Oktató reaktor

A legegyszerűbb elrendezés és a mérési eredmények

A legegyszerűbb elrendezés és a mérési eredmények

Ez a készülék évtizedes fejlesztés eredménye. Az elektromos kapcsolás egyszerű, de évekbe telt megtalálni, majd további egy évbe a részegységek optimális paramétereit. Nem a végleges változat: később még több javítás következik.

A kapcsolás a következőket tartalmazza:

Kondenzátorok: CO puffer 1 nF. C1 relaxációs 75 pF. C2 felfogó 200 nF.

Ellenállások: R1 200 kΩ, relaxációs ellenállás. R2 1,3 MΩ, terhelés. Mindkét ellenállás kaloriméter is: a bemeneti és a kimeneti energia mérésére szolgál. (Lásd 1. ábra)

A kalorimétereket egyenáramú tápegységekkel kalibráljuk. Az R1-hez egyszerű laboratóriumi tápegység is elég, a terhelő R2-höz nagyfeszültségű (akár 2 kV-os) tápegység kell. Az R1 és a C1 között van egy kis, 10 mH-s induktivitás. Feladata, hogy csillapítsa a cső katódjáról az R1 bemeneti ellenállásaira jutó teljesítményimpulzusokat. Különben a kimeneti impulzusok hozzáadódnának a bemenethez, és torzítanák az energiamérleget. Emellett csillapítja a tápegység pufferkondenzátorából (Co) a reaktorcsőre a szikrázás közben érkező áramot. (Az elrendezést lásd a 2. ábrán)

Fontos, hogy a reaktorcsőre csak a C1-ben tárolt töltés jusson. Ez az egyszerű összeállítás három részből áll.

• Egy egyszerű nagyfeszültségű tápegység (a készülékben fekete műanyag henger), a pufferkondenzátora és egy egyszerű relaxációs oszcillátor (R1, C1). Ez a kör periodikusan tárolja és a reaktorcsőre engedi a töltést.
• A reaktorcső. Változtatható hézagú kisülési cső, ahol a katód és az anód éle bizonyos mértékig éles (0,5 mm rádiusz). Így a kisülés 2 kV alatt megtörténik, ha a nyomás körülbelül 0,5 bar alatt van.
• A katalitikus fúzió a reaktorcsőben, kísérleteink szerint főként a katódon megy végbe.
• Egyheti használat után (kb. 8 óra/hét) fúziós termékek, főként szén és kén figyelhetők meg a katód kerületén.
• (Lásd 3. ábra)
• Több száz szikrázó reaktorcsövet építettünk. A csőben több változó is módosítható, nevezetesen:
• A szikraköz távolsága.
• A cső belsejében uralkodó nyomás.
• A gázösszetétel.
• Az elektródák közötti feszültség. A bemeneti oldali feszültséget kis, változtatható DC-DC konverter szabályozza. A legegyszerűbb esetben négy AA elem elég. Jobb egy kis, változtatható laboratóriumi tápegység. A stabil nagyfeszültségű tápegység a legjobb, de képzetlen kezekben életveszélyes lehet.

A kis nagyfeszültségű tápegységet ne használja terhelés nélkül. Megjegyzés: a bemeneti feszültség ne haladja meg a 3,7 V-ot. Nagyon magas feszültséget ad.

Ezek a paraméterek hatalmas teret jelentenek. A vizsgálatokat az alábbi tartományokban javasoljuk kezdeni.

• Távolság: 0,5 < d < 1 mm
• Nyomás: 0,2 < p < 0,6 bar, de légköri nyomás felett is szabad kísérletezni
• Gázösszetétel: nedves hidrogén/deutérium, szénhidrogén, különösen bután, vagy nedves levegő.
• Feszültség: 1500 V < U < 2500 V. Magasabb feszültség az elektromos szigetelés miatt nem ajánlott.

A csőben nyert energia a katódon és az anódon is felszabadul. Egyszerű kapcsolásunkban az energiát az anódról gyűjtjük. Az anódról érkező energiaimpulzusok a kimeneti terhelésen (R2) haladnak át, és részben a C2 kondenzátorban tárolódnak. Ez az egyszerű rendszer máris váratlanul viselkedik!

