Плазмодинамическое формирование смеси d2 – LI

Вид материала

Документы

Содержание 2. Стационарный объёмно-диффузный разряд 3. Приготовление газовой эмульсии. 4. Формирование «пористого электролита» ЭГД-разрядом

Подобный материал:

• Аннотация, 201.83kb.
• Муп «Жилсервис по оржх» по обслуживанию жилого фонда, 40.63kb.
• Кондитерские глазури, заменители шоколада, диетические смеси, 341.09kb.
• Лекарственные растения и сырье, содержащие жиры и жироподобные вещества. Жиры животного, 358.27kb.
• Рассказ первый. Вадим и Денис Три рассказа из этого цикла ничем не связаны между собой,, 846.81kb.
• Рассказ третий. Дима и Арсен Три рассказа из этого цикла ничем не связаны между собой,, 1025.27kb.
• Многие народы издавна употребляли смеси пряностей. Самые известные ароматические смеси,, 256.54kb.
• Рассказ второй. Олег, Игорь и Ольга Три рассказа из этого цикла ничем не связаны между, 920.14kb.
• Разработка технологии сухой многофункциональной белоксодержащей смеси для мучных кондитерских, 502.12kb.
• Исследование фазового состояния газоконденсатной смеси в системе «скважина-пласт», 88.41kb.

ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКОЕ ФОРМИРОВАНИЕ СМЕСИ D₂ – Li⁺ ДЛЯ МИКРОПУЗЫРЬКОВОГО СИНТЕЗА


В.Ю. Великодный, В.Г.Гришин


Институт прикладной механики РАН

vvelikodny@hotbox.ru, grishin1@ hotbox.ru


Продолжено экспериментально-теоретическое изучение электрических разрядов в электролите и их применений. Создана плазмодинамическая (ПД) установка для генерации газо-жидкостной среды, содержащей D₂ и соответствующей требованиям микропузырькового синтеза лёгких ядер: d_пузырь< 100мкм, объемное газосодержание φ_гс>0,65. ПД-генерация «пористой жидкости» проводится в тяжеловодном (ِِD₂O) насыщенном растворе карбоната лития (Li₂CO₃) c добавкой гидроксида лития (LiOD). Примененяется катодно-анодный электрический разряд (КАЭРВЭ) с использованием полупроводниковых выпрямительных свойств формируемого на рабочем электроде ПД-реактора.


1. Введение


200-летняя история исследований электрических разрядов в электролитах привела к реализации возможности зажигания стационарного разряда, которому предложено название [1] «объёмно-диффузный электрический разряд в электролите» (ОДЭРЭ), а формирующемуся в процессе его горения псевдостационарному плазменному сфероиду – «плазмодинамический реактор» (ПД-реактор). В работе [2] авторы сконструировали гипотетическую модель ПД-реактора, ответственного за качество ОДЭРЭ, и обосновали мнение о необходимости придания официального статуса «Плазменной электрохимии». Решение задач, поставленных перед Лабораторией физико-химической гидроаэродинамики, стимулировало авторов пойти дальше в использовании взаимодействий электромагнитных и гидродинамических полей и заняться плазмодинамическим изготовлением «пористой жидкости» для микропузырькового синтеза лёгких ядер [3].

Пористая жидкость, по терминологии авторов, - это жидкость, насыщенная газом до объёмного газосодержания φ_гс>0,4, сохраняющая режим пузырькового течения в отличие от тривиальных пен, переходящих в режим поршневого течения. При распространении ударной волны (УВ) в ми-кропористой жидкости (диаметр микропузырьков = 10 ÷ 100 мкм) при опре-делённых значениях φ_гс температура в пузырьках может быть эквивалентна Т ≥ 1 ÷ 50 кэВ. Для микропузырькового синтеза авторы успешно применили [4] гидродинамический способ формирования микропористой тяжеловодной субстанции, состоящий из операций диспергирования, кавитации и ударно-волновой обработки. Для генерации в ней нейтронов скорость обжимающей её УВ оценивается в пределах V ≈ 7÷50 км/с. Разработанный в представляемой работе плазмодинамический способ формирования такой пористой жидкости с требуемым значениями 0,65<φ_гс<0,85 и диаметром пузырьков d≤100мкм существенно более экономичен в сравнении с гидродинамическим способом.


