Способ осуществления в растворе обратимого пространственного разделения заряженных частиц по знакам зарядов

 

Изобретение относится к электрохимии, в частности к процессам, происходящим в растворе при воздействии электрического поля. Указанный эффект достигается тем, что в способе перемещения заряженных частиц при электролизе для сохранения заряженных частиц электроды электроизолируют и делят ими кювету на сообщающиеся между собой отсеки и подключают к электродам источник напряжения. Тогда положительно заряженные частицы собираются у отрицательного электрода, а отрицательные у - положительного и существуют. В межэлектродном пространстве остается чистый растворитель. Для возвращения раствора в исходное состояние достаточно поменять полюса электродов, а нейтрализуют заряженные частицы удалением из зоны влияния электрического поля. Энергозатраты способа в 100-1000 раз ниже, чем при электролизе, и отсутствует разогрев раствора. Поэтому способ позволит осуществлять в промышленных масштабах очистку вод и технологических сред, разложение солей, извлечение химических элементов, генерировать свободные ионы и т.д. Возможность концентрировать ионы одного знака позволит проводить накопление зарядов, использовать свойства ферромагнетиков, реализовывать эффект Вина при низких напряженностях электрического поля и управлять цепной реакцией деления ядер со скоростью ввода реактивности, недостижимой традиционными способами, причем существенно улучшается ядерная безопасность реактора. 8 з.п. ф-лы. 7 табл., 1 ил.

Изобретение относится к электрохимии, в частности, к процессам, происходящим в растворе при воздействии электрического поля.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ перемещения заряженных частиц в растворе, при котором на электропроводящие электроды кюветы с раствором подают внешнюю разность потенциалов от источника тока и перемещают заряженные частицы в направлениях, соответствующих знакам их зарядов и полюсам электродов. При этом незатухающее перемещение этих частиц (стационарный ток) наступает при возникновении электрохимических процессов на границах электроды раствор (явление электролиза).

Недостаток этого способа заключается в том, что он не обеспечивает обратимости перемещения заряженных частиц, т.к. при электролизе заряженные частицы на электродах превращаются в нейтральные вещества и концентрация их в растворе снижается вплоть до нуля, а пространственное отделение заряженных частиц одного знака невозможно. Перемещение частиц сопровождается тепловыми эффектами, возрастающими с увеличением их скорости и концентрации раствора, что ограничивает скорость процесса и приводит к непроизводительно высокому энергопотреблению способа.

Цель состоит в устранении недостатков прототипа и создание способа управления некоторыми процессами, в том числе и быстропротекающими, за счет ограничения электрохимических процессов на электродах.

Указанная цель достигается тем, что в способе перемещения заряженных частиц, при котором на электропроводящие электроды кюветы с раствором подают внешнюю разность потенциалов от источника тока, достаточную для возникновения на электродах электрохимических процессов, разрушающих двойной электрический слой, согласно настоящему техническому решению электропроводящие электроды покрывают диэлектриком, а для проникновения в раствор внешнего электрического поля от источника напряжения образующийся двойной электрический слой лишь нарушают, при этом с уменьшением степени его нарушения для инициирования перемещения заряженных частиц и пространственного разделения по знакам их зарядов внешнюю напряженность поля увеличивают. При отключении источника напряжения раствор возвращают либо в исходное состояние, либо заряженные частицы превращают в нейтральные вещества.

Сопоставительный эксперимент по разложению раствора перманганата калия предлагаемым способом и прототипом показал, что затраты энергии на заявляемый способ пренебрежительно малы, а тепловые эффекты обусловлены способом нарушения двойного электрического слоя и в пределах точности измерений при малой степени его нарушения не зарегистрированы. При этом обнаружено, что число Фарадея значительно превышает зарегистрированное количество электричества, прошедшее через раствор для выделения нейтральных веществ из раствора, причем превращение заряженных частиц в нейтральные вещества происходит с протеканием электрического тока через внешнюю нагрузку, подключенную к электропроводящим электродам, выполненным из одного материала и погруженным в растворы, содержащие анионы и катионы.

