Российская Академия Наук

Уральское отделение

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ

(ГУ ИМет УрО РАН)

УДК 669.621.365.762.211:533.98

№ госрегистрации

Инв. №

УТВЕРЖДАЮ

Директор ГУ ИMет УрО РАН

академик РАН

______________Л.И. Леонтьев

«______»_____________2007 г.

ОТЧЕТ

О НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

по теме:

«Разработка физико-химических основ безотходных технологий

переработки природного и минерального сырья методами электротермии

Раздел 1. Разработка физико-химических основ технологии комплексной

переработки бокситов, вольфрамитов и водоминеральных сред

методами электротермии

Часть 2

Исследование процесса плазменной обработки водоминеральных сред

(окончательный)

Зам. директора по научным вопросам,

член-корр. РАН __________________________Э.А.Пастухов

Научный руководитель,

зав. лаб., к.т.н. _________________________ В.А.Паньков

Екатеринбург, 2007

Список исполнителей

Руководитель темы

Зав. лаб., к.т.н. __________________________________ В.А.Паньков

(Введение, 5 раздел, Заключение)

Исполнитель темы

Ст.н.с., к.т.н. __________________________________ Б.П.Кузьмин

(1, 2, 3, 4 разделы)

Нормоконтролер

Ст.н.с., к.т.н. ___________________________________М.М.Цымбалист

Реферат

Отчет 41 страница, 24 рисунка, 2 таблицы, 11 источников.

Вода, плазменный электролиз, электрический разряд, плазменное образование, синтез элементов, полиметаллический порошок.

Проведен библиографический поиск по состоянию исследований ядерных реакций, протекающих при низкоэнергетическом воздействии на вещество. В обзоре представлены экспериментальные, теоретические работы и изобретения, связанные с процессами холодного ядерного синтеза. Отмечено, что практически все работы посвящены процессам в конденсированном веществе. Возможность протекания реакций в плазме не рассматривается.

Изложены результаты экспериментальных исследований процесса инициирования и стабилизации плазменного образования в водной среде. Впервые зафиксировано выделение энергии при распаде плазменного образования, превышающее затраты на его образование.

Описана лабораторная установка для синтеза полиметаллического порошка из водных растворов, отличающаяся применением магнитного обжатия плазмы. Приведены результаты экспериментов на установке и состав синтезированного порошка.

Представлены результаты совместной работы, проводимой в Москве («РЭКОМ» РНЦ «Курчатовский институт») по разработанной нами методике. Методом фоторегистрации обнаружен корпускулярный поток неизвестной природы, проявляющий себя возникновением характерных треков на эмульсии.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1 Обзор литературы 6

2 Экспериментальное изучение процесса инициирования плазмы в водной среде 13

2.1 Методика исследования 13

2.2 Катодная плазма 14

2.3 Анодная плазма 17

2.4 Возбуждение плазмы пульсирующим током 19

2.5 Взаимодействие плазма с полем второго инициирующего электрода 20

3 Изучение взаимодействия плазмы со стабилизирующим полем 24

4 Лабораторная установка для синтеза полиметаллических порошков 28

5 Совместные эксперименты в РНЦ «Курчатовский институт» 32

Заключение 39

Список использованных источников 41

Введение

Данная работа является продолжением исследований, проводимых в Институте металлургии на протяжении 1997-2003г. Она базируется на открытии профессором А.В. Вачаевым процесса синтеза полиметаллического порошка в водной среде при помощи неизвестного ранее плазменного образования. Очевидно, что речь идет о новом классе реакций ядерного синтеза, протекающих при низкоэнергетическом воздействии на вещество.

За истекший период в мировом сообществе ученых заметно возросла заинтересованность к процессам данного рода. Это заметно по проводимым международным конференциям, и количеству публикаций, доступных в Интернете. Чаще всего, как экспериментальные, так и теоретические работы традиционно посвящены процессам в конденсированном веществе. К сожалению, вопрос о возможности протекания процессов такого рода в плазме пока не рассматривается. Таким образом, мы можем считать себя в числе первопроходцев в данном вопросе.

