente riscaldata almeno finché abbia superato una

predeterminata temperatura. Questo riscaldamento iniziale può anche

essere causato dall'ambiente in cui le due quantità si trovano nella

camera 4 di reazione.

Normalmente, fornendo una predeterminata quantità di energia

proveniente da un alimentatore esterno, ad esempio l’accumulatore 10,

è possibile portare il reattore nelle condizioni di temperatura, pressione,

polarizzazione elettrica e quant’altro per concentrare idrogeno o suoi

composti (D, T) all’interno dello strato 3.

Nel caso del Nichel il riscaldamento iniziale provoca nella prima

quantità un più facilitato assorbimento d'idrogeno, che può essere

ulteriormente favorito da un’opportuna disposizione dei materiali e della

fonte di energia termica.

Vale la pena di rammentare che l'idrogeno, che rappresenta il

combustibile di fusione, non può sfuggire facilmente nei materiali solidi

ed il limite di temperatura di funzionamento è molto elevato e

corrisponde alla fusione del materiale in forma solida in cui l’idrogeno è

intrappolato.

Gli esperimenti condotti presso la Richiedente hanno dimostrato

che confinando l’idrogeno all’interno della matrice cristallina della prima quantità di materiale metallico, si può attivare un aumento di temperatura di tutta la struttura metallica ottenendo sostanzialmente un’amplificazione dell’energia in ingresso. L’attivazione di questo repentino aumento di temperatura viene resa possibile da una predeterminata quantità di energia elettrica fornita al reattore dall’estemo.

Più in particolare, al materiale in cui avviene la reazione (lo strato 3) viene applicata una serie di impulsi di corrente ad elevata densità in modo da raggiungere le condizioni di innesco di una catena di reazioni nucleari a bilancio esotermico.

In sostanza, se nella matrice dello strato 3 vi è una concentrazione di idrogeno sufficientemente elevata, applicando impulsi di corrente tali da portare la densità di corrente a valori prossimi a 10^ Ampere per centimetro quadro, vengono attivate reazioni di fusione nucleare a freddo con bilancio esotermico.

Agendo inoltre sull’intensità e sulla frequenza degli impulsi di corrente elettrica alimentati allo strato 3 di materiale metallico è possibile ottenere una maggiore o minore regolazione deiramplificazione di energia.

Gli esperimenti condotti presso la Richiedente portano a ritenere che nello strato 3 di materiale conduttore o semiconduttore avvenga una grande produzione di energia termica derivante da reazioni nucleari anche con una quantità esigua di materiale.

In una forma preferita di realizzazione lo strato metallico 3 viene conformato a serpentina, come mostrato schematicamente in figura 3, e questa particolare conformazione consente di combinare tra loro gli effetti dovuti all’elevata densità di corrente con quelli dovuti al campo magnetico.

Infatti, il campo magnetico può indurre un aumento della sezione d’urto dell’interazione di particelle dotate di momento magnetico.

Tuttavia, prove sperimentari effettuate in assenza di campo magnetico dimostrano comunque l’efficacia della sola densità di corrente.

Per migliorare la resa dell’apparecchiatura si può corredare la camera 4 di reazione con un circuito magnetico 20 orientato come mostrato ad esempio in figura 3 in modo da avere un ulteriore positivo effetto sul tasso di reazione.

In sostanza, nel reattore 5 viene generata energia termica in eccesso a causa di una reazione di fusione nucleare; di conseguenza, senza un opportuno controllo di questa reazione, la prima quantità di materiale continuerebbe a riscaldarsi sempre più provocando una fusione delle parti componenti il reattore.

La stima del calore prodotto nel reattore dimostra la natura non chimica della reazione.

Dato l’enorme divario tra energia di tipo chimico ed energia di tipo nucleare, con l’apparecchiatura secondo l’invenzione si possono \

realizzare generatori di energia particolarmente compatti, ecologici e non radioattivi.

Vediamo ora più in dettaglio il metodo su cui si basa l’invenzione. Se ci si affidasse al solo movimento spontaneo degli elettroni attorno ai nuclei atomici del materiale metallico assorbente idrogeno ciò comporterebbe un’insufficiente generazione di energia termica.

Per ovviare a questo inconveniente, è opportuno fare in modo che almeno parte della prima quantità venga sottoposta ad un flusso di corrente elettrica tale da favorire l’interazione tra gli elettroni e gli atomi del reticolo metallico e i protoni (idrogeno ionizzato) collocati tra essi.

A differenza delle apparecchiature di tipo noto, l’invenzione prevede che il materiale metallico o semiconduttore dello strato 3 venga collegato elettricamente al modulo di controllo 8 per ricevere un’alimentazione in corrente che porta detto materiale in condizioni operative e, attraverso un controllo dell’energia prodotta, è suscettibile di ricevere impulsi tali da innescare una sorta di controreazione per mantenere condizioni ottimali di esercizio agendo sull’energia in ingresso.

In sostanza, man mano che aumenta il tasso di reazioni per effetto dell’assorbimento di idrogeno, l’aumento di temperatura viene rilevato dal sensore 9 ed il modulo di controllo 8 agisce in retroazione sull’intensità o sulla frequenza degli impulsi di corrente alimentati al reattore 5 al fine di mantenere costante la temperatura di reazione.