2. Стационарный объёмно-диффузный разряд

В работе [2] сформулированы условия существования стационарного «объёмно-диффузного электрического разряда в электролите» (ОДЭРЭ), а в работе [1] сделана попытка объяснить процесс формирования на катоде «пла-змодинамического реактора» (ПД-реактора) на обратной ветви вольтампер-ной характеристики ОДЭРЭ. Как утверждают авторы [1,2], наряду с общеизвестными практическими факторами: соотношением площади катода и анода, концентрацией водного электролита и его типа, разделением образующихся водорода и кислорода и т.д., – не менее принципиальной явля-ется электро-, газо-, гидродинамическая ориентация ПД-реактора. Такой под-ход к делу ясно виден при рассмотрении принципиальной схемы разработан-ной установки для наработки газовой эмульсии с последующим её «уплотне-нием». На рис.1 представлена её фундаментальная часть, ответственная за формирование ПД-реактора с последующей его тонкой настройкой.




Рис.1. Принципиальная схема установки в части ОДЭРЭ

Вольфрамовый стержень – катод 1 впрессован в фарфоровую трубку 2 так, что рабочая часть катода выступает над торцем фарфорового чехла на высоту, равную диаметру катода. Чехол с впрессованным в него катодом введён герметично в разрядную колбу 5. Разрядная колба 5-это прозрачная стеклянная пробирка, днищем которой служит асбестовая ткань (диафрагма) 4 с диаметром сквозных пор не более 1мкм. Рабочий торец фарфорового чехла выступает над диафрагмой на высоту, равную диаметру чехла. Разрядная колба 5 с вмонтированным в неё катодом в чехле установлена в прозрачном стеклянном цилиндре 6 так, что от диафрагмы 4 до днища цилиндра 6 расстояние ≈20мм. На дне цилиндра 6 уложена никелевая сетка 3 в качестве анода. На рабочем уровне электролита в боковой стенке 6 имеются два штуцера – всасывание и нагнетание – для обеспечения циркуляции электролита через холодильник и подливания или откачивания электролита из цилиндра 6.



Рис. 2 Внешний вид ПД-реактора


В данной статье описывается основной способ зажигания ОДЭРЭ, визуально наблюдаемого в виде псевдостационарного плазмодинамического реактора (ПД-реактора) нужного качества (см.рис.2). Суть этого способа заключается в быстром прохождении всей вольтамперной характеристики (ВАХ) ОДЭРЭ [1] в одномолярном растворе сильного электролита – щёлочи или кислоты, поэтому значения параметров приводятся для разряда в таком электролите. В интервале от 0 до 40 В зависимость тока от напряжения прямолинейная, затем до 120 В закон Ома нарушается вплоть до обратной зависимости, - и происходит падение силы тока почти на порядок величины с зажиганием ОДЭРЭ. Медленное уменьшение напряжения до 80÷70 В практически не приводит к изменению силы тока, а имеет следствием изменение цвета и размеров наблюдаемого ПД-реактора. По всей ВАХ в разрядной колбе визуально обнаруживаются неизвестные науке процессы, которые авторы учитывали в рамках поставленной цели – формирования «пористого электролита».

3. Приготовление газовой эмульсии.

Электрохимия (классическая) имеет мощную теоретическую базу для интерпретации процессов, протекающих на электродах при потенциалах не более 10 В. Это дало возможность авторам откалибровать установку по размерам пузырьков водорода, выделяющихся на катоде в начальном участке ВАХ, по скорости их всплывания, применяя усовершенствованную формулу Стокса [6] c с учётом гидродинамического предела её применимости [7]. Однако вывод, сделанный Фрумкиным А.Н. с сотр. [6], о независимости поведения пузырька от напряженности электрического поля оказался не применим при U>10 В. Наблюдения и расчёты авторов свидетельствуют о том, что при потенциалах катода >10 В усиливается взаимодействие электрического и гидродинамического полей.

С одной стороны электрическое поле создает в электролите силы механической природы – «пондеромоторные силы»; эти силы в уравнениях гидродинамики прибавляются к силам инерционной, гравитационной, барической и вязкостной природы. С другой стороны, гидродинамические потоки электролита осуществляют токи конвекции: эти токи прибавляются к токам проводимости и смещения, а также к осмотическим концентрационным токам отдельных сортов ионов.