В течение отчетного периода проведено систематическое исследование процесса инициирования плазмы в водном растворе. Подтверждена предполагаемая ранее стадийность формирования плазменного образования. Более подробно рассмотрена первая стадия процесса – плазменный электролиз воды. Показано влияние состава электролита, материала активного электрода и его полярности на параметры активации и развития плазмы. Выявлены условия, при которых оптический спектр излучения плазмы смещается в ультрафиолетовый диапазон. Применение новых методик исследования позволило наблюдать динамический режим электролиза и зарегистрировать спектры излучения катодной и анодной плазмы в радиочастотном диапазоне.

В ходе изучения второй стадии – формирования автономного плазменного образования – впервые был зарегистрирован тот факт, что при распаде плазмы может выделиться энергия, превышающая затраты на ее образование. Данная стадия процесса уже сопровождается синтезом полиметаллического порошка.

Отчет также содержит описание экспериментов на лабораторном реакторе, предназначенном для получения полиметаллического порошка. Последний раздел посвящен совместным экспериментам в РНЦ «Курчатовский институт», в которых зарегистрировано корпускулярное излучение неизвестной природы.

Обзор литературы

За истекшие три года заметно возросла активность авторов публикаций, относящихся к разделу взаимодействия вещества на ядерном уровне, происходящего при низко энергетическом внешнем воздействии. По данным сайта Lenr-canr.org, который посвящен низко энергетическим и химически стимулированным ядерным реакциям, в течение 2005 г. ежемесячное количество запросов на информацию возросло с 12 до 24 тысяч. Наибольшую активность по числу публикаций проявляют авторы из США, Японии, Италии Франции и Германии. Лидером по размерам финансирования этого направления является Япония. Причем она финансирует часть работ, проводимых в лабораториях США.

Наиболее представительным форумом по данной тематике считается «Международная конференция по холодному синтезу» (ICCF). В октябре 2004 г. в Марселе (Франция) была проведена ICCF-11, в ноябре 2005 г. в Йокохаме (Япония) прошла двенадцатая конференция. Следующая, тринадцатая по счету, состоится в июне 2007 г. в Дагомысе (Сочи, Россия). Наверняка, это отражает вклад российских ученых в развитие работ по холодному ядерному синтезу.

Последняя конференция была посвящена ядерным превращениям в конденсированном веществе. Следует отметить, что современные представления о холодном синтезе затрагивают пока только ядерные реакции, происходящие либо в кристаллическом веществе (поверхность электрода, мишень), либо в жидкости (сонолюменисценсия). Лишь отдельные теоретические работы допускают существование пока неизученного состояния крайне неравновесной плазмы, в которой возможно протекание ядерных превращений при температурах близких к комнатной.

Большая часть работ, представленных на конференции, касалась классического электролиза тяжелой воды на палладиевом электроде. В некоторых случаях электролитическая ячейка подвергалась воздействию ультразвука. В работе [1] был получен выход тепла от 18 до 34 Вт в течение 17 часов при подводимой мощности 0,74 Вт. Другая часть работ касалась взаимодействия водородной или дейтериевой плазмы тлеющего разряда с материалом катода. В частности, Карабут А.Б. (Россия) [2] представил результаты экспериментов, в которых при бомбардировке палладиевого катода ионами дейтерия с энергией 0,5-2кэВ, он зарегистрировал эмиссию фотонов (3МэВ) и альфа частиц (14МэВ). Процесс сопровождался рентгеновским излучением с интенсивностью до 100Р/с и наработкой тяжелых ядер со скоростью порядка 10¹³с^-1. По утверждению автора результаты экспериментов устойчивы и могут быть легко воспроизведены.

Для нас представляют интерес работы японского ученого T. Mizuno по плазменному электролизу обычной воды [3, 4]. В них использовалась вода с добавкой 0,05-0,2M K₂CO₃, вольфрамовый катод и платиновая сеточка в качестве анода. Фиксировались количество тепла, отводимого от ячейки, поток водорода и подводимая мощность.

В экспериментах был стабильно зарегистрирован аномально большой поток водорода, превышающий выход по току до 20 раз (рис.1.1). В некоторых опытах процесс переходил в неуправляемую стадию, и стеклянная колба, в которой проводился эксперимент, взрывалась. За 20 секунд до взрыва приборы фиксировали выделение избыточного тепла, превышающее подводимую энергию непосредственно перед взрывом на три порядка (рис 1.2).