II numero di reazioni è legato in maniera non lineare alla densità di corrente in quanto l’innesco della produzione di energia porta il sistema ad aumentare il numero degli eventi utili. L’amplificazione dell’energia tende ad aumentare fino ad un valore stimato di almeno 10 volte. Il modulo di controllo 8 consente di ridurre e/o regolare il numero di eventi utili fino a raggiungere un equilibrio richiesto per ricavare una potenza d’uscita pressoché costante.

Inoltre, se l'energia termica generata non venisse opportunamente asportata del convertitore 1 1 e dal percorso di fluido 12, la temperatura del reattore 5 continuerebbe a salire fino alla fusione e distruzione della apparecchiatura. Invece, tramite l’invenzione risulta vantaggiosamente possibile controllare l'energia termica generata attraverso un controllo dell’intensità o della frequenza degli impulsi di corrente applicata agli elettrodi dello strato 3 metallico di reazione.

Attraverso l’arresto del flusso di corrente è possibile ridurre il tasso di generazione di energia termica che può essere poi del tutto inibito estraendo con il circuito di raffreddamento l’eventuale energia termica residua.

Infatti, scopo finale dell’invenzione è quello di produrre energia in modo controllato.

In questo contesto, è estremamente importante che la concentrazione di idrogeno nél materiale conduttore, in termini di atomi per centimetro cubo, sia sufficiente a dar origine ad un numero apprezzabile di fenomeni di fusione per unità di volume.

Nel caso di un conduttore come il nichel situato su una sorgente solida che rilascia idrogeno, come ad esempio il nitruro di silicio depositato con tecnica PECVD, si ha per il nitruro una concentrazione di circa 10^2 atomi per centimetro cubo di idrogeno. Essendo la concentrazione atomica del nichel pari a 9 per 10^2^ se si prevede di caricare il Nichel con un rapporto H/Ni = 1/ 1, il nitruro dovrà avere uno spessore pari a 9 volte quello del Nichel.

L'apparecchiatura per generare energia termica sopra descritta trova vantaggiosa applicazione in un reattore a fusione nucleare fredda, inteso come impianto completo in grado di generare energia per l'utilizzo umano.

Uno dei vantaggi di utilizzare in un reattore un'apparecchiatura secondo la presente invenzione è dato dal fatto che la temperatura di processo può arrivare, se desiderato, a livelli piuttosto elevati (oltre 800 gradi centigradi) e quindi il rendimento di un eventuale ciclo termodinamico di trasformazione del calore in lavoro può essere piuttosto elevato.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per generare energia termica tramite una reazione di fusione nucleare a freddo utilizzando almeno un primo materiale atto ad assorbire idrogeno posto in un’atmosfera ad alto contenuto di idrogeno o a contatto con un altro materiale in grado di rilasciare idrogeno e in cui è prevista una fase iniziale di caricamento dell’idrogeno nel primo materiale, tramite riscaldamento, pressione o polarizzazione, fino a raggiungere l’innesco di detta reazione, caratterizzato dal fatto che a detto primo materiale è applicata una predeterminata sequenza di impulsi di corrente ad elevata densità.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta predeterminata sequenza di impulsi di corrente ha frequenza variabile.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti impulsi di corrente hanno intensità variabile.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la densità di corrente all’interno di detto primo materiale è dell’ordine milione di ampere per centimetro quadro.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere un monitoraggio costante della temperatura di reazione ed una conseguente regolazione di detta sequenza di impulsi di corrente.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere un immagazzinamento di almeno una porzione di detta energia termica attraverso una coversione termo- elettrica.
7. 7. Apparecchiatura per generare energia termica comprendente: • una camera (4) di reazione contenente almeno un primo materiale (3) in forma solida atto ad assorbire idrogeno in un’atmosfera ad elevato contenuto di idrogeno; e • mezzi per caricare idrogeno nel primo materiale, tramite riscaldamento, pressione o polarizzazione,; caratterizzata dal fatto di comprendere ulteriormente: • mezzi per applicare a detto primo materiale (3) una predeterminata sequenza di impulsi di corrente ad elevata densità.
8. 8. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto di comprendente un sensore di temperatura in detta camera (4) di reazione ed un controllore (8) elettronico per pilotare detti mezzi per applicare a detto primo materiale (3) la predeterminata sequenza di impulsi di corrente in funzione della temperatura rilevata.
9. 9. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto di comprendere un supporto {2) per detto primo materiale (3) ed un convertitore (11) termoelettrico accoppiato a detto supporto (2) per immagazzinare in un accumulatore (10) almeno una porzione di detta energia termica sotto forma di energia elettrica.
10. 10. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che detto controllore (8) elettronico è collegato in retroazione tra l’uscita del convertitore (11) e detti mezzi per applicare a detto primo materiale (3) la predeterminata sequenza di impulsi di corrente.
11. 11. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la densità di corrente airinterno di detto primo materiale è dell’ordine milione di ampere per centimetro quadro.
12. 12. Reattore a fusione nucleare fredda comprendente almeno una apparecchiatura per generare energia termica secondo una qualunque delle rivendicazioni da 7 a 11.