Способ получения нейтронов и гамма-квантов

 

Использование: ядерная энергетика, получение нейтронов и гамма-квантов в импульсно-периодическом режиме при комнатных температурах. Сущность изобретения: образец переходного или редкоземельного металла и/или сплава на их основе насыщают дейтерием и производят механическую или термическую обработку для создания в металле или сплаве структурных неоднородностей. Обработанный таким способом образец подвергают импульсному воздействию, сопровождающемуся прохождением ударной волны, амплитуда которой превышает 25 ГПа, а относительное изменение объема металла не превышает 30% при температуре ударно-сжатого металла до 3000 К. Импульсное воздействие может осуществляться путем механического или электрического воздействия с использованием лазерного излучения. Механическая обработка осуществляется путем прокатки металла, а термическая путем отжига и/или закалки. Изобретение направлено на повышение выхода нейтронов и гамма-квантов до уровня, представляющего практический интерес. 2 з.п.ф-лы.

Предлагаемое изобретение относится к способу получения нейтронов и гамма-квантов в импульсном режиме за счет осуществления реакции синтеза ядер дейтерия и трития в различных веществах при комнатных температурах.

Традиционный способ получения нейтронов и гамма-квантов состоит в использовании явления распада изотопов различных элементов.

Мощный поток нейтронов и гамма-квантов возникает при осуществлении реакции термоядерного синтеза, требующей достижения температур около 10⁸К и давлений в десятки и сотни мегабар.

В предлагаемом способе используется явление так называемого низкотемпературного ядерного синтеза (ДАН СССР, 1989, т.307, с.99), которое состоит в том, что при определенных условиях в твердых телах осуществляется реакция синтеза ядер дейтерия и трития при комнатных или не превышающих нескольких сотен градусов Кельвина температурах, сопровождающаяся образованием нейтронов и гамма-квантов.

В частности, известен способ проведения реакций низкотемпературного синтеза дейтерия путем насыщения чистых металлов дейтерием. При этом насыщение проводят с помощью электролиза или из газовой фазы под давлением. В качестве "накопителя" дейтерия применяют, как правило, переходные металлы Pd и Ti, обладающие высокой способностью к растворению водорода и его изотопов. Для ускорения процесса ядерного синтеза на насыщенные дейтерием образцы воздействуют ультразвуком, термо-, крио- и электроударами (ДАН СССР, 1989, т. 307, с. 99; Препринт ФИАН N 149, Москва, 1989). При проведении этих реакций наблюдается выделение нейтронов или гамма-квантов, но с невысокой интенсивностью, число нейтронов не превышает долей нейтрона на грамм вещества.

Известно также использование переходных и редкоземельных металлов Ti, Pd (в дальнейшем именуемых металлами с d и f валентными электронами) проведения низкотемпературной реакции ядерного синтеза (Р. Н. Кузьмин, Б.Н. Швилкин "Холодный ядерный синтез", М. Знание, 1989; Frascaty preprint LNF-89/048 (p), September, 1989; Nuovo Cimento, 1989, v.191, p.841; LANL Report LA-VR-89-1570, 1989; Tyengar P.K. "Paper submitted to 5th Intern, conferece on Emerging Nuclear Energy Systems", Karlsruhe, FRG, July, 3-6, 1989). В этом случае указанные металлы просто насыщают дейтерием, а реакцию ядерного синтеза наблюдают либо при их растрескивании в процессе насыщения дейтерием, либо при термоциклировании. При осуществлении этих экспериментов нейтронов выделяется несколько больше.

Наиболее близким по существу к заявленному способу является способ, описанный в работе (Письма ЖТФ, 1986, т.12, с.1333). Согласно этому способу в качестве материала для проведения реакции был взят монокристалл LiD. Этот монокристалл устанавливают на свинцовую подложку под тонкую латунную крышку и по нему через латунную крышку ударяют металлическим бойком массой 50 г, который разгоняют в стволе газовой пушки до скорости около 200 м/с. При этом наблюдается выделение слабого потока нейтронов, что говорит о протекании реакции ядерного синтеза.

В основу заявляемого изобретения положена задача разработать способ получения нейтронов и гамма квантов, который обеспечивал повышение выхода нейтронов и гамма-квантов до уровня, представляющего практический интерес, за счет реализации механизма сближения атомов дейтерия в локальных областях материала, а также обеспечивал возможность получать нейтроны и гамма-кванты в импульсно-периодическом режиме.

