Спосіб ударного стиснення речовини, пристрій для його здійснення і плазмовий катод для пристрою

1. Спосіб ударного стиснення речовини з використанням релятивістського вакуумного діода (РВД), що має вісесиметричні вакуумну камеру з електропровідними стінками, плазмовий катод і анод-концентратор, який включає виготовлення мішені у вигляді вісесиметричної деталі з конденсованої речовини, що служить щонайменше частиною анода-концентратора, встановлення анодаконцентратора у РВД з зазором відносно плазмового катода практично на одній з ним геометричній осі і імпульсний розряд джерела живлення на РВД у режимі самофокусування електронного пучка на поверхні анода-концентратора, який відрізняється тим, що використовують вісесиметричний плазмовий катод у вигляді електропровідного стрижня з торцевим діелектричним елементом, у якого периметр заднього торця щонайменше в площині, перпендикулярній осі симетрії катода в цілому, охоплює периметр зазначеного стрижня з безперервним зазором, а площа емітувальної поверхні перевищує максимальну площу поперечного перерізу анода-концентратора, анод-концентратор установлюють з таким зазором відносно плазмового катода, при якому центр кривизни робочої поверхні анода-концентратора розташований усередині фокального простору колективно самофокусовного електронного пучка і діють на анодконцентратор електронним пучком з енергією електронів не менше 0,2МеВ, густиною струм у не менше 106А/cм 2 і тривалістю не більше 100нc. 2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що в складі РВД використовують вісесиметричний плазмовий катод, у якого електропровідний стрижень загострений, а торцевий діелектричний елемент має отвір для насадки на зазначений стрижень, 2 (19) 1 3 71084 4 геометричної осі плазмового катода і анодащо має електропровідний стрижень для підклюконцентратора до внутрішньої сторони електрочення до імпульсного високовольтного джерела провідної стінки вакуумної камери перевищує живлення і торцевий діелектричний елемент, який 50dmax, де dmax - максимальний поперечний розмір відрізняє ться тим, що щонайменше в площині, анода-концентратора. перпендикулярній осі симетрії катода, периметр 10. Пристрій за п.9, який відрізняється тим, що заднього торця діелектричного елемента охоплює електропровідний стрижень плазмового катода периметр зазначеного стрижня з безперервним загострений, а торцевий діелектричний елемент зазором. має отвір для насадки на стрижень, посадкова 17. Катод за п.16, який відрізняється тим, що йочастина якого разом з вістрям знаходиться усерего електропровідний стрижень загострений, а тордині отвору. цевий діелектричний елемент має отвір для наса11. Пристрій за п.9, який відрізняється тим, що дки на стрижень, посадкова частина якого разом з анод-концентратор має круглу в поперечному певістрям знаходиться усередині зазначеного отворерізі форму і повністю виконаний з електропровіру. дного в основній масі матеріалу, що підлягає 18. Катод за п.17, який відрізняється тим, що тотрансмутації. рцевий діелектричний елемент має глухий отвір. 12. Пристрій за п.9, який відрізняється тим, що 19. Катод за п.17, який відрізняється тим, що тоанод-концентратор виконаний складеним і вклюрцевий діелектричний елемент має наскрізний чає щонайменше одношарову тверду оболонку і отвір. щільно охоплену цією оболонкою вставну мішень у 20. Катод за п.16, який відрізняється тим, що товигляді тіла обертання, яка виготовлена з довільрцевий діелектричний елемент виготовлений з ного конденсованого матеріалу і має діаметр, вибматеріалу, вибраного з групи, що складається з раний у межах (0,05-0,2)dmax, де dmax - максималькарболанцюгових полімерів з одинарними карбонний поперечний розмір анода-концентратора. карбоновими зв'язками, композиційних матеріалів 13. Пристрій за п.9, який відрізняється тим, що в з органічними сполучниками типу гетинаксу або хвостовій частині анода-концентратора встановтекстоліту, ебенової деревини, природної чи синлений щонайменше один екран з переважно електетичної слюди, чистих оксидів металів III-VII гр уп тропровідного матеріалу. періодичної системи елементів Менделєєва, неор14. Пристрій за п.13, який відрізняється тим, що ганічних стекол, ситалів, повсті з базальтового зазначений екран виконаний у вигляді тонкостінноволокна і керамічних діелектриків. го тіла обертання, діаметр якого не менше 5dmax і 21. Катод за п.16 або п.17, чи п.18, який відрізняяке віддалене від найближчого до плазмового кається тим, що торцевий діелектричний елемент тода торця цього анода на відстань до 20dmax, де має розвинену поверхню. dmax - максимальний поперечний розмір анода22. Катод за п.16 або п.17, який відрізняється концентратора. тим, що мінімальний поперечний розмір зазначе15. Пристрій за п.14, який відрізняється тим, що ного діелектричного елемента С де мін=(5-10)Сес макс, зазначене тонкостінне тіло обертання з боку аноа довжина цього елемента lде=(10-20)Сес макс, де да-концентратора має плоску або увігн уту поверхСес макс - максимальний поперечний розмір електню. ропровідного стрижня. 16. Вісесиметричний плазмовий катод для РВД, Винахід відноситься: до технології ударного стиснення конденсованої (рідкої або, переважно, твердої) речовини до надщільного стану, у якому можуть перебігати пікноядерні процеси і інерціальний термоядерний синтез (далі ІТС), і до конструкції пристроїв для її здійснення на основі релятивістських вакуумних діодів (далі РВД), включаючи плазмові катоди для них. Ця технологія призначена переважно для трансмутації ядер атомів одних хімічних елементів у ядра інших хімічних елементів з метою: експериментального одержання переважно стабільних ізотопів хімічних елементів, включаючи синтез стабільних трансуранидів, і переробки радіоактивних відходів, що містять довгоіснуючі ізотопи, у матеріали, що містять короткоіснуючі і/або стабільні ізотопи, що особливо важливо для дезактивації відпрацьованих джерел гамма-випромінювання, наприклад на основі радіоактивних ізотопів кобальту, що широко застосовують у промисловості і медицині. У перспективі ця технологія може служити для одержання енергії шляхом ІТС з використанням переважно твердих мішеней. Стосовно до винаходу тут і далі позначені: терміном «мішень» - однократно використовувана для ударного стиснення доза щонайменше одного довільного ізотопу щонайменше одного хімічного елемента, що служить сировиною для одержання продуктів ядерних перетворень і, за бажанням, первинним енергоносієм для одержання енергії; терміном «ударне стиснення» - ізоентропійна імпульсна дія самофокусовної хвилі щільності, що сходиться на щонайменше частину мішені; терміном «надщільний стан» - такий стан щонайменше частини мішені після ударного стиснення, у якому істотна частина її речовини перетворюється в електронно-ядерну і електронно-нуклонну плазму; терміном «пікноядерний процес» - така (зокрема, «холодна») рекомбінаційна взаємодія між компонентами електронно-ядерної і електроннонуклонної плазми стиснутої до надщільного стану речовини мішені, під час якої відбувається щонайменше зміна елементного складу мішені; терміном «плазмовий катод» - така замінна в міру зносу осесиметрична частина негативного електрода 5 71084 6 РВД, що здатна на початку розрядного імпульсу першим, але не єдиним накопичувачем енергії генерувати з матеріалу приповерхнього шару плазвичайно служить пристрій на основі LC-ланцюга змову оболонку з близькою до нуля роботою ви(див., наприклад: збірник статей «ENERGY STORходу електронів, терміном «анод-концентратор» AGE COMPRESSION AND SWITCHING» edited by така однократно використовувана змінна осесимеW.H. Bostick, V. Nardy and O.S.F. Zucker, Plenum трична частина анода РВД, що у найпростіших Press, New York and London або його російській демонстраційних експериментах цілком виготовпереклад «Накопление и коммутация энергии лена з переважно електропровідного в основній больших плотностей». - Москва: «МИР», 1979). масі матеріалу і безпосередньо служить мішенню, Спроби реалізувати