Кроме того, после взрыва на поверхности вольфрамового катода были зарегистрированы элементы, ранее отсутствующие там (рис. 1.3.).

Рисунок 1.1. Зависимость эффективности ячейки от входного напряжения [4]

Ранее, более 10 лет тому назад, Т. Mizuno изучал специальные протоно-проводящие керамики (твердый электролит), которые при пропускании через них электрического тока выделяют в тысячу раз больше тепловой энергии, чем потребляют. В некоторых экспериментах эта величина даже превышала 70000 [5].

Рисунок 1.2. Изменения подводимого (нижняя кривая) и отводимого тепла перед взрывом [3]

Рисунок 1.3. Элементный состав поверхности вольфрамового катода

после взрыва [3]

Большинство авторов, изучающих плазменный электролиз, предпочитают работать с катодной плазмой. С одной стороны потому, что возбудить плазму на катоде легче по техническим соображениям, поскольку для этого требуется относительно малая плотность тока. С другой стороны, судя по спектру, катодная плазма представляет собой ионизированный водород. При малой толщине плазменной оболочки и ускоряющем напряжении в сотни вольт, энергия протонов, бомбардирующих катод, может достигать значительной величины. Это также прельщает авторов, полагающих, что в таких условиях возможны реакции холодного синтеза на катоде (что, кстати, и подтверждается экспериментально).

Однако отдельные работы посвящены изучению анодной плазмы. В частности, Бажутов Ю.Н. описывает свои эксперименты по возбуждению плазмы на вольфрамовом аноде [6]. Его установка состояла из стеклянной ячейки с электролитом, помещенной в емкость с охлаждающей водой. В ячейке размещали катод из листовой нержавеющей стали и вольфрамовый стержень, являющийся анодом. В качестве электролита использовался раствор солей щелочных металлов в легкой воде с различными добавками тяжелой воды. При работе ячейки с электролитом 7М KF (50% D₂O) наблюдалось интересное и странное явление. Примерно с 40-й минуты плазменного электролиза, в резервуаре охлаждения, со стороны анода вода начинала терять свою прозрачность. Охлаждающая ячейку вода, находящаяся со стороны катода, оставалась прозрачной. Радиационный фон оставался при этом неизменным. Создавалось впечатление, что вода насыщена метастабильными микроскопическими пузырьками газа. Прозрачность воды восстанавливалась лишь через 10 часов после окончания эксперимента. Авторы полагают, что наблюдали воздействие на воду некоего корпускулярного (или электромагнитного) потока неизвестной природы со стороны плазменного анода.

С появлением мощных импульсных лазеров наносекундного диапазона возобновились попытки применить их для инициирования ядерных взаимодействий. Так в пионерских экспериментах исследователей из Ливерморской национальной лаборатории в США (J. Zweiback et al., Phys. Rev. Lett. 84, 2634) было обнаружено, что под действием мощной вспышки лазерного света в кластерах тяжелой воды (D₂O)_n протекает термоядерная реакция слияния двух ядер дейтерия. Процесс, приводящий к этому, был назван «кулоновским взрывом» кластеров. Очень короткий и сверхмощный световой импульс, будучи сфокусированным на кластере-мишени, буквально «сдувал» с него все электроны. Кластер в мгновение ока превращался в набор оголенных, положительно заряженных ядер, и затем взрывался под действием электростатических кулоновских сил расталкивания. Самые внешние ядра разгонялись до очень высоких скоростей и, сталкиваясь с другими ядрами, приводили к термоядерной реакции.

Пожалуй, самое непосредственное отношение к рассматриваемой нами теме имеют работы д.т.н. Олега Вячеславовича Грицкевича из Владивостока. По образованию он инженер-электромеханик, работал до 1985 г. в Дальневосточном отделении РАН, затем зарегистрировал с сыном собственное КБ. Является автором более 170 изобретений. В семидесятых годах он разработал МГД генератор тепла (Способ генерации энергии и реализующий его электростатический плазмогенератор ОГРИ). Устройство не содержало ни одной подвижной детали. Оно представляло собой полый тор из изоляционного материала, заполненный водой. Предварительная ионизация воды осуществлялась подачей напряжения на электроды, проходящие через стенки корпуса. После чего вода магнитным полем трех катушек, равномерно расположенных по тору, приводилась во вращательное движение по кольцу.

