Brevet FR2662537A1 — publié le 19911129

La présente invention concerne un dispositif permettant de confiner des noyaux d' isotopes de 1' hydrogène ou de l'Hélium ou d' autres éléments légers (Lithium, Béryllium, Bore) dans une phase solide de facon à augmenter leurs probabilité d'interaction. a)Etat de la technique. On sait faire fusionner les noyaux d' atomes légers, par exemple de Deutérium ou de Tritium, en les accélérant par une différence de potentiel,et en les jetant les uns contre les autres de façon à ce que leur vitesse relative leur permette de vaincre la répulsion due à la charge positive portée par ceux-ci. (Optimum d' accélération vers 100 kiloélectronVolts pour la réaction DT ) On peut aussi les faire fusionner en les portant à haute température, 1' agitation thermique permettant, là aussi, de vaincre la répulsion des noyaux. On peut aussi obtenir une réaction de fusion en rapprochant les noyaux sans toutefois leur conférer assez d' énergie pour qu' ils se touchent: Ainsi en créant des " ions moléculaires mésiques de Deutérium ion ou 1' électron liant les deux noyaux de deutérium est remplacé par un méson mu ou"muon") on rapproche les noyaux environ 200 fois.Un mécanisme quantique, 1' effet tunnel, permet alors aux noyaux de fusionner. ( En dix puissance moins onze à dix puissance moins treize secondes) Cet effet tunnel agit même dans les molécules normales de Deutérium, cependant les "fusions spontanées" qui en résultent sont infiniment moins probables (3 fois dix puissance moins soixante quatre fusions par molécule et par seconde selon les calculs de Koonin et Nauenberg publiés dans Nature Vol 339 pp 690.691 19891 A titre d' exemple, Jupiter et Saturne rayonnent dans 1' espace 2 fois la quantité d' énergie qui leur parvient du soleil. Cet excès d' énergie serait du aux fusions spontanées des isotopes de 1' hydrogéne et de 1' hélium, dans une phase métallique crée par la pression au coeur de ces corps célestes. I1 est à remarquer que la probabilité de fusion par effet tunnel varie de facon énorme avec la distance entre les noyaux. Une petite variation de celle-ci pouvant entrainer une augmentation énorme du taux de fusion. Il à été publié que 1' on pouvait augmenter ce taux de fusion en chargeant une électrode en palladium grace à une simple électrolyse d' eau lourde (Fleismann et Pons, J,electroanalyt. Chem. 261, 301-308 (1989) ; Jones et al, Nature 338, 737-740,1989) Cependant les résultats obtenus sont à la limite de détection des instruments et n' ont pas été confirmés par toutes les équipes ayant tenté de les reproduire. b)Description La présente invention est basée sur la combinaison de deux principes physiques connus: 1) La capacité qu'ont les atomes d'hydrogène, de ses isotopes et probablement des isotopes de 1' hélium et du lithium de s'insérer dans le réseau cristallin du Palladium, et du Titane. Ces éléments sont présents dans le réseau cristallin sous forme d'ions, les électrons perdus étant mis en commun avec la phase métallique. Tant que la concentration en ions légers ne dépasse pas certaines limites, La contrainte stérique stabilise 1' état ionisé par rapport à 1' état atomique ou moléculaire, celui-ci déformant le réseau par sa taille plus importante.Ceci, mème si le potentiel d'ionisation de 1' élement léger fait que 1' état d' ion positif est 1' état énergétiquement le plus instable du point de vue chimique. Exemple: L' ion D+ est stabilisé par rapport à la molécule D2 ou a 1' ion Deutériure D-, tous deux de taille supérieure. Les ions de faible masse moléculaire peuvent circuler dans le réseau, sous 1' effet de 1' agitation thermique ou d'un champ électrique.Ainsi il a été démontré qu' il était possible de charger un métal d' atomes de deutérium par électrolyse d'une solution contenant de 1' eau lourde. 