Экспериментальная установка

Калориметрическое исследование аномального тепловыделения в системах Ni-H

К.П. Будко¹ и А.И. Коршунов²

¹Московский физико-технический институт, Москва, Россия, email: [email protected]

²Институт проблем механики им. Ишлинского, Российская Академия Наук, Москва, Россия, email: [email protected]

Было заявлено, что в системе никель-водород возможно выделение избыточного тепла в течение довольно длительных периодов времени [2]. Мы провели калориметрическое исследование этого феномена. Экспериментальная установка состояла из стального реактора с порошком никеля внутри него, нагревателя, системы подачи водорода и калориметра. Использовались порошки никеля с различными размерами зёрен. Давление водорода варьировалось от 0.5 до 2.5 атм. Температура варьировалась от 25 до 800 ^oC. Для того чтобы исследовать возможное влияние быстропеременных магнитных импульсов, применялись различные режимы подачи входного питания. Эксперименты длились от 4 до 50 часов. Никаких признаков избыточного тепловыделения в пределах погрешности измерений обнаружено не было.

Введение.

С тех пор, как в 1989 году Флейшман и Понс заявили, что возможно поддерживать низкоэнергетические ядерные реакции (LENR) при электролизе палладия в тяжёлой воде практически при комнатной температуре [1] исследователи по всему миру по сей день ищут подтверждения этого факта в различных системах типа металл-водород. На сегодняшний день наиболее многообещающими являются системы палладий-водород(дейтерий) и никель-водород(дейтерий) [2-15]. В большинстве экспериментальных работ последних лет металл обычно присутствует в твёрдой фазе, а водород или дейтерий в газообразной, а для запуска реакции используется процесс газовой накачки/откачки. Некоторые полагают, что ядерные реакции главным образом проистекают в поверхностном слое металла [16], именно поэтому обычно в экспериментах используются металлические порошки с микро- и наноразмерными зёрнами. Также, почти все исследователи LENR согласны с тем, что для запуска реакции необходим некоторый катализатор. Недавние исследования показали, что алюмогидрид лития (LiAlH₄) может играть роль такого катализатора [17-18]. Предполагается, что одним из возможных источников избыточной энергии может являться синтез водорода и лития.

Главной целью нашей работы было экспериментальное изучение возможных эффектов аномального тепловыделения в системе никель-водород. Для получения надёжных результатов мы использовали калориметрическую систему. Также мы исследовали возможное каталитическое действие алюмогидрида лития и высокоамплитудных быстропеременных магнитных импульсов, используя различные режимы подачи входной мощности.

Экспериментальная установка

Калориметрическая система показана на рис. 1. Капсула реактора (6) сделана из нержавеющей стали, с двумя заглушками на обоих концах, которые фиксируются проводом из суперфехраля. Внутренний диаметр капсулы 11 мм, а длина (без заглушек) 50 мм, рабочий объём 4,75 см³. Реактор помещается в цилиндрическую газовую камеру (5), сделанную из дюраля с внешним диаметром 20 мм и длиной 120 мм. Катушка нагревателя намотана проводом из суперфехраля на керамическую трубку, которая плотно входит в дюралевую камеру. Сопротивление катушки 15 Ом, а величина тока достигает 4,5 А, что позволяет варьировать входную мощность в диапазоне от 0 до 300 Ватт. Внешняя оболочка калориметра покрыта тепловой изоляцией (4), сделанной из минеральной ваты и цемента. В установке три термосенсора, один из них – термопара класса K, измеряющая температуру в реакторе, другие два (11) и (2) – это интегральные датчики ADT7310, измеряющие температуру воды на входе и на выходе. Водяной насос имеет возможность настройки скорости потока. Так как полное гидравлическое сопротивление системы неизвестно, значение потока вычислялось путём простых калибровочных тестов, когда известная масса воды прокачивается за определённое количество времени. Все провода были подведены через отверстия, которые впоследствии были заполнены эпоксидной смолой. Для измерения давления в зоне реактора использовался интегральный сенсор MPX5700AP (14). Практически во всех экспериментах максимальное давление не превышало 2,5 атм. Входная мощность вычислялась путём прямого численного умножения тока на напряжения в режиме реального времени. Для этой цели было создано и использовано вычислительное устройство (8) на базе микроконтроллера STM32 и высокоскоростных 14-битных АЦП (10 Мгц). Численные значения выходной мощности были получены из показаний термосенсоров и значений потока воды в насосе.

Рисунок 1. Схематический вид калориметрической системы

В качестве топлива использовались два различных никелевых порошка: микро-никель с размером зёрен около 10-20 мкм и нано-никель с размером зёрен около 60-80 нм. Обычно мы использовали различные смеси этих никелевых порошков и порошка оксида алюминия (Al₂O₃, размер зерна около 5 мкм). Последний преимущественно использовался в качестве разделителя, позволяя контролировать поверхностную площадь никеля и предотвращать его спекание при высоких температурах. Масса топливной смеси обычно была около 10 грамм. Все топливные смеси подготавливались при нормальных условиях без предварительного отжига. Также в некоторых экспериментах к топливу добавлялись небольшие порции порошка LiAlH₄, чтобы исследовать его каталитическое действие.