Из результатов можно заключит, что механизм перемещения заряженных частиц в заявляемом способе отличен от прототипа, а способ реализован в условиях, при которых перемещение заряженных частиц в растворе должно затухать, поэтому способ соответствует критерию изобретения "новизна". На современном уровне техники пространственное разделение заряженных частиц по знакам зарядов без предлагаемого технического решения не осуществимо, вследствие либо нейтрализации заряженных частиц на электродах при электролизе, либо экранировки внешнего электрического слоя при электроизоляции электродов и исключении электролиза, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

По-видимому, при проникновении электрического поля в раствор и ограничении возможности электролиза в растворе происходит явление пространственного перераспределения энергии в целом электрически нейтральной системы и переходе ее в новое энергетическое электрически заряженное состояние при измененных настоящим техническим решением внешних условиях.

Свойства способа при создании особых условий позволяют решить ряд задач при существенно более низких энергозатратах и с более высокой скоростью по сравнению с прототипом.

Кювету для раствора электродами делят на проточные и сообщающиеся между собой отсеки, при этом рабочую среду прокачивают через центральный отсек, а электрическим полем заряженные частицы транспортируют в соответствующие знакам зарядов боковые отсеки, по которым через устройство, не позволяющее раствору вернуться в исходное состояние, циркулирует растворитель (если не требуется сбор отходов, то через боковые отсеки прокачивается раствор и сбрасывается на выходе в рабочую среду, а очищенный в центральном отсеке от заряженных частиц растворитель подается потребителю). Растворителем заряженные частицы переносят в устройство, в котором на электродах превращают их в нейтральные вещества, при этом устройство может выполнять роль накопителя электроэнергии, либо выделять ее на внешней нагрузке. Поэтому предлагаемый способ позволяет осуществлять очистку вод и технологических сред, разлагать соли, извлекать химические элементы из природных водоемов и сепарировать их по геометрическим размерам, накапливать или использовать энергию образуемого конденсатора объемных зарядов.

При использовании в растворителе химических элементов, обладающих особыми свойствами, можно управлять протеканием различных процессов.

Раствор готовят с заряженными частицами: делящегося элемента и рассеивателя (замедлителя) нейтронов либо делящегося элемента и поглотителя нейтронов, поглотителя и рассеивателя нейтронов, либо поглотителя и поглотителя нейтронов, при этом каждая пара несет заряды противоположного знака, и осуществляют управление реакцией деления ядер в ядерных сборках без элементов точной механики в системе управления и защиты с возвратом их из возмущенного ядерноопасного состояния в исходное ядернобезопасное состояние при отсутствии управляющего напряжения.

В варианте первых двух пар управление основано на принудительном создании критической (надкритической) массы в части кюветы из ядернобезопасного объема всей кюветы за счет обратимого пространственного разделения заряженных частиц электрическим полем, при этом исключают возможность самопроизвольной цепной реакции деления ядер. Ядерную сборку выполняют либо растворной, либо твердотельной с управляющей критическими состояниями растворной частью сборки.

При использовании следующих пар управление основано на создании избыточной критической массы заранее компенсированной поглотителем нейтронов и освобождении ее либо выводом поглотителя к поверхности сборки, либо изменением эффективного радиуса поглощающего стержня, либо изменением качества отражателя.

Для улучшения ядерной безопасности и получения высоких скоростей ввода-вывода реактивности при напряженностях электрического поля ниже 100кВт/см выход из подкритического состояния в стартовое (близкое к критическому) осуществляют при практически полном разделении заряженных частиц по знакам зарядов регулируемым источником напряжения, а для управления импульсными ядерными сборками выход в заданную степень критичности (надкритичности) дискретно последовательным подключением набора генераторов импульсных напряжений.

На чертеже представлена схема, поясняющая,предлагаемый способ.

Кювету 1 делят электропроводящими электродами на три отсека, сообщающихся между собой через зазоры, образованные гранями электродов 2, стенками и днищем кюветы 1. Регулируемый источник напряжения УИП-1 3 со встроенным вольтметром последовательно соединен с прибором В7-22 4 для измерения тока. Нарушали двойной электрический слой электролизом через точечные дефекты покрытия.

