Экспериментальные факты инициирования управляемого низкотемпературного ядерного синтеза в жидком цирконии

Экспериментальные факты инициирования управляемого

низкотемпературного ядерного синтеза в жидком цирконии

НТЦ «Солитон-М». Екатеринбург, Славянская, 62 – 5,

*****@***ru

Факт – это такая мысль, которая истинна

Г. Фреге

Посвящается светлой памяти моего отца –

Новое направление извлечения энергии ядерных превращений, в котором расплавленный в электронной печи цирконий с критической массой использовался в качестве материала для осуществления управляемого ядерного синтеза, обосновано в работах [1-12]. Экспериментально установленные факты, раскрывающие сущность изученных процессов, в наиболее полном объеме изложены в настоящей работе.

При изучении структуры и свойств расплавленных металлов в соответствии с традиционными методами исследований экспериментальные факты получают в основном в лабораторных условиях с использованием сравнительно небольшой массы исследуемого материала [13,14]. Данный подход к исследованиям исключает возможность создания в экспериментах тех условий, при которых влияние величины массы жидкого металла на его поведение при нагреве в различных электрофизических установках может являться наиболее значимым по сравнению с другими факторами воздействия.

С целью устранения этого недостатка в начальном этапе проведенной работы впервые на практике автором была поставлена задача по изучению влияния величины массы жидкого металла на процессы ее взаимодействия с ускоренными электронами. Исследованиями было установлено, что масса жидкого циркония при нагреве электронным лучом в определенных условиях приобретает смысл критического параметра, влияющего на возможность инициирования в металле ядерных превращений. Было выяснено также, что внутренние механизмы осуществляемых процессов обуславливают возможность визуального наблюдения конфигураций возникающих при этом силовых полей [1, 7].

Целью представленной работы явилось выяснение сущности установленного нового явления на основе исследования наглядно проявляющихся закономерностей, связанных с протеканием ядерных реакций и действием генерируемых при этом физических полей.

Методика проведения экспериментов. В качестве основного объекта исследований использовался цирконий, а эксперименты проводились на промышленных электронных печах малого и крупного габарита с горизонтальной подачей переплавляемых заготовок циркония в зону плавки. Конструкция, принцип работы электронных печей и условия расходования энергии при их использовании описаны в литературе [15,16]. Ускоряющее напряжение в электронной пушке аксиального типа, формирующей электронный луч со стабилизированным постоянным током, поддерживалось на уровне 30 кВ. Плотность мощности, подводимой к поверхности жидкой ванны циркония, составляла 0,38 - 0,40 кВт/см2.

При изучении микроструктуры образцов циркония использовались оптический микроскоп МИМ-8 и растровый электронный микроскоп типа Superprobe 733. Рентгеноспектральный микроанализ производился на установке фирмы JEOL, определение химического состава исследуемых образцов проводилось также методами Оже-спектрометрии и вторичной ионной масс-спектрометрии на установке SIMS – 3F. Исследования параметров кристаллической решетки циркония проводились методом рентгеновской дифрактометрии на автоматизированной установке ДРОН – 3,0.

Традиционно при получении из циркония изделий атомных электростанций электронный переплав производится в печах малого габарита. При использовании этих установок формируемая для получения слитка масса жидкометаллической фазы сравнительно мала. В настоящей работе впервые для циркония увеличение этой массы было осуществлено путем использования крупногабаритной электронной печи. В вышеуказанном производстве такие печи не используются ввиду их технологической и экономической нецелесообразности.

В исследовательских работах создаваемые условия экспериментов позволили использовать электронную печь в качестве регистрирующего прибора, а полученные из расплавленного циркония продукты с новыми свойствами - в качестве детектора излучений спонтанно генерируемых физических полей и заряженных частиц.

1.  Экспериментальные исследования аномальных явлений

в жидкой фазе.

1.1.  Образование уединенных волн и другие аномальные

эффекты.