зазначені теоретичні приа при використанні пристрою для промислових пущення на практиці довгі роки були спрямовані потреб має вигляд щонайменше одношарової тільки на ІТС, промислове освоєння якого здаваоболонки з твердого міцного матеріалу, усередині лося достатньою умовою переходу людства в якої також осесиметрично з забезпеченням акус«енергетичний рай». тичного контакту закріплена обрана мішень; і терСаме тому як активну речовину спочатку заміном «фокальний простір» - така частина простостосовували тільки газоподібні дейтерій або дейру вакуумної камери РВД, що об'ємно охоплює терій і тритій, а мішені виготовляли у вигляді гервизначений відрізок загальної геометричної осі метичних порожніх сфер, заповнених мікроскопічсиметрії електродів РВД і в який при відсутності ними (близько 0,1мг) порціями зазначених ізотопів перешкод і при заданих значеннях площі емітуюводню. Далі на кожну таку мішень синхронно і рівчої поверхні плазмового катода, енергії електронів номірно з багатьох сторін направляли пучки елекі густини струму внаслідок колективного самофотромагнітного випромінювання лазерного драйвекусування релятивістських електронів можливий ра. Нагрівання оболонки викликало абляцію (частпінч електронного пучка. ковий випар) її зовнішньої частини. Розширення Теоретично загальновідомо (див., наприклад матеріалу, що випарувався, породжувало реактиUS Patent 4,401,618), що для проведення керовавні сили, які викликали імплозію, тобто рівномірне них ядерних реакцій необхідно і достатньо: постиснення внутрішньої частини оболонки й активперше, виготовити мішень мікроскопічного об'єму, ної речовини мішені в напрямку до центра сфери маса якої звичайно сягає від декількох мікрограмів (див., наприклад: 1. US Patent 4,401,618; 2. J. Lindl, до декількох міліграмів, по-друге, зафіксувати Phys. of Plasmas, 1995; 3. К. Mima et al., Fusion сформовану мішень у просторі, по-третє, якомога Energy, 1996, IAEA, Vienna, v.3, p.13, 1996). рівномірнішим ударним стисненням мішені у всьоЦя схема ІТС здавалася бездоганною. Дійсно, му її об'ємі перевести речовину у надщільний стан тривалість імпульсів лазерного випромінювання і, по-четверте, удержати речовину мішені в такому можна довести до величин близько 1нс. Це забезстані на час, достатній для трансмутації і/або печує е фективне часове стиснення потоку енергії, злиття ядер атомів, що може супроводжуватися а різке зменшення площі поверхні мішені служить виділенням або поглинанням енергії. передумовою і для просторового стиснення цього Варто відмітити, що зазначені обмеження мапотоку. си мішені важливі в основному для ІТС, тому що На жаль, к.к.д. лазерів не перевищує 5%, що з 1мг дейтерію або суміші дейтерію і тритію по енерсамого початку ставило під сумнів ефективність гоємності еквівалентний приблизно 20-30кг тринітлазерного драйвера з урахуванням критерію Лоуротолуолу. сона (J.D. Lawson, Proc. Phys. Soc., В.70, 1957). Теоретично також загальновідомо, що трансДалі, синхронізація включення лазерів вимагає мутація і/або злиття ядер відбуваються практично складної системи автоматичного керування. І, наодночасно з досягненням надщільного стану. Тому решті, абляція супроводжується істотними втразусилля фахі вців з ядерної фізики дотепер були тами енергії на нагрівання оболонки і мішені в ціспрямовані на створення якомога ефективніших лому. Тому дотепер ніхто не довів газоподібну способів і засобів ударного стиснення речовини. речовину мішені до надщільного стану і не одерІ, нарешті, також теоретично зрозуміло: що тажав позитивний вихід енергії, що перевищує її вике стиснення можливе тільки при генеруванні потрати на ініціювання ІТС. тужного механічного імпульсу тривалістю порядку Відомі спроби створити тиски і температури, кількох десятків наносекунд і фокусуванні цього достатні для ініціювання і протікання ІТС, акустичімпульсу на істотній частині (а гранично - на всій) ним драйвером, що має викликати кавітацію в поверхні мішені, розташованої в надійно ізольоваконденсованих, зокрема, «рідких», мішенях (US ному від навколишнього середовища об'ємі, що Patents 4,333,796; 5,858,104 і 5,659,173). Так, у для цього необхідні такі засоби просторовоміжнародній публікації WO 01/39197 описані: часового стиснення потоку енергії, як первинне (1) кавітаційний термоядерний реактор, що джерело енергії, щонайменше один накопичувач має: щонайменше одне джерело механічних ультенергії, щонайменше один перетворювач накопиразвукових коливань, переважно декілька звукоченої енергії в ударний механічний імпульс і мехапроводів, здатних передавати ці коливання в ренічного ударника для практично ізоентропійної зонансному режимі в замкнутий об'єм мішені зі передачі цього імпульсу на мішень, і що питання збільшенням густини потоку енергії в розрахунку про достатній набір таких засобів і взаємозв'язків на одиницю площі, та засіб добору тепла у вигляді між ними може бути вирішений по-різному залежпридатного теплообмінника; і но від цілей експериментів по ударному стисненню (2) такий спосіб використання описаного реакречовини з тим застереженням, що при підклютора, що передбачає: виготовлення мішеней, що ченні до промислової мережі електропостачання погано проводять звук, шляхом запресовування 7 71084 8 паливного матеріалу, необхідного для ядерного друге, подачу мішені в міжелектродний зазор РВД, синтезу, зокрема, дейтериду титана, або дейтериу який відкритий вихід засобу генерування анодної ду літію, або дидейтериду гадолінію і т.д., у тверду плазми, і по-третє, практично синхронне вприскуматрицю з звукопровідного тугоплавкого металу вання анодної плазми й імпульсне (до 10нс) кільтипу титана, вольфраму, гадолінію, осмію, або цеве ударне стиснення мішені закорочуванням на молібдену, уведення щонайменше однієї такої неї через анодну плазму потужного (порядку матриці з щонайменше однією такою мішенню в 100Твт) стр уму, що несе енергію близько 1Мдж. акустичний контакт з щонайменше одним звукоОднак таким способом дуже важко стиснути проводом, що підключений до джерела ультразвуречовину мішені до надщільного стану і удержати кових механічних коливань, діяння на таку матриїї в ньому на час, достатній для злиття ядер атомів цю серією ультразвукових імпульсів у резонансз виділенням енергії, тому що розміри мішені явно ному режимі, що, внаслідок перетворення кінетичменше довжини пробігу електронів з енергією блиної енергії механічних коливань у теплоту, виклизько 1,5МеВ. Тому кінетична енергія електронів кає механохімічну деструкцію дейтеридів і псевдопрактично миттєво у всьому об'ємі мішені перезрідження мішеней і, внаслідок «випару» дейтерію творюється в теплову енергію і викликає об'ємний з мішеней, практично одночасно збуджує в «рідтепловий вибух ядерного палива. Далі, у відомому ких» мішенях кавітацію, тобто появу парових пухиспособі украй важко синхронізувати влучення мірців і їх схлопуванння під тиском матеріалу матришені, що вільно летить, у центр кільцевого катода ці, і завершення процесу після протікання усереРВД з розрядом джерела енергії і створенням дині мішеней реакцій ядерного синтезу з виділенплоского плазмового анода. Відповідно, фокусуням енергії. вання потоку електронів на мішені може бути доЗастосування твердих (у ви хідному стані) місягнуто тільки випадково незважаючи на регулюшеней і ультразвукових механічних імпульсів для вання напруги розряду і густини анодної плазми. їх ударного стиснення здається дуже приваблиВідомий з того ж джерела пристрій для ударвим. На жаль, джерела ультразвуку, як і лазери, ного стиснення речовини на основі РВД має сфемають незначний к.к.