Типичный эксперимент обычно состоял из периодов нагрева (от 1 до 120 минут) и пауз между ними (от 1 до 60 минут), когда нагреватель был выключен. Для исследования возможного влияния переменного магнитного поля использовались несколько разных режимов подачи входной мощности: постоянный ток, импульсы и переменный ток. Во втором случае длительность импульсов и паузы между ними варьировались от 100 мкс до 1 с. В случае переменного тока частота варьировалась от 10 до 20000 Гц. Схематические диаграммы этих режимов показаны на рис. 2. Количество витков катушки нагревателя N=100, её индуктивность 27 мкГн. Так как время нарастания импульса около 10 мкс, было возможным получить dH/dt ≈3.75*10⁸ A/(м*с).

Рисунок 2. Схематическое изображение различных режимов подачи входной мощности.

Чтобы откалибровать калориметрическую систему и определить потери на излучение мы заполняли пустую капсулу реактора водородом до некоторого давления, и затем включали некоторый постоянный нагрев в течение достаточно долгого периода времени до тех пор пока все параметры не достигали своих равновесных значений. Выполняя эту процедуру для различных начальных давлений и различных режимов входного питания, мы получили равновесные значения температуры и значения энергетических потерь, которые во всех случаях не превышали 6%.

Результаты

Эксперименты длились от 4 до 50 часов. Начальное давление водорода варьировалось в диапазоне от 0,5 до 1,5 атм. Для топливных смесей, содержащих только никель и оксид алюминия, давление обычно не превышало 2,5 атм. Но когда смесь содержала LiAlH₄ максимальное давление превышало 3 атм, и мы вынуждены были в начале первого цикла нагрева открывать клапан сброса давления, чтобы снизить его до приемлемой величины. Во время циклов нагрева температура реактора достигала 800 ^oC. Пример типичного эксперимента в режиме постоянного тока с топливной смесью, содержащей 10 г наноникеля и 1 г LiAlH₄, представлен на рис. 3. Как можно видеть давление следует за температурой с некоторой задержкой. Вся система довольно инертна. Вычисление КПД производилось путём деления интегрального значения входной электрической энергии на выходную тепловую, причём вычисление производилось в режиме реального времени. Таким образом, использование калориметрической системы не позволяло нам заметить потенциально возможные одиночные быстрые процессы выделения энергии. Такие события могли быть замечены нами лишь по показаниям термопары, но аккуратное исследование всех наших данных не выявило быстрых процессов выделения избыточного тепла.

Рисунок 3. Фрагмент данных типичного эксперимента (Режим постоянного тока, 10 г наноникеля и 1 г LiALH₄).

Главные результаты для различных топливных смесей представлены в таблице 1. Каждый эксперимент, представленный в этой таблице, кроме последних четырёх (14-17) был проведён с использованием 3 различных режимов подачи входной мощности: постоянный ток, импульсы с периодом 200 мкс и длительностью 100 мкс, а также переменный ток с частотой 20 кГц. Последние (15-17) были проведены с использованием 7 разных режимов подачи входной мощности: постоянный ток, импульсы с длительностью 100 мкс, 1 мс, 0.5 с и периодом 200 мкс, 2 мс, 1 с, переменный ток с частотами 50, 1000 и 20000 Гц. Средний КПД вычислялся путём усреднения значений КПД, полученных в разных режимах. Как можно заметить, КПД во всех экспериментах не превышает 1. Также видно, что не существует однозначной связи между значениями КПД и типом топлива. Единственным заметным следствием использования LiAlH₄ было выделение больших количеств водорода, особенно в тех случаях, когда его масса превышала 1 г. Любое возможное влияние переменного магнитного поля на выходную мощность замечено не было: не важно, каким образом подавать ток в катушку нагревателя, конечный результат зависит лишь от суммарной электрической мощности.

Таблица 1. Результаты калориметрических экспериментов

Эксперимент #	Тип топлива	Масса Ni, г	Масса Al2O3, г	Масса LiAlH4, г	Период/ Длительность импульса, мин/мин	Длительность эксперимента, час	Средний КПД
	Нано-Ni		-	-	35/30		0.956
	Нано-Ni			-	35/30		0.958
	Нано-Ni			-	35/30		0.953
	Нано-Ni				60/40		0.959
	Нано-Ni		-		60/40		0.941
	Нано-Ni		-		45/40		0.954
	Микро-Ni		-	-	60/40		0.951
	Микро-Ni	7.5	2.5	-	60/40		0.953
	Микро-Ni			-	60/40		0.958
	Микро-Ni	2.5	7.5	-	60/40		0.944
	Микро-Ni				45/40		0.948
	Микро-Ni		-		45/40		0.946
	Микро-Ni		-		45/40		0.951
	Нано-Ni			-	40/30		0.935
	Нано-Ni				40/30		0.928
	Микро-Ni			-	40/30		0.931
	Микро-Ni				40/30		0.934

Заключение

Калориметрические эксперименты с двумя видами порошка никеля и водородом не выявили никаких признаков избыточного тепловыделения в пределах погрешности измерений. Возможное каталитическое действие LiAlH₄ выявлено не было. Возможное влияние переменного магнитного поля также не было замечено: суммарная выходная тепловая мощность зависела только от суммарной входной электрической мощности.