В условиях плавки циркония в малогабаритной электронной печи поверхность массы расплавленного металла в емкости (кристаллизаторе) для его размещения (в связи с многократным употреблением в дальнейшем это выражение кратко будем называть жидкой массой) обычно выглядит в виде неподвижной горизонтальной плоскости с видимым следом перемещающегося по этой поверхности электронного луча. В начальный период плавки циркония в крупногабаритной электроннолучевой печи, когда жидкая масса сравнительно мала, ее поверхность выглядит так же. Формирование такой картины связано, очевидно, с тем, что расплавленный металл находится в состоянии устойчивого равновесия массы под действием сил тяжести и внутреннего трения и, как любая жидкость, стремится к сокращению своей поверхности под влиянием поверхностной энергии. Как выяснилось в процессе проведения экспериментов, данное свойство при достижении определенного порогового значения жидкой массы металла и постоянстве подводимой мощности электронного луча в отсутствии ввода какого-либо другого вида энергии извне нарушается. Оно проявляется в том, что в зоне плавки возникают объемно распространяющиеся дальнодействующие силы, существенно влияющие на распределение векторов сил давления в жидкой фазе, изменение формы ее свободной поверхности и обуславливающие переход массы вещества из состояния устойчивого равновесия системы в состояние упорядоченного и ускоренного движения. При этом в центре жидкой массы, хотя ввод энергии магнитного поля известными методами не производился[17,18], происходит образование динамических возмущений в виде волновой ряби на ее поверхности, а в последующем - самопроизвольное искривление и перемещение границы раздела поверхности жидкой фазы с вакуумным пространством плавильной камеры. Сравнительно большая масса жидкой фазы в этом процессе упорядоченно скапливается на участке воздействия на нее электронным лучом и с ускорением движется вверх в виде бегущей уединенной волны, приобретая форму конуса (рис.1а, б) и белое яркое свечение, которое по своему оттенку отчетливо выделяется от свечения жидкого циркония. В процессе движения этот сгусток вещества скачкообразно увеличивается в размерах по горизонтали и вертикали за счет вовлечения в процесс его ускоренного перемещения все большего количества жидкого металла из периферии. Одновременно происходит самопроизвольное сжатие массы этого вещества. На поверхности жидкой массы по направлению от периферии к ее центру образуется множество удлиняющихся по мере формирования бегущей вверх одиночной волны радиальных (стреловидно направленных) волнистых следов с проявлением на них отчетливо выделяющегося белого свечения. В описанном процессе ярко светящаяся граница раздела уединенной волны с периферийной массой жидкого металла вокруг ее основания приобретает зубчатую (пилообразную) конфигурацию.

С достижением максимальных размеров образовавшаяся уединенная волна движется вниз с уменьшением размеров и исчезает. Затем происходит образование стремительно увеличивающегося в размерах углубления в виде конуса, направленного вершиной в противоположную сторону - вниз, к центру массы жидкой фазы. При этом направление наблюдаемых радиально направленных следов с белым свечением изменяется в обратную сторону и более отчетливо обнаруживается вращательное движение жидкой массы вещества с формированием вихревого течения вокруг центральной оси, а вдоль кромки основания конуса в зоне выброса жидкой фазы фиксируется сетчатые линии с белым свечением. В дальнейшем происходит уменьшение размеров углубления с его исчезновением и формируется новый выступ в виде конуса. Процесс периодического возникновения и исчезновения выступов и углублений, сопровождающийся появлением вихрей, повторяется непрерывно в описанной последовательности.

Был обнаружен необычный эффект, заключающийся в том, что при установлении частоты описанных колебаний на уровне 1 Гц (интенсивность пульсаций сравнительно мала) на верхних кромках торцевых поверхностей заготовок циркония и периферийных участках жидкой массы возникает множество слегка пульсирующих столбиков жидкой фазы во взвешенном состоянии. Диаметр этих выступов на поверхности жидкой массы составляет 3-4 мм, а высота мм. В последующем на указанном месте заготовок в локализованных его участках вырастает множество конусообразных пиков затвердевшего металла, на вершинах которых также продолжается пульсация жидкой фазы. В жидкой массе в отдельные промежутки времени указанные столбики при движении вниз исчезают и также периодически вновь появляются с ускоренным перемещением вверх. При этом наблюдается вихревое течение жидкой фазы. Более отчетливо вихри и более мелкие столбики жидкой фазы в громадном количестве становятся возможными для наблюдения на всей поверхности жидкой массы в точечных ее зонах после выключения электронного луча, когда яркость свечения в большей степени ослабевает, а интенсивность пульсаций плавно уменьшается.

В определенные моменты на поверхности жидкой массы образуются стоячие волны в виде концентрических круговых волн, а в центральной зоне устойчиво поддерживается цилиндрический слегка пульсирующий выступ.

Наблюдения показали также образование над уединенной волной белого облака (клубка, вихрей частиц) в виде белого «тумана» с заметным движением составляющих его частиц.

1.2.  Взаимодействие уединенных волн с массивными

заготовками циркония.

Дальнейшие наблюдения показали, что с возникновением уединенных волн интенсивность разогрева торцевых поверхностей заготовок и плавления металла самопроизвольно (без увеличения мощности электронного луча) повышается, в результате чего становится возможным одновременная подача двух массивных заготовок в зону плавки по мере их плавления с определенной скоростью. В традиционном процессе электроннолучевой плавки металлов такой прием не может осуществляться из-за недостаточности мощности нагрева в зоне плавки и отсутствия условий для равномерного ее распределения по разогреваемым поверхностям заготовок.