2) L' énorme champ électrique régnant dans la zone de jonction d'une diode à semiconducteur Le procédé faisant 1' objet de la présente description consiste à former une jonction métal/semiconducteur ayant la propriété d' une diode ne laissant passer le courant que dans un seul sens en associant dans un contact étroit a) Une électrode de palladium ou d' autre métal lourd contenant des atomes d' isotopes de 1' hydrogène, de 1' hélium ou du lithium. L1 étape d'introduction des ions légers s' effectuant soit par implantation ionique, par chauffage dans un alliage de lithium ou dans une atmosphère d' isotopes d' hydrogène ou d' hélium, par passage d'une décharge électrique dans une atmosphère raréfiée contenant ces mêmes gaz ou par electrolyse d'une solution contenant de tels isotopes. b) Une électrode de semiconducteur de type P, c' est à dire de semiconducteur ou les transports de charge se font par migrations de lacunes électroniques. On appelle habituellement ces porteurs de charges virtuels des "trous". Dans de tels semiconducteurs, la conduction électronique intervient pour une part faible ou nulle. Ce semiconducteur pouvant être de type intrinsèque ou extrinsèque, c' est à dire devant ses propriétés à 1' ajout d'une faible proportions d' éléments "dopants" tels que le bore. Cette association d'un métal tel le palladium et d'un semiconducteur tel le silicium forme une diode. Elle ne conduit le courant que dans un sens Dans le sens inverse, le courant est bloqué, la différence de potentiel se localisant dans la zone de contact entre les deux matériaux: la jonction. C' est ce mode inverse qui est utilisé dans le dispositif décrit ici. Lors de la mise sous tension, les ions positifs vont migrer dans le réseau cristallin du palladium et atteindre la jonction Ils vont s' y accumuler car leur taille ne leur permet pas de pénétrer le réseau cristallin du silicium. Ils vont aussi s' y tasser sous 1' effet de 1' énorme champ électrique qui règne dans la zone de jonction.fFig 1 ) Celle ci étant épaisse de quelques microns, le champ atteint plusieurs millions de volts par mètre pour une tension aux bornes de la diode que quelques volts. Il est difficile de calculer la densité d'ions légers qui va en résulter au abords de la jonction mais il y a tout lieu de penser que celle si est largement supérieure à celle que 1' on observe, par exemple, dans le deutérium solide ou dans le lithium solide ou meme dans le deutériure de palladium. La probabilité d' interaction des ions légers par effet tunnel en est donc notablement augmentée, ceci concernant en particulier les réactions de fusion nucléaire. Ces réactions sont mises en évidence par un dégagement de chaleur et éventuellement de neutrons. Les études calorimétriques sont facilités du fait que la diode ne donne en elle-meme lieu qu' 8 un faible dégagement de chaleur par effet joule du au courant de fuite qui peut être rendu très faible par une construction appropriée. Les réactions facilitées par ce dispositif comprennent les réactions suivantes: (Conversion interne) En théorie, dans une matrice cristalline, on peut avoir une conversion d' énergie du type Mossbauer: L' énergie de fusion est directement convertie en vibration du réseau cristallin, c'est a dire en chaleur: Dans ce cas ont n' observe pas de neutrons. Principes généraux de réalisation de jonctions pal ladium/semiconducteur. Dans les lignes qui suivent, le terme "Deutérium" désignera auss-i les autres isotopes de 1' hydrogène ainsi que les isotopes de 1' hélium , du lithium et du béryllium. Le terme "Silicium" désignera aussi tout semiconducteur de propriété équivalentes ( C' est a dire de type p, ou la conduction s' effectue par migration de lacunes électroniques.ou "trous"1 tels que Arséniure de Gallium, Germanium, Sulfure de Cuivre, Sulfure de Plomb, Sulfure de Zinc, Oxyde de Cuivre, Oxyde de Plomb, Oxyde de Zinc, Sulfure de Palladium etc... La jonction entre le palladium chargé en deutérium et le semiconducteur de type P selon le principe décrit plus haut peut être réalisée de différentes manières: 1) Par le contact d'une pointe métallique chargée en Deutérium et une plaque de Silicium ou de semiconducteur de type p de propriétés équivalentes. 2) Par contact entre une plaque de Palladium ou de métal de propriétés équivalentes, c' est à dire dont le réseau cristallin autorise 1' intercalation et la migration des ions deutérium et une plaque de silicium. La plaque de palladium étant préalablement chargée de deutérium par les techniques décrites plus haut. 3) Par pulvérisation sous vide de palladium sur le silicium. Dans ce cas, le chargement du palladium en deutérium peut s' effectuer durant le fonctionnement du dispositif, celui-ci étant plongé dans de l'eau lourde. Lors du fonctionnement, le Deutérium pénètre la couche de palladium, traverse celle-ci et s'accumule à la jonction palladiumfsilicium. Cette disposition étant la plus efficace, elle sera détaillée plus loin. 4) Par dépot de silicium fondu sur du palladium chargé de deutérium. 