Многие исследователи полагают, что низкоэнергетические ядерные реакции могут происходить при высоких температурах (>1200 ^oC) и высоких давлениях (до 100 атм). Также использование дейтерия вместо водорода могло бы быть более плодотворным для получения дополнительного тепла. Мы планируем исследовать это в последующих экспериментах.

Литература

[1] M. Fleischman, S. Pons, M. Hawkins. Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium. J. Electroanal. Chem. 1989. V. 261 (2), p. 301.

[2] S. Focardi, R. Habel, F. Piantelli. Anomalous heat production in Ni-H systems. Nuovo Cimento A. 1994.V.107, p.163

[3] S. Focardi, V. Gabbani, V. Montalbano, F. Piantelli and S. Veronesi. Large excess heat production in Ni-H systems. Nuovo Cimento. 1998. V. 111A, 11, p. 1233

[4] A. Rossi. Method and apparatus for carrying out nickel and hydrogen exothermal reaction. U.S. Patent 20110005506 A1, January 13, 2011.

[5] A. Rossi. Fluid heater. U.S. Patent 9115913 B1, August 25, 2015.

[6] Y. Sasaki et al. Anomalous Heat Generation in Charging of Pd Powders with High Density Hydrogen Isotopes (I) Results of Absorption Experiments using Pd Powders. 15th International Conference on Condensed Matter Nuclear Science,Rome, Italy, 2009.

[7] Y. Sasaki et al. Deuterium Gas Charging Experiments with Pd Powders for Excess Heat Evolution (I) Results of Absorption Experiments using Pd Powders. 9th Meeting of Japan CF-Research Society, Shizuoka, Japan, 2009.

[8] A. Takahashi et al. Deuterium Gas Charging Experiments with Pd Powders for Excess Heat Evolution (II) Discussions on Experimental Results and Underlying Physics. 9th Meeting of Japan CF-Research Society, Shizuoka, Japan, 2009.

[9] A. Kitamura, T. Nohmi, Y. Sasaki, Y. Taniike, A. Takahashi, R. Seto and Y. Fujita. Anomalous Effects in Charging of Pd Powders with High Density Hydrogen Isotopes. Physics Letters A. 2009.V.373(35), pp. 3109–3112.

[10] D. Kidwell et al. Does Gas Loading Produce Anomalous Heat? 15th International Conference on Condensed Matter Nuclear Science, Rome, Italy, 2009.

[11] F. Celani. et al. Deuteron Electromigration in Thin Pd Wires Coated With Nano-Particles: Evidence for Ultra-Fast Deuterium Loading and Anomalous, Large Thermal Effects. International Conference on Condensed Matter Nuclear Science,Washington, DC, 2008.

[12] F. Celani et al. Towards a High Temperature CMNS Reactor: Nano-coated Pd Wires with D2 at High Pressures. 15^th International Conference on Condensed Matter Nuclear Science, Rome, Italy, 2009.

[13] X. Li et al. Progress in Gas-Loading D/Pd System—The Feasibility of a Self-sustaining Heat Generator. 10^th International Conference onCold Fusion, 2003.

[14] F. Celani et al. Observation of macroscopic current and thermal anomalies, at high temperature, by hetero-structures on thin and long Constantan wires under H₂ gas. 19^th International Conference on Condensed Matter Nuclear Science, Padua, Italy, 2015.

[15] G.H. Miley, K.-J. Kim, E. Ziehm, T. Patel, B. Stunkard. Progress in Development of an LENR Power Cell for Space. Proceedings of Nuclear & Emerging Technologies for Space (NETS) 2015 Albuquerque, NM, February 23-26. 5134, pp. 325 -335

[16] E. Storms. An Explanation of Low-energy Nuclear Reactions (Cold Fusion). J. Condensed Matter Nucl. Sci. 2012. V. 9, Pp. 1–22.

[17] A. Parkhomov, E. Belousova. Researches of the heat generators similar to high temperature Rossi reactor. 19^th International Conference on Condensed Matter Nuclear Science, Padua, Italy, 2015.

[18] G. Levi, E. Foschi, H. Essen. Observation of abundant heat production from a reactor device and of isotopic changes in the fuel. 2014. http://www.infinite-energy.com/images/pdfs/ECatReport2.pdf