Brevet FR2777687A1 — publié le 19991022

L'invention concerne la production d'énergie et la réalisation de réactions nucléaires exothermiques. On a proposé de produire de l'énergie à partir d'un hydrure à caractère métallique, c'est à dire ayant la conductibilité d'un métal. Les hydrures à caractère métallique sont un domaine très bien connu de la Science et de la Technologie. On se référera par exemple à l'ouvrage "Comprehensive Inorganic Chemistry" publié chez Pergamon Press en 1975 et plus particulièrement aux pages 38 à 61 du Tome 1 o sont décrits ces hydrures ainsi que leurs principales propriétés. On se référera également aux ouvrages "Topics in Applied Physics" Volume 28, "Hydrogen in Metals I - Basic Properties" et "Topics in Applied Physics" Volume 29, "Hydrogen in Metals II - Application-Oriented Properties", publiés chez Springer-Verlag en 1978, et o sont exposés plus en détail les propriétés de certains de ces hydrures métalliques ainsi que les théories pouvant les expliquer. Ces hydrures peuvent être produits, de façon en soi connue, par exemple en soumettant un métal susceptible de fournir l'hydrure à une atmosphère d'hydrogène, dans des conditions de pression et de température appropriées, par exemple une température de 100 à 400 C et une pression de 5 à 50 bars. Selon la nature du métal, l'hydrure se conserve sans précautions particulières ou doit être maintenu dans une atmosphère non oxydante, par exemple en présence d'un gaz neutre. Le mot hydrogène (H2) désigne l'hydrogène ainsi que ses isotopes, notamment le deutérium (D2) et le tritium. De préférence, on utilise un gaz qui ne contient que de l'hydrogène et sous pression élevée. Le métal susceptible de former un hydrure à caractère métallique est un métal de l'un des groupes IIIa, IVa, Va, VIa, VIIa et VIII de la classification périodique des éléments. De préférence, on choisit un métal du groupe constitué par les éléments de transition (Fe, Co, Ni... ), les Lanthanides et les Actinides, notamment le palladium (Pd), le titane, (Ti), le nickel (Ni) et le lanthane (La), l'uranium (U) et le plutonium (Pu). Le choix du métal est en fait guidé par le résultat visé. De l'étude des ouvrages cités, il ressort qu'il est communément admis qu'une partie importante de l'hydrogène présent dans l'hydrure à caractère métallique s'y trouve sous forme de protons localisés dans les sites interstitiels du réseau du métal hôte: le réseau métallique peut donc être considéré comme confinant un plasma de protons et d'électrons. On a proposé de faire agir un champ magnétique sur un tel plasma pour obtenir certains résultats (Patent Abstracts of Japan vol. 015 n 116 (P1182); WO 94 28197 et WO 91 06959). On a maintenant découvert, selon la présente invention qu'il était avantageux de combiner l'action d'un champ magnétique avec un mouvement d'ensemble des protons et des électrons du plasma dans une direction parallèle à celle du champ magnétique, favorisant ainsi la production d'énergie que l'on recherche. Dans l'état actuel de la technique, trois moyens peuvent être utilisés, séparément ou conjointement, pour créer le mouvement d'ensemble du plasma: création d'un gradient de température, d'un gradient de concentration en hydrogène ou d'un gradient de tension électrique à travers le plasma d'hydrogène confiné, selon des directions parallèles à celle du champ magnétique. Le champ électrique peut être généré par une basse tension de l'ordre de quelques dizaines de volts, ce qui reste beaucoup plus simple que la mise en oeuvre d'étincelles sous haute tension qui a été préconise dans des travaux antérieurs relatifs à la "fusion froide". On utilise de préférence un champ magnétique dont l'intensité est au moins 1000 fois celle du champ magnétique environnant, sans que cette valeur puisse être considérée comme une limite inférieure critique. La valeur du champ magnétique est avantageusement aussi élevée que possible, dans les limites des contraintes économiques. On pense que dans les conditions de l'invention, l'atome métastable d'hydrogène (qui sera appelé "Hydrex" dans la suite du texte et "Deutex" si l'isotope d'hydrogène utilisé est le "Deutérium") se formerait sans émission de photons et aurait les propriétés suivantes: très petite taille (5 à 10 