УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСКУССТВЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ЗОЛОТА И ПЛАТИНЫ Российский патент 1998 года по МПК C22B11/00 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к устройствам для получения благородных металлов.

В предлагаемом устройстве используется явление лазерного термоядерного синтеза вещества. Известно, что при поглощении энергии лазерного излучения наружный слой ядерного вещества испаряется, нагревается и разлетается с большой скоростью (Басов Н.Г. и др. Физика лазерного термоядерного синтеза. М. : Знание, 1988). При этом на неиспарившийся внутренний слой вещества действует тепловое и реактивное давление, которое сжимает вещество этого слоя, нагревает его до температуры, при которой возникает термоядерная реакция синтеза. Эта реакция протекает за "естественное" время существования сжатого ядерного вещества, пока оно не разлетелось. Для осуществления указанных процессов в большинстве устройств термоядерного синтеза применяют оболочечные сферические мишени, которые являются прототипом предлагаемой ниже мишени.

В термоядерном устройстве изобретения вместо сферической мишени применяется коническая мишень в составе четырех твердотельных конусов, которые имеют взаимно перпендикулярные пары осей и отверстия на вершинах. Каждый конус заполняется ядерным веществом. Лазерный луч падает на основание конуса, то есть на площадь, значительно большую, чем площадь выступа в сферической мишени прототипа, вследствие чего ускоряется юстировка лазерных лучей, и она требуется реже. В пространстве между вершинами конусов размещается заготовка в виде шара из исходных элементов. Масса заготовки значительно больше массы слоев исходных элементов сферической мишени прототипа, а потому образуется значительно большая масса выходного получаемого элемента. Вследствие изменения конструкции мишени количество лазерных лучей сокращено с 12 (для сферической мишени) до 4 (для конической мишени). При этом вместо использования кумулятивного эффекта на выступах сферической мишени в конической мишени используется двухэтапное сжатие вещества: на первом этапе - сжатие ядерного вещества в виде сгустка низкотемпературной плазмы в вершине конуса, на втором этапе - сжатие (схлопывание) четырех сгустков в виде высокотемпературной плазмы в пространстве между вершинами конусов вокруг заготовки.

Минимальные затраты на эксплуатацию достигаются применением сравнительно дешевых исходных элементов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, который представляет собой структурную схему устройства. На чертеже показана камера, вид сверху. Устройство состоит из следующих частей: 1 - камера; 2 - коническая мишень; 3 - заготовка; 4 - блок подачи мишени; 5 - лазерное устройство; 6 - световоды; 7 - пульт управления.

Камера 1 представляет собой металлический корпус с четырьмя распределенными по окружности под углом 90^o патрубками, в которых встроены оптические линзы для фокусировки лазерного луча на основания конусов, и двумя противоположными патрубками, через которые перемещается лента с коническими мишенями и заготовками. Указанные первыми патрубки могут поворачиваться на небольшой угол для направления лазерного луча на основание конуса при первоначальной регулировке устройства. Диаметр камеры - около 40 см.

Коническая мишень 2 представляет собой четыре твердотельных конуса, жестко закрепленных на ленте. Каждый конус служит для образования сгустка сверхплотной плазмы в вершине конуса и вылета сгустка в пространство между вершинами конусов. Каждый конус имеет диаметр основания 6 - 7 мм, диаметр отверстия в вершине - 2,5 мм, угол раствора 60 - 80^o и изготовляется толстостенным из тугоплавкого металла. Оси конусов взаимно перпендикулярны и пересекаются в одной точке.

Конусы заполнены ядерным веществом. В качестве ядерного вещества целесообразно выбирать такие вещества, которые были бы экологически чистыми как в части исходных веществ, так и продуктов реакции синтеза, исходные вещества были бы сравнительно дешевы и требовали бы для инициирования реакции синтеза меньше энергии. Среди большого многообразия термоядерных реакций на легких ядрах выбираем реакцию синтеза ядер гелия-3, которая удовлетворяет указанным требованиям:
32

He + 32He _→ 42He + 211H (1)
Гелий-3 сравнительно мало распространен в природе на Земле, но современные способы искусственного получения его в результате реакции лития-6 с водородом, с разделением изотопов лазерными методами позволят его получить в значительном количестве. Кроме того, гелий-3 содержится в лунной пыли, и организовать его добычу на Луне и доставку на Землю в достаточном количестве - задача для нашей космической техники вполне посильная. Таким образом, в качестве ядерного вещества выбираем гелий-3. Могут быть применены и другие ядерные вещества, например, дейтерий и тритий или дейтерий и гелий-3. Однако при этом потребуются меры защиты от излучения в камере.

Ядерное вещество в основании конуса покрыто сферической полиэтиленовой оболочкой толщиной 0,1 мм, которая при падении лазерного луча прогибается в сторону вершины конуса и тем самым увеличивает давление на ядерное вещество. Этой же цели служит и покрытие внутреннего слоя оболочки следами тяжелых металлов. Процессы, происходящие в конусе при падении лазерного луча, рассмотрены ниже.

