Brevet FR2708779A1 — publié le 19950210

La présente invention concerne un procédé et un dispositif, qui ont pour but d'exploiter économiquement de manière fiable et continue, l'énergie dégagée par un phénomène physique connu sous le nom de fusion nucléaire. L'astre solaire, dont l'activité conditionne la vie sur terre, a suscité la curiosité de chercheurs scientifiques qui sont parvenus à démontrer que le soleil tire son énergie de ce que l'on appelle communément, la combustion de l'hydrogène. En fait il s'agit plus précisément de fusion d'isotopes hydrogène. Chaque seconde, au centre de ce gigantesque réacteur nucléaire contrôlé, des millions de tonnes d'hydrogène sont transformés en hélium par fusion nucléaire. L'hydrogène étant très abondant sur terre, puisque c' est un des constituants de la molécule d'eau, et qu'il est de plus très facile de l'isoler, il devenait tantant d'exploiter cette source d'énergie. Les premières recherches datent des années 50. Elles ont consisté à essayer de reproduire exactement, ce qui se produit dans le soleil et les étoiles. Pour déclencher des réactions de fusion suivant le même principe, il faut d'abord chauffer ce que l'on nomme improprement le combustible, soit deux isotopes de l'hydrogène qui sont le deutérium et le tritium. La température doit être proche de cent millions de degrés. Pour maîtriser et exploiter l'énergie produite, de nombreux problèmes, aussi bien scientifiques que technologiques restent encore a résoudre. Les progrès encore à venir, passent par la construction d'énormes équipements de plus en plus complexes et coûteux. A l'époque ou la fusion chaude connaissait ses premiers balbutiements, l'hypothèse théorique de la fusion froide, par catalyse muonique, était énoncée par des physiciens qui ont par la suite poursuivi leurs recherches dans le domaine de la fusion chaude. A l'heure actuelle, bien que les expériences confirment le bien fondé de théories très élaborées, cette voie n'a toujours pas abouti à des réalisations permettant une utilisation concrète de ce procédé. Le bilan énergétique reste toujours négatif, et les moyens mis en oeuvre sont encore trop importants. Pour fabriquer les muons nécessaires au déclenchement de la réaction nucléaire, on a recours à un accélérateur de particules qui envoie un faisceau d'ions sur une cible de deuterium ou de lithium. Plus récemment, des expériences du domaine de l'électrochimie, ont permis de mettre en évidence la possibilité de provoquer la fusion nucléaire à température ambiante, par électrolyse de l'eau lourde. Ce procédé est décrit dans une demande de brevet PCT-WO 90/10935. Le dispositif est constitué par une cathode en paladium, de volume très important, par rapport à celui de l'anode filiforme en platine, disposée sous forme de spires autour de la cathode. Le deutérium dégagé par électrolyse à la surface de la cathode en paladium, est absorbé par ce métal en raison de la structure lacunaire de son réseau cristalin. Au fur et à mesure que l'électrolyse se poursuit, le paladium se charge en deutérium, jusqu'au point ou d'énormes pressions apparaissent dans la structure du métal. A partir de là, la fusion se déclencherait spontanément. En fait, on ne sait toujours pas si le phénomène de fusion est déclenché par la pression, par le passage du courant électrique, ou par la vibration des atomes. L'intérêt économique que représente cette découverte, a incité de nombreux chercheurs à pratiquer des expériences, qui pour certaines sont loin de faire l'unanimité. En l'état actuel des connaissances, le procédé est très interessant du point de vue scientifique, mais il ne se prête pas à une exploitation économique. Ceci pour plusieurs raisons le) Le processus de chargement de la cathode en deutérium, est très long, si l'on a seulement recours à la production électrolytique de ce gaz et sans pertes importantes. 2e) Suivant certains auteurs d'experiences, pour déclencher le processus de fusion, il faut multiplier par un facteur de 10 à 20 l'intensité du courant d'électrolyse. Ceci revient à produire en pure perte de l'oxygène et du deutérium. 3e) Les constituants de l'électrolyte, surtout lorsqu'il s'agit de sels métalliques, se déposent sur la cathode et empêchent la pénétration de l'hydrogène. 4e) L'extraction de l'énergie dégagée ne peut pas se faire par circule lation énergique d'un fluide caloporteur, directement en contact avec la source de chaleur. 