fm), moment électrique et moment magnétique permanents, durée de vie de l'ordre de quelques heures. La très petite taille de l'atome à l'état métastable et son moment électrique permanent permettraient à cet atome de venir à très courte distance d'un noyau et de favoriser, par abaissement de la barrière de potentiel coulombien, certaines réactions nucléaires, que l'on peut définir comme des réactions de capture de nucléons par l'Hydrex, quand celles-ci sont énergétiquement possibles. Un premier avantage de la présente invention est qu'elle fournit un moyen simple, économique et sans risque pour transmuter certains noyaux, particulièrement les noyaux des actinides, en noyaux de masse atomique plus faible. On sait que la production (dans les réacteurs nucléaires générant de l'énergie par fission de l'uranium), d'actinides lourds à vie longue comme certains isotopes du plutonium, est un sérieux frein au développement de cette forme d'énergie du fait des problèmes posés par leur gestion à long terme. La présente invention donne un moyen de transformer ces déchets à vie longue en déchets à vie beaucoup plus courte, permettant une solution efficace au problème de leur gestion. Un deuxième avantage de la présente invention est qu'elle permet d'agrandir considérablement la liste des combustibles nucléaires, en donnant la possibilité de produire de l'énergie par des réactions nucléaires de capture de nucléons par l'Hydrex. De plus les réacteurs fonctionnant sur le principe de l'invention, sont plus simples, plus faciles à exploiter et présentent moins de risques que les réacteurs à fission. Un troisième avantage de l'invention est qu'elle permet de valoriser les sources de chaleur à bas niveau de température. On sait que de telles sources existent en abondance. L'invention a permis de mettre en évidence une nouvelle classe de réactions nucléaires, que l'on peut qualifier, de façon générale, de réactions de capture de nucléons par l'Hydrex. Un premier type des ces réactions est observé avec les noyaux très lourds (les actinides par exemple). L'Hydrex capture deux protons et quatre neutrons d'un noyau de masse atomique A et de numéro atomique Z pour donner du lithium 7, tandis que le noyau très lourd devient un noyau de masse atomique A-6 et de numéro atomique Z-2. C'est ainsi que l'uranium 238 peut être transmuté en thorium 232. Un second type de réaction est observé avec les noyaux de masse moyenne. Le Deutex capture 2 protons et 2 neutrons d'un noyau de masse atomique A et de numéro atomique Z pour donner du lithium 6 tandis que le noyau de masse atomique moyenne devient un noyau de masse atomique A-2 et de numéro atomique Z-2. Un troisième type de réaction est observé avec les noyaux de masse faible (lithium et béryllium). Le Deutex capture un neutron d'un noyau de béryllium 9, pour donner un noyau de tritium tandis que le noyau de béryllium 9 se transforme en béryllium 8 qui donne instantanément deux noyaux d'hélium 4. Il est clair que ces réactions sont données à titre d'exemple. De nombreuses autres réactions sont possibles quand elles sont exothermiques. Les taux de réactions observées dépendront entre autre des moments magnétiques nucléaires des noyaux partenaires de l'Hydrex ainsi que des propriétés de spin des produits de la réaction. L'invention a mis également en évidence l'émission de photons dans la gamme lumineuse quand l'état métastable de l'hydrogène se désactive pour revenir à la forme habituelle de l'hydrogène. Ceci ouvre la possibilité de valoriser les sources d'énergie à bas niveau de température en produisant de l'électricité par le biais d'une cellule photovoltaïque. Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention comprend essentiellement un réacteur, des moyens pour supporter dans le réacteur un hydrure à caractère métallique confinant un plasma de protons et d'électrons confiné, des moyens pour exposer ce plasma à un champ magnétique et des moyens pour créer un mouvement d'ensemble des protons et des électrons du plasma selon une direction parallèle à celle du champ magnétique. Le dispositif peut également comprendre des moyens pour extraire l'énergie du réacteur. Par exemple, le réacteur est équipé de cellules photovoltaïques capable de transformer en électricité le rayonnement émis comme conséquence de l'exposition du plasma confiné à l'action du champ magnétique. L'utilisation de cellules photovoltaïques pour transformer le rayonnement thermique d'un réacteur en électricité a été proposée, par exemple dans la demande de brevet français n 2 663 775, mais dans ce cas la température du réacteur doit être très élevée (1000 C) pour que la génération d'électricité soit efficace. Au contraire, dans le cas de l'invention, même avec une température beaucoup plus basse (T=30 C par exemple), on constate une génération efficace d'électricité. L'hydrure, de préférence à l'état de poudre, est avantageusement maintenu par un support ferromagnétique en sorte que le champ magnétique soit canalisé vers lui. L'invention permet de produire de l'énergie notamment sous forme d'un rayonnement, par exemple un rayonnement capable d'impressionner un détecteur de particules nucléaires, ou d'un courant ou d'énergie thermique à haut niveau de température, résultant de réactions nucléaires exothermiques. On va maintenant décrire en détail deux exemples de mise en oeuvre de l'invention en référence aux figures du dessin joint sur lequel: - la figure 1 est un schéma d'un premier dispositif de mise en oeuvre de l'invention, plus particulièrement orienté vers la gestion des déchets nucléaires; - la figure 2 est un schéma d'un second dispositif de mise en oeuvre de l'invention, plus particulièrement orienté vers la valorisation des sources de chaleur à bas niveau thermique; - la figure 3 est un graphique montrant l'évolution avec le temps de l'activité gamma d'un échantillon d'uranium traité en vue de transmuter cet uranium en produit de masse atomique plus faible; et - la figure 4 est un graphique des tensions électriques relatives à une cellule photovoltaique débitant pendant son exposition dans le réacteur. EXEMPLE 1 La figure 1 montre un dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention, plus particulièrement orienté vers la transmutation des actinides et o la production d'énergie nucléaire est considérée comme secondaire. Il est constitué d'un réacteur (1), contenant des grains (2) d'uranium. Les grains (2) sont comprimés entre deux cylindres d'acier (4) qui traversent la paroi du réacteur par l'intermédiaire de joints toriques (5). La compression des grains est assurée par deux boulons percés (9), vissés sur le réacteur (1). Deux aimants permanents (3), qui sont mis en place après que le plasma d'hydrogène confiné ait été créé, permettent d'exposer ce plasma à un champ magnétique efficace, le flux magnétique créé étant guidé vers le plasma confiné par les cylindres (4). Le flux magnétique des aimants se referme, à l'extérieur du réacteur (1) par l'intermédiaire d'un circuit ferromagnétique non représenté sur la figure pour des raisons de clarté. Un tube de silice (7) permet de maintenir en place les grains d'uranium puis la poudre résultant de la création du plasma confiné. Des conducteurs (6), reliés aux cylindres (4) permettent de créer un gradient de tension électrique à travers la poudre (2), ce gradient de tension électrique créant un mouvement d'ensemble du plasma confiné. Des résistances de chauffage (8) permettent, par l'intermédiaire d'un générateur électrique adapté et non représenté sur le graphique pour des raisons de clarté, de porter le réacteur à une température voulue. Le réacteur est relié par un raccord multiple à une pompe à vide et à un réservoir d'hydrogène, permettant de le remplir d'hydrogène à la pression voulue. On va maintenant décrire deux séries d'expériences permettant de montrer tout l'intérêt de l'invention.Dans une première série d'expériences, les opérations suivantes sont effectuées: I/ On introduit 715 mg d'uranium pur en grain dans le réacteur (1) entre les cylindres (4). On crée le plasma d'hydrogène confiné en l'absence des aimants (3) Pour cela, on remplit le réacteur (1) d'hydrogène pur, à une pression de 15 bars et on chauffe le réacteur ainsi rempli à une température de 150 C, par l'intermédiaire des résistances de chauffage (8). Le réacteur (1) est laissé sous ces conditions pendant une heure, la pression étant maintenue à 15 bars par l'intermédiaire du raccord multiple. Des essais préliminaires ont montré que ces