В 1991 г., в одном из горных поселков Армении, местные инженеры по рисункам в журнале «Техника молодежи» собрали и запустили такой теплогенератор. Потребляя из сети 1120 кВт электроэнергии, он отдавал 1400 кВт тепла, обеспечивая поселок с 2,5 тыс. жителей в течение шести лет [7].

В последствии устройство было доработано (рис 1.4). Автор соединил две противоположные внутренние поверхности тора камерой стабилизации (6), теперь часть воды могла обращаться по двум малым контурам. Снаружи трубы была размещена катушка стабилизации (10). Кроме того, катушки возбуждения (5) он поместил внутри камеры тора (1), а снаружи располагались катушки для отвода электроэнергии (9). После такой доработки получился МГД генератор, потребляющий энергию лишь в период запуска. В 2002 г. был получен Патент РФ «Способ получения электрической энергии и МГД генератор Грицкевича для его осуществления» [8]. Одновременно с этим был разработан рабочий проект мобильного генератора мощностью 1,5 МВт и массой 900 кг [9].

Судя по публикациям, этот патент реализован во многих странах (исключая Россию). Южная Корея, например, уже выпустила несколько танкеров с энергетическими установками на базе генератора Грицкевича.

Автор изобретения полагал, что выделение избыточной энергии в генераторе происходит за счет целого ряда процессов, в том числе и актов холодного синтеза. Таким образом, нарушения фундаментальных законов сохранения в данном случае не наблюдается.

1-корпус тора; 2, 7-изоляционное покрытие; 3, 8-вода; 4-ионизирующие электроды; 5-обмотки возбуждения; 6-камера стабилизации; 9-обмотки для отвода энергии; 10-обмотка стабилизации.

Рисунок 1.4. Схема МГД генератора Грицкевича [8]

Что касается теории процессов холодного синтеза, то основные усилия ученых направлены на описание превращений в конденсированном веществе. В этом направлении уже достигнуты определенные успехи, позволяющие прогнозировать синтез определенных элементов, для конкретных условий проведения эксперимента. Когда речь заходит о процессах синтеза, происходящих в плазме, то здесь пока не намечены даже подходы для описания механизмов данного явления.

В марте 2007 на научном собрании нашего Института были представлены два доклада о работах, проводимых в Дубне. Первый докладчик, Фангиль Гареев из ОИЯИ, сделал сообщение о разработанной им теории универсальной резонансной синхронизации [10]. Здесь уместно процитировать его слова:

- Мы пришли к заключению, что трансмутация ядер при низких энергиях возможна в рамках современной физической теории - возбуждение и ионизация атомов и универсальная резонансная синхронизация ответственны за это явление. Изучение этого явления требует знаний в различных областях науки: ядерной и атомной физики, химии и электрохимии, физики конденсированных сред и твердых тел. Результаты таких исследований могут обеспечить новыми источниками энергии, веществ и технологий [11].

Второй докладчик, Владимир Кривицкий, заведует лабораторией «Перспективные физико-технологические исследования» в университете Дубна, которая изучает процессы низко энергетических ядерных превращений. Он представил экспериментальные работы по воздействию электромагнитных импульсов на расплавы тяжелых металлов. В этих работах был обнаружен эффект матрицы, предсказанный Ф.Гареевым. Он заключается в том, что, варьируя исходный состав расплава, при синтезе можно целенаправленно увеличивать количество определенного элемента.

В середине прошлого года, в научных кругах США обсуждался скандал, возникший после публикации экспериментальных результатов по изучению процесса сонолюменисценсии. Автора упрекали в недобросовестности и подтасовке результатов эксперимента. В начале этого года была проведена независимая экспертиза этих экспериментов, полностью подтвердившая результаты, полученные автором.

Таким образом, не смотря на значительные трудности, как объективного, так и субъективного характера (последние связаны со вполне понятным скептицизмом научного сообщества), холодный синтез уверенно отстаивает свое право на существование.