Эта задача решается тем, что насыщают металл дейтерием до образования выделения гидридной фазы, осуществляют ударное воздействие на металлический образец при температуре окружающей среды, которое сопровождается прохождением ударной волны и образованием неоднородного напряженно-деформированного состояния по объему металла, при этом в качестве материала образца используют атомы металлов с валентными d и f электронами, образующие стабильные соединения с дейтерием, после насыщения металла дейтерием производят механическую и/или термическую обработку для создания в металле структурных неоднородностей, а ударное воздействие осуществляют при амплитуде нагрузки, превышающей 25 ГПА, относительном изменении объема металла не более 30% и температуре ударно-сжатого металла до 3000 К.

Ударное воздействие осуществляется различными путями: налетающим ударником; ударной волной, образующейся, например, при электрическом разряде в жидкости; лазерным импульсом; потоком частиц; пропусканием через материал импульса электрического тока и так далее.

Целесообразно осуществлять механическую обработку металла путем прокатки металла, а термическую обработку металла целесообразно осуществлять путем отжига и/или закалки металла.

Механическая обработки металла проводится в условиях, приводящих к большим сдвиговым напряжениям и деформациям: (волочение, прокатка, кручение, экструдирование, их различные комбинации).

В процессе пластической деформации материала при достижении определенного уровня напряжения (Рс) в зонах деформации материал переходит в новое структурное состояние динамического типа (сильновозбужденное состояние), представляющее совокупность (смесь) кластеров с различным типом ближнего порядка (В. Е. Егорушкин, В. Е.Панин, Е.В.Савушкин, Ю.А.Хон, Известия ВУЗов, 1987, N 6). Под кластером здесь понимается группа одноименных или разноименных атомов. Расположение атомов и расстояния между ними определяют тип ближнего порядка. Тип возникающего ближнего порядка определяется структурой, составом и свойствами материала в локальной зоне. При достаточно малой скорости и интенсивности нагружения в возбужденной зоне формируется структура, в которой расстояние между атомами порядка -0,1 нм, и она распадается с образованием потока дефектов. Если амплитуда Р и длительность t ударной нагрузки удовлетворяют соотношениям: P>Pc t<tc (1) где Pc, tc критические параметры, зависящие от порядкового номера элемента, числа компонентов в соединении и его структурного состояния, то подводимой энергии становится достаточно для образования кластеров с ближним порядком, не характерным для идеального кристалла, в том числе кластеров, в которых расстояния между атомами дейтерия d<<0,1 нм. Важно подчеркнуть, что и возбужденное состояние и разные типы кластеров существуют только в динамически нагруженном кристалле. Число таких кластеров определяется составом материала, его внутренней структурой и условиями нагружения. При этом чем неоднороднее материал, тем больше будет число областей с сильновозбужденным состоянием материала. Поэтому различные виды механической (прокатка, ковка и пр) и термической (отжиг, закалка) обработки, усиливающие неоднородность материала, будут увеличивать поток нейтронов и гамма-квантов.

Физической причиной изменения межатомных расстояний в таких кластерах является появление дополнительного химического взаимодействия атомов, обусловленное перераспределением электронной плотности вследствие динамических внешних воздействий. При этом связь носит резонансный характер, обусловленный d и f электронами металла. Другими словами, сближение атомов до расстояний d<<0,1 нм и образование связанного состояния атомов дейтерия обусловлено общим возрастанием энергии во всем кластере. Расчеты показывают, что кластер, в котором два атома дейтерия образуют связанное состояние с d<<0,1 нм должен содержать около 1000 100000 атомов.

Время t существования указанных неравновесных кластеров определяется условием.

t≈l²/D=tc (2) где l характерный размер кластера, D коэффициент диффузии. Поэтому время нарастания нагрузки до максимального значения должно определяться условием t<tc. Для l≈0,1 1 нм и D≈10^-11 см²/с находим t≈10^-5 10^-3c. Видно, что высокие температуры, увеличивающие D, резко уменьшают tс.