5e) Rien n'est prévu pour extraire les gaz réactionnels emprisonnés dans la cathode. Pour fusionner, deux noyaux atomiques doivent d'abord s'approcher l'un de l'autre jusqu a une distance inférieure à dix fermis. C'est seulement à ce moment là, que la force nucléaire de cohésion des noyaux vont les amener à fusionner. Dans une molécule de deutérium au repos, les noyaux atomiques se trouvent éloignés d'environ 74 000 fermis. Cette distance traduit une situation d'équilibre dans la molécule. Les deux électrons gravitent autour des noyaux de même charge qui se repoussent. Un autre paramètre essentiel du processus de fusion est le mécanisme même de cette réaction. Lorsque deux noyaux de deutérium, formés chacun d'un proton et d'un neutron fusionnent, ils donnent naissance à un noyau d'hélium 4. Ce noyau bien que normalement composé, se trouve dans un état excité et pour se stabiliser doit perdre une partie de son énergie en emettant un photon gamma, qui est un rayonnement de haute énergie. Le noyau composé, en état dtexcitation, peut aussi se desexciter en se désintégrant : soit en un noyau de tritium et un proton libre, soit en un noyau d'hélium 3 et un neutron libre. L'utilisation de la faculté qu'ont certains métaux, tels que le titane et le paladium, à absorber l'hydrogène, ntest pas nouvelle. Le stockage de l'hydrogène à bord des automobiles, pour servir de carburant, était une application de cette facultée. Depuis très longtemps on utilise le paladium, soit pur ou allié à l'argent, pour réaliser des diffuseurs qui laissent passer selectivement de l'hydrogène purifié. Dans son prinicipe de base, la présente invention met en oeuvre deux phénomènes physiques non-utilisés dans les autres procédés qui visent le même but, il s'agit des ultrasons et de l'induction électromagnétique. Les sons se propagent dans les solides, les liquides et les gaz, sous forme d'ondes élastiques. Chaque particule du milieu concerné oscille périodiquement de part et d'autre de sa position d'équilibre. La vitesse de la particule est à son maximum lorsqu'elle franchit son point normal d'équilibre, alors qu'elle est nulle lorsque l'élongation est à son maximum. Entre deux passages d'une particule par la même position et dans le même sens, il s'écoule un temps appelé période du son. Le nombre de périodes par seconde est la fréquence, qui pour les ultrasons se situe au dessus de 16.000 Hertz. Les ultrasons présentent l'avantage d'être inaudibles, encore qu'il soit bien difficile d'éviter l'apparition d'harmoniques perceptibles par l'oreille humaine. Pour produire des ultrasons et exploiter leurs effets, on dispose d'un générateur qui délivre un courant électrique, de tension et de fréquence convenable. I1 est connecté à une pastille en céramique piezo-électrique. De chaque coté de cette pastille, sont disposés deux cylindres métalliques qui ont une longueur égale, à un quart de la distance parcourue dans ce métal, par un son d'une durée d'une alternance. Ces éléments sont tenus assemblés par une vis axiale, pour former ce que l'on nomme un triplet de Langevin ou transducteur. A ce triplet est axialement associé une sonotrode demi-longueur d'onde. Alors que l'amplitude des mouvements de retrait et d'expansion du transducteur, se situent entre 10 et 15 micromètres, il est possible d'obtenir une amplitude de 30 micromètres à l'extrémité de la sonotrode, soit en lui donnant une forme convenable, soit en disposant un amplificateur entre elle et le transducteur. Les contraintes mécaniques générées à l'intérieur de la sonotrode sont considérables, à tel point que si l'on dépasse la puissance de quelques centaines de Watts qu'elle peut normalement supporter, on peut la voir se fracturer de manière franche en son point nodale de contrainte maximale. Lorsqu'on relie à un générateur électrique, deux plaques métalliques parallèles, il apparait un champ électrique entre ces deux plaques. L'une se trouve excédentaire en électrons sur sa surface concernée, alors que l'autre est déficitaire. Si l'on fait varier alternativement le sens du courant, un voile d'électrons parallèle à la surface des plaques, va osciller entre leur surface et une position en retrait de cette surface. La densité du voile d'électrons et l'amplitude de son déplacement, sont fonctions de la distance qui sépare les plaques et de la tension appliquée. A l'intérieur du voile d'électrons, il apparait une migration électronique d'une plaque vers l'autre, par l'intermediaire du générateur de courant. Cette migration est proportionnelle à la capacité du condensateur ainsi réalisé et à la tension entre les plaques. La fréquence de la tension appliquée peut être d'autant plus élevée, que la capacité du condensateur est faible. C'est le cas dans l'application qui va suivre. Si l'on considère le cas d'atomes ou de molécules d'isotopes