Способ синтеза новых материалов и реактор для его осуществления

 

Изобретение относится к прикладным ядерным технологиям, в частности к получению новых материалов. Способ синтеза новых материалов осуществляется воздействием на смесь исходных реагентов электрическим током. Воздействие производят электрическим током с плотностью, необходимой для возникновения в смеси электрической дуги. Исходные реагенты измельчены до пылевидного состояния. Смесь реагентов находится в капсуле, погруженной в воду. Реактор для синтеза новых материалов содержит заполненный водой корпус. Внутри корпуса находятся активная зона и устройство для подвода электрического тока к смеси реагентов. Активная зона выполнена в виде капсулы из огнеупорного материала. Изобретение позволяет усовершенствовать технологию получения новых материалов. 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к прикладным ядерным технологиям, в частности к получению новых материалов.

Известны различные способы синтеза новых материалов.

Известен способ получения стабильных изотопов путем синтеза новых элементов в микробиологических структурах [патент РФ 2052223, 1996], например, по схемам реакций Cr⁵²+p¹-->Mn⁵³ или Со⁵⁸+p¹-->Ni⁶⁰. Способ низкотехнологичен для промышленного применения.

Известен способ получения новых материалов реакцией, протекающей при насыщении кристаллов палладия дейтерием в процессе электролиза тяжелой воды [заявка Японии 3300634 от 15.11.91, опубл. 28.05.93, 5134098 А2]. Реактор для такого электролиза, выбранный в качестве прототипа, содержит заполненный тяжелой водой корпус, внутри которого расположены электроды - катод из палладия и анод из платины. Способ низкопроизводителен и недостаточно технологичен.

В качестве прототипа выбран способ получения кремния воздействием на смесь кристаллических веществ, содержащую основные элементы О-Al-Р, электрическим током плотностью не менее 10¹¹ А/м² [патент РФ 2140110, 1999]. Известный способ не содержит необходимых технологических действий, позволяющих использовать его при массовом производстве новых материалов.

Техническая задача изобретения - совершенствование технологии получения новых материалов.

Заявляемый способ синтеза новых материалов осуществляется путем воздействия на смесь исходных реагентов электрическим током. Новым является то, что воздействие производят электрическим током с плотностью, необходимой для возникновения в смеси электрической дуги, а смесь реагентов измельчена до пылевидного состояния и находится в капсуле, погруженной в воду, причем лучше когда капсула выполнена из кварца (например, кварцевого стекла).

В качестве реагентов могут использоваться оксиды металлов.

Можно осуществлять кратковременное воздействие, достаточное для пробоя смеси исходных реагентов.

В капсуле с реагентами лучше предварительно создать вакуум.

Предлагаемый реактор для осуществления способа содержит заполненный водой корпус, внутри которого расположена активная зона. Новым является то, что активная зона выполнена в виде капсулы из огнеупорного материала со смесью реагентов, измельченных до пылеобразного состояния, а внутри корпуса также содержится устройство для подвода электрического тока к смеси реагентов.

Корпус реактора может быть снабжен герметичной крышкой, иметь смотровое окно, оснащаться системой принудительного охлаждения, заполняться дистиллированной водой. Капсулу лучше выполнить герметичной для возможности создания в ней вакуума. Внутри корпуса может быть установлено несколько капсул одновременно с размещением их в револьверной головке.

Устройство для подвода электрического тока может включать в себя электроды, смонтированные внутри корпуса и имеющие возможность подключения к контактам, выполненным на капсуле, причем капсулы, размещенные в револьверной головке, лучше выполнять цилиндрическими с контактами на торцах, причем оси капсул должны быть параллельны оси револьверной головки.

Технические особенности изобретения поясняются чертежами. На фиг.1 показан вертикальный разрез реактора, на фиг.2 - поперечный разрез реактора, а на фиг.3 - капсула с исходными реагентами.

Реактор содержит цилиндрический корпус 1 из легированной стали, внутри которого расположены цилиндрические капсулы 2 из кварцевого стекла со смесью исходных реагентов 3, две пары углеродных электродов 4, дистиллированная вода 5. Капсулы 2 снабжены электрическими контактами 6 и размещены во вращающемся барабане 7 типа револьверной головки. Корпус 1 снабжен дополнительной системой принудительного водяного охлаждения 8, крышкой 9, смотровым окном 10. Электроды 4 выполнены с возможностью осевого перемещения, что позволяет устанавливать и вынимать барабан 7.

В капсулу 2 предварительно запрессовывают исходные компоненты 3 в пылевидном состоянии, затем из нее откачивают воздух и на концах герметично запаивают контактами 6. Снаряженные капсулы 2 устанавливают в барабан 7 и вместе с ним устанавливают в корпус 1, заполненный водой 5, после чего корпус 1 закрывают крышкой 9. С помощью осевого перемещения электродов 4 и необходимого поворота барабана 7 (механизм поворота не показан) контакты 6 совмещают с электродами 4. Реакцию синтеза ведут путем подачи импульса электрического тока на электроды 4. Плотность тока должна обеспечить пробой смеси реагентов в капсуле 2 и возникновение в ней электрической дуги. После осуществления реакции в двух диаметрально противоположно расположенных капсулах барабан 7 поворачивают до совмещения контактов 6 очередных двух капсул 2 с электродами 4. Вода 5 выполняет, в частности, функции теплоизоляции и демпфера взрывной волны, возникающей в момент реакции.