В конце каждого периода перемещения уединенной волны вверх глубина разогретых слоев торцевых частей заготовок еще более возрастает и яркость их свечения импульсивно усиливается. Таким образом, при постоянстве подводимой энергии электронного луча, происходит повышение интенсивности гидродинамических процессов с формированием упорядоченных потоков массы жидкого вещества в виде уединенных волн и одновременно с этим значительно возрастает скорость плавления заготовок (согласно проведенным расчетам - в 6-8 раз) за счет поступления к ним значительного количества энергии, излучаемой этой массой. Осуществляется активное бесконтактное взаимодействие уединенных волн и заготовок циркония. Это наглядно проявляется в том, что свободное пространство между заготовками формируется в соответствии с конфигурацией и динамикой уединенных волн, а торцевые их части приобретают вид кривых поверхностей - наклонных плоскостей, направленных под определенным углом в разные стороны от середины заготовок (рис.1б). Нижняя половина торцевой поверхности каждой заготовки расплавляется, пространственно приобретая ту конфигурацию, которая геометрически соответствует закономерностям движения уединенной волны вверх. Процесс плавления верхней их половины, как это видно, согласуется с закономерностями процесса, связанного с изменением направления движения уединенных волн в обратную сторону и преобразования при этом их конфигурации. В конечном итоге на конфигурации свободного пространства между торцевыми поверхностями заготовок циркония накладываются отображения формы уединенных волн и характерные особенности ее изменения в гидродинамическом процессе.

При течении вниз с верхних частей поверхностей заготовок жидкая фаза не отрывается на образовавшихся заостренных выступах, а продолжает течь дальше по наклонной поверхности металла в обратную сторону и стекает с нее в периферийную зону жидкой массы металла. В процессе периодического перемещения уединенных волн вверх в гидродинамическом слое переплавляемых заготовок образуются бегущие вверх волны в виде гребней, а жидкий металл, стекающий с поверхностей заготовок, притягивается к уединенным волнам. При движении уединенных волн вниз наблюдается обратная картина. Такое взаимодействие сопровождается распадом струи жидкого металла на отдельные части с образованием множества капель. Как следует из закономерностей наблюдаемых процессов, силы сцепления жидкой фазы с поверхностями заготовок в гидродинамическом слое определенным образом ориентированы и носят активный характер, противодействуя силам тяжести и вязкостного трения. Их действие приводит к формированию в этом слое динамических волновых структур и согласованно проявляется в соответствии с закономерностями формирования уединенных волн.

В процессе движения вверх уединенная волна огибает бесконтактно ограничивающие ее перемещение поверхности заготовок c проявлением тенденции выталкивания массы в свободное пространство между ними, в результате чего на вершине уединенной волны (на гребне волны) вдоль направления электронного луча образуется цилиндрический выступ. С повышением тока электронного луча до определенных значений интенсивность процесса ускоренного выброса и сжатия массы жидкой фазы скачкообразно возрастает, а ранее сформировавшийся цилиндрический выступ удлиняется до 200-300 мм. Наблюдаемые эффекты связаны с дифракцией волны, происходящей при ее взаимодействии с поверхностями слоями заготовок циркония, и свидетельствуют об ускоряющей и ориентирующей роли электронного луча в осуществлении процесса упорядоченного перемещения и сжатия массы уединенной волны.

Было обнаружено, что масса жидкой фазы из емкости для ее размещения ориентированно переносится на твердую поверхность заготовки циркония. Такой процесс в обычных условиях плавки не происходит. В данном случае выясняется, что он связан с закономерностями образования уединенных волн и их взаимодействием с поверхностными слоями массивных заготовок, которые в соответствии с приобретенными в этом процессе специфической структурой и свойствами становятся подложками для эпитаксиального роста кристаллов. Особенность проявления механизма этого переноса массы заключается в том, что он включает в себя действие сил, обуславливающих упорядоченное перемещение частиц жидкой массы с образованием тонкого слоя жидкого конденсата на поверхности заготовки и протекание в последующем периодической (слоистой) его кристаллизации. В результате этого на поверхности заготовки образуется специфическая сетчатая картина из множества отделенных друг от друга мелких кристаллов, ориентирующихся в процессе их роста в одном направлении[7, 8].

1.3.  Уединенные волны – источники переменного тока и магнитного поля.

Процесс образования бегущих уединенных волн поддерживается сколь угодно долго при включенной электронной пушке, а также продолжается с постепенным затуханием в течение всего процесса перехода жидкой ванны в состояние кристаллизации. После выключения тока электронного луча вокруг основания зарождающихся уединенных волн более отчетливо проявляется подвижный замкнутый участок в виде светящейся круговой волны (она видна в отдельные моменты и до выключения электронного луча), которая периодически уменьшается и увеличивается в диаметре синхронно с возникновением и исчезновением выступов и углублений (7). Уменьшение и увеличение диаметра круговой волны сопровождается соответственно усилением и ослаблением яркости ее свечения.