hydrogène, prisonniers du réseau cristalin d'un métal. En superposant perpendiculairement l'un à l'autre, les deux phénomènes précédemment décrits, on constate que lorsque les électrons des atomes ou molécules du gaz seront repoussés dans une direction, leurs noyaux atomiques seront attirés dans la direction opposée et vice versa à chaque alternance du courant électrique, alors que perpendiculairement à cette contrainte, la structure du métal et également le gaz, seront soumis à des contraintes alternatives de pression et d'expansion. Ces deux phénomènes associés vont créer les conditions propices à la fusion des noyaux atomiques. Le processus est contrôlé en faisant varier, soit l'intensité de l'irradiation ultrasonore, soit la tension électrique, soit les deux simultanément ou séparément. A l'instant de la compression mécanique, seuls les atomes et les molécules piégés par le réseau cristalin seront concernés par le traitement, l'autre partie étant chassé à l'exterieur de la structure cristaline, pour être par la suite réintroduite au moment de l'expansion du métal. Cet effet de pompage présente l'avantage de provoquer le renouvellement du gaz. Les deux effets peuvent être parfaitement synchronisés, à condition que l'ensemble du dispositif soit piloté par la fréquence ultrasonore. En effet, du fait que la vitesse du son dans un métal, est fonction de sa température, l'alimentation électrique du transducteur a été conçue pour suivre en permanence et au plus près, la fréquence de résonance de la sonotrode, en suivant sa dérive. La longueur de la sonotrode, n'est pas limitée à une demilongueur d'onde du son dans le métal qui la constitue, mais plus exactement à un nombre entier de demi-longueur d'onde. Dans ce cas, tous les quarts de longueur d'onde de la sonotrode, constituent des points nodaux d'amplitude nulle et de pression maximale. Pour fonctionner, en gardant l'image des deux plaques métalliques opposées, le dispositif doit être complété par deux circulations de fluides. Entre une des plaques qui sert seulement d'électrode, et l'autre qui sert à la fois d'électrode et de sonotrode, une circulation de gaz d'isotopes d'hydrogène est établie de haut en bas. Le gaz frais arrivant par le haut et les gaz réactionnels s'échappant par le bas. Sur la deuxième face de la sonotrode, une circulation de fluide caloporteur évacuera l'énergie libérée dans celle-ci. Parce que la présence de vibrations, rend délicate à réaliser l'étanchéité entre les deux circuits, il est apparu commode de coupler l'évacuation des gaz réactionnels à la circulation du fluide caloporteur. A la sortie de l'appareil, un dispositif permet la séparation -gaz/fluide caloporteur-. Ce dernier après avoir été déchargé de l'énergie qu'il transporte, sera réintroduit dans l'appareil de manière à assurer une circulation continue. La description qui vient d'être faite, ne concerne que le principe du procédé. Pour être exploité fiablement, le procédé est mis en oeuvre grace à un dispositif spécialement conçu à cet effet. La figure unique (1), est une représentation schématique de ce dispositif. L'élément de base du dispositif qui permet de mettre en oeuvre le procédé précédemment décrit, est constitué par une sonotrode (1), de forme cylindrique et disposée verticalement. Elle est constituée par un métal hydrurable tel que par exemple le titane. Dans sa partie basse et suivant son axe vertical, la sonotrode est pourvue d'un alésage qui constitue la chambre (2). A l'intérieur de cette chambre (2), prend place une électrode (3), suffisamment éloignée de la surface intérieure de la sonotrode (1), pour laisser passage à un gaz isotope de l'hydrogène, tel que le deutérium. Le gaz qui a été introduit dans le haut de la chambre (2), grâce à une canalisation (4), circule verticalement de haut en bas, entre l'électrode (3), et la sonotrode (1). En cet endroit, avant qu'il ne pénètre par hydruration la sonotrode (1), le gaz est ionisé par la tension électrique, appliquée entre l'électrode (3), et la sonotrode (1), qui constitue la deuxième électrode. Les ondes ultrasonores qui se propagent dans la sonotrode suivant son axe, engendrent des contraintes mécaniques, de compression et de relaxation, perpendiculaires à l'effet de l'induction électromagnétique, engendrée par la tension électrique qui règne entre la sonotrode (1), et 11 électrode (3). Pour parer aux conséquences, dues à un éventuel court-circuit, 11 électrode (3), est entièrement recouverte par un mince isolant électrique, non représenté. Dans sa partie haute, partiellement représentée, la sonotrode est accouplée à un transducteur de conception