conditions conduisent à un plasma d'hydrogène confiné o trois atomes d'hydrogène sont présents par atome d'uranium. II/ On laisse alors le réacteur (1) revenir à la température ambiante et on comprime la poudre confinant le plasma d'hydrogène par action sur les boulons (9). III/ On met en place les aimants (3). IV/ On place alors le réacteur face à un détecteur de photons gamma utilisant un cristal de germanium (Détecteur SEPh-ORTEC Germanium Planar 100 mm Fenêtre béryllium 25 Mm). Le détecteur est réglé pour compter les photons d'énergie comprise entre 15 keV et 2 MeV. V/ On compte, sur une période de 24 heures, les photons gamma émis dans cette plage par les 715 mg d'uranium confinant le plasma d'hydrogène. On appelle CA(n) le résultat de ce comptage à la date n. Le graphique 3 montre l'évolution de CA(n) avec n, nombre de jour de l'expérience à partir de n = 1, qui est le jour o les aimants (3) ont été mis en place pour agir sur le plasma confine. On voit que CA(n) baisse régulièrement quand n augmente. L'évolution moyenne de l'échantillon est caractérisée par la droite AB (droite des moindres carrés des points expérimentaux). On voit sur le graphique 3 que cette droite à une pente de -250 coups par jour, correspondant à une baisse d'activité de -250 coups par jour. Au bout de 30 jours d'exposition au champ magnétique, l'émission de photons de l'échantillon d'uranium est passé, en moyenne, de 531.000 coups par jour à 523.500 coups par jour, soit une diminution d'activité de 1,4%. Dans une deuxième série d'expériences, on a introduit dans le réacteur (1) 765 mg d'uranium pur en grain. On effectue alors les mêmes opérations que pour la première série d'expériences, à l'exception de l'opération III (Mise en place des aimants (3)) et on compte les photons émis par les 765 mg d'uranium comme en V. On appelle CB(n) le résultat de ce comptage à la date n. Le graphique 3 montre l'évolution de CB(n) avec n, nombre de jour de l'expérience à partir de n = 1, qui est le jour o le réacteur (1) a été placé en face du compteur de photons gamma (réglé comme pour la première série d'expériences). On voit que CB(n) reste en moyenne à la même valeur, comme on peut le voir sur la droite CD (droite des moindres carrés des points expérimentaux), dont la pente est voisine de zéro. On voit donc sur cet exemple, que l'activité de l'échantillon d'uranium confinant le plasma d'hydrogène n'a pas varié quand ce plasma n'a pas été exposé au champ magnétique, alors qu'au contraire, elle diminue régulièrement en cas d'exposition de celui-ci au champ magnétique. La différence entre les activités initiales CA(1) et CB(1) est banale et due à la différence des masses d'uranium mises en jeu dans les deux séries d'expériences. L'ensemble de ces résultats peut s'interpréter comme provenant de la transmutation de l'uranium 238 en thorium 232. On comprendra aisément que le procédé selon l'invention puisse s'appliquer aux isotopes à vie longue du plutonium qui résultent de la combustion de l'uranium dans les réacteurs à fissions. On obtiendra alors les isotopes -correspondant de l'uranium qui sont soit utilisables soit plus faciles à stocker. Cet exemple montre un autre avantage de l'invention. Dans la série d'expériences qui vient d'être exposée, le métal utilisé pour générer le plasma d'hydrogène est le corps chimique que l'on veut transmuter. Dans les cas o le corps chimique à transmuter ne pourrait pas confiner efficacement le plasma d'hydrogène que l'on crée dans le procédé, on pourra utiliser un métal capable de créer ce plasma de façon efficace. Dans ce cas le corps chimique à transmuter sera introduit dans le métal confinant le plasma, soit sous forme de mélange chimique (alliage) soit sous forme de mélange physique (mélange de poudres). L'effet avantageux d'un gradient de tension électrique a été montré dans une autre expérience. Le passage d'un courant électrique de 100 mA à travers un plasma d'hydrogène confiné dans la même quantité d'uranium que celle utilisée dans la première série d'expériences (715 mg) a permis d'obtenir une baisse d'activité de l'uranium de -550 coups par jour soit plus du double de celle obtenue sans gradient de tension électrique. EXEMPLE II La figure 2 montre un dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention, plus