Рис.3 Стартовые траектории микропузырьков, τ ≈1с.


На основании практической проработки сделаны следующие выводы:

1.Газовые пузырьки в процессе роста на электроде приобретают электрический заряд одноимённый с полярностью электрода, который после отрыва пузырька принадлежит пузырьку в течение времени ≈1 секунда.

2.С уменьшением диаметра катода (то-есть с увеличением кривизны поверхности) величина пузырьков уменьшается.

3.Электрическое поле электрода взаимодействует с зарядом пузырька и обуславливает кинетику его роста, отрыва, направление и скорость его стартового движения в течение времени ≈1 секунда (см.рис.3).

4.Газонасыщение электролита обусловлено гидродинамическими, электродинамическими и диффузионными процессами.


Формируемый «пористый электролит» предназначен для микропузырькового синтеза легких ядер в пузырьках, содержащих пары тяжелой воды (ِِD₂O) ِِ[3], с добавлением дейтерия (D₂) [4]. Поэтому для разработки плазмодинамического способа получения газовой эмульсии авторы в качестве электролита – щёлочи применили 1н тяжеловодный раствор гидроксида лития (LiОِِD). Конечно, вся исследовательская работа проведена на лёгкой воде и соответственно LiОН.

Эксперименты с разрядными колбами различных диаметров имели результатом нахождение оптимального диаметра разрядной колбы, который равен десяти диаметрам вольфрамового катода (см. рис. 3).

d_колбы = 10d_катода

Также был определён начальный уровень электролита, который зависит от реальной cкорости всплытия микропузырьков после потери ими электрического заряда (примерно через 1 секунду после их отрыва от катода). Оптимальный начальный уровень электролита равен пяти диаметрам разрядной колбы (см. рис. 1).

h_{начальный} = 5 d_колбы

И, наконец, экспериментальной находкой этого цикла работ оказалось выявление необходимости насыщать кипящий электролит карбонатом лития

(Li₂CО₃ِِ). Значения растворимости Li₂CО₃ в воде при различной температуре представлены в таблице.

Температура, К	273	298	323	348	373
Растворимость, г/л	15,3	12,7	10,1	8,5	7,2

Испытаниям были подвергнуты 1н водные растворы ِِLiОН с самым различным содержанием Li₂CO₃ в пределах растворимости при различной

температуре на предмет использования в плазмодинамическом изготовлении газовой эмульсии с диаметром пузырьков менее 100мкм. Как и надеялись авторы, оптимальной концентрацией оказалась концентрация чуть меньшая

концентрации насыщения при температуре 373 К.

С = 7,0 г/л

По гипотезе авторов при этой концентрации Li₂СО₃ в разрядной колбе в непосредственной близости от ПД – реактора происходит стохастическое появление и исчезновение наночастиц Li₂СО₃. Такие осцилляции гасят стартовое ускорение первоначально заряженных микропузырьков, обеспечивая гидродинамику свободного всплытия, а также, в определённой мере, препятствуют их укрупнению.

Главным же фактором для получения газовой эмульсии с требуемым газосодержанием и размером пузырьков является поддержание в разрядной колбе температуры ниже 323 К.

Т_{электролита} <323 К

Это условие обеспечивается прокачкой электролита из внешнего цилиндра (см. рис. 1, поз.6) через холодильник. В случае достижения температуры электролита в разрядной колбе 323 К установка отключается для охлаждения до температуры холодильника.

Разработанный способ приготовления газовой эмульсии позволяет получать «пористый электролит», отвечающий требованиям технического задания: φ_гc ≥ 0,65, d_{пузырьков} ≤ 100мкм. Однако получаемая субстанция характеризуется неопределённо широким спектром распределения пузырьков по размеру и тенденцией к слиянию пузырьков (особенно по поверхности) с их укрупнением до размера, превышающего допустимый.