В отсеки кюветы 1 помещали дистиллированнаую воду и включали источник напряжения 3. Результаты этих измерений сведены в табл.1. Затем в центральный отсек помещали 0.005 H. Раствор перманганата калия, а боковые отсеки заполняли дистиллированной водой и включали источник напряжения 3. Результаты этих измерений сведены в табл.2.

При напряжениях 100 и 200 В изменений в кювете не наблюдалось. При напряжении 300 В отсек, образованный положительным электродом, стал приобретать окраску перманганата и через 30 мин окрасился более интенсивно, чем центральный до подачи напряжения 300 В, т.к. его объем в 2 раза больше объема боковых, а центральный отсек обесцветился. Отсек, образованный отрицательным электродом, остался бесцветным, но PH среды увеличилось с 6.5 до 8-9, что указывает на поступление в него ионов калия. Температура раствора, измеряемая ртутным термометром, поднялась на 1.5^oC. Далее равномерная окраска в течение времени перехода ионов перманганата в этот отсек нарушалась и стала концентрироваться у положительного электрода, а у стенки кюветы 1 образовался светлый промежуток. При смене полярности этого электрода за время около 5 мин образовался светлый промежуток у электрода, а окраска сконцентрировалась у стенки кюветы 1.

Полученный результат свидетельствует об управляемости ионов и в полностью разделенном состоянии, а возрастание скорости ионов согласуется с эффектом Вина, который заключается в том, что в растворах при нарушении ионных атмосфер электрическим полем высокой напряженности 100кВт/см и выше скорость перемещения ионов резко возрастает. Поэтому предлагаемый способ при использовании физико-химических свойств ионом может использоваться для управления протеканием технических процессов, в том числе и быстропротекающих.

После отключения источника напряжения 3 между электродами 2 зарегистрировано напряжение 2.5 В, которое со временем медленно уменьшалось, а через прибор В7-22 4 и погруженные от него в боковые отсеки щупы, изготовленные из одного материала, зарегистрирован ток 0.5 мА, который тоже уменьшался со временем.

Через 40 мин после снятия напряжения в отсеке, образованном положительным электродом, выпал осадок двуокиси марганца рыжего цвета, что свидетельствует об изменении в растворе химического состава. Поэтому предлагаемый способ может использоваться для разложения солей других задач электрохимии с накопления объемных зарядов и возвратом электроэнергии потребителю.

В других экспериментах с раствором перманганата калия этой же концентрации и приблизительно равным током потребления результаты повторялись, а при напряжении 400 В скорость изменения интенсивности окраски увеличивалась, что согласуется с фактом возрастания скорости перемещения заряженных частиц в растворе при повышении напряженности электрического поля, но при этом быстро разрушалось покрытие.

На электроды 2 нанесли покрытие из другого диэлектрика, в центральный отсек поместили 0.005 H раствор перманганата калия, а в боковые отсеки дистиллированную воду и включили источник 3. Результаты этих измерений занесены в табл.3.

При напряжении 600 В зарегистрировано начало изменения окраски отсеков - центрального и образованного положительным электродом, и через 1 ч центральный отсек обесцветился. Отсек, образованный отрицательным электродом остался бесцветным, но PH среды увеличилась. Повышение температуры ртутным термометром не зарегистрировано.

Из сравнения табл 2 и 3 очевидно, что с уменьшением степени нарушения двойного электрического слоя для инициирования перемещения ионов нужны более высокие напряженности электрического поля, но пространственное разделение происходит при меньшем потреблении тока и меньших энергозатратах.

Фактически процесс перемещения ионов из центрального отсека в отсек, образованный положительным электродом, зарегистрирован при токе 4мкА и напряжении 3кВ. Повышение скорости процесса ограничивается электрической прочностью примененных покрытий, растворителя, способа подачи напряжения.

Для учета влияния на энергозатраты способа нарушения двойного электрического слоя (электролиза) электродами, покрытыми диэлектриком, кювету 1 разделили на отсеки с исключением возможности проникновения ионов из отсека в отсек. Кювету наполнили дистиллированной водой и включили источник напряжения. Результаты занесены в табл.4.

Затем в центральный отсек поместили 0.005 H раствор перманганата калия, а боковые отсеки заполнили дистиллированной водой и включили источник напряжения 3. Результаты занесены в табл.5.