Заготовка 3 представляет собой шар из порошков исходных элементов, спрессованных под давлением. Заготовка служит для получения золота или платины. Диаметр шара - 2,2 мм. В заготовке, окутанной высокотемпературной плазмой, происходит под давлением слияние ядер исходных элементов. Сумма порядковых номеров исходных элементов должна равняться порядковому номеру золота (79) или платины (78). В качестве исходных элементов выбираются сравнительно дешевые и безопасные элементы. Например, парами для золота могут быть: олово-медь, сурьма-никель, теллур-кобальт и др.; пары для платины: олово-никель, сурьма-кобальт, теллур-железо и др.

Лента со смонтированными на ней мишенями и заготовками может изготовляться автоматом, подобным применяемому в США автомату для изготовления сферических мишеней лазерного термоядерного синтеза.

Блок подачи мишени 4 имеет в своем составе передающую и приемную части и ленту, на которой жестко крепится мишень и заготовка. Лента передвигается с помощью электромагнита на фиксированный шаг. Она имеет по краям армированную проволоку из тугоплавкого металла, благодаря чему лента жестко фиксирована, проволока не плавится, и лента может передвигаться, несмотря на разрушение мишени при микровзрыве ядерного вещества. Электромагнит управляется с пульта устройства.

Лазерное устройство 5 должно обеспечить энергию, достаточную для испарения оболочки и ядерного вещества каждого конуса и образования сгустка плазмы высокой плотности у вершины конуса. Одним из преимуществ конической мишени по сравнению со сферической мишенью является то, что для сжатия одинаковой массы ядерного вещества коническая мишень требует меньшую мощность лазера по сравнению со сферической мишенью и позволяет использовать более длительные импульсы лазерного излучения. Указанному требованию удовлетворяет, например, лазер на рубине с оптической накачкой. Этот тип лазера надежен в работе. Длина волны - 0,69 мкм, отдаваемая энергия - сотни дж в импульсе, длительность импульса до 1 мс. Предусмотрено растяжение переднего фронта импульса для увеличения вклада энергии в ядерное вещество. В лазерном устройстве имеется ответвитель на четыре выходных канала. Лазер управляется с пульта устройства.

Световоды 6, предназначенные для передачи лазерного излучения от лазера до мишени, в количестве 4 шт. изготовлены из специального стекла. Диаметр световода - 3 мм. Для согласования световода с выходом лазера на конце световода включается стеклянный шар, который преобразует расходящийся световой поток лазера в поток, пропускаемый апертурой световода. Для фокусировки лазерного излучения на основание конуса используется оптическая линза, встроенная в патрубке камеры.

Для управления блоком подачи мишени и лазерным устройством предусмотрен пульт управления.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства в динамике. С пульта управления включается лазерное устройство. При этом на лазер подается питание, срабатывает блок накачки, и лазер генерирует световой импульс. Полученное лазерное излучение распределяется с помощью ответвителя по четырем каналам. Включенный на входе каждого канала стеклянный шар вводит излучение в световод. Распространяясь по световоду, излучение достигает оптической линзы, которая фокусирует его на основание конуса. При падении лазерного луча на конус происходит адсорбция излучения и испарение оболочки, а затем и ядерного вещества. При этом достаточен режим "лазерной искры", который по сравнению с режимом "зажигания" требует меньшей мощности лазера. Благодаря двухэтапному сжатию, режим "лазерной искры" обеспечивает последующее получение плазмы термоядерной температуры. При испарении ядерного вещества образуется реактивная сила, которая создает ударные волны сжатия. Эти волны, отражаясь от боковой поверхности конуса, направляются внутрь его, сходятся в его вершине и тем самым сжимают и локально нагревают ядерное вещество до такой степени, что вблизи вершины образуется первичный сгусток плазмы с температурой 10³ - 10^4 oC. При этом вследствие адсорбции излучения пленка, покрывающая основание конуса, прогибается и совместно со следами тяжелых металлов создает дополнительное давление на ядерное вещество. Образованный плотный сгусток плазмы под действием реактивной силы вылетает через отверстие в вершине конуса наружу. Процесс образования плотного сгустка плазмы и вылет его из отверстия подтвержден экспериментально во многих публикациях (Импульсное сжатие и нагрев газа в конических мишенях. Труды Института общей физики РАН N 36, 1992). Вылетевшие из отверстий четырех конусов сгустки сталкиваются попарно с противоположных направлений. При этом сильно увеличивается степень сжатия плазмы и растет ее температура до 10⁸ - 10^9 oC. Горячая плазма, обволакивая заготовку, вызывает синтез ядер исходных элементов заготовки сначала на наружном слое, а затем, по мере отслаивания нового элемента, - на внутренних слоях. Частицы полученного элемента оседают на днище камеры.

После цикла получения нового элемента сигналами с пульта управления передвигается лента блока подачи мишени на один шаг, и вышеуказанные процессы повторяются.