д. Мало того, на відміну від ричну оснащену теплообмінником вакуумну камелазерів ці джерела дають дуже малу густин у потуру з каналом для подачі мішеней, два симетрично жності в імпульсі, що і змушує вводити систему розташованих щодо центральної площини вакуу«джерело ультразвуку - дейтеридна мішень» у мної камери кільцевих катода, додатковий прирезонансний режим. Однак і в цьому режимі оснострій для вприскування плазми, який розташовавна частина енергії витрачається на нагрівання ний між катодами і який формує плоский плазмомішеней і розсіюється. Тому ударне стиснення вий анод безпосередньо перед розрядом ланцюга речовини до надщільного стану не було досягнуто живлення. навіть при тривалому «накачуванні» енергії в міІ, нарешті, відомий з того ж джерела катод має шені. струмоведучу частину і фокусуючий наконечник, Відповідно, проблема створення практично що виконаний у вигляді кільця з гострою крайкою ефективних способів і засобів ударного стиснення для збільшення на ній градієнта електричного поречовини до надщільного стану залишається актуля. Під час розряду крайка такого катода покриваальною. ється власним шаром плазми. Перспективний підхід до її рішення заснований У такому РВД практично неможливо передати на застосуванні РВД, що відомі ще з початку XX мішені помітну частку енергії кільцевого електростоліття (див., наприклад: 1. C.D. Child, Phys. Rev., нного пучка, тому що він вже в момент формуванv.32, h.492, 1911; 2. I. Langmuir, Phys. Rev., v.2, ня знаходиться на порозі пінча і нестійкий (особp.450, 1913). ливо в сполученні з плазмовим анодом, параметри Кожен РВД має вакуумну камеру, де закріплені якого помітно змінюються як протягом кожного катод і анод, підключені до накопичувача електриімпульсу, так і від імпульсу до імпульсу). чного заряду через імпульсний розрядник. При Тому бажано, щоб анод був твердим і або сам досить великому заряді і малій тривалості розрядпо собі служив мішенню, або включав мішень, і ного імпульсу такі діоди здатні забезпечити вибущоб у процесі розряду одночасно виключався пінч хову емісію електронів з поверхні катода і їх розгін у міжелектродному зазорі і досягалося самофокудо субсвітло вих швидкостей з к.к.д. більш 90%. сування електронного пучка на поверхні анода. Саме як генератори і прискорювачі потужних Дивно, що, за наявними даними, у пошуках заелектронних пучків РВД були об'єктом уваги фізисобів такого роду основна увага була приділена ків протягом усього XX століття, а численні удотільки профілюванню емітерів катодів РВД при сконалення конструкції таких діодів у цілому і, осовикористанні практично плоских анодів. Яскравим бливо, катодів для них були спрямовані на просприкладом такого підходу може служити імпульсне торово-часове стиснення енергії в електронних джерело електронів на основі РВД, у якого плазпучках і надання цим пучкам необхідної просторомовий катод має профільовану пластину з діелеквої форми. трика і так само профільовану електропровідну Спроба створити спосіб ударного стиснення накладку на частину поверхні зазначеної пластини речовини у РВД з метою ІТС відома з US Patent (SU 1545826 А1). Такий складений катод при імпу3,892,970. Цей спосіб включає: виготовлення мільсному розряді може породжувати не підданий шені у вигляді симетричної крупинки конденсовапінчу електронний пучок з профілем, що відповіної (зокрема, твердої) речовини, яка служить задає профілю діелектричної пластини. мороженим паливом для термоядерного синтезу Однак для ІТС і пікноядерних процесів необ(тобто дейтерій або суміш дейтерію і тритію), похідно якомога рівномірніше стиснення мішені, яке 9 71084 10 не можна забезпечити профілюванням електроMoskow: Nauka Publishers, 2000, p.60). нного пучка. Тому описаний РВД, як і його аналоги, Надання обом електродам специфічних геопрактично непридатний в процесах ударного стисметричних форм дозволило придушити пінч у міжнення речовини до надщільного стану. електродному зазорі РВД, загострити електронний Труднощі придушення пінча в міжелектроднопучок і забезпечити його самофокусування на нему зазорі і забезпечення самофокусування електзначній частині поверхні анода-концентратора. ронних пучків на поверхні мішеней породили в Однак така по суті точкова дія на анодбагатьох фізиків такий песимізм, що вони зробили концентратор придатна лише для демонстрації висновок про принципову непридатність РВД як можливості застосування РВД для ударного стисдрайвера для трансмутаційних процесів і ІТС нення речовини, але не здатна гарантувати стис(див., наприклад: 1. James J. Duderstadt, Gregory нення речовини до надщільного стану в істотній Moses, Inertial confinement fusion. John Wiley and частині об'єму мішені при кожному черговому імSons, New York, 1982 (Дж. Дюдерштадт, Г. Мозес. пульсному розряді. Инерциальный термоядерный синтез. М.; ЭнергоУ зв'язку з викладеним вище в основу винахоатомиздат, 1984, с.18.); 2. Е.Р. Velikhov, ду покладена задача: по-перше, зміною умов виS.V. Putvinsky. Fusion power. Its status and role in конання операцій створити такий спосіб ударного the long-term prospects. In 4.2.2. Drivers for Inertial стиснення, що міг би гарантувати стиснення істотControlled Fusion/ http://relcom.website.ru/wfsної частини речовини мішені до надщільного стану moscow. і мн. ін.). при кожному черговому імпульсному розряді на Проте, пошуки в цьому напрямку продовжуваРВД, по-друге, зміною форми і взаєморозташулися. вання електродів у РВД створити такий пристрій Так, найближчі до винаходу по технічній суті для ударного стиснення речовини, що практично спосіб і пристрій, що у принципі придатні для удаздійснював би спосіб, і, по-третє, зміною форми і рного стиснення речовини, були розкриті на міжспіввідношення розмірів електропровідної і діелекнародній конференції, присвяченій прискорювачам тричної частин створити такий осесиметричний частинок (S. Adamenko, Е. Bulyak et al. Effect of плазмовий катод, що забезпечував би найекономіAuto-focusing of the Electron Beam in the Relativistic чніше практичне здійснення способу. Vacuum Diode. In: Proceedings of the 1999 Particle Поставлена задача в першій частині вирішена Accelerator Conference, New York, 1999) і пізніше у тим, що в способі ударного стиснення речовини з статті (V.I. Vysotski, S.V. Adamenko et al. Creating використанням РВД, що має осесиметричну вакуand using of superdense micro-beams of relativistic умну камеру з електропровідними стінками, осеelectrons. Nuclear Instruments and Methods in Physсиметричний плазмовий катод і осесиметричний ics Research A 455, 2000, Р.123-127). анод-концентратор, який включає: виготовлення Спосіб ударного стиснення речовини, який мішені у вигляді осесиметричної деталі з конденфа хівці можуть легко виявити з зазначених джесованої речовини, що служить щонайменше часрел інформації, включає: виготовлення мішені у тиною анода-концентратора, встановлення анодавигляді такої осесиметричної деталі з конденсоваконцентратора у РВД з зазором відносно плазмоної речовини, що служить щонайменше частиною вого катода практично на одній з ним геометричній анода РВД (а саме - у вигляді напівсферичного осі і імпульсний розряд джерела живлення на РВД наконечника голчастого анода-концентратора діау режимі самофокусування електронного пучка на метром порядку кількох мікрометрів), встановленповерхні анода-концентратора, згідно з винаходом ня мішені у РВД, оснащений також осесиметричвикористовують осесиметричний плазмовий катод ним плазмовим катодом, що розташований праку вигляді електропровідного стрижня з торцевим тично на одній геометричній осі з зазначеним анодіелектричним елементом, у якого периметр заддом-концентратором і видалений від нього на кільнього торця щонайменше в площині, перпендикука міліметрів, і імпульсний розряд джерела живлярній осі симетрії катода, охоплює периметр залення на РВД у режимі самофокусування електрозначеного стрижня з безперервним зазором, а нного пучка на поверхні анода-концентратора. площа емітуючої поверхні перевищує максимальПристрій для ударного стиснення речовини ну площу поперечного переріза анодатаким способом виготовлено на основі РВД. Він концентратора, анод-концентратор установлюють має: міцний газонепроникний корпус, частина якоз таким зазором відносно плазмового катода, при го виготовлена з електропровідного матеріалу, якому центр кривизни робочої поверхні анодавиконана осесиметричною і обмежує вакуумну концентратора розташований усередині фокалькамеру, і закріплені в цій камері практично на одній ного простору колективно самофокусовного елекгеометричній осі осесиметричний плазмовий катод тронного пучка, і діють на анод-концентратор елеі осесиметричний анод-концентратор, з яких щоктронним пучком з енергією електронів не менш найменше плазмовий катод підключений до імпу0,2МеВ, густиною струму не менш 106А/cм 2 і трильсного високовольтного джерела живлення. валістю не більш 100нс. Катод був виконаний за класичною схемою Результати здійснення такого способу вияви«електропровідний звужений в напрямку до анода лися дуже несподіваними навіть для винахідника, (звичайно металевий) стрижень - торцевий діелекщо прагнув отримати їх більш 10-и років. Так, при тричний елемент», периметр і площа робочого використанні найпростіших монометалічних мішеторця якого не перевищують відповідно периметр і ней з високочистих міді, танталу й інших матеріаплощу поперечного перерізу зазначеного стрижня лів удалося експериментально установити наступ(Mesyats G.A. Cathode Phenomena in a Vacuum не: помітна частина маси кожної мішені після удаDischarge: The Breakdown, the Spark and the Arc. рного стиснення розліталася й у вигляді скупчень 11 71084 12 продуктів трансмутації осідала на стінках вакуумщо мішень формують у вигляді вставки в центраної камери РВД і/або на зазначеному далі екрані; льну частину анода-концентратора РВД, діаметр окремі скупчення були досить однорідні за елемеякої вибирають у межах від 0,05 до 0,2 максимантним складом; у скупченнях були вірогідно виявльного поперечного розміру анода-концентратора. лені не тільки стабільні ізотопи відомих нині хімічЦе дозволяє використовувати як об'єкт, що стисних елементів, що не були присутні в речовині кують до надщільного стану, будь-які матеріали мішеней як домішки, але й також відносно стабінезалежно від їх електропровідності і застосовувальні ізотопи невідомих нині і поки що не ідентифіти їх як у твердому, так і в рідкому стані. Зрозумікованих трансуранидів; ізотопний склад продуктів ло, що рідини попередньо капсулюють або безпотрансмутації речовини мішеней істотно відрізнявся середньо у твердій оболонці анодавід довідкових даних про ізотопний склад цих же концентратора, або в окремій оболонці, яку після елементів у земній корі, позитивний вихід теплової герметизації вставляють в анод-концентратор з енергії з зони трансмутації зафіксувати не удалозабезпеченням щільного акустичного контакту. ся. Третя додаткова відмінність полягає в тому, Це принципово відрізняє трансмутацію згідно з що щонайменше тій частини анодавинаходом від традиційної трансмутації обстрілом концентратора, що звернена до плазмового катотвердих мішеней (наприклад, з тієї ж міді або мода, надають сфероїдальну форму. Це дозволяє лібдену) іонами (звичайно дейтронами), що одерзвести механічний солітоноподібний імпульс щільжують із джерел з магнітно-утримуваною анодною ності в мікроскопічне малий об'єм і навіть при міплазмою і розганяють на складних і небезпечних в німальній (порядку 300-1000Дж) витраті енергії експлуатації імпульсних прискорювачах до одерусередині РВД на один «постріл» забезпечувати жання потоків потужністю порядку 1кВт при енергії ударне стиснення речовини кожної чергової мішені іонів більш 5МеВ (див., наприклад, US Patent до надщільного стану з одержанням 1017-1018 ато5,848,110). Дійсно, у таких процесах вдається одемів як продуктів трансмутації. ржувати тільки вже відомі переважно радіоактивні Четверта додаткова відмінність полягає в тоізотопи вже відомих хімічних елементів, наприму, що мішень формують у ви гляді сфероїдальноклад: Zn65, Мо99, І 123, О 15 і т.д., тоді як спосіб згідно го тіла, що щільно фіксують усередині анодаз винаходом практично придатний, як мінімум, для концентратора таким чином, що центри внутрішсинтезу трансуранидів у достатніх для хімічного нього і зовнішнього сфероїдів практично збігаютьдослідження кількостях. ся. Тим самим удається помітно підвищити вихід Згадані вище і докладно описані далі результрансмутованого матеріалу. тати здійснення способу відповідно до винаходу П’ята додаткова відмінність полягає в тому, дозволяють припустити, що електронний пучок що на анод-концентратор діють електронним пучколективно самофокусується на істотній частині ком з енергією електронів до 1,5МеВ, густиною поверхні анода-концентратора і збуджує в його струму не більш 108А/cм 2 і тривалістю не більш приповерхньому шарі механічний солітоноподіб50нс. Ці режими достатні для перебігання пікнояний імпульс щільності, що сходиться до осі симетдерних процесів у мішенях, що складаються з найрії мішені. Цей імпульс ізоентропічно передає енестабільніших атомів хімічних елементів з «середргію, отриману від електронного пучка, на частину ньої частини» таблиці Менделєєва. речовини мішені поблизу осі її симетрії. Передній Шоста додаткова відмінність полягає в тому, фронт зазначеного імпульсу прагне придбати що густина струму в електронному пучку не пересферичну форму. Тому в міру наближення солітовищує 107 А/cм 2, що доста тньо для ефективного ноподібного імпульсу до деякого малого об'єму з ударного стиснення більшості конденсованих міцентром на осі симетрії мішені різко зростає крутишеней. зна його переднього фронту з відповідним зросСьома додаткова відмінність полягає в тому, танням густини енергії в ньому до величини, дощо залишковий тиск у вакуумній камері РВД підстатньої для досягнення надщільного стану речотримують на рівні не більш 0,1Па, що цілком довини і перебігання пікноядерних процесів. Саме статньо для виключення газового розряду між тому на найпростішому (і, що важливо, практично електродами РВД. безпечному в експлуатації) прискорювачі електроЗадача в другій частині вирішена тим, що в нів типу РВД з мінімальною витратою енергії вдапристрої для ударного стиснення речовини на осється, як буде докладно показано нижче, спостерінові РВД, що включає: міцний газонепроникний гати трансмутаційні ядерні реакції з одержанням корпус, частина якого виготовлена з електропровіширокого спектра ізотопів. дного матеріалу, виконана осесиметричною і обПерша додаткова відмінність полягає в тому, межує вакуумну камеру, і встановлені у вакуумній що в складі РВД використовують такий плазмовий камері з зазором практично на одній геометричній катод, у якого електропровідний стрижень загостосі осесиметричні плазмовий катод і анодрений, а торцевий діелектричний елемент має концентратор, з яких щонайменше катод підклюотвір для насадки на зазначений стрижень, посадчений до імпульсного високовольтного джерела кова частина якого разом з вістрям знаходиться живлення, згідно з винаходом плазмовий катод усередині зазначеного отвору. Це дозволяє щовиконаний у вигляді електропровідного стрижня з найменше частково регулювати міжелектродний торцевим діелектричним елементом, у якого пезазор у РВД і стабілізувати роботу плазмового риметр заднього торця щонайменше в площині, катода, що особливо важливо для експериментаперпендикулярній осі симетрії катода, охоплює льної оптимізації процесу ударного стиснення. периметр зазначеного стрижня з безперервним Друга додаткова відмінність полягає в тому, зазором, а площа емітуючої поверхні перевищує 13 71084 14 максимальну площу поперечного переріза анодащо таке тонкостінне тіло обертання з боку анодаконцентратора, щонайменше один з електродів концентратора має плоску чи увігн уту поверхню. РВД оснащений засобом регулювання міжелектЦе істотно сповільнює заростання стінок вакуумної родного зазору, а відстань від загальної геометрикамери РВД опадами, що містять продукти пікноячної осі зазначених плазмового катода й анодадерних процесів. концентратора до внутрішньої сторони електроЗадача в третій, допоміжній частині вирішена провідної стінки вакуумної камери перевищує тим, що в осесиметричному плазмовому катоді, 50dmax, де dmax - максимальний поперечний розмір що має електропровідний стрижень для підклюанода-концентратора. чення