Из сравнения табл 1, 2, 4, 5 можно заключить, что в первом эксперименте практически потребление тока обусловлено электролизом, и результаты табл 3 подтверждают этот вывод. Кроме того, из табл 4,5 видно, что при точечных нарушениях покрытия электролиз ограничивается уже при относительно низких напряжениях источника питания, что дополнительно будет экономить энергию при более высоких рабочих напряжениях источника питания. Столь малое потребление энергии можно объяснить тем, что настоящим техническим решением были созданы новые условия, при которых раствор перешел в новое устойчивое состояние при проникновении в него электрического поля и ограниченной возможности электролиза, причем существует в нем при существовании внешнего электрического поля.

Эксперименты проводились и с электродами, изготовленными из мелкой электропроводящей сеткой, покрытой диэлектриком с растворами: KMnO₄, K₃Fe(CN)₆, CuSO₄, и эффект проникновения ионов в соответствующие полюсам электродов заэлектродные пространства имел место для концентраций раствора более 0.2 H, причем на очень мелкой сетке на отрицательном электроде наблюдались ионы меди. Поэтому заявляемый способ при соответствующих размерах электродов и напряжениях источника может использоваться не только для очистки жидких сред от растворенных элементов, но и для сепарации элементов по размерам заряженных частиц.

Для сравнения энергозатрат предлагаемого способа и прототипа в этой же кювете 1 проводился электролиз, для чего с электродов 2 из нержавеющей стали сняли покрытие, в центральный отсек поместили 0.005 H раствор перманганата калия, а боковые отсеки заполнили дистиллированной водой и включили источник напряжения 3. Через три часа процесс прервали при практически полном обесцвечивании центрального отсека, но проникновение ионов перменганата в боковые отсеки не наблюдалось, при этом на положительном электроде выделился осадок двуокиси марганца рыжего цвета. Температура раствора, регистрируемая ртутным термометром, поднялась на 34^oC. Результаты занесены в табл 6, где указано значение потребляемого тока во времени. Кроме того, в табл 7 для сравнения занесены значения потребляемого тока при различных напряжениях.

Обратимость пространственного разделения заряженных частиц, их высокая скорость, возможность менять их концентрацию в заданном объеме при использовании химических элементов, влияющих на развитие реакции деления ядер, дает возможность управлять реакцией деления ядер в ядерных сборках.

Известен способ управления реакцией деления ядер в ядерных сборках, основанный на создании избыточной критической заранее компенсированной поглотителем нейтронов и освобождения ее извлечением поглощающих элементов, либо изменением эффективного радиуса поглощающих стержней. Заявляемый способ реализует известный способ реакцией деления ядер изменением концентрации растворенного и заключенного в ампулы поглотителя нейтронов: либо перемещением поглотителя от центра активной зоны к ее поверхностям, т.к. эффективность поглотителя максимальна в центре и сильно убывает к поверхности и слабо меняется к поверхности, либо изменением концентрации поглотителя по радиусу ампулы, т. к. при заданном составе активной зоны одновременно с уменьшением радиуса, занятого поглотителем, можно снизить его эффективность и получить критическое (надкритическое) состояние.

В заявляемом способе в системе управления и защиты исключают элементы и узлы точной механики, а их роль выполняет регулируемый источник напряжения, электрическим полем которого перемещают заряженные частицы в заданных направлениях и с необходимой скоростью. А при снятии напряжения заряженные частицы возвращаются к исходному состоянию и без действия внешней силы и возвращают сборку в ядернобезопасное состояние.

Таким образом, заявляемый способ упрощает реализацию известного способа и значительно улучшает ядерную безопасность, но не исключает возможность возникновения самопроизвольной цепной реакции деления ядер при утечке раствора.

В частности, для управления критическими состояниями изменением эффективного радиуса поглощающего стержня может использоваться борная кислота, где бор является поглощающим нейтроны элементом, остальные элементы рассеиватели (замедлители) нейтронов, а для управления критическими состояниями выводом поглотителя нейтронов от центра активной зоны к поверхности более эффективно использовать заряженные частицы противоположных знаков, являющихся поглотителями нейтронов, к примеру, соль борной кислоты Cd₃(BO₃)₂.