4. Формирование «пористого электролита» ЭГД-разрядом

Таким образом выявилось, что для нарабатываемой газовой эмульсии необходима «динамическая стабилизация», заключающаяся в непрерывном дроблении укрупняющихся, по мере всплытия, микропузырьков. Перевод нарабатываемой газовой эмульсии в состояние неравновесного «пористого электролита» в представляемой работе производится с помощью эмпирически подобранного электрического разряда, который авторы условно назвали «электрогидродинамическим» (ЭГД-разряд).

Методика генерации ЭГД-разряда разработана в результате исследова-ний всевозможных катодных и анодных эдектрических разрядов в электро= литах [5]. По терминологии авторов разработанный электрический разряд от-носится к «катодно-анодным электрическим разрядам в электролите» (КАЭРВЭ). Принципиальная схема эксплуатации ЭГД – разряда представлена на рис.4.



Рис.4 Принципиальная схема установки в части ЭГД – разряда.


Рабочий электрод ЭГД-разряда (РЭ) подобен катоду ОДЭРЭ с диаметром вольфрамового стержня в три раза меньшим, чем диаметр катода ОДЭРЭ. Электрически РЭ соединен с фазой коммунальной сети напряжением U ~ 220 В. Противоэлектродом для РЭ служат попеременно с частотой 50 Гц никелевая сетка (см. рис. 1) или вольфрамовый катод ОДЭРЭ.

РЭ установлен по центру разрядной колбы и может перемещаться в вертикальном направлении от уровня h до уровня 1,85h (см. рис. 1 и рис. 4).

При отлаженной работе по формированию «пористого электролита» после зажигания ОДЭРЭ рабочий электрод ЭГД-разряда (РЭ) устанавлива-ется на уровне 1,65 h. При достижении величины зазора между РЭ и уровнем нарабатываемой газовой эмульсии в пределах 1 ÷ 2мм происходит несколько электродинамических взрывов (см.рис.5), прежде чем разорвётся электрический контакт между РЭ и газовой эмульсией в результате её «уплотнения».




Рис.5 Внешний вид ЭГД-разряда


За счёт продолжающегося газонасыщения газовой эмульсии уровень её опять начинает подниматься ,- и контакт со взрывами повторяется примерно через 10 секунд, а затем период между замыканиями постепенно уменьшается. Когда период замыкания – размыкания достигнет 1 ÷ 2 секунд, можно констатировать окончание формирования «пористого электролита» с объёмным газосодержанием φ_гc=0,65. Для достижения большего газосодержания РЭ поднимают выше и наработка «пористого электролита» продолжается.

Разработанный авторами ЭГД – разряд (название условное) является одним из сотен электрических разрядов в жидкостях, полученных за 200 лет как в электропроводных [8], так и в слабопроводящих жидкостях [9]. Однако эти сотни исследований практически, в конце концов, сводились к организации «пробойных» и «беспробойных» разрядов, аналогичных газовым, что исключало возможность использования качественного различия жидкости и газа. Те же единицы исследователей, которые действительно получают низковольтный разряд в электролите, из-за отсутствия теоретической базы прогрессируют недопустимо медленно.

Применение разработанного ЭГД – разряда для формирования «пористого электролита» во многом оказалось возможным благодаря теории ОДЭРЭ, разрабатываемой авторами, предсказывающей выпрямительные свойства разрядов в водных электролитах. Если в теории классической электрохимии выпрямление переменного тока составляет единицы процентов[10] от его величины, то в «Плазменной электрохимии» выпрямление переменного тока составляет несколько десятков процентов от величины переменного тока, проходящего через плазменно–электрохимическую ячейку.


5. Результаты.

5.1. Разработана технология получения «пористого электролита» для микропузырькового синтеза лёгких ядер.

5.2. Соотношение доли микропузырьков, содержащих дейтерий (D₂) и доли микропузырьков, содержащих пары тяжелой воды (ِِD₂O), можно существенно варьировать.

5.3. В процессе технологической разработки обнаружено и использовано качественное различие процессов образования микропузырьков в классической электрохимии и в «Плазменной электрохимии».

5.4. Обнаружен и использован эффект выноса микропузырьками электрического заряда с последующей его нейтрализацией в объёме электролита.

5.5. Обнаружены и использованы выпрямительные свойства электрических разрядов в электролите.

6. Заключение.