particulièrement orienté vers la valorisation d'énergie thermique à bas niveau de température. Il est constitué d'un réacteur (1), contenant une poudre (2) de titane placée entre deux aimants permanents (3). La poudre (2) est comprimée entre deux cylindres d'acier (4) qui traversent la paroi du réacteur par l'intermédiaire de joints toriques (5) et qui concentrent le flux magnétique sur la poudre. La compression de la poudre est assurée par deux boulons percés (13),. vissés sur le réacteur (1). Les cylindres (4) servent aussi à transférer de la chaleur à basse température vers la poudre, depuis un réservoir (14) à température T, créant ainsi un gradient de température entre T et la température ambiante 0. Le sens de ce gradient est déterminé par le fait que T est supérieur à 0, et sa direction moyenne est parallèle à celle du champ magnétique. Des lamelles d'acier (7), placées dans la poudre (2) permettent de maintenir un champ magnétique élevé dans la masse de la poudre. Des résistances de chauffage (12) permettent, par l'intermédiaire d'un générateur électrique adapté et non représenté sur le graphique pour des raisons de clarté, de porter le réacteur à la température voulue. Des cellules photovoltaïques (8) permettent de transformer en électricité le rayonnement émis comme conséquence de l'action combinée du champ magnétique et du gradient thermique sur les protons et les électrons de l'hydrure. L'énergie électrique ainsi produite peut être utilisée dans un circuit (9) extérieur au réacteur et connecté aux cellules photovoltaïques (8) par l'intermédiaire de traversées électriquement isolantes (10).Le réacteur est relié par un raccord multiple à une pompe à vide et à un réservoir d'hydrogène, permettant de le remplir d'hydrogène à la pression voulue. On va maintenant décrire une expérience montrant l'intérêt de l'invention dans le domaine de la récupération d'énergie thermique à bas niveau de température. Cinq grammes environ de Titane en poudre (300 Mm) sont placés dans le réacteur (1) entre les cylindres (4). Le diamètre des cylindres est de 8mm. La poudre est séparée en cinq portions à peu près égale par quatre disques en acier de 8mm de diamètre et de 2mm d'épaisseur. La cellule photovoltaïque (8) a une surface totale de- 1Ocm2 et est constituée de 4 morceaux de 2,5cm par lcm, disposés autour d'un tube de silice (11) dont le diamètre externe est de llmm [les supports des cellules, constitués de deux fines plaques métalliques, perpendiculaires au tube de silice (11) et prenant appui sur lui à ses deux extrémités, ne sont pas représentées sur la figure pour des raisons de clarté]. Les cellules sont reliées électriquement entre elles en parallèle et l'ensemble est relié électriquement, par l'intermédiaire de traversées isolantes (10) à une résistance (9) de Ohms. Le réacteur est étanche à la lumière et aucune différence de potentiel ne peut être détectée aux bornes de la résistance (9) quand celle-ci est connectée à la cellule photovoltaïque, après fermeture du réacteur. On réalise alors deux séries d'expériences, chaque série partant du réacteur chargé en titane neuf comme décrit ci-dessus et non équipé des aimants (3). Dans la première série d'expériences, les opérations suivantes sont réalisées: I/ On met en place les aimants (3). II/ On crée le plasma confiné dans le réseau du titane. Pour cela, on remplit le réacteur (1) d'hydrogène pur à 15 bars et l'on chauffe le réacteur ainsi rempli à une température de 200 C au moyen des résistances de chauffage (8). Le réacteur est laissé sous ces conditions pendant 5h. Des expériences préliminaires ont montré que l'on obtient dans ces conditions un plasma d'hydrogène confiné dans le titane et contenant 0,4 atome d'hydrogène par atome de titane. III/ On laisse le réacteur revenir à la température ambiante. IV/ On connecte les cellules photovoltaïques à la résistance (9) et l'on enregistre la différence de potentiel aux bornes de cette résistance. La figure 4 donne l'évolution de cette différence de potentiel avec le temps. Partant de 250 mV, cette valeur se stabilise à mV au bout de 200.000 secondes. La cellule photovoltaique a ainsi débité pendant 8.000.000 de secondes, temps au bout duquel la différence de