Таким образом, для проведения реакции ядерного синтеза при низких температурах необходимо кристалл, в структуре которого имеются химически связанные с атомами матрицы атомы дейтерия, подвергнуть ударной нагрузке с указанными выше параметрами. По изложенным причинам атомы дейтерия сближаются друг с другом до расстояний, при которых между ними протекает реакция синтеза.

Физические условия выбора диапазона давления на фронте ударной волны состоят в следующем. Вероятность образования кластера (P_o) определяется выражением P_o= exp[-(σ_t/σ)²], (3) где σ_t напряжение, соответствующее потере устойчивости кристаллической решетки и являющееся характеристикой материала, σ напряжение в зоне концентратора напряжений, создаваемое внешней нагрузкой. Из анализа этой формулы следует, что зависимость P_o от s имеет S-образную форму, меняясь от нуля при s=0 до 1 при σ_→ ∞.. Например, при =0,15, 0,5, 1,0, 10-P=5·10^-20, 0,019, 0,37, 0,99 соответственно. Видно, что характерное значение напряжения, при котором будет протекать реакция синтеза, равно σ_t. Для материалов, в которых нет полиморфных превращений, σ_t имеет значение порядка одной десятой модуля сдвига. В реально структурно неоднородных материалах из-за возникновения зон концентраторов напряжений при нагружении величина приложенных напряжений может быть в несколько раз ниже. Таким образом, в качестве критического значения амплитуды ударного воздействия Рс можно принять величину σ_t/10,, что соответствует значению G/100, где G - модуль сдвига материала. Отметим, что увеличение напряжений свыше 10σ_t, количества нейтронов практически не увеличивает, но резко увеличивает стоимость проведения экспериментов.

Указанные параметры нагрузки позволяют ударно-нагруженный материал сохранить и подвергнуть его вторичной ударной нагрузке. То есть появляется возможность получать нейтроны и гамма-кванты в импульсно-периодическом режиме.

Способ осуществлялся при комнатной температуре следующим образом. Образец из сплава TiPd стехиометрического состава в упорядоченном состоянии размером (10х10х1) мм насыщался дейтерием до концентрации, при которой объемная доля гидрадной фазы составляла примерно 50% и затем закаливался. После этого образец помещался в герметичную камеру, заполненную водой. В воде производился высоковольтный электрический разряд с длительностью 3-8 мкс. Ударное воздействие может осуществляться различными способами, такими как: механическое воздействие, световое с использованием лазерного излучения, электрическое и тому подобное. Меняя величину подводимой энергии до 30 кДж в импульсе, амплитуду ударной волны увеличивали до 2 ГПа. Для достижения критических напряжений в материале нагрузку производили через стальную пластинку размером (20х20х5) мм, в которой прорезались треугольные канавки глубиной 0,5 мм. Это позволяло уменьшать площадь нагрузки на образец и, тем самым, увеличивать давление. Величину напряжений оценивали делением давления ударной волны в воде на площадь контакта. О протекании реакции судили по показаниям счетчика нейтронов и гамма-квантов.

Реализация описанного выше процесса показала следующее. При давлениях меньше 25 ГПа нейтронов и гамма-квантов не наблюдается. При давлениях свыше 25 ГПа в момент удара фиксировались нейтроны и гамма-кванты в количестве 10-50 нейтронов и нескольких гамма-квантов (3-10) на грамм вещества.

Полученное значение напряжения находится в интервале 0,01σ-σ₁ как это было обсуждено выше.

Формула изобретения

1. Способ получения нейтронов и гамма-квантов, заключающийся в насыщении металла дейтерием до образования гидридной фазы и осуществлении ударного воздействия на металлический образец при температуре окружающей среды, которое сопровождается прохождением ударной волны и образованием неоднородного напряженно-деформированного состояния по объему металла, отличающийся тем, что в качестве материала образца используют атомы металлов с валентными d и f электронами, образующие стабильные соединения с дейтерием, после насыщения металла дейтерием производят механическую и/или термическую обработку образца для создания в металле структурных неоднородностей, а ударное воздействие осуществляют при амплитуде нагрузки, превышающей 25 ГПа, относительном изменении объема металла не более 30% и температуре ударно-сжатого металла до 3000К.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что механическую обработку металла осуществляют путем прокатки металла.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термическую обработку металла осуществляют путем отжига и/или закалки металла.