В начальный момент (кратковременно) после прекращения нагрева электронным лучом уединенные волны все еще сохраняют способность перемещаться с ускорением, а в локальных зонах по периферии жидкой ванны формируются конусообразные пики расплавленного металла, которые распадаются на отдельные капли с проявлением взрывного характера их выброса. Затухание колебаний после выключения электронного луча продолжается в течение 20 – 40 сек.

С момента образования бегущих одиночных волн и появления при этом характерного белого свечения на поверхности жидкой массы не обнаруживается обычно наблюдаемый след перемещающегося электронного луча. Кроме того, становится невозможным вывод электронного луча из зоны нагрева жидкой массы с помощью электромагнитных линз электронной пушки. Обычно этот прием периодически используется оператором для нагрева и плавления расположенной над кристаллизатором заготовки.

В процессе эксперимента был проведен следующий опыт. С возникновением уединенных волн ускоряющее напряжение (30 кВ) в электронной пушке было уменьшено до 26 кВ. При этом было обнаружено, что хотя исходная энергия ускоренных электронов значительно уменьшена, ускоренный характер движения одиночных волн, процесс расплавления металла и вихревое перемешивание жидкой массы продолжаются. При указанном значении ускоряющего напряжения фокусировка электронного луча и расплавление металла в обычных условиях (при отсутствии уединенных волн) становятся практически невозможными. Данный факт отчетливо показывает, что из объема жидкой массы выделяется избыточная энергия, за счет которой происходит формирование и поддержание уединенных волн.

Посредством амперметра магнитоэлектрической системы, подключенного в электрическую схему измерения тока электронного луча, зафиксировано, что в такт с периодическим появлением уединенных волн (выступов и углублений) и изменением диаметра светящейся круговой волны в сравнительно большом интервале происходит колебание стрелки амперметра при включенном токе электронного луча – по шкале амперметра в интервале от 6,0 А до 13 А.

Как известно, работа магнитоэлектрических приборов осуществляется при взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с проводником (обмоткой в виде подвижной рамки) с током [19]. При протекании переменного тока в проводнике рамка, соединенная со стрелкой прибора, должна поворачиваться то в одну, то в другую сторону, что действительно происходит в данном эксперименте. В электронной пушке формируется электронный луч со стабилизированным постоянным током. В заданных условиях ее функционирования электронный луч переменным током не обладает. При ускоряющем напряжении 30кВ в электронной пушке значение магнитного поля электронного луча ничтожно мало и им можно пренебречь.

Следовательно, амперметр регистрирует генерирование переменного тока и переменного магнитного поля в условиях взаимодействия электронного луча с уединенными волнами.

В вышеописанных процессах с аномальными эффектами обнаруживается установление определенных взаимосвязей между закономерностями взаимодействия электронного луча с уединенными волнами, переноса массы вещества с формированием уединенных и круговых волн, изменения размеров и яркости свечения, роста кристаллов на поверхности заготовки циркония, колебаниями стрелки амперметра и характерными признаками выделения энергии из объема жидкой массы. Выясняется, что именно выделением внутренней энергии в жидкометаллической фазе и генерированием при этом в ней дальнодействующих физических полей обусловлены процессы формирования уединенных волн, их ускоренного перемещения с упорядоченным переносом массы жидкой фазы. В результате этого становится возможным проведение процесса плавки даже при уменьшении исходной энергии ускоренных электронов. Взрывной направленный выброс и распад массы жидкой фазы на капли, деформация жидкой массы с возникновением упругих колебаний, ее специфическое свечение, интенсивное перемешивание и повышение скорости плавления заготовок циркония и другие вышеописанные аномальные эффекты тоже связаны с действием механизмов структурно-фазовых превращений, происходящих в жидком цирконии с выделением энергии.

Таким образом, экспериментально установленные факты свидетельствуют о том, что в жидком цирконии осуществляются структурно-фазовые превращения, приводящие к выделению энергии и образованию уединенных волн, которые являются источниками переменного тока и, соответственно, переменного магнитного поля. Данный вывод подтверждается также нижеописанными результатами экспериментов.

1.4.  Управление процессом формирования уединенных волн.

Экспериментально было установлено, что сближение заготовок друг с другом и с поверхностью жидкой массы и отодвигание их друг от друга и от поверхности жидкой ванны приводят соответственно к автоматическому увеличению и уменьшению скорости плавления заготовок, максимальных размеров уединенных волн, частоты изменения направления их перемещения. С выполнением этих операций в указанной последовательности происходит соответственно усиление и ослабление яркости свечения массы уединенных волн. В процессе увеличения и уменьшения тока электронного луча наблюдается аналогичная закономерность. Незначительное повышение тока приводит к скачкообразному увеличению частоты колебаний до 4 Гц. С уменьшением тока частота плавно уменьшается.