A C2-ben befogott villamos energia végül hővé alakul az R2-n. A C2 azonban az energiaimpulzusnak csak egy részét (kb. a felét) fogja be, így a folyamat hatásfoka javul. Az impulzusenergia maradéka kisugárzódik.

A gerjesztett reaktor működése.

A C1 relaxációs kondenzátor az R1 ohmos ellenálláson keresztül töltődik; maga az R1 is kaloriméter. A töltés a C1, az R1 és a tápfeszültség értékétől függ. A töltés „lassú” lehet, ha a kisülési küszöb éppen a tápfeszültség alatt van. (Mint említettük, a reaktorunkban az elektródahézag és a nyomás tetszőleges; hangolható. Érdemes játszani velük!)

A katódcső rádiuszparamétere kb. 0,4 mm, rögzített érték. Ez is döntő a feszültségküszöbnél, ahol a szikra átugrik az elektródák között.

Megjegyzés: ha a tápegység feszültsége csak alig van a kritikus szikraküszöb felett, a töltési időszak rendkívül rendszertelen, véletlenszerű.

Ebben az esetben a kisülési időszakok annyira véletlenszerűek, hogy a legrövidebb és a leghosszabb töltési időszak között legalább ötszörös különbség lehet.

A töltési/kisülési időszak egyre szabályosabbá válik, ha a tápfeszültséget fokozatosan növeljük. Amikor a tápfeszültség körülbelül kétszerese a küszöbnek, a kisülési időszakok meglehetősen szabályosak.

Ekkorra azonban a bemeneti villamos energia nagy része a bemeneti ohmos ellenálláson, az R1-en disszipálódik.

Az ideális eset az, amikor az időállandó (τ – tau) nagyjából 4–5 körül van. Ekkor ugyanannyi energia disszipálódik az R1 relaxációs ellenálláson, mint amennyi potenciális energia a C1 kondenzátorban tárolódik. (Lásd 2. ábra) A kisülések azonban ebben az esetben rendszertelenek lesznek.

A rendszertelenség forrása a katód felületének szennyeződése és apró egyenetlenségei. Rendkívüli felülettisztítással megszüntethetők, de nem éri meg a fáradságot. Jó kompromisszum, ha a 2. ábrán a τ-t (tau, felfutási időállandó) körülbelül 4-en tartjuk, amikor a bemeneti (disszipált) és a tárolt energia aránya kb. 0,95.

Az R1 ohmos ellenállás és a C1 relaxációs kondenzátor között 10 mH induktivitás van. Amíg ez a kondenzátor töltődik, az induktivitás nem befolyásolja a folyamatot. Szerepe, hogy megakadályozza: a reaktorcső kisülési impulzusa visszajusson a tápegységre. Így az R1-et nem melegíti a kisülési cső impulzusa. Ez a kis 10 mH induktivitás – mint rendszeresen megfigyeltük – nem tudja megakadályozni, hogy a teljesítményimpulzus a C1 relaxációs kondenzátort töltse.

Mivel a C1 relaxációs kondenzátor kisülési ideje nagyon rövid, a frekvenciakomponensei nagyon magasak; így az ellenállása is nagy.

A tápegység és az R1 ellenállás között D1 dióda is van. Ez azonban csak biztonsági elem.

Ideális lenne itt egy nagyfeszültségű, nagyáramú, gyors dióda, de ilyen eszköz nincs; a D1 tehát kompromisszum.

Az L1 induktivitást és a D1 diódát ezért nem vesszük figyelembe a bemeneti/kimeneti energiamérleg mérésekor. (Lásd 4. ábra)

Bemeneti és kimeneti teljesítménymérés

Az ellenállás/kaloriméteres bemeneti/kimeneti energiamérés fő előnye, hogy tetszőleges impulzusokat képes elnyelni, és hővé alakítani. A hő disszipálódik, majd a kaloriméteren belül átlagolódik. A kimenet kalorimetriája a LENR-kutatásban szokásos eszköz; csak a bemeneti kalorimetria szokatlan.

Mivel az ellenállások igen különbözők, különböző tápegységekkel kell kalibrálni őket.

A készülék fényképe a 3. ábrán látható.

A két hőmérő jól kivehető.