В заявляемом способе реализуется новый способ управления реакцией деления ядер в растворе, основанный на принудительном отделении от поглотителей (рассеивателей, замедлителей) нейтронов и концентрировании делящегося элемента, в части ядернобезопасной сборки с исключением возможности возникновения самопроизвольной цепной реакции деления ядер, при этом критические состояния можно достичь только заявляемым способом.

Рабочими растворами таких ядерных сборок могут являться растворители с солями UO₂SO₄, (UO₂)₃, (BO₃)₂.

Подкритическая сборка растворная либо твердотельная с управляющей критическими состояниями растворной частью, включающей в себя делящиеся элементы, замедлители, поглотители, рассеиватели, выполняется в конфигурации, в которой при заданном качественном составе критическое состояние недостижимо и в любой другой геометрии, поглотитель нейтронов позволяет уменьшить размеры, но снизить эффективный коэффициент размножения ядерной сборки. Отделяя делящийся элемент и концентрируя его в заданной части объема, можно достичь критических состояний.

Расчеты, проведенные методом Монте-Карло подтверждают возможность изменения эффективного коэффициента размножения, при этом максимально возможное его значение ограничивается начальным выбором качества активной зоны и, достигая максимального значения, при дальнейшем концентрировании делящегося элемента начинает убывать.

В растворах, при разрушении ионных атмосфер, которое происходит при напряженности поля 100 кВ/см и выше, скорости ионов возрастают и превышают 1 м/с.

При предварительном разделении ионов по знакам зарядов регулируемым источником напряжения ионные атмосферы физически не смогут образовываться и тормозить движение ионов, а тормозящий эффект сольватных оболочек мал. Поэтому, если в ядерных сборках при подходе к критическому состоянию произвести практически полное разделение заряженных частиц по знакам зарядов, то их скорость возрастает при напряженности поля 100кВ/см, что улучшит их ядерную безопасность и даст возможность повысить скорость ввода реактивности воздействия на раствор импульсных напряжений, т.к. при воздействии на растворитель импульсного напряжения его электрическая прочность повышается. Реализовать дискретный ввод реактивности в заданную степень критичности можно последовательным подключением набора генераторов импульсных напряжений, например, для импульсных ядерных сборок.

Расчеты, проведенные методом Монте-Карло, показывают, что при задаваемой скорости ионов 1 м/с скорость ввода реактивности составляет несколько тысяч долларов в секунду, а в специальных геометрических более двадцати тысяч долларов в секунду.

Формула изобретения

1. Способ осуществления в растворе обратимого пространственного разделения заряженных частиц по знакам зарядов, заключающийся в наложении разности потенциалов на электроды, опущенные в раствор, отличающийся тем, что покрытыми диэлектриком электродами предварительно делят кювету на сообщающиеся между собой центральный и два боковых отсека, в центральный отсек помещают раствор с особыми свойствами, а в боковые растворитель и нарушают двойной электрический слой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нарушают двойной электрический слой, например, электрохимическими процессами в дефектах покрытий.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нарушают двойной электрический слой, например, накладывая на электроды пульсирующий потенциал.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что, выведя заряженные частицы в боковые отсеки, меняют полярности электродов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что, переведя заряженные частицы в боковые отсеки, снимают разность потенциалов или, сняв разность потенциалов, в боковые отсеки погружают электроды, соединенные через электрическую нагрузку.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что через центральный отсек прокачивают раствор, а через боковые отсеки растворитель или раствор, при этом вывод заряженных частиц из центрального отсека контролируют измерением разности потенциалов между боковыми отсеками.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электродов используют сетку.

8. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что раствором заранее компенсируют избыточную ядерную массу ядерной сборки, при этом заряженные частицы одного знака в растворе содержат поглотители нейтронов, а противоположного содержат или не содержат поглотители нейтронов и разделение ведут при наложении разности потенциалов, изменяющейся плавно или импульсно.

9. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что раствор помещают в подкритическую ядерную сборку без избыточной ядерной массы, при этом заряженные частицы одного знака в растворе содержат делящиеся элементы, а противоположного содержат или не содержат поглотители нейтронов и разделение ведут при наложении разности потенциалов, изменяющейся плавно или импульсно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2