В настоящее время авторы работают над технологией генерации нейтронов в микропористой тяжёлой воде (ِِD₂O) с добавкой дейтерия(ِِD₂), получаемой по разработанной гидродинамической технологии. После завершения этой работы планируется опробование разработанной плазмодинамической технологии получения «микропористого электролита», содержащего в дополнение ионы Li⁺. Запланировано также проектирование промышленной плазмодинамической установки.

В то же время необходимо повторить, что в процессе выполнения технологического задания по получению «пористого электролита» по всей вольтамперной характеристике объёмно-диффузного разряда визуально обнаруживаются неизвестные науке процессы, что укрепляет мнение о целесообразности придания области науки «Плазменная электрохимия» самостоятельного статуса.

Литература

1. Великодный В.Ю., Гришин В.Г. Плазмодинамическая генерация водорода в природной воде. // Мат. 11-й Рос.конф. по холодной трансмутации ядер химических элементов и шаровой молнии. Дагомыс, Сочи 28 сентября – 5 октября 2003г., М., 2004, с. 25-36.
   
2. Гришин В.Г., Давыдов А.Д. Плазмодинамический реактор для нейтрализации протонов и дейтронов в природной воде. // Мат. 9-й Рос. конф. по холодной трансмутации ядер химических элементов. Дагомыс, Сочи 30 сентября – 7 октября 2001г., М., 2002, с. 106-114.
   
3. Великодный В.Ю., Тимофеев И.Б., Д. Ван Ви. Микропузырьковый синтез лёгких ядер. // Программа и тезисы 12-й Рос.конф. по холодной трасмутации ядер химических элементов и шаровой молнии. Дагомыс, Сочи 19-26 сентября 2004г., М., 2004, с.48.
   
4. Александров А.Ф., Батенин В.М., Баранов Д.С, Битюрин В.А., Великод-ный В.Ю., Гришин В.Г., Еремеев А.В., Никитенко Л.К., Казёнов Ю.А., Сеченов В.А., Сон Э.А., Толкунов Б.Н., Тимофеев И.Б., Черников В.А., Эггерт В.Л. Экспериментальное определение выхода нейтронов при обжатии микропористой тяжёлой воды ударной волной при взрыве проволочки кольцевой конфигурации // Тезисы докладов XXXIII Международной (Звенигородской) конф. по физике плазмы и УТС,
   

Звенигород, 13-17 февраля 2006г., М.,2006 с.261.

5. Гришин В.Г., Клыков И.Л., Коперник С.В., Щаврук Н.В. Анодный электрический разряд в электролите. // Научная сессия МИФИ 2003. Сб. научн. трудов в 14 томах, т.4, М.,МИФИ, 2003, с.123-124.
   
6. Кабанов Б.В., Фрумкин А.Н. Величина пузырьков газа, выделяющихся при электролизе. // Журнал физической химии, т.4 (1933), вып.5, с.538-548
   
7. Гегузин Я.Е. Пузыри. М., Наука. М., 1985.-176с.
   
8. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е. Возникновение и развитие объёмного разряда между твёрдыми и жидкими электродами. // Сб.научн.ст. Химия плазмы, вып.16. М., 1990, с. 120 – 156.
   

9. Остроумов Г.А. Взаимодействие электрических и гидродинамических полей. М.: Наука, 1979. – 319с.

10. Нигматулин Р. Ш. Теория электрохимического диода. // ДАН СССР, 1963, т.150. №3, с. 600-603.


PLAZMADYNAMIC FORMATION OF D₂ - Li⁺ COMPOUND

FOR MICROBUBBLES SYNTHESIS

V.Y.Velikodny, V.G.Grishin

vvelikodny@hotbox.ru, grishin1@hotbox.ru


The experimental-theoretical investigation of electrical discharge in electrolyte and their application is continued. It has been made plasmadynamic (PD) device for generation gas-liquid environment, which contain D₂ and according to the requirement of the microbubbles syntesis of light nucleus: d_bubble< 100 mcm, volumetric gas's consistence φ_vgc> 0,65. PD-generation of «poros liquid» is made in heavy water (D₂O) limit concentration solution of lithium carbonate

(Li₂CO₃) with аdding hydroxide of lithium (LiOD) . It has been applying cathode-anode electrical discharge (CAEDE) using semi-conductor directive properties forming in working electrode оf PD-reactor.