classique, qui lui transmet des impulsions de fréquence ultrasonore. Telle que représentée sur cette figure, la sonotrode du type demi-longueur d'onde, comporte suivant son plan nodal, d'amplitude nulle et de contrainte maximale, un épaulement (5), qui va permettre par l'intermédiaire de joints toriques (6), de l'associer à un élément (7), en forme de cloche renversée. Cet élément qui forme réservoir, est réalisé en un matériau non conducteur du courant électrique, ou alors recouvert sur toute sa surface intérieure par un isolant électrique. I1 porte dans sa partie haute, un bourelet (8), qui va permettre par vissage, non représenté, de l'associer à un flasque (9). L'espace resté libre entre la sonotrode (1), et la surface intérieure de l'élément (7), est occupé par un fluide caloporteur et diélectrique, qui se déplace dans le sens vertical, de bas en haut. Ce fluide est introduit tangentiellement au fond semi-sphérique de l'élément (7), grâce à un orifice (10). Entrainé dans un mouvement de rotation suivant l'axe de l'appareil et guidé par le déflecteur (11), ainsi que par la base de l'électrode (3), le fluide s'relève jusqu'au niveau de l'extrémité inférieure de la sonotrode (I). Par son mouvement alterné d'expansion et de rétraction, la sonotrode (1), en association avec la surface supérieure inclinée du déflecteur (11), réalise un effet de pompage, qui rend homogène le débit du fluide sur toute la périphérie de la sonotrode. Le mouvement initial de rotation du fluide, avait déjà pour but de rendre uniforme l'alimentation de la pompe ainsi constituée. Dans la partie haute de l'appareil, le fluide caloporteur et diélectrique, trouve une échappatoire constituée par la canalisation (12), qui le conduit dans un espace (13), séparateur des phases liquides et gazeuses. Le liquide s'échappant en (14), par le bas de l'enceinte et le gaz en (15), par le haut de l'enceinte. La profondeur de l'hydruration de la sonotrode, dépend de sa température et de la pression qui règne dans l'appareil, pour une même température, elle est d'autant plus importante que la pression est plus élevée. La température agit dans le même sens, plus elle est élevée, plus la profondeur de l'hydruration est importante. I1 convient donc de contrôler et de réguler, la pression du fluide caloporteur et diélectique, en fonction de la température de la sonotrode hydrurée. Le gaz est introduit dans l'appareil, à une pression supérieure à celle qui y règne et c'est son très faible débit qui est régulé. Alors que l'étanchéité de l'appareil, est assurée par le joint torique (6), placé au dessous de l'épaulement (5), côté sonotrode. C'est le joint (16), qui assure la même fonction côté électrode. L'alimentation électrique est assurée par des connexions en (17), pour la sonotrode et en (18), pour l'électrode. REVEND I CATI O NS 1) Procédé pour provoquer la fusion nucléaire d'isotopes de l'hydrogène, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre l'hydruration d'une sonotrode qui tient également lieu d'électrode, de polarité opposée à celle d'une deuxième électrode qui contribue à superposer dans la sonotrode, une induction électromagnétique engendrée par un champ électrique alterné , perpendiculaire aux contraintes mécaniques engendrées par la propagation des ondes acoustiques. 2) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication (1), caractérisé en ce que sur sa longueur efficace, la sonotrode cylindrique disposée verticalement, est alésée pour contenir axialement placée et sans contact, la deuxième électrode introduite par le bas de la sonotrode. 3) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz hydrogène qui occupe espace resté libre entre l'électrode et la sonotrode, est introduit au plan nodal de la sonotrode et s'échappe par son extrémité inférieure. 4) Dispositif suivant les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'un fluide caloporteur et diélectrique, en contact avec la surface extérieure de la sonotrode, circule de bas en haut dans l'en- ceinte circulaire étanche, qui contient la sonotrode et l'électrode et entraîne les gaz qui s 1échappent par le bas de la sonotrode. 5) Dispositif suivant les revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'avant d'être réintroduit par le bas de l'enceinte étanche, le fluide caloporteur et diélectrique est déchargé des gaz qu'il a entraîné ainsi que de l'énergie thermique qu'il transporte. 6) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la tension alternée, appliquée à la sonotrode et à l'électrode, est pilotée en fréquence par l'alimentation électrique du transducteur accouplé à la sonotrode.