5) Par dépot de silicium amorphe sur le Palladium chargé de deutérium par décomposition d'un composé silicié en phase gazeuse. 6) Par dépot de silicium par pulvérisation thermique sous vide sur le palladium chargé de deutérium. 73 Par dépots successifs sous vide de palladium, chargement de la couche métallique en deutérium par électrolyse d' eau lourde ou décharge électrique sous pression réduite dans une atmosphère de deutérium, puis dépot de silicium amorphe par pulvérisation sous vide ou dépot en phase gazeuse. Cette manière de procéder conduit à la constitution d'empilements de jonctions conduisant à opérer à une tension de polarisation totale plus élevée et ainsi a augmenter 1' efficacité et le nombre de réactions entre les ions deutérium. 8) Par électrolyse d'une solution d'un sel de palladium dans de l'eau lourde à 1' aide d'une électrode négative en Silicium Tension électrique appliquée aux bornes de la diode à fusion. On peut appliquer au bornes de la diode réalisée selon les procédés décrits plus haut une tension continue. Celle-ci joue un double role: 1) Elle provoque la migration des ions à l'intérieur du palladium jusqu'à la jonction ou ils sont arrêtés. 2) Elle confine les ions dans la zone de fort champ électrique de la jonction et les presse les uns contre les autres, augmentant considérablement leur probabilité de réaction par effet tunnel. On aura avantage à utiliser une tension qui soit le plus prés possible de la tension de "claquage" de la jonction redresseuse réalisée. Ainsi, le champ électrique est le plus fort possible. Au dela de cette tension, la jonction risque d' être détruite. Cependant, une diode semiconductrice peut supporter des tensions transitoires supérieures à la tension limite sans être détruite irréversiblement. On peut donc utiliser des tensions pulsées superposées à la tension continue de polarisation de la diode. La tension continue fait migrer les ions vers la jonction, les impulsions de voltage supérieur compressent brusquement les ions et les forcent à fusionner. La durée des impulsions et leur voltage sera déterminée de telle facon que la jonction ne voit pas sespropriétés modifiées de façon irréversible. La figure 2 donne une idée de 1' enregistrement oscilloscopique d'une telle tension pulsée. Dans le cas de 1' utilisation d'une tension impulsionnelle, les réactions de fusion ont lieu aussi de façon pulsée, de me que 1' éventuel dégagenient de neutrons qui en résulte. Ceci peut présenter des avantages, par exemple en cinéneutrographie ou en diffraction des neutrons par des structures dynamiques (études de biochimie) c)Détail de la réalisation d'une diode à fusion. La méthode la plus efficace et la plus pratique semble ètre la pulvérisation sous vide de Palladium sur une plaquette de silicium. On peut utiliser comme substrat les tranches de lingots de silicium monocristallin utilisées en microélectronique ainsi que pour la réalisation des cellules solaires. C' est la solution que nous avons utilisée pour le prototype. On peut aussi utiliser des tranches desilicium polycristallin, des dépots de silicium polycristallin sur un substrat approprié, (Graphite, carbone amorphe, charbon de cornue, fibre de carbone, ruban de carbone, dépot de carbone pyrolytique sur du métal, etc...) On peut aussi utiliser du silicium obtenu par décomposition de composé silicié gazeux sur un substrat approprié. Le Palladium est vaporisé sur le silicium dans un vide poussé en chauffant quelque décigrammes de métal dans un gouttière de graphite portée à haute température par passage d'un courant électrique. Les plaques de Silicium convenablement dopées sont placées à environ 5 centimètres du dispositif de vaporisation ainsi réalisé. Elles se recouvrent d'un film miroitant de Palladium. L' adhérance de ce dépot dépend de la qualité du vide et de. la propreté du Silicum. De façon à améliorer la qualité du vide, on peut vaporiser des filaments de Magnésium getter) qui vont adsorber les gaz résiduels. Ont prendra garde a éviter un éventuel dépot de Magnésium sur les plaquettes de