Экспериментально в реакторе, подобном описанному, проведены реакции: с использованием оксидов - Mg¹²+Al¹³ ₂O₃-->Mn²⁵+O₂, Cu²⁹+Al¹³ ₂О₃-->Мо⁴²+O₂; с использованием чистых веществ - Cu²⁹+Sn⁵⁰-->Au⁷⁹. Исходные реагенты предварительно измельчались до пылеобразного состояния. Воздействие электрическим током с плотностью более 10¹⁰ А/м² осуществлялось при длительности импульса тока менее 10^-3 с. Спектральный анализ состава прореагировавшей смеси, например, по последней из приведенных реакций показал наличие: непрореагировавшего вещества Cu²⁹ и Sn⁵⁰; синтезированного вещества Au⁷⁹; оставшегося из-за неполноты откачки воздуха и окисления исходных реагентов кислорода О¹⁶; углерода, попавшего в смесь от используемых углеродных электродов, С¹². Синтезированное вещество в виде металлических вкраплений желтоватого цвета было отделено от смеси (около 2,5 мас.%) и исследовано по физико-химическим показателям. Результаты исследования подтвердили наличие в смеси именно Au⁷⁹: температура плавления 1064^oС; температура кипения 2880^oС; плотность для твердого 19,3 г/см³; плотность для жидкого при 1100^oС 17,2 г/см³; твердость по Бринелю 230 МПа; не растворяется в растворах КОН, NaOH, HCl, H₂SO₄.

Как представляется, преодоление кулоновского барьера при слиянии легких ядер в более тяжелые происходит за счет следующего. Начальное пылеобразное состояние исходных реагентов предполагает, что они уже практически измельчены до атомарного и/или молекулярного уровня. При пробое смеси реагентов и возникновении высокотемпературной электрической дуги резко увеличиваются давление и температура, т.о. без всякого внешнего давления средние расстояния между атомами в расплаве реагентов лишь немного превышают диаметр атома (для сжатия водородной плазмы до такой плотности потребовалось бы огромное давление), при этом остающийся уже менее широким кулоновский барьер разделен на ступеньки свободными электронами, т.к. реагенты уже находятся в состоянии промежуточном между ионным и атомарным, а сам процесс синтеза идет по аналогии с реакцией синтеза Флейшмана-Понса [Fleischmann M.J., Pons S.J. - J. Electroanat. Chem., 1989, v.261, 2, р.301-306]. Вполне вероятно, что реакция синтеза усиливается за счет эффекта Дерягина - "Свойство свежеобразованных поверхностей твердых тел испускать в вакууме электроны высоких энергий, обусловленное разделением разноименных зарядов при образовании ювенильных поверхностей, приводящих к возникновению сильных электрических полей напряженностью до 10⁷ В/см" [Открытие СССР 290 от 03.12.1952, зарегистрировано 07.06.1984] . Туннелирование сквозь кулоновский барьер также можно объяснить в этом случае теорией Сапогина, согласно которой заряд частицы осциллирует во времени, периодически становясь нулевым, поэтому для преодоления кулоновского барьера как раз важна фаза сближения частиц [Sapogin L.G. - Nuovo Cimento, 1979, V.53A, 2, р.251].

Формула изобретения

1. Способ синтеза новых материалов, осуществляемый воздействием на смесь исходных реагентов электрическим током, отличающийся тем, что воздействие производят током с плотностью, необходимой для возникновения в смеси электрической дуги, на смесь реагентов, измельченных до пылевидного состояния, находящихся в капсуле, погруженной в воду.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве реагентов используют оксиды металлов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют кратковременное воздействие, достаточное для пробоя смеси исходных реагентов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в капсуле с реагентами предварительно создают вакуум.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют кварцевую капсулу.

6. Реактор для синтеза новых материалов, содержащий заполненный водой корпус, внутри которого расположена активная зона, отличающийся тем, что активная зона выполнена в виде капсулы из огнеупорного материала со смесью реагентов, измельченных до пылеобразного состояния, а внутри корпуса содержится устройство для подвода электрического тока к смеси реагентов.

7. Реактор по п.6, отличающийся тем, что корпус снабжен герметичной крышкой.

8. Реактор по п. 6, отличающийся тем, что в корпусе имеется смотровое окно.

9. Реактор по п.6, отличающийся тем, что корпус снабжен системой принудительного охлаждения.

10. Реактор по п.6, отличающийся тем, что корпус заполнен дистиллированной водой.

11. Реактор по п.6, отличающийся тем, что в капсуле создан вакуум.

12. Реактор по п. 6, отличающийся тем, что содержит несколько капсул, размещенных в револьверной головке, установленной внутри корпуса.

13. Реактор по п.6, отличающийся тем, что устройство для подвода электрического тока включает в себя электроды, смонтированные внутри корпуса и имеющие возможность подключения к контактам, выполненным на капсуле.

14. Реактор по п. 12 или 13, отличающийся тем, что капсулы выполнены цилиндрическими с контактами на торцах, причем оси капсул параллельны оси револьверной головки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3