Способ получения изотопов геллия-3 и трития

 

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОТОПОВ ГЕЛЛИЯ-3 И ТРИТИЯ, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, в потоке плазмы солнечной вспышки располагают космический аппарат, осуществляют захват плазмы воздействием на поток магнитного поля с конфигурацией в виде магнитного диффузора с последующим охлаждением в приемном устройстве.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что космический аппарат располагают перед ударной волной взаимодействия плазменного потока солнечной вспышки с магнитным полем Земли, на орбите, удаленной на (7 - 10) · 10⁴ км от поверхности Земли. Изобретение относится к технике получения изотопов геллия-3 и трития, с использованием в качестве источников изотопов космических потоков плазмы. Известен способ получения изотопов трития и геллия-3, использующий воздействие потока исходного вещества, например потока нейтронов, на изотоп ⁶Li ⁶Li(n,t)⁴He с последующим β-распадом ³Н₁ ->> ³Не₂ + е^-, при этом повышают концентрацию изотопов в потоке, а затем их выделяют, например, из источника нейтронов твердофазного ядерного реактора и подают в хранилище. Этот способ относительно прост, имеет большой выход изотопов в реакциях. Однако для получения 1 кг трития, а затем геллия-3 по этому способу необходим нейтронный поток 2 ˙ 10²⁶ н или ≈3 ˙ 10²⁶ делений ядер топлива в реакторе, что соответствует массе топлива ²³⁵U или ²³³Pu, равной 100 кг стоимостью в 2 млн. долларов. При этом в ходе реакции выделяется энергия около 10¹⁰ МДж, которую необходимо отводить. Это усложняет и ограничивает возможности получения больших количеств указанных изотопов. Целью изобретения является повышение производительности получения изотопов геллия-3 и трития. Поставленная цель достигается тем, что в поток плазмы солнечной вспышки помещают космический аппарат, осуществляют захват плазмы воздействием на поток магнитного поля с конфигурацией в виде магнитного диффузора с последующим охлаждением в приемном устройстве. Космический аппарат целесообразно располагать перед ударной волной взаимодействия плазменного потока солнечной вспышки с магнитным полем Земли, на орбите, удаленной на (7-10) ˙ 10⁴ км от поверхности Земли. В результате прямых наблюдений было обнаружено, что в плазме многих солнечных вспышек оказалось неожиданно высоким содержание геллия-3 (₂Не³), и эти солнечные вспышки были названы "вспышки, богатые геллием-3". В них содержание Не³ доходит до 30% от массы плазмы вспышки. Содержание трития при этом составляет до 0,1% от массы плазмы, что делает их перспективными для получения изотопов геллия-3 и трития. Сущность изобретения поясняется чертежом. В потоке 1 солнечной плазмы расположен космический аппарат 2, на котором установлены соленоид 3 и воспринимающее устройство 4, соединенное с хранилищем 5. При работе с космического аппарата 2 подается энергия на соленоид 3, поддерживая магнитное поле, по силовым линиям которого (показаны стрелками) поток 1 плазмы концентрируется на пластинах воспринимающего устройства 4, где он охлаждается и поступает в хранилище. Магнитное поле имеет конфигурацию магнитного диффузора. Рассмотрим реализацию способа более детально. Солнечная вспышка имеет среднюю плотность n 1000 см^-3, при этом принимаем, что содержание геллия-3 10% т.