silicium en isolant le compartiment de vaporisation du getter de Magnésium par des écrans ou des chicanes. Le vide sera ensuite cassé par introduction de Deutérium. Eventuellement, on peut chauffer les plaquettes de Silicium sur une plaque électrique (en atmosphére de Deutérium) ceci a deux effets: -Stabiliser le dépot de palladium et augmenter la taille des microcristaux (recuit) -Commencer à faire pénétrer du Deutérium dans le réseau cristallin du métal. Une couche de résine polymérisable sera déposée sur la face opposée de la plaque de silicium (portant la connection électrique) en trempant celle -ci dans la résine encore liquide. On fera légèrement déborder la résine afin de protéger la tranche. (Fig 3 et 4) Après polymérisation complète, on immergera la diode semiconductrice ainsi obtenue dans de 1' eau lourde, éventuellement tritiée. Elle constituera 1' électrode négative d' une cellule d' électrolyse, 1' autre électrode (en platine), étant reliée au pole positif d' un générateur. On peut ajouter quelques gouttes d' hydrazine ou d' hydroquinone à 1' eau lourde de façon a eviter l'oxydation éventuelle du Palladium. L'eau lourde tritiee peut être gélifiée par un polymère approprié (agar, acrylamide) La conductivité de 1' eau est maintenue si besoin est à la valeur la plus appropriée par un sel neutre ou légerement acide (Par exemple un sel de lithium) Les ions D+ et T+ présents dans la solution pénètrent dans la couche de palladium, migrent dans le réseau cristallin, atteignent la zone de jonction et s'y accumulent. La probabilité de fusion entre ces ions augmente ainsi qu'on l'a vu plus haut De telles diodes à fusion, préparées à partir de plaquettes de silicium peuvent se connecter en série. On obtient une disposition pratique en empilant ces plaquettes les unes sur les autres en intercalant entre les autres un gel ou un textile imbibé d'eau lourde. On obtient un dispositif rappelant les anciennes piles de Volta.La première pile est connectée à la borne negative d'un générateur, la dernière étant placée UN#ttW gnw positive en platine. L' ensemble peut être placé dans un tube plastique et isolé par un brai ou un polymère coulé dans les interstices entre la paroi du tube (figure ) On doit utiliser une tension supérieure à celle qui est utilisée avec une seule cellule. Cependant un tel dispositif ne peut ètre employé que pendant un temps limité ,de façon a limiter 1' échauffement qui détruirait les gels et provoquerait un court-circuit ou 1' évaporartion de 1' électrolyte. Une céramique conductrice ou une argile imbibée d'eau lourde peut ètre utilisée comme électrolyte et ainsi permettre de travailler a une température plus élevée. On pourrait éventuellement travailler sous pression et dans un état supercritique. I1 est aussi possible de réaliser par dépot sous vide des empilements de tels jonctions Palladium/Silicium: Sur un substrat conducteur approprié, on dépose tout d' abord une couche de silicium amorphe par décomposition de Silane gazeux ou pulvérisation sous vide puis on dope cette couche par addition de bore, puis on dépose une couche de Palladium, On sature cette couche de Deutérium ou de tritium ou d' isotopes de 1' hélium par un des moyens énumérés plus hauts puis on recommence le cycle en déposant une nouvelle couche de Silicium et ainsi de suite... On obtient ainsi un empilement de jonctions qui peuvent fonctionner jusqu' à épuisement -des isotopes légers contenus dans les couches de Palladium. Dans un petit volume, on obtient ainsi un disppsitif optimisé et résistant relativement bien à l'échauffement. Il est cependant indispensable de prévoir un refroidissement forcé. (circulation d'eau ou soufflerie.) La réaction de fusion résultante peut générer des particules chargées: Electrons de conversion ou Protons produits par les réactions: D+D --- > Hélium3+ p D + Hélium3 --- > Hélium4 + p 2xHélium3 --- > HéIium4 + 2p I1 est important de noter que si on réussit à induire une dissymétrie dans la direction d' émissions de ces particules chargées ( Par exemple par un champ magnétique puissant perpendiculaire à la jonction ou le champ électrique de la jonction lui-mème) on pourrait obtenir une différence de potentiel auto-entretenue. (Si un excès de protons se dirige du coté du Palladium) Une différence de potentiel