A bemeneti ellenállás 200 kΩ, és két (vagy három) soros ohmos ellenállást tartalmaz, amelyek a hőmérők gömbjét veszik körül.

A bemeneti és a kimeneti ellenállás mérete és tömege azonos. Kerámiatesten párologtatott fémrétegből készültek. Csak a vastagságuk különbözik, a tömegük/hőkapacitásuk gyakorlatilag azonos.

Kezdettől fogva egyszerű vizsgálati módszerre törekedtünk, ahol a bemeneti és a kimeneti energia könnyen leolvasható és összevethető, körülményes számítás nélkül. Először kis üvegkalorimétereket (kettős falúakat) használtunk szilikonolajba merítve. A véletlen szivárgás (felborulás) azonban gyakori volt, és az asztal olajos lett.

Ezután szilárdtest-kalorimétert használtunk. Az ellenállásokat általában hővezető gyantával ragasztottuk a hőmérők érzékelőgömbjére.

A gyanta fehér, nem átlátszó, ezért ha az ohmos ellenállások megsérülnek, ez nem látszik, és az eredmények félrevezetők. Csak ismételt kalibrálás dönthet.

Két okból alkoholos hőmérőket használtunk:

• Strapabírók és megbízhatók.
• Érzéketlenek a külső impulzusokra. Elektromágneses érzékelők a szikrák mellett használhatatlanok voltak, mert a digitális processzoraik a szikra keltette feszültségtranziens közelében működésképtelenek.

(Valójában longitudinális – nem transzverzális – hullámok keletkeznek a szikrákban.)

Olyan ohmosellenállás-paraméterkészletet adtunk, ahol a bemeneti és a kimeneti hőmérséklet arányos a bemeneti és a kimeneti teljesítménnyel, kb. 22 mW/°C.

Azaz a hőmérséklet-emelkedés minden Celsius-foka 22 milliwatt villamos teljesítménynek felel meg mind a bemeneti, mind a kimeneti kaloriméteren.

Ez csak a megadott hőszigetelésre igaz. Több mint 50-féle kalorimétert építettünk. A kaloriméterek érzékenysége kissé jobb hőszigeteléssel növelhető. Ennek azonban két hátránya van:

• Nő az időállandó, vagyis az egyensúlyi állapot időtartama hosszabb, mert a hőmérséklet-emelkedési görbe meredeksége kisebb.

A készülékben lévő kaloriméterekkel körülbelül 20% a hiba (a teljesítmény alulbecslése), ha csak 10 perces vizsgálati időszakot használunk. Negyedórás vizsgálatnál körülbelül 5% az alulbecslés. Fél óránál tovább azonban nem könnyű állandóan tartani a nyomást!

• A maximális hőmérséklet (100 °C) az adott kaloriméterek másik felső korlátja. Ez korlátozza a maximális teljesítményt a bemeneti és a kimeneti oldalon is.

A fejlesztés során 200-nál több hőmérőt fújtunk szét a nagyobb nyomáson és bemeneti feszültségen előforduló teljesítménynövekedés miatt. Higanyos laboratóriumi hőmérők is voltak. Ezek terjedelmesek, hosszúk (nehezen szállíthatók és csomagolhatók), drágák és a gyakorlati alkalmazáshoz túl lassúak.

A kaloriméterek tehát körülbelül két évnyi optimalizálás eredményei.

A bemeneti kalorimétert alacsony feszültségű (legfeljebb 30 V-os) szabványos DC tápegységgel lehet kalibrálni, ahol az áram és a feszültség mérhető, vagy a tápegységen leolvasható.

A kimeneti kalorimétert nehezebb kalibrálni a nagyobb, 1,3 MΩ-os ellenállása miatt.

Ehhez 2 kV-os, stabil DC tápegységet ajánlok, amely veszélyesebb. Összességében a tanulmányozó és bemutató reaktorok teljesítménytartományát az adott alkoholos hőmérők hőhatára korlátozza.

A kalibrációs görbét lépésről lépésre vesszük fel, fokozatosan növelve a bemeneti DC teljesítményt. Általában 15 perc elég a hőegyensúly eléréséhez, amikor az ellenállás disszipált hője megegyezik a kaloriméter falán távozó hőveszteséggel. Négy-öt adatpont általában elég.