При уменьшении расстояний между заготовками и поверхностью жидкой массы до определенных значений процесс образования уединенных волн (выступов и углублений) в виде конуса, имеющий характер упругих колебаний и пульсаций, в некоторый момент скачкообразно прекращается. Одновременно поверхность жидкой массы приобретает выпуклую форму с цилиндрическим выступом в центре, а ее периферийная часть отрывается от стенок кристаллизатора. В этот момент в интервале времени не более 1-2 секунд на всей поверхности жидкой массы появляется множество мелких цилиндрических выступов жидкой фазы. После быстрого (молниеносного) их исчезновения также кратковременно в соответствующих им участках появляются чашеобразные углубления. Затем жидкая масса мгновенно переходит в состояние вращения (подобно игрушечному волчку), которое продолжается в течение нескольких секунд. В дальнейшем вращение скачкообразно прекращается и начинается процесс сильной вибрации жидкой массы с установлением интенсивного ее перемешивания. В начальный момент наблюдаемая картина возбуждения силовых полей имеет внешнее сходство с ударным действием вращающихся лопастей пропеллера, оказываемым периодически на поверхности жидкой фазы и одной из заготовок. Данный процесс отличается возникновением стремительно передвигающийся снизу вверх по торцевой поверхности этой заготовки слоя жидкости. Верхняя его граница имеет вид движущегося вала - волны в форме синусоиды и отчетливо выделяется вследствие появления на участке ее образования белого свечения и интенсивно пульсирующих столбиков жидкой фазы. Перемещение этой волны по поверхности заготовки имеет ускоренный характер. С достижением волной определенного уровня возникший совместно с ней гидродинамический слой массы вещества скачкообразно изменяет направление движения в обратную сторону и, мгновенно отрываясь от поверхности заготовки, стремительно уносится в жидкую массу. Одновременно происходит опрокидывание первично возникшей синусоидальной волны. Процесс генерации прямой и обратной синусоидальной волны скачкообразно сильно ускоряется и поддерживается автоматически. В этом процессе оказывается ударное и усиленное разогревающее воздействие на поверхность металлической заготовки и происходит формирование на ней конфигураций волн вследствие этого (7). Выше верхней границы синусоидальной волны появляются неровности в виде волновой ряби - множества гребней и впадин.

Описанный процесс сопровождается появлением на поверхности жидкой массы довольно крупных захлопывающихся полостей и имеет взрывной характер. При этом на ней наблюдаются распространяющиеся от ее периферии к центру и обратно круговые волны. В данный момент пульсация жидкой фазы происходит с незначительной амплитудой. Хотя наблюдаемый процесс имеет внешнее сходство с кипением жидкости, он не сопровождается образованием брызг в осуществляемом процессе интенсивного ее перемешивания и выбросом массы жидкой массы из кристаллизатора ввиду перехода ее в состояние сильного сжатия. В конечном итоге масса жидкого вещества на поверхности приобретает вид ярко белого клубка пены, появляются звуковые эффекты (гул, хлопки). Характерной особенностью этого процесса является также отсутствие при его протекании повышения температуры воды в кристаллизаторе (проводились замеры температуры воды на выходе из кристаллизатора, которая, как и прежде, поддерживалась на уровне 40-42 °C) и интенсивности парообразования металла. После прекращения эксперимента было установлено, что в описанных выше условиях не происходит увеличение количества затвердевшего конденсата циркония на охлаждаемых стенках вакуумной камеры электронной печи за счет его испарения.

Следующий аномальный эффект, сопровождающий обнаруженные явления, заключается в возникновении в пространстве между торцами заготовок вертикального луча невыясненной природы, имеющего свечение с темновато-красным оттенком, который, активно взаимодействуя с жидкой массой подобно погруженной в нее механической мешалке, в начальный период (до 5 секунд) быстро импульсивно перемещался по ломаной приблизительно круговой траектории. В дальнейшем его движение происходило более упорядоченно по круговой траектории в центральной части жидкой ванны. Однако в некоторые моменты времени было заметно стремление этого пространственного образования приблизиться к торцевым поверхностям заготовок циркония. Сближение его с одной из них привело к быстрому выносу из гидродинамического ее слоя жидкого металла с образованием на центральном участке поверхности торца заготовки вертикального углубления шириной до 120 мм.

В условиях проведения эксперимента в плавильной камере сохранялся высокий вакуум, давление остаточных газов в ней еще более уменьшилось, а функционирование электронной пушки происходило стабильно. Было обнаружено, что вышеописанные процессы плавки металла и перемещения массы жидкой фазы самопроизвольно все более и более интенсифицируются с достижением чрезмерно высокой скорости плавления заготовок и силы вибрации массы жидкого вещества. Как показывают расчеты, скорость плавки повышается в 50 раз и более за 15-20 секунд. Это означает, что во столько же раз за указанный промежуток времени возрастает количество выделяемой энергии, идущей на плавление металлических заготовок, расположенных над жидкой массой. Согласно оценочным расчетам, учитывающим вышеописанные аномальные гидродинамические, ударно-звуковые и взрывные эффекты, происходящие в объеме жидкой фазой с большой массой, общее количество выделяемой в ней энергии в 1000 и более раз превосходит вводимую энергию электронного луча. В таких условиях во избежание возникновения недопустимой для эксплуатации электронной печи аварийной ситуации через 15-20 секунд путем выключения тока электронного луча было произведено прекращение этого быстро активизирующегося гидродинамического процесса, сопровождающегося сильным разогревом, плавлением металла и перемешиванием жидкого вещества вплоть до образования быстро увеличивающейся в объеме его массы в виде пены.