apparait aussi par un effet "photovoltaïque" due à 1' intense ionisation entretenue au voisinage de la jonction par les protons, les noyaux rapides, les éelectrons de conversion et les divers rayonnements émis lors des réactions de fusion. I1 est difficile à dire par avance si elle suffirait à entretenir la réaction et à produire en même temps un surplus d' énergie électrique directement utilisable mais, bien qu' hypothétique, la possibilité théorique existe et devait ètre mentionnée dans la présente description . Dans un tel cas, seul le "Démarrage" du dispositif nésséciterait une tension extérieure. L' arrêt de \ la réaction s' obtenant en court-circuitant les électrodes. En tout cas, une dyssimétrie d' émission des neutrons peut être crée simplement en placant d'un coté du dispositif un écran ralentisseur de plastique et un écran absorbant de bore ou de Cadmium. Les neutrons rapides continuant à être émis dans la direction opposée créeront une force, certes faible, mais pouvant ètre maintenue pendant de longues périodes et pouvant être mise à profit pour la propulsion de véhicules spatiaux. Légende des figures Figure 1 : Distribution du champ électrique dans une diode a jonction palladium/silicium. 1: Electrode positive en platine 2: Couche de palladium 3: Jonction palladiumfsilicium 4: Eau lourde 5: Plaque de silicium Figure 2: Tension pulsée appliquée au bornes du dispositif. Abscisse: Temps Ordonnée: Tension p: Tension continue de polarisation. t: Impulsions de voltage supérieur. Figure 3: Diode à fusion réalisée à partir d' une tranche de silicium. (Observée selon une perspective cavaliére) 1: connection de 1' électrode positive en platine 2: Electrode positive en platine. 3: Couche de palladium sur le silicium. 4: Couche de polymère isolant la tranche et 1' arrière du dispositif. 5: Connexion électrique de la tranche de silicium. Figure 4: Coupe du dispositif selon ab 6: Tranche de Silicium. 7: Soudure de la connexion à la borne négative d' un générateur. REVENDICATIONS 1)Dispositif destiné à confiner dans une phase solide les noyaux des isotopes de 1' hydrogène, de 1' hélium, du lithium, du béryllium ou du bore de facon à augmenter leur probabilité de fusion caractérisé en ce qu'il est constitué d' une diode à jonction formée par le contact entre une électrode en palladium ou en titane contenant des atomes des isotopes cités plus haut et une électrode en silicium ou en semiconducteur de type p de propriétés équivalentes tel que arséniure de gallium, germanium, sulfure de cuivre, oxyde de cuivre, sulfure de plomb, oxyde de plomb, oxyde de zinc, sulfure de palladium. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la zone de jonction entre le palladium (ou le titane) et le silicium (ou le semiconducteur)est soumise à un champ magnétique intense de mCne direction que le champ électrique traversant celle-ci. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu' il est réalisé par dépot de palladium par pulvérisation thermique sous vide ou par électrolyse sur une tranche de cristal de silicium. 4) Dispositif selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que 1' introduction des atomes d'élements légers st effectue en cours de fonctionnement par électrolyse d' une solution contenant ces élements par exemple de 1' eau lourde), 1' électrode négative étant constituée du dispositif selon la revendication 3 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est constitué d' un empilement compact de diodes réalisées par dépots successifs de palladium sous vide, lequel est chargé ensuite d' éléments légers ,puis recouvert de silicium par décomposition de composé silicié gazeux sous pression réduite, cette suite d'opérations étant reproduite plusieurs fois. 8) Dispositif selon les revendications 1,2, 3,4,5 caractérisé en ce qu' il est alimenté en énergie électrique par une tension continue de lSlOème de Volt à quelques dizaines de Volts à laquelle se superpose une tension pulsée de voltage supérieur. 7) Application du dispositif selon 1,2, 3,4,5,6,à la production de neutrons. 8) Application du dispositif selon 1,2, 3,4,5,6 à la production de chaleur. 9) Application du dispositif selon 1,2, 3,4,5,6,à la production d' électricité. 10) Application du dispositif selon 1,2, 3,4,5,6 à la propulsion de véhicules spatiaux.