до імпульсного високовольтного джерела РВД, що має сукупність цих ознак, як мінімум живлення і торцевий діелектричний елемент, згідпридатний для трансмутації ядер одних хімічних но з винаходом, щонайменше в площині, перпенелементів у ядра інших хімічних елементів, як це дикулярній осі симетрії катода, периметр заднього зазначено вище в коментарях до суті способу згідторця діелектричного елемента охоплює периметр но з винаходом. зазначеного стрижня з безперервним зазором. Перша додаткова відмінність полягає в тому, Торцевий діелектричний елемент такого катощо електропровідний стрижень плазмового катода да при пробої по поверхні практично миттєво позагострений, а торцевий діелектричний елемент кривається плазмою. Робота виходу електронів з має отвір для насадки на зазначений стрижень, такої плазми близька до нуля. Тому стр ум у міжпосадкова частина якого разом з вістрям знахоелектродному зазорі РВД і, відповідно, сумарна диться усередині зазначеного отвору. При такій енергія електронів в електронному пучку практичконструкції переміщенням діелектричного елеменно збігаються з фізично припустимими максимата щодо електропровідного стрижня можна стабільними значеннями цих параметрів. Саме тому лізувати роботу плазмового катода і щонайменше плазмовий катод згідно з винаходом бажано зачастково регулювати міжелектродний зазор у РВД. стосовувати в пристроях на основі РВД для ударДруга додаткова відмінність полягає в тому, ного стиснення речовини. що анод-концентратор має круглу в поперечному Перша додаткова відмінність полягає в тому, перерізі форму і цілком виконана з електропровідщо електропровідний стрижень плазмового катода ного в основній масі матеріалу, що підлягає загострений, а торцевий діелектричний елемент трансмутації. Це дозволяє на найпростіших зразмає отвір для насадки на зазначений стрижень, ках з чистих металів або сплавів металів демонпосадкова частина якого разом з вістрям знахострувати ефект трансмутації і, зокрема, одержувадиться усередині зазначеного отвору. Як уже було ти трансураниди. сказано вище, це дозволяє використовувати плазТретя додаткова відмінність полягає в тому, мовий катод щонайменше як один із засобів регущо анод-концентратор виконаний складеним і лювання міжелектродного зазору у РВД. включає щонайменше одношарову тверду оболоДруга додаткова відмінність полягає в тому, нку і щільно охоплену цією оболонкою вставну що торцевий діелектричний елемент має глухий мішень у вигляді тіла обертання, що виготовлена з отвір, що бажано при регулюванні міжелектроднодовільного конденсованого матеріалу і має діаго зазору у РВД. метр (0,05-0,2)·dmax, де dmax - максимальний попеТретя додаткова відмінність полягає в тому, речний розмір анода-концентратора. Це дозволяє що торцевий діелектричний елемент має наскрізударно стискувати речовини не тільки з метою ний отвір, що бажано для регулювання утворення трансмутації ядер атомів, але і з метою одержання плазмової хмари при пробої і стабілізації роботи енергії в зоні перебігу пікноядерних процесів з ісРВД. тотним (щонайменше на порядок) перевищенням Четверта додаткова відмінність полягає в токритерію Лоусона. му, що торцевий діелектричний елемент виготовЧетверта додаткова відмінність полягає в толений з матеріалу, обраного з групи, що складаму, що в хвостовій частині анода-концентратора ється з карболанцюгових полімерів з одинарними встановлено щонайменше один екран з переважкарбон-карбоновими зв'язками, композиційних но електропровідного матеріалу. Він може уловматеріалів типу гетинаксу або текстоліту з органічлювати частину продуктів пікноядерних процесів, ними сполучними, ебенової деревини, природної отриманих при ударному стисненні до надщільночи синтетичної слюди, чистих оксидів металів ІІІго стану основної мішені, і служити додатковою VII гр уп періодичної системи елементів Менделєємішенню для між'ядерних взаємодій при розльоті ва, неорганічних стекол, ситалів, керамічних діечастинок анода-концентратора. лектриків і повсті з базальтового волокна. П'ята додаткова відмінність полягає в тому, Цей бажаний перелік дозволяє підбирати діещо зазначений екран виконаний у вигляді тонколектричні матеріали з урахуванням різних вимог. стінного тіла обертання, діаметр якого не менш Наприклад, зазначені органічні матеріали і повсть 5dmax і яке видалене від найближчого до плазмовоз базальтового волокна бажані з розумінь зручносго катода торця цього анода на відстань до 20dmax, ті виготовлення торцевих діелектричних елементів де dmax - максимальний поперечний розмір анодаі маніпулювання ними при регулюванні міжелектконцентратора. За цих умов електропровідний родного зазору у РВД, а інші зазначені неорганічні екран сприяє самофокусуванню електронного пучматеріали бажані з погляду стійкості до зносу і ка на більшій частині поверхні анодамінімуму впливу на залишковий тиск у вакуумній концентратора й уловлює помітну частину продуккамері РВД після кожного чергового «пострілу». тів пікноядерніх процесів. П’ята додаткова відмінність полягає в тому, Шоста додаткова відмінність полягає в тому, що торцевий діелектричний елемент має розвине 15 71084 16 ну поверхню, що полегшує утворення плазмової масі) розподілу хімічних елементів по масах атомхмари при пробої. них ядер у продуктах трансмутації хімічно чистого Шоста додаткова відмінність полягає в тому, свинцю; що мінімальний поперечний розмір зазначеного фіг.13 - графік відносного розподілу тих же хідіелектричного елемента сде мін =(5-10)·сec макс, а мічних елементів по масах атомних ядер у продукдовжина цього елемента Іде =(10-20)·сес макс, де сес тах трансмутації хімічно чистого свинцю; фіг.14 - реперний мас-спектр ізотопів нікелю, макс - максимальний поперечний розмір електропровідного стрижня. При таких відносних розмірах отриманий дослідженням зразків природного нікечастин плазмового катода цілком виключається лю і співпадаючий з природною поширеністю таких пінч у міжелектродному зазорі РВД і гарантується ізотопів у земній корі; самофокусування електронного пучка на істотній фіг.15 - мас-спектр відносного розподілу ізоточастині анода-концентратора. пів нікелю в одному зі скупчень на мідному екрані, Повинно бути зрозуміло, що при виборі конкщо були отримані внаслідок пікноядерних процесів ретних варіантів здійснення винаходу можливі у цілісній мідній мішені (зразок №1); довільні комбінації зазначених додаткових відмінфіг.16 - такий же мас-спектр, як на фіг.16, ностей з основним винахідницьким задумом, що отриманий при дослідженні іншого скупчення атоцей задум у межах згідно з формулою винаходу мів нікелю на тім же екрані; може бути доповнений і/або уточнений з викорисфіг.17 - мікрофотографія продукту ударного танням звичайних знань фахівців і що описані далі стиснення речовини до надщільного стану у викращі приклади втілення винахідницького задуму гляді «вбитої» у мідний екран і частково протравніяким чином не обмежують обсяг прав на основі леної іонним пучком залізної півсфери зі сферичвинаходу. ним поглибленням. Далі суть винаходу (на прикладах трансмутації Пристрій згідно з винаходом (див. фіг.1) викоядер у пікноядерних процесах) пояснюється донано на основі РВД. Його істотними частинами кладним описом конструкції пристрою і способу служать: міцний газонепроникний корпус 1, частиударного стиснення речовини з посиланнями на на якого виготовлена з електропровідного матерідодані креслення, де зображені на: алу (наприклад, з міді чи нержавіючої сталі), викофіг.1 - конструктивна схема взаєморозташунана осесиметричною і обмежує вакуумну камеру, вання електродів у РВД з зазначенням регульовазамкнену в робочому положенні торцевою діелекних геометричних параметрів; тричною кришкою 2 і, який підключається за необфіг.2 - структурна схема імпульсного високохідністю через щонайменше один не позначений вольтного джерела живлення; особливо штуцер до вакуум-насоса; невитратний фіг.3 - краща конструкція осесиметричного осесиметричний електропровідний стрижень 3 плазмового катода (у