е. n_He3 n₁ 100 см^-3, а содержание трития n₂ 1 см^-3 (это средняя вспышка). При использовании магнитного поля радиус магнитного диффузора массозаборника __→ где Н_б напряжен- ность поля около источника на радиусе r₁, а Н_м 10^-3 А/м напряженность магнитного поля межпланетного пространства. Для Н_б 10⁶ А/м (В_б 1,2 Тл) и r₁ 50 м, r_м 5 ˙ 10⁴ м. Площадь магнитного массозаборника S_м π r_м² 7,8 ˙ 10⁹ м² и при n₁ 10² см^-3 плотность ρ 4,8 ˙ 10^-19 кг/м³. Полагая скорость плазмы во вспышке V_n 1,5 ˙ 10⁶ м/с, имеем секундный расход геллия-3 m₁ 5,6 ˙ 10^-3 кг/с. Время вспышки, его продолжительность составляет 10-20 ч, тогда для τ 5 ˙ 10⁴ с (≈ 14 ч) общая масса геллия-3 М₁ m₁ τ 280 кг. Для трития расчеты аналогичны, только n₂ 1 см^-3, а расход М₂ 2,8 кг. Это для общего случая. Однако в ударной волне, за его фронтом взаимодействия с магнитным полем Земли, где и проходит орбита космического аппарата, концентрация возрастает ≈ до 2 ˙ 10³ см^-3. Соответственно М₁ составит 560 кг, а М₂ 5,6 кг. Значит предложенный способ вполне обеспечивает накопление за одну вспышку геллия-3 не менее 300 кг, а трития 3 кг. Рассмотрим воспринимающее устройство. Энергия потока плазмы вспышки r_м= r и для n 1000 см^-3 W_n 4 ˙ 10¹⁰ Дж/с. Для излучающей пластины с температурой Т_n 2000 К излучаемый тепловой поток q_nо 10⁶ Вт/м² и для излучения с обеих сторон q_n 2 ˙ 10⁶ Вт/м² потребуется площадь приемных излучающих пластин S_n 2 ˙ 10⁴ м². Воспринимающее устройство может быть выполнено, например, в виде трех параллельных систем. Первая, наиболее тонкая пластина (δ 10^-5 м) практически свободно пропускает быстрые атомы изотопов с энергией до 40 кэВ. Вторая пластина выполнена в виде пучка труб диаметром 0,08 мм с толщиной стенок 0,005 мм из боросиликатного или кварцевого стекла, при этом в результате диффузии через стенки трубок внутри получают чистый гелий. Третья пластина, самая толстая (δ 10^-4 м) выполнена из железа или металла платиновой группы, непроницаемых для гелия и водорода, и эта пластина обеспечивает полное торможение плазмы. При этом затормозившийся поток изотопов с Т ≈ 2000 К и энергией ≈ 0,07 эВ окажется между первой пластиной, не пропускающей такой малоэнергичный поток плазмы, и третьей пластиной. Объемы пластин V_n S_nh, где h толщина, а масса пластин M_n ρ V, где ρ плотность пластины. Для h 10^-5 м ρ₁ 8 т/м³, V₁ 2 ˙ 10^-5 0,2 м³ и M_1n 1,6 т; для n₃ W_п=m ≃ ρS 10^-4 м, ρ₃ 8 т/м³, V₃ 2 м³ и М_3n 16 т. Для пучка из 10 слоев труб cо стенками толщиной 0,005 мм общая толщина h₂ 0,1 мм 10^-4 м и V₂ 2 м³, а для стекол ρ₂ 3 т/м³ и M_2n 6 т. Общая масса воспринимающего устройства составит, таким образом, 20-30 т. Можно показать, что в приемном устройстве плотность газа составит ρ_г 0,1 кг/м³ что соответст- вует при 2000 К давлению в 5-7 ата. Значит, в такой системе гелий будет истекать в емкость с жидким гелием, где изотопы сжижаются. Однако желательно отделение гелия-3 от гелия-4 любым из известных способов, например способом газовой диффузии с помощью известных конструкций. Описанная система особенно хороша для получения гелия-3. Изотоп тритий получают, используя водородные изотопы между первой и третьей пластинками. Расстояние между пластинками l 0,5 см и объем пространства V l S_n 10² м³. Для n 10³ см³ секундный расход будет m 5 ˙ 10^-2 кг/с, тогда плотность ρ 5·10^-4 кг/м³ что соответству- ет давлению Р (2-3)10^-3 ата. Для извлечения трития из этой смеси может использоваться указанный выше сепаратор 3, но может использоваться и разделение в высокоскоростной струе. После предварительного разделения изотопов ненужные компоненты ₁Н¹, ₁Н², ₁Н³ выбрасываются в космос, а геллий-3 и тритий направляются во вспомогательный теплообменник, где они охлаждаются до 20-100 К, а затем подаются в емкость с жидким гелием, где поток изотопов сжижается. При массе М₁ 280 кг это баллон емкостью в 2 м³ с жидкими изотопами. Тритий может также сжижаться, однако он испытывает β-распад и является источником, хотя и маломощным, энергии, поэтому можно использовать хранение и газообразного трития в адсорбенте. Подобное устройство вполне обеспечивает выделение гелия-3 и трития. Рассмотрим источник магнитного поля, соленоид. Объемная плотность энергии магнитного поля ω_n 1/2 μμ_o Н², где μ 1,μ_o 4 π ˙ 10^-7 Гн/м, и для Н Н_б 10⁶ А/м, ω_м 6,2 ˙ 10⁵ Дж/м³. Энергия магнитного поля соленоида ω_c=ω_м V_c ω_м 2r₁S_c, 