A hőmérséklet–teljesítmény viszony gyakorlatilag lineáris kb. 100 °C-ig, mert a természetes keringés nem jelentős.

Azt tanácsoljuk, hogy a kalorimétereket ugyanabban az elrendezésben kalibrálják, ahogyan használni kívánják: álló helyzetben vagy az asztalon fektetve. A környezeti hőmérsékletnek azonosnak kell lennie a kalibráláskor és a tényleges vizsgálatkor. Ha a környezeti hőmérséklet több mint 5 °C-ot változik (nyár/tél), újrakalibrálás ajánlott.

A kalorimétereket 22 °C-on kalibráltuk.

Összefoglalva: a bemeneti/kimeneti mérés korlátozza a lehetséges maximális kimeneti értéket. Ha 80 °C-ot veszünk a kaloriméter legmagasabb biztonságos hőmérsékletének, Wmax = 22 mW/°C × 60 = 1300 milliwatt. Nyilvánvalóan egy vékonyabb hőszigetelésű kaloriméternek lehet 50 mW/°C érzékenysége, de akkor a pontossága és az érzékenysége alacsonyabb.

Összességében a bemeneti/kimeneti mérési módszer fejlesztése a K+F-ráfordítás körülbelül felét tette ki.

Először a bemeneti és kimeneti feszültséget és áramot próbáltuk mérni, majd a szorzatukat szorozni és integrálni. Ez körülményesnek és megbízhatatlannak bizonyult, ezért el kellett hagynunk.

Erről az elrendezésről lehet a legtöbbet megtanulni a katalitikus fúziós módszerről. Látszólag egyszerű, de a kisülési cső mint teljesítménygenerátor megnehezíti a megértést.

Általában nincs korábbi munka az impulzusos teljesítménykalorimetriáról. Magasabb, mondjuk 100 wattos tartományra léteznek „fűtőszálas” teljesítménymérési módszerek.

Itt azok a módszerek használhatatlanok. (Egy ellenálláshuzal a disszipáció miatt megnyúlik, és a teljesítményt a platina huzal hosszváltozásának mérésével kapjuk. Az eszköz – akárcsak a mi módszerünk – érzéketlen az impulzus alakjára.)

Van egy másik lehetséges kapcsolási elrendezés, ahol a feszültség a tápegység oldali relaxációs kondenzátoron közel állandó. Ekkor csak kevés a disszipáció, de a reaktorcsőre engedett villamos töltés mennyiségét elektronikus áramkörrel kell szabályozni. Ennek bonyolultsága azonban zavarja a reaktorcső alapjelenségeinek megértését.

A kalorimetriás módszernek a megadott paraméterek mellett körülbelül 5% a hibahatára, azaz:

• feszültség: max. 3 kV
• nyomás: max. 0,4 bar
• elektródahézag: max. 1 mm.

A kalibrációs görbét és egy kaloriméter fényképét lásd az 5. fotón.

Egy tipikus mérési menet

Vizsgálatainkhoz csak nagyfeszültségű mérőfejeket használtunk. Minden árammérési kísérlet meghiúsult, mert az áram több nagyságrendet változik. Ezért többféle koaxiális árammérőfejet kellene használni, mindegyikhez külön oszcilloszkópcsatornával.

A szokásos feszültséget (az idő függvényében) a 4. ábra mutatja.

Két feszültséggörbe látható: a C1 bemeneti és a C2 kimeneti kondenzátor földhöz viszonyított feszültsége az idő függvényében.

Hantec oszcilloszkópot használtunk, 100 MHz névleges maximális megbízható frekvenciatartománnyal. A bemeneti kondenzátor (75 pF) feszültsége a felső görbén (zöld) látható.

A feszültséget nagyfeszültségű, nagyfrekvenciás mérőfejjel vettük (Testec, Tektronix mérőfejjel kalibrálva).

Látszik, hogy a kondenzátor majdnem teljesen kisül, majd fokozatosan újratöltődik. Az időszakok szabályosak és azonosak.