поздовжньому розрізі по осі переважно круглої в поперечному перерізі і пересиметрії); важно конусоподібної в поздовжньому перерізі фіг.4 - вигляд заднього торця осесиметричного форми, що жорстко і герметично закріплена в плазмового катода в площині IV-IV (з поперечним кришці 2 і служить для підключення РВД до описаперерізом електропровідного стрижня); ного нижче імпульсного високовольтного джерела фіг.5 - цілісний осесиметричний анодживлення; змінний (у міру зносу) осесиметричний концентратор, безпосередньо використовуваний плазмовий катод, що має: як мішень для демонстрації ударного стиснення - електропровідний стрижень 4, хвостовик якоречовини до надщільного стану (у поздовжньому го закріплений у стрижні 3, і розрізі по осі симетрії); - жорстко зв'язаний зі стрижнем 4 торцевий діфіг.6 - пустотілий осесиметричний аноделектричний елемент 5, у якого площа робочого концентратор з вставною сфероїдальною мішенторця перевищує площу поперечного переріза ню, призначений, наприклад, для щонайменше стрижня 4; часткової трансмутації довгоіснуючіх радіоактивосесиметричний анод-концентратор 6, який них ізотопів обраних хімічних елементів у стабільні може бути цілісним або включати мішень 7 і у якоізотопи переважно інших хімічних елементів (у го максимальна площа поперечного переріза мепоздовжньому розрізі по осі симетрії); нше площі емітуючої поверхні торцевого діелектфіг.7 - графік зміни напруги і струм у в розрядричного елемента 5; за бажанням, екран 8 з переному імпульсі РВД; важно електропровідного матеріалу, що встановфіг.8 - графік абсолютного (у відсотках по малений у хвостовій частині анода-концентратора 6; сі) розподілу хімічних елементів по масах атомних щонайменше один (не показаний конкретно і умоядер у продуктах трансмутації хімічно чистої міді; вно позначений тільки парами стрілок під зобрафіг.9 - графік відносного розподілу ти х же хіміженнями плазмового катода 4,5 і анодачних елементів по масах атомних ядер у продукконцентратора 6) засіб регулювання міжелектродтах трансмутації хімічно чистої міді; ного зазору, тобто відстані між розташованими фіг.10 - графік абсолютного (у відсотках по практично на одній геометричній осі точкою перемасі) розподілу хімічних елементів по масах атомсічення торцевої поверхні діелектричного елеменних ядер у продуктах трансмутації хімічно чистого та 5 плазмового катода з віссю його симетрії й танталу; аналогічною точкою на торці анода-концентратора фіг.11 - графік відносного розподілу тих же хі6. мічних елементів по масах атомних ядер у продукІмпульсне високовольтне джерело живлення тах трансмутації хімічно чистого танталу; РВД (див. фіг.2) у найпростішому випадку може фіг.12 - графік абсолютного (у відсотках по бути виконане у вигляді добре відомої фахівцям 17 71084 18 системи, що включає щонайменше один ємнісний зуміло, що ця умова може бути виконана при різній чи індуктивний накопичувач енергії з щонайменше формі контурів поперечних перерізів стрижня 4 і двома плазмовими (або іншими) переривниками елемента 5. струму. Однак кращі такі «гібридні» джерела живДуже бажано, щоб торцевий діелектричний лення (див., наприклад: 1. P.F. Ottinger, елемент 5 плазмового катода мав розвинену зовJ.Appl.Phys., 56, No.3, 1984; 2. Долгачёв Г.И. и др. нішню поверхню, наприклад, первиннo шорстку, як Физика плазмы, 24, №12, с.1078, 1984), що мають на фіг.4, або навмисно рифлену щонайменше в послідовно включені (див. фіг.2): вхідний трансфоодному довільному напрямку. Зокрема, можуть рматор 9 з засобом підключення до промислової бути використані елементи 5, що у поперечному електричної мережі і високовольтною вихідною перерізі мають форму осесиметричної багатопрообмоткою, накопичувальний LC-ланцюг 10, що меневої зірки. містить не показані особливо придатні конденсаБажано, щоб мінімальний поперечний розмір тори та елементи індуктивності, і блок 11 плазмосде мін торцевого діелектричного елемента 5 був вого переривання струму розряду в LC-ланцюзі, обраний в інтервалі (5-10)·сес макс, а довжина Іде що містить декілька симетрично розташованих в цього елемента знаходилася в інтервалі (10-20)·сес одній площині відомих фахівцям плазмових гармакс, де сес макс - максимальний поперечний розмір мат, кількість яких (зокрема до 12-и) звичайно доелектропровідного стрижня 4. рівнює кількості конденсаторів у складі LCЕлемент 5 плазмового катода може бути виголанцюга. товлений з будь-якого діелектричного матеріалу, Природно, що поряд з зазначеними «силовиякий - при обраних формі і розмірах - здатний до ми» блоками до складу імпульсних високовольтпробою при обраній робочій напрузі в зазорі між них джерел живлення РВД звичайно включені такі електродами РВД. не показані особливо засоби виміру імпульсних Бажано, щоб такий матеріал був обраний з струмів і напруг, як щонайменше один пояс Роговгрупи, що складається з карболанцюгових полімеського і щонайменше один ємнісний подільник рів з одинарними карбон-карбоновими зв'язками напруги. (наприклад, поліетилену або поліпропілену), комДжерело такого типу було використано для позиційних матеріалів з органічними сполучниками живлення РВД в описаних далі експериментах по типу ге тинаксу або текстоліту, ебенової деревини, ударному стисненню речовини до надщільного природної чи синтетичної слюди, чистих оксидів стану. Це джерело могло забезпечувати наступні металів III-VII груп періодичної системи елементів граничні значення керованих параметрів: Менделєєва, неорганічних стекол, ситалів, повсті з середня енергія електронів від 0,2 до базальтового волокна і керамічних діелектриків. у п учку 1,6МеВ; Осесиметричний анод-концентратор 6, як уже тривалість існування електбуло зазначено вище, може бути: або цілісним ронного пучка до 100нс; (див. фіг.5) і складатися з довільного твердого потужність електронного пувід 2·109 до звичайно електропровідного в масі переважно чка 0,75·1012Вт; металевого матеріалу (включаючи як чисті метали, струм високовольтного розвід 10кА до так і їх сплави), наприклад, з міді, танталу, свинцю ряду 500кА. і т.д.; або мати (див. фіг.6) щонайменше одношаДля ефективного здійснення способу ударного рову переважно сфероїдальну оболонку 6 з перестиснення речовини при виготовленні окремих важно електропровідного матеріалу і щільно закрічастин РВД і мішеней рекомендується дотримуваплену в ній вставну осесиметричну мішень 7 з доти ряд додаткових умов. вільної конденсованої (твердої чи рідкої) речовиТак, важливо, щоб відстань від загальної геони, що підлягає ударному стисненню. метричної осі плазмового катода 4,5 і анодаМаксимальний діаметр вставної осесиметричконцентратора 6 до внутрішньої сторони електроної мішені 7 бажано вибирати в межах (0,05провідної стінки корпуса 1 перевищувала 50dmax де 0,2)·d max, де dmax - максимальний поперечний розdmax - максимальний поперечний розмір анодамір анода-концентратора 6 у цілому. Незалежно концентратора 6. від геометричної форми тіла мішені 7 вона повиДоцільно, щоб плазмовий катод (див. фіг.3) нна бути закріплена усередині анодамав загострений електропровідний стрижень 4 і концентратора 6 так, щоб центр кривизни її поверторцевий діелектричний елемент 5 з глухим або хні практично збігався з центром кривизни робочої наскрізним отвором. Цей елемент 5 має бути поповерхні анода-концентратора 6. Дуже важливо, саджений на стрижень 4 з незначним натягом так, щоб густина дислокацій у матеріалі анодащоб посадкова частина стрижня 4 разом з вістрям концентратора 6 і в матеріалі мішені 7 була якзнаходилася усередині зазначеного отвору. При найменша і щоб між цими деталями був забезпецьому форма такого отвору і поперечного переріза чений акустичний контакт. стрижня 4 (при дотриманні умови осесиметричноЕкран 8, встановлюваний у хвостовій частині сті) у поперечному перерізі може бути некруглою анода-концентратора 6, звичайно виготовлений з (наприклад, овальною, еліптичною, зіркоподібною, електропровідного матеріалу і має вигляд переваяк показано на фіг.4, і т.