Работоспособность предлагаемого устройства подтверждается выполнением критерия Лоусона на втором этапе сжатия. Критерий Лоусона выражается неравенством:
n_qτ ≥ A, (2)
где
n_q - плотность плазмы ядерного вещества в момент его зажигания на втором этапе сжатия;
τ - время жизни (удержания) плазмы;
A - критерий Лоусона, зависящий от вида ядерного вещества:
для дейтерия с тритием - 10¹⁴ с см^-3;
для дейтерия с гелием-3 - 10¹⁷ с см^-3;
для гелия-3 с гелием-3 - 10²¹ с см^-3.

n_q = N_Ln₀, (3)
где
N_L - число Лошмидта (N_L=2,69•10²⁵ м^-3;
n_о - полная степень сжатия в результате двух этапов сжатия (в конусе и между конусами).

Величина n_о зависит от степени сжатия на первом этапе (сжатия сгустка в вершине конуса) n_к, от коэффициента вложения сгустков одного в другой γ, от степени сжатия на втором этапе (фронтального схлопывания сгустков) n_ф и от коэффициента синфазности сгустков δ.

n_q = N_Lnmk

γ^mnm/2фδ^m, (4)
где
m - число конусов.

В научно-технической литературе широко освещены результаты исследования сжатия и нагрева газов на твердотельных конусах. Увеличение степени сжатия численно рассчитано и экспериментально подтверждено (препринт Вовченко В.И. и др. Характеристики процесса взаимодействия лазерного излучения с оболочечными коническими мишенями. Препринт N 179. Институт общей физики АН СССР. М., 1988). В этой работе показано, что степень сжатия для одного конуса составляет n_к≥4•10³-10⁶. Вопросы сжатия при фронтальном схлопывании ударных волн изложены в препринте Красовской И.В. Расчет параметров встречного фронтального столкновения двух плоских ударных волн. Препринт N 1392. Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе. АН СССР. Л.: 1989. В этой работе показано, что средняя степень сжатия вследствие фронтального схлопывания ударных волн газообразных веществ равна n_ф = 10.

Коэффициент вложения сгустков одного в другой γ зависит от степени перекрытия заготовки отверстием на вершине конуса.

Исходя из опытных данных выбираем имевшие место наихудшие значения γ = 0,1 и δ = 0,1. Подставляя в формулу 4, получим:
n_g = 2,69•10²⁵•10^-6 (4•10³)⁴0,1⁴•10²0,1⁴ = 6,88•10²⁷ см^-3
Время жизни плазмы при инерциальном удержании равно длительности лазерного импульса τ = 1 мс.
Подставляя в формулу 2, получим:
n_qτ =6,88•10²⁷10^-3=6,88•10²⁴ с•см^-3> 10²¹с•см^-3
Таким образом, в предлагаемом устройстве критерий Лоусона выполняется и происходит зажигание термоядерной реакции на втором этапе сжатия.

Приведем технико-экономическую оценку предлагаемого устройства. Стоимость расходуемых материалов за один микровзрыв составляет 3 USD (заготовки-1 USD, конусов с ядерным веществом-1,5 USD и кусочка ленты-0,5 USD). За один микровзрыв получается золота 1,03 г. Если считать, что 1 г золота стоит 12 USD, то получается выигрыш за один микровзрыв 12 • 1,03 - 3 = 9,35 USD.

Стоимость основного оборудования устройства в ценах на 1 января 1997 г. составляет:
Камера - 150
Блок подачи мишени - 200
Лазерное устройство - 300
Световоды - 50
Пульт управления - 100
Итого - 800 USD
Указанное основное оборудование окупается за 800/9,35≈86 микровзрывов.

Устройство для искусственного получения золота и платины может быть использовано для получения благородных металлов из недрагоценных дешевых элементов искусственным путем. Устройство состоит из камеры с патрубками, мишени в виде четырех конусов, заготовки исходных элементов, блока подачи мишени с заготовкой в камеру, лазерного устройства, световодов и пульта управления. Устройство отличается от других конструкцией мишени и заготовки. Мишень, служащая для получения термо-ядерной реакции выполнена в виде четырех заполненных ядерным веществом конусов с взаимно перпендикулярными парами их осей, с отверстиями в вершине каждого конуса для вылета плазмы и сосферической полиэтиленовой пленкой, покрывающей основание каждого конуса. Заготовка выполнена в виде располагающегося в пространстве между вершинами конусов шара, представляющего собой спрессованную под давлением смесь порошков исходных элементов. Увеличивается производительность при минимальных затратах на эксплуатацию устройства. 1 ил.

Устройство для искусственного получения золота и платины, заключающееся в том, что оно содержит мишень для создания высокотемпературной плазмы, лазерное устройство, световоды, камеру с патрубками для ввода в нее мишени с заготовкой исходных элементов и через оптические линзы лазерных лучей, блок подачи мишени с заготовкой исходных элементов в камеру, пульт управления, при этом мишень выполнена в виде четырех заполненных ядерным веществом твердотельных конусов с взаимно перпендикулярными парами их осей с отверстиями в вершине каждого конуса для вылета плазмы и с покрытием основания каждого конуса сферической полиэтиленовой пленкой, а заготовка исходных элементов выполнена в виде шара из смеси порошков исходных элементов, спрессованной под давлением, и расположенного в пространстве между вершинами конусов.