A kisülés gyors, függőleges vonal. Még a legnagyobb időfelbontásnál (100 μs/div) is függőleges a feszültségesés. Azaz a C1 relaxációs kondenzátor feszültsége 2300 V-ról majdnem teljesen 100 V-ra sül ki. Vagyis a C1 szinte teljes villamos energiája a szikraközön keresztül szabadul fel. (A nyomás 300 mbar, a hézag 0,7–0,8 mm.)

Látszik, hogy a τ (tau) időállandó itt 3-nál nagyobb. Azaz a C1 kondenzátor a kisülés után egy időrács alatt, vagyis 100 mikroszekundumon belül majdnem teljesen feltöltődik.

Ezután a felfutási időállandó körülbelül 4.

Ebben az esetben a bemeneti kaloriméterben a hőfelszabadulás körülbelül annyi, mint a C1-ben tárolt villamos potenciális energia.

Ekkor a tápegység feszültsége éppen a gyújtási küszöb felett van, ezért a töltési időszakok meglehetősen véletlenszerűek. A 4. ábra esete (a szabályos időszakok) szokatlan. Ezért kellenek a kaloriméterek a teljesítmény időbeli integrálásához.

Ebben az esetben 1,7 V tápfeszültség tartotta fenn a C1 kondenzátor 2300 V bemeneti feszültségét a kisülés előtt.

Arra bíztatjuk, hogy széles paramétertartományt járjon be a rendszer viselkedésének megértéséhez. Megjegyzés: egy paraméter megváltoztatása a többit is megváltoztatja! Ezen a paraméterkészleten a frekvencia körülbelül 2,5 kHz.

Az oszcilloszkóp alsó görbéje az anódkondenzátor feszültsége. C2, lásd 1. ábra. A terhelésre két esetet használtunk:

• a) Ohmos terhelés a kis bemutató reaktornál.
• b) A C2 kondenzátor párhuzamosan kapcsolva az ohmos terheléssel. Ez csak a nagyobb tanulmányozó reaktornál volt.

Látszik, hogy a C2 „befogó” kondenzátor feszültsége sokkal alacsonyabb, de nyilvánvalóan ugyanaz a frekvenciája.

Ha a C2-t elhagyjuk, a terhelési görbe alakja egészen más, mert a reaktorcső lassabban sül ki. A kondenzátor segít több energiát kinyerni a csőből, mert a C2 a rövid szikrázás alatt több energiát képes elnyelni.

Választásunk tehát a kapacitív energia kinyerése, bár az induktív befogás is lehetőség. A vezetékek közötti elosztott kapacitás azonban több energiát disszipálhat, mint a tisztán kapacitív kinyerés.

A C1/C2 arány fontos tényező. (Akinek tanulmányozó reaktora van, könnyen változtathatja a C2-t, így a kapacitásérték hatását vizsgálhatja.)

A szobahőmérséklet a vizsgálat alatt 25 °C volt (2024 ősz). A bemeneti hőmérő egyensúlyban 30 °C-ra emelkedett (hőmérséklet-emelkedés: 13 °C). A kimeneti hőmérő 52 °C-ra emelkedett (hőmérséklet-emelkedés: 27 °C). Ebben a készülékben a kaloriméter-együtthatók csak 17 mW/°C-ok voltak, hogy gyorsítsuk a vizsgálatokat.

Így a bemeneten a disszipált (és a C1-ben tárolt) teljesítmény dT₁: 13 × 17 = 221 mW.

A kimeneti oldalon dT₂ 27 °C, így az egyensúlyban a kaloriméteren disszipált kimenet 490 mW. A COP tehát 2,3.

Ez optimum (maximum); más paramétereken az értéke kisebb. Különösen hosszú kisülési hézagoknál a COP jóval 1 alatt van.

Kontrollvizsgálatok

A K+F során számos kontrollvizsgálatot végeztünk. Ezek egy részét itt is megvizsgáljuk.

• Inert gázok használata, például N₂, Ar, CO₂. Ha a csöveket folyamatosan átöblítettük a fenti gázokkal, nem volt többletenergia. Ha csak lezártuk őket, a környezeti levegő és a nedvesség a tömítés repedésein át diffundált. Ekkor a hatásfok egynél körülire emelkedett.