д.). жно тонкостінного тіла обертання. Діаметр екрана Також доцільно, щоб периметр заднього торця 8 має бути не менш 5dmax, а його видалення від діелектричного елемента 5 (див. фіг.4) щонаймеробочого торця анода-концентратора 6 - не більш нше в площині, перпендикулярній осі симетрії пла20dmах, де dmax - максимальний поперечний розмір змового катода, охоплював периметр електропроанода-концентратора 6. Бажано, щоб екран 8 з відного стрижня 4 з безперервним зазором. Зробоку робочого торця анода-концентратора 6 мав 19 71084 20 плоску чи уві гнуту поверхню (див. фі гури 5 і 6). дами і засобами. Спосіб ударного стиснення речовини за допоЕкспериментальними мішенями служили: для могою описаного пристрою в загальному вигляді демонстрації ефекту трансмутації при ударному передбачає: стиснення речовини до надщільного стану - цілісні а) підключення електропровідного стрижня 4 аноди-концентратори 6 згідно фіг.5; а для оцінки описаного вище плазмового катоду до електроможливості знешкодження радіоактивних матеріапровідного невитратного стрижня 3; лів - пустотілі аноди-концентратори 6 з вставними б) виготовлення запасу змінних осесиметрич(з дотриманням умов щільного акустичного контаних анодів-концентраторів 6 з переважно округлекту і практичного збігу центрів кривизни робочих ними робочими торцями в одному з двох варіантів, поверхонь) мішенями 7 (див. фігури 1 і 6). а саме: або у вигляді цілісних деталей з підлягаюЦілісні аноди-концентратори 6 мали усередчих ударному стисненню (і трансмутації або іншонений радіус кривизни робочих торців, як правило, му ядерному перетворенню) матеріалу, або у вив інтервалі від 0,2 до 0,5мм. Вони були, зокрема, гляді переважно одношарових оболонок, у які виготовлені з таких хімічно чистих металів, як мідь, щільно вставлені мішені 7 з (за необхідністю, потантал і свинець. Такі аноди-концентратори 6 мопередньо капсульованого) матеріалу, що підлягає жна зберігати на повітрі. Виникаюча при цьому на ударному стисненню (і трансмутації або іншому поверхні (особливо міді і свинцю) оксидна плівка ядерному перетворенню); не перешкоджає, а за деякими спостереженнями в) за бажанням, оснащення щонайменше денавіть сприяє їх застосуванню по зазначеному яких анодів-концентраторів 6 електропровідними вище призначенню. екранами 8 з міді, свинцю, ніобію, танталу і т.д.; Вставні мішені 7 мали вигляд гранул, що були г) встановлення кожного чергового анодавиготовлені з доступного на ринку ізотопу Со 60 і зі концентратора 6 у вакуумну камеру корпуса 1 РВД штучни х сумішей Со 56 і Со58, отриманих опроміпрактично на одній геометричній осі з плазмовим ненням природного нікелю на циклотроні У-120 в катодом 4,5; Інституті ядерних досліджень Національної акадед) регулювання зазору між робочими торцями мії наук України. торцевого діелектричного елемента 5 плазмового При використанні таких мішеней усередині вакатода й анода-концентратора 6 таким чином, щоб куумних камер РВД установлювали додаткові не центр кривизни робочої поверхні анодапоказані особливо оболонки з полікапролактаму концентратора 6 при імпульсному розряді джерела (капрону). Ці оболонки охоплювали обидва електживлення на РВД опинився усередині фокального роди РВД і істотно знижували небезпеку осідання простору колективно самофокусовного електрозалишків радіоактивного кобальту на стінках корнного пучка; пуса 1 і кришки 2 РВД. е) запирання вакуумної камери установкою Вихідні і досягнуті після трансмутації використорцевої кришки 2 з діелектричного матеріалу на таних ізотопів кобальту значення радіоактивності фланець міцного газонепроникного електропровіконтролювали за допомогою загальновідомих гердного корпуса 1 РВД; маній-літієвих гамма-детекторів. ж) вакуумування камери в корпусі 1 РВД, що До початку робочих експериментів по ударнопроводять: перед першим «пострілом» щонаймему стисненню речовини до надщільного стану бунше двічі (спочатку відсмоктуючи повітря, а потім ло проведено більш тисячі «пристрілювальних» щонайменше однократно продуваючи камеру чисекспериментів. За їх підсумками були обрані й тим сухим азотом і повторно відсмоктуючи до зауточнені границі міжелектродного зазору у РВД, лишкового тиску газів не більш 0,1Па), а перед що гарантують (з урахуванням розмірів деталей кожним наступним «пострілом» - щонайменше плазмового катода й анода-концентратора і конкоднократно, якщо залишковий тиск перевищить ретних режимів розряду) влучення центрів кривиззазначену величину; ни мішеней у фокальний простір електронного з) підключення зовнішнього високовольтного пучка РВД. джерела живлення РВД до електричної мережі Робочі експерименти проводили серіями, їх кічерез вхідний трансформатор 9 і накопичення нелькість у серіях була різною і складала від 50 (при обхідного для експерименту запасу електричної трансмутації радіоактивного кобальту) до декільенергії в LC-ланцюзі 10; кох сотень. Нумерація всіх експериментів наскрізи) розряд LC-ланцюга 10 через блок 11 плазна. мового переривання імпульсу стр уму на невитратВихідні дані про використані мішені, параметний осесиметричний електропровідний стрижень ри розряду й отримані результати під черговими 3, змінний електропровідний стрижень 4 і торценомерами записували в лабораторні журнали. вий діелектричний елемент 5 на анодФорму імпульсів напруги і стр уму в міжелектконцентратор 6 РВД, при якому породжується елеродному зазорі РВД і фактичну тривалість існуктронний пучок з енергією електронів не менш вання електронного пучка контролювали по відпо0,2МеВ, густиною струм у не менш 106А/cм 2 (а певідним осцилограмам. Типові приклади таких осреважно не більш 108А/cм 2 і особливо переважно цилограм наведені на фіг.7. Як видно на цих (і бане більш 107А/cм 2) і тривалістю не більш 100нс (а гатьох інших) осцилограмах, тривалість існування переважно не більш 50нс); електронного пучка не перевищує 100нс. к) вилучення з вакуумної камери корпуса 1 Важливо, що стр ум електронного пучка (неРВД продуктів, що виникли при стисненні частини зважаючи на різке спадання напруги на плазмоворечовини мішені до надщільного стану, і досліму катоді РВД) лише незначно зменшується в подження цих продуктів загальноприйнятими меторівнянні з піковим значенням. Це свідчить про 21 71084 22 ефективність використання плазмових катодів нного пучка були встановлені орієнтовні норматизгідно з винаходом. ви міжелектродного зазору і визначені очікувані Після статистичної обробки результатів привеличини об'єму фокального простору (див. табстрілювальних експериментів з урахуванням керолицю 1). ваних параметрів процесу генерування електроТаблиця 1 Залежність міжелектродного зазору й об'єму фокального простору від інших параметрів процесу генерування електронного пучка Середня Розміри діелектричного енергія елек- елементу плазмового катотронів в пучда, мм ку, МеВ діаметр довжина 0,2 4,0-6,0 5,0 0,5 16,0-24,0 8,75 1,0 45,0-67,0 9,5 1,5 80,0-120,0 15,25 Розміри робочого торця анодаОб'єм фокаконцентратора Міжелектродльного просрадіус кривиний зазор, мм площа, мм 2 тору, мм 3 зни, мм 0,25 0,75 2,0-3,0 0,02 0,45 2,4 7,0-10,5 0,12 0,73 6,7 36,5-55,0 біля 0,5 біля 1,0 біля 12,3 >59 біля 1,3 У подальших, робочих експериментах дотримання таких границь міжелектродного зазору у РВД гарантувало: по-перше, влучення центрів кривизни робочої поверхні цілісних анодівконцентраторів 6 (а при використанні мішеней 7 також і центрів кривизни їх поверхонь) у фокальний простір колективно самофокусовного електронного пучка і, по-друге, спостереження ефекту трансмутації при кожному імпульсному розряді джерела живлення на РВД. Далі, при дотриманні зазначених у Таблиці 1 параметрів удавалося забезпечувати густину струму на поверхні робочого торця анодаконцентратора 6 в межах від 106А/cм 2 до 108А/cм 2. У більшості експериментів по ударному стисненню цей параметр підтримували в інтервалі від 106А/cм 2 до 107 А/cм 2. Результати всіх робочих експериментів виглядали однотипно, а саме: з частини (у середньому біля 30% по масі) вихідного матеріалу виникали продукти трансмутації у вигляді широкого спектра звичайно стабільних ізотопів різноманітних (як легких, так і важких і навіть надважких трансуранових) хімічних елементів; ці продукти і незмінені за хімічним складом залишки цілісних анодівконцентраторів 6 (і вставних мішеней 7) розліталися з зони ударного стиснення речовини до надщільного стану переважно в напрямку, протилежному плазмовому катоду, і осаджувалися у вигляді різноманітних за формою і розмірами каплеподібних скупчень на стінках вакуумної камери РВД і/або на екранах 8, якщо вони були використані. Ці продукти збирали для досліджень. Для реєстрації окремих скупчень продуктів трансмутації і визначення їх положення на підкладках (зокрема, на екранах 8) з метою наступного дослідження елементного й ізотопного складу (а в окремих випадках - для фіксації зовнішньої форми таких продуктів) застосовували електронні мікроскопи-мікроаналізатори типу РЭММА-102, «Tesla» і «Саmеса», а для дослідження елементного й ізотопного складу виявлених продуктів - Ожеспектрометр моделі «Jamp 10S» японської фірми JEOL, часо-пролітний лазерний мас-спектрометр імпульсної дії, розроблений у Київському націона льному університеті ім. Т.