potentiel est revenue à une valeur non mesurable. Dans la deuxième série d'expériences, on part d'un réacteur (1) équipé comme pour la première série et l'on réalise les opérations II, III et IV mais on ne réalise pas l'opération I (mise en place des aimants). On ne constate alors aucune différence de potentiel mesurable aux bornes de la résistance (9) après l'opération IV quand la résistance est connectée aux cellules photovoltaiques. On a donc, dans la première série d'expérience, transformé de l'énergie thermique à bas niveau de température (température ambiante) en énergie électrique avec une puissance moyenne 0,2 mW. L'invention n'est pas limitée à ces exemples de réalisation. REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire de l'énergie, dans lequel on expose à l'action d'un champ magnétique un plasma de protons et d'électrons confiné dans les sites interstitiels d'un hydrure à caractère métallique, et on créé un mouvement d'ensemble des protons et des électrons du plasma dans une direction parallèle à celle dudit champ magnétique. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on créé ledit mouvement d'ensemble en réalisant dans le plasma, un ou plusieurs gradients choisis dans le groupe constitué par un gradient de concentration en hydrogène dont la direction est parallèle à celle du champ magnétique, un gradient de température dont la direction est parallèle à celle du champ magnétique, un gradient de tension électrique dont la direction est parallèle à celle du champ magnétique. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un corps qui n'est pas un métal donnant un hydrure à caractère métallique est mélangé chimiquement ou physiquement à l'hydrure. 4. Procédé selon la revendication 3 o ledit corps est choisi dans le groupe constitué par le lithium et le béryllium. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'hydrure est sous forme de poudre. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, o des lamelles (ou des grains) d'un matériau ferromagnétique sont disposées au sein de l'hydrure. 7. -Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on utilise des aimants permanents pour créer le champ magnétique. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel on créé l'hydrure in-situ en soumettant un métal susceptible de former une hydrure à caractère métallique à une atmosphère d'hydrogène, sous une pression et à une température appropriées. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 8, qui comprend un réacteur (1), des moyens pour supporter dans le réacteur un hydrure à caractère métallique confinant un plasma de protons et d'électrons (8) et des moyens (3) pour créer un champ magnétique agissant sur ce plasma confiné, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (6; 14) pour créer un mouvement d'ensemble des protons et des électrons du plasma, selon une direction parallèle à celle du champ magnétique. 10. Dispositif selon la revendication 9 dont les moyens (3) pour créer un champ magnétique apte à agir sur ledit plasma sont des aimants permanents. 11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10 dont les moyens pour créer ledit mouvement d'ensemble des protons et des électrons du plasma sont choisis parmi des moyens (6) aptes à créer dans le plasma un gradient de tension électrique, des moyens (14) aptes à créer dans le plasma un gradient de température, et des moyens aptes à créer dans le plasma un gradient de concentration en hydrogène, le ou les gradients choisis étant parallèles à la direction du champ magnétique. 12. Dispositif selon l'une des revendications 10 et 11, et dont le réacteur est équipé de cellules photovoltaiques. 13..Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, o l'hydrure est placé sur les plaques d'un échangeur à plaques constituées d'un matériau ferromagnétique. 14. Dispositif selon la revendication 13, dont les cellules photovoltaiques sont disposées parallèlement aux plaques de l'échangeur à plaques. 15. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, et qui comporte des moyens pour produire l'hydrure dans le réacteur en soumettant un métal susceptible de fournir un hydrure à caractère métallique à une atmosphère d'hydrogène, sous une pression et à une température appropriées.