2. Исследования твердой фазы

2.1. Аномальные дефекты и волновые структуры.

Исследование состояния торцевой поверхности переплавляемой заготовки циркония после окончания эксперимента показало образование на ней картины фиксации волновых структур (7) и наличие следов эрозии поверхности металла в виде множества образовавшихся кратеров на участке образования указанного вертикального углубления. Здесь же возникли симметричные (параллельные) ряды игольчатых выступов металла с формированием фрактальных образований в виде “пучка” (7) и картины шевронного типа. Кратеры, характеризующиеся возникновением уходящих вглубь металла отверстий, образовались и в других зонах поверхностей заготовок (7).

По обстоятельствам, не связанным с условиями проведения эксперимента, переплавляемые заготовки циркония после эксперимента преждевременно были выгружены из вакуумной камеры до их полного охлаждения. Поэтому их нагретые поверхностные слои покрылись черной пленкой при окислении металла. В отличие от них указанные игольчатые выступы имели светлый (стальной) цвет. Данный факт свидетельствует о том, что эти образования не подверглись окислительному процессу.

Слитки циркония обычного электронного переплава представляют собой монолитную массу металла. В отличие от них, как показали нижеприведенные результаты исследований, слиток циркония, сформировавшийся в вышеописанных условиях эксперимента, не представляет собой, как обычно, сплошную среду. Его массу составляет немонолитный материал, содержащий множество необычных макроскопических дефектов и расслоенных участков.

При исследованиях выяснилось, что на глубине 140-180 мм от верхнего торца полученного слитка зафиксировались три сообщающиеся друг с другом полости с верхними основаниями в виде кругов разного диаметра, которые расположились в одной центральной плоскости на разных уровнях с формированием ступенчатой последовательности [7]. На основаниях внутри полостей образовалось множество игольчатых выступов металла. Большой круг имеет диаметр 45 мм. Выше этих полостей обнаружена цилиндрическая полость с основаниями в виде эллипса, большой диаметр которых составляет 50 мм. Вблизи верхнего торца слитка обнаружена протяженная полость с овальным поперечным сечением. Эти данные подтверждают, что в условиях эксперимента в жидкой ванне действительно возникали захлопывающиеся полости, которые в соответствии с установившимися в жидкометаллической системе новыми закономерностями и свойствами сохранились при ее затвердевании.

Металлографическими исследованиями установлено возникновение в слитке необычных дефектов. Их отличительная особенность заключается в том, что они образовались в виде протяженных и локализованных пустотелых формообразований с симметричной конфигурацией. Кроме того, эти дефекты обнаруживаются в виде необычных продуктов-самородков, которые визуально отчетливо выделяются от основной массы слитка с образованием довольно широкой границы раздела. Они имеют яркий металлический блеск и механически (при скоблении) свободно отделяются от поверхности исследуемого образца. Причем их микроструктура выявляется на поверхности полированных образцов слитка без химического травления.

Одна группа дефектов представляет собой протяженные трубчатые каналы различной конфигурации (рис.2). Они показывают возникновение в затвердевшем металле полостей в виде соединенных между собой синусоидальных волновых и прямолинейных дыр, пустотелой треугольной волновой петли-цепочки, состоящей из регулярно повторяющихся полукруглых звеньев. Эти каналы представляют собой также концентрические кольцевые дыры. Кроме того, в их конфигурации присутствуют элементы формы меандра и регулярно повторяющихся симметричных геометрических фигур [7]. Их выявление происходит в процессе полировки образца под воздействием внешнего давления, оказываемого на его поверхность. Как выяснилось, при этом происходит возбуждение сил в областях расположения показанных пустотелых объектов, что приводит к разрушению (выбросу) образовавшегося над ними при полировке тонкого поверхностного слоя материала с проявлением их конфигурации.

На основе детальных исследований структуры и форм каналов было выяснено, что показанные канализированные дефекты имеют собственные оболочки очень малой толщины, т. е. представляют собой образования в виде изогнутых трубочек с вышеописанными конфигурациями. Материал их стенок в отличие от материала основной массы слитка циркония состоит из более хрупкого вещества. Он обладает повышенной микротвердостью (210 кг/мм2) и находится в напряженном состоянии. Поэтому при оказании на эти стенки незначительного внешнего воздействия (давления, укола и т. д.) в дальнейшем происходит самопроизвольное разрушение их стенки.