2r₁ длина соленоида, S_c 4-5 м² площадь соленоида, а V_c его объем и W_c 3 ˙ 10⁸ Дж. Следовательно, запасаемая в соленоида энергия 3 ˙ 10⁸ Дж, достаточно велика. Однако применение сверхпроводящих сплавов вполне позволяет реализовать такой уровень. Например, известен сверхпроводящий магнит для пузырьковой камеры длиной 3 м, диаметром 5 м и Н_б 3 ˙ 10⁶ а/м, при этом энергия магнитного поля W_c3,5 ˙ 10⁸ Дж, причем в нем масса самой сверхпроводящей обмотки весит 3 т, а остальное элементы конструкции, крепеж. Таким образом, создание источника магнитного поля соленоида в предложенном способе не представляет существенных технических сложностей. Его масса может быть 20-40 т. При этом сверхпроводимость позволяет предварительно создать магнитное поле в соленоиде за 1-10 ч и поддерживать его маломощным источником энергии. Поэтому мощность источника электроэнергии должна составлять не 3 ˙ 10⁸ Вт, а всего 10⁵ 10^-6 Вт. Мощность соленоида W_c < W_n мощности потока плазмы, так как магнитное поле квазипотенциально и не производит работы над солнечной плазмой, не изменяет ее энергии, а только меняет направление ионов плазмы. Итак, можно отметить, что все элементы способа технически реальны и их общая масса не превысит 50-80 т. Стоимость разработки и запуска новой единичной техники на орбиту не превышает 100 тыс. долларов за 1 кг. Тогда стоимость создания и запуска одной станции по сбору изотопов не превысит 6 млрд. долларов. При стоимости 2 млн. долларов за 1 кг геллия-3 и трития для окупания станции достаточно собрать 4 т геллия-3 и трития, содержащихся в 10 солнечных вспышках, богатых геллием-3, средней мощности. Число подобных вспышек за 6 лет не менее 24. Следовательно, за 5-6 лет эксплуатации станция, о которой идет речь, полностью себя окупит. Рассмотрим возможные области применения гелия-3 и трития. Тритий это радиоактивный источник быстрых нейтронов, а главное, сейчас это основа термоядерного горючего в реакциях синтеза. Научный интерес к гелию-3 исключительно высок, а за последние годы получены всего сотни литров газа Не³. Так, Не³ является квантовой жидкостью, и это единственное вещество, остающееся жидким при сверхнизких температурах, что позволяет применять его при создании конденсационных термометров, измеряющих температуры, меньше 1 К. Эффект Померанчука позволяет использовать его для получения сверхнизких температур, не менее 0,01 К. Однако Не³ является перспективным топливом для реакций синтеза ³Не(d,p)⁴He с сечением реакции на уровне ²Н(d,n)⁴Не, причем это очень чистая реакция, без малейшего нейтронного потока, и она используется в проекте многоступенчатой термоядерной ракеты межзвездного КА "Dedal". Предложенный способ позволяет создавать станции, обеспечивающие накопление требуемых тысяч тонн гелия-3 для осуществления проект "Dedаl" и, безусловно, позволит расширить область применения этих изотопов в земной технике.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОТОПОВ ГЕЛЛИЯ-3 И ТРИТИЯ, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, в потоке плазмы солнечной вспышки располагают космический аппарат, осуществляют захват плазмы воздействием на поток магнитного поля с конфигурацией в виде магнитного диффузора с последующим охлаждением в приемном устройстве. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что космический аппарат располагают перед ударной волной взаимодействия плазменного потока солнечной вспышки с магнитным полем Земли, на орбите, удаленной на (7 - 10) · 10⁴ км от поверхности Земли.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MH4A/MZ4A - Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение на основании заявления, поданного патентообладателем в Патентное ведомство

Дата прекращения действия патента: 23.03.1998

Номер и год публикации бюллетеня: 30-1998

Извещение опубликовано: 27.10.1998        

---