Г. Шевченко (Україна), іонний мікрозонд моделі IMS-4f фірми САМЕС А і високочутливий мас-спектрометр моделі VG9000 фірми FINNIGAN. У підсумку всі х робочих експериментів по ударному стисненню до надщільного стану цілісних анодів-концентраторів 6, кожен з яких практично у всій масі мішеней кожної серії був представлений одним хімічним елементом, була виявлена істотна розбіжність їх вихідного складу з елементним і ізотопним складом продуктів трансмутації. Щоб переконатися в цьому, розглянемо фігури 8-13, на яких вертикальними штриховими лініями відзначений заряд ядра «материнського» хімічного елемента. У порядку пояснення відзначимо, що присутність у продуктах трансмутації ізотопів хімічних елементів, що не входили до складу вихідного матеріалу мішені, позначено на фігурах 8, 10 і 12 двічі, а саме: світлими кружками - відповідно до їх концентрації в виявлених продуктах пікноядерних процесів, а чорними квадратиками - відповідно до їх концентрації в земній корі. Заряди ядер цих ізотопів і їх масову частк у у відсотках неважко визначити, керуючись числовими позначеннями відповідно по осі абсцис і осі ординат. На фігурах 9, 11 і 13 показано за допомогою світлих трикутників і поставлених поруч хімічних символів відносне відхилення Y концентрацій конкретних хімічних елементів від природної норми, обчислене по формулі A -B = Y, A +B де А - частка визначеного ізотопу визначеного хімічного елемента в продуктах трансмутації (% по масі), а В - частка того ж ізотопу того ж хімічного елемента в земній корі (% по масі). Як явно видно на фігурах 8, 10 і 12, трансмутація вихідних міді, танталу і свинцю приводить до появи широкого спектра ізотопів різних хімічних елементів з зарядами Z ядер, що відрізняються від заряду ядер «материнського» елемента як у меншу, так і у більшу сторони. 23 71084 24 Однак чим більше заряд ядер матеріалу мішеЦе явно свідчить про штучне походження таких ні, тим вище імовірність появи стабільних трансупродуктів пікноядерних процесів. ранових (у тому числі, ще не ідентифікованих) Подібні результати по зміні елементного й ізохімічних елементів з атомними масами більш топного складу були отримані й в експериментах з 250а.о.м. (а в окремих випадках, що потребують мішенями з радіоактивного кобальту. Однак у цих додаткової перевірки - до 600 і більш а.о.м.). випадках основна увага була приділена зниженню Присутність атомів з такими масами, спочатку радіоактивності в продуктах розльоту мішеней виявлених методом іонної мас-спектрометрії, повнаслідок трансмутації радіоактивних ядер кобатім перевіряли добре відомими фахівцям з ядерльту в тих частинах мішеней, що попадали у фоної фізики методами зворотного кулонівського кальний простір, у нерадіоактивні стабільні ізотопи розсіювання альфа-частинок і протонів. інших хімічних елементів. Мало того, на фігурах 9, 11 і 13 явно видно, Це зниження в різних зразках досить істотно що концентрації істотної частини хімічних елеменрозрізнялося, що можна пояснити розходженнями тів у продукта х трансмутації статистично вірогідно в щільності акустичного контакту між внутрішніми (більш ніж у три рази, а деяких елементів - у 5-10 і стінками порожнин в анодах-концентраторах і мабільш разів) перевищують їх нормальні конценттеріалом вставних мішеней 7 (див. у таблиці 2 рації в земній корі (див. виділені темно-сірим ковибірку даних з лабораторного журналу заявника). льором площі в інтервалі значень Y від 0,5 до 1,0). Таблиця 2 Зниження радіоактивності продуктів розльоту кобальтових мішеней Номер зразка 2397 2398 2425 2426 Зниження гаммаактивності,% 47,6 10,7 21,6 17,0 Номер зразка 2479 2481 2534 2558 Дійсно, у результаті трансмутації зразок №2479 був дезактивований усього на 2,2%, тоді як зразки №2397 і №2588 утратили більш 45% активності. Далі, було точно встановлено, що розподіл ізотопів у скупченнях атомів кожного з хімічних елементів, виявлених у продуктах пікноядерних процесів, істотно відрізняється від розподілу тих же ізотопів у земній корі. Найяскравішим прикладом результатів такого роду служить разюче розходження між нормальним розподілом ізотопів нікелю в природних зразках (фіг.14) і в двох скупченнях атомів нікелю, що були отримані шляхом трансмутації міді (фігури 15 і 16). Так, до 70% маси природного нікелю складає ізотоп Ni58, а в продуктах трансмутації міді (з перевагою в мішені ізотопу Сu63) частка Ni58 ледь перевищила 10%. Аналогічно, помітно (практично вдвічі) знизилася концентрація ізотопу Ni60, тоді як концентрація Ni62 різко зросла. І, нарешті, яскравим доказом ударного стиснення речовини до надщільного стану способом згідно з винаходом є викид з фокального простору РВД досить великих тіл, форма яких наочно свідчить про існування в цьому просторі умов для короткочасної появи щонайменше електронноядерної і, дуже імовірно, електронно-нуклонної плазми. Так, на фіг.17 на тлі мідного екрана видна переважно залізна півсфера, що містить 93% Fe по масі з домішками ізотопів кремнію і міді. Очевидно, ця півсфера є уламком сферичного Зниження гаммаактивності,% 2,2 22,8 29,5 22,9 Номер зразка 2588 2600 2769 2770 Зниження гаммаактивності,% 46,5 33,3 28,9 36,4 тіла, що утворилося з істотної частини цілісного мідного анода-концентратора 6 (зразок №4908 відповідно до лабораторного журналу заявника). Вона має зовнішній діаметр близько 95мкм і внутрішню практично концентричну сферичну порожнину діаметром близько 35мкм. Нерівності на більшій частині кільцевого торця півсфери зв'язані з розколом вихідної сфери. Неважко припустити, що в експерименті зі зразком №4908 центр фокального простору електронного пучка практично збігся з центром кривизни мішені. У цьому випадку солітоноподібний імпульс щільності самофокусувався в об'ємі, що в описаному продукті представлений сферичною порожниною. Запропонований пристрій для ударного стиснення речовини може бути реалізований з використанням доступних на ринку комплектуючих виробів, а на основі запропонованого способу можуть бути розроблені і здійснені високоекономічні й екологічно безпечні технологічні процеси: поперше, синтезу стабільних трансуранових хімічних елементів, що надзвичайно важливо для розширення знань про природу; по-друге, трансмутації ядер відомих хімічних елементів для експериментального одержання їх стабільних ізотопів і для знешкодження радіоактивних матеріалів (включаючи відходи атомної енергетики), що містять довгоіснуючі радіоактивні ізотопи; і, по-третє, інерціального термоядерного синтезу з застосуванням палива на основі широко розповсюджених у природі хімічних елементів і їх композицій. 25 71084 26 27 71084 28 29 Комп’ютерна в ерстка Р. Ціхановський 71084 Підписне 30 Тираж 38 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, Льв івська площа, 8, м. Київ , МСП, 04655, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601