Ко второй группе пустотелых формообразований относятся возникшие в слитке цилиндрические и сферические полости, внутри которых имеются, отделенные от их поверхностей тонкие оболочки, соответственно, в форме цилиндра и сферы (7). Эти образования имеют множественный характер возникновения. На поверхности одного из образцов, вырезанных из слитка, имеющего площадь 10 см2, обнаружено 59 сферических оболочек.

Внутренняя поверхность донной части оболочки цилиндрической формы характеризуется наличием на ней сплошных круговых выпуклостей, симметрично расположенных относительно центральной оси цилиндрической полости в виде затвердевших волн. Соответствующая поверхность оболочки в виде сферы отличается формированием на ней отдельных групп овальных (эллиптических) концентрических выпуклостей также в виде затвердевших волн. Эти выпуклости накладываются друг на друга с формированием специфического рельефа в виде интерференционной картины, возникающей обычно при наложении круговых волн (рис.3). В зонах наложения выпуклостей формируются симметричные ряды игольчатых (конусообразных) и волнообразных выступов в виде затвердевших бегущих волн.

Образовавшиеся в слитке циркония необычные продукты также обнаруживаются при полировке поверхностей образцов. Проведенные исследования показали, что они сформировались в объеме слитка как в виде отдельных мелких включений, многослойных по толщине, так и в виде большой совокупности их скоплений с образованием более укрупненного слоя толщиной 5 мм по всему поперечному сечению слитка, также состоящего из отделяющихся друг от друга слоев. Этот слой материала выделяется в отличие от обычного литого циркония из-за возникновения зеркального блеска его поверхности после химического травления.

2.2. Микроструктура обнаруженных продуктов-самородков.

Микроструктура одного из обнаруженных в слитке циркония необычных продуктов - самородков, которая выявляется без химического травления, показана на рис.4 (на рис.4б приведена для сравнения микроструктура литого циркония, выявленная методом химического травления). Как видно, данное вещество представляет собой немонолитное образование, имеющее извилистую отчетливо выделившуюся границу раздела между ним и основной массой слитка и извилистые микротрещины внутри. Это включение состоит из множества фрагментов различных конфигураций, каждый из которых является совокупностью упорядоченно расположенных и отделенных друг от друга микрокристаллов, сгруппированных вместе с формированием радиальной симметрии. Сравнительный анализ показал, что картина расположения и формы микрокристаллов здесь имеют сходство с картиной (текстурой) расположения и формой кристаллов, которые вырастают на поверхности заготовки циркония (см. раздел 1.2).

Характерной особенностью образовавшегося продукта является возникновение в нем фрагмента в виде двух частично совмещенных (наложенных друг на друга) пакетов, состоящих из отделенных друг от друга микрокристаллов. Один из них подвергся существенной деформации и отличается формированием лепестковой структуры в этом процессе из совокупности микрокристаллов, раскинутых от центра их размещения радиально в разные стороны. В результате видоизменения их направленности и расположения возник свободный промежуток между ними, вблизи которого наблюдается отдельно сформировавшийся объект в виде более широкого лепестка, острый выступ которого обращен в этот промежуток к центру группы микрокристаллов. Форма одиночного лепестка соответствует конфигурации уединенной волны, показанной на рис.1а, б. Обнаруженный продукт имеет очень маленькую толщину слоя. Об этом можно судить по тому факту, что после кратковременной полировки без приложения усиленного давления на поверхность образца лепестковая структура исчезает. Следующие за ним слои также имеют структуру немонолитного вещества с сохранением в них характерной картины формирования других отдельных групп микрокристаллов, упорядоченно расположенных в определенном направлении.

Микроструктура продукта, образовавшегося по всему поперечному сечению слитка, изображение которой получено в горизонтальном разрезе вышеуказанного блестящего слоя (рис.4в), характеризуется наличием определенной упорядоченности и направленности в расположении фрагментов в виде извилистых выпуклых полос. Эти фрактальные образования, создающие шероховатый вид поверхности образца, вырезанного из указанного слоя, и формирующие текстуру, состоят из множества выстроившихся заостренных выступов с образованием упорядоченной «пилообразной» картины и волновой ряби. Микротвердость материала этих выступов составляет 480-530 кг/мм2 (микротвердость материала основной массы слитка циркония – 140–150 кг/мм2). Этот вид микроструктуры сохраняется на поверхности отдельных слоев, образовавшихся по всей толщине обнаруженного более толстого слоя.