A legjobb eredményeket nedves hidrogénnel értük el. A fenti vizsgálatokat azonban nedves levegőben végeztük, mert kényelmesebb, gyorsabb eredményt ad.

• Más fémek (bevonat nélküli alumínium, vas, réz). Ezekkel a fémekkel a vizsgálati eredmények általában rendszertelenek és nem egyértelműek voltak. A legfontosabb minőség a felület tisztasága és morfológiája, még mikrométeres és nanométeres skálán is. Ezeket a paramétereket általában nem tudtuk ellenőrizni. Az ilyen minőségellenőrzés meghaladja a pénzügyi keretünket.
• Rövidzárlat a reaktorcső helyett.

Ez is fontos kontrollvizsgálat. Akkor lehetséges azonban, ha az impulzusáramot erre a célra készült, másik kapcsolás szolgáltatja.

A relaxációs kapcsolás nem tud rövidre zárt csövet használni, mert nincsenek impulzusok, csak egyenáram.

Teljesítmény-szivárgás és veszteségek

Két ismert teljesítményveszteség-forrás van:

• A szikrázás keltette longitudinális hullámok. Több, a reaktorcső közelében fektetett neoncsővel kimutathatók.

Az eredmények vegyesek. Néha még három hosszú (1 m-es) neoncső is enyhén világít. A kiszivárgott teljesítmény mennyisége nem határozható meg. Ugyanabba a nagyságrendbe eshet, mint a disszipált (kinyert) teljesítmény.

A digitális berendezések (beleértve a telefonokat) gyakori meghibásodása szintén a longitudinális vagy skalárhullámok jele.

• Nemkívánatos transzmutációs termékek. A katód éle néhány napos működés után szén- és kénnyomokkal borított, de vannak más, nehezebb elemek is, például Cu, sőt volfrám. Azt sem tudjuk megbecsülni, mennyi energia megy ezekre a nem szándékolt magreakciókra.
• A nagyfeszültségű mérőfej okozta teljesítményveszteség. A belső ellenállás 100 MΩ. A C1 kondenzátor a legtöbb időben 2–3 kV-on van. Így kb. 50 mW veszteség elkerülhetetlen. Ez a teljesítmény elvész, mert az áram nem a C1 kondenzátorba megy, hanem a bemeneti kalorimétert melegíti.

Van egy másik, független módszer a bemeneti/kimeneti teljesítményarány mérésére. A bemeneti teljesítményt egy 4 mikrofarados kondenzátor szolgáltatja. Ez a kondenzátor párhuzamosan kapcsolódik a relaxációs kondenzátorral és a tápegységgel is. Így a bemeneti energia egyértelműen mérhető. A 4 mikrofarados kondenzátort kb. 15–20-szor kell tölteni és kisütni, hogy a paraméterek hőegyensúlya kialakuljon.

A bemeneti kaloriméter ezalatt 3 fokot emelkedik, a kimeneti 9-et. A két kaloriméter hőjellemzői – mint korábban – egyenlők.

A pufferkondenzátor mint bemeneti energiaforrás kompromisszum. (Egy nagyobb, talán 10 mikrofarados kondenzátor hosszabb ideig tudna bemeneti teljesítményt adni.) A kísérleteknek mindenesetre legalább addig kell futniuk, amíg a kaloriméterek közel vannak az egyensúlyhoz. Bármely hiba konzervatív becslést ad, mert a hőmérők alacsonyabb értéket mutatnak, mint egyensúlyban.

Rövidebb időszakot nem érdemes próbálni, mert a hőmérséklet-leolvasás hibája kisebb értékeknél nő. Körülbelül egy fokos emelkedésnél a hiba jelentős, mert csak fél °C vehető észre. Ennél kisebb hőmérséklet nem figyelhető meg.

A kezdeti 1200 V-os bemenet is kompromisszum, mert magasabb feszültségen nő a kisülések frekvenciája. Így a rendszer időállandója csökken, és több energia disszipálódik a bemeneti relaxáción, mint amennyi a bemeneti kondenzátorra jut. Ekkor a bemeneti energia számítása bonyolultabb (bár továbbra is elvégezhető).

A következő paramétereken találtunk jó kompromisszumot:

Kezdőfeszültség 1200 V, a szokásosnál alacsonyabb.