Материал, вырезанный из вышеуказанного слоя, подвергался исследованиям параметров кристаллической решетки циркония методом рентгеновской дифрактометрии. Было установлено, что основной фазой в этом продукте является a-цирконий с параметрами решетки: а = 3,22 Å и с = 5,14 Å. На дифрактограмме в области углов 2θ = 28-40° обнаружено повышение интенсивности фона рентгеновского излучения, рассеянного образцом. Эти исследования показывают, что затвердевание материала происходило в неравновесных условиях процесса кристаллизации и с остаточной деформацией, сопровождавшейся искажением параметров решетки a-циркония (обычно а =3,23 Å и с = 5,15 Å).

2.3. Химический состав.

Характерные спектры вторичной ионной масс-спектрометрии образца переплавляемых заготовок циркония (исходного материала), расплавленных в эксперименте с получением слитка, и образовавшегося в этом слитке продукта-самородка, микроструктура которого показана на рис.4в., приведены в работе [7].Исследования показали, что в полученном продукте образовались литий, бериллий, бор, барий и элементы ряда лантаноидов. Этих элементов в исходном материале нет. В полученном продукте в отличие от результатов анализа химического состава использованных заготовок значительно выше (на 2-3 порядка) содержание натрия, магния, алюминия, кремния, калия, кальция, титана, хрома, марганца и железа. Методами рентгеноспектрального микроанализа и Оже-спектрометрии установлено обогащение вышеназванными химическими элементами, а также углеродом, азотом и кислородом материала цилиндрических и сферических оболочек и вышеуказанных обнаруженных многослойных продуктов. В частности, содержание химических элементов в отдельных зонах цилиндрической и сферической оболочки составило: натрий - до 5 масс.%, магний - до 2 масс.%, алюминий - до 5 масс.%, кремний - от 10 до 45 масс.%, калий - до 11 масс.%, кальций - до 3 масс.%, хром - до 3 масс.%, железо - от 15 до 43 масс.%.

Продукт, микроструктура которого показана на рис.4а., содержит 0,9 -1,1 масс.% железа, 1,7 масс.% кислорода, 1,1 масс.% азота, 3,4 масс.% углерода. Содержание циркония в нем – 92,1 масс.%. Содержания железа, кислорода, азота, углерода, циркония в переплавляемых заготовках составляли соответственно 0,01 масс%, 0,02 масс%, 0,003 масс.%, 0,02 масс.%, 99,8 масс.%.

Исследования методом рентгеноспектрального микроанализа также показали повышенное содержание химических элементов (натрия, магния, алюминия, кремния, серы, калия, кальция, титана, марганца, хрома, железа) и присутствие бария (0,60 масс.%) в материалах стенок каналов в виде трубчатых образований, показанных на рис.2.

Установлено наличие в объеме слитка большого количества включений продукта, близкого по химическому составу к карбиду кремния. Микротвердость этих включений составляет 4100 кг/мм2. Такого рода химические соединения в исходном материале отсутствуют.

2.  Обсуждение результатов

3.1. Известные представления о жидких металлах.

Согласно имеющимся в настоящее время научным представлениям жидкие металлы характеризуются наличием ближнего порядка в их структуре и сохранением металлического типа связи при получении путем плавления [9,10]. Коллективные колебания частиц в них осуществляются во временных положениях равновесия с сохранением участков, имеющих элементы ближнего порядка. Диффузия частиц между этими областями способствует исчезновению дальнего порядка. Особенность металлических жидкостей в отличие от других типов жидких веществ заключается в наличии коллективизированных валентных электронов, посредством которых осуществляется металлический тип связи. Как и все жидкости, металлическая жидкость представляет собой изотропную среду и благодаря поверхностной энергии обнаруживает стремление к сокращению своей поверхности и обладает малой сжимаемостью. Расплавленные металлы обладают свойствами, сходными, с одной стороны, со свойствами неметаллических жидкостей, а с другой – со свойствами твердых металлов.

В обычных условиях электронной плавки металлов 65 – 70 % вводимой тепловой мощности отводится от кристаллизатора охлаждающей средой (водой), а остальные потери распространяются на плавильную камеру (в основном на образование отраженных электронов). Расплавленный металл не обладает свойством аккумулировать вводимую в него энергию. Хаотичное тепловое движение составляющих частиц (электронов и ионов) обуславливает протекание процесса ее рассеивания.

Процесс затвердевания жидкого металла осуществляется в условиях перехода данной жидкофазной системы в энергетически наиболее устойчивое ее состояние, обладающее меньшим запасом свободной энергии. Он сопровождается плавным понижением температуры и равномерным рассеиванием энергии в объеме расплава с выводом ее за его пределы в таком же режиме. Поэтому присутствие на поверхности зарождающихся кристаллов металла избыточной энергии исключается, а любые неровности на них и пустоты внутри слитка в виде дефектов, связанные с воздействием поверхностной и объемной энергии, устраняются за счет установившихся условий кристаллизации. Эти же условия приводят к получению гладкой блестящей поверхности верхнего торца слитка циркония с выявлением на ней макроструктуры зерен без химического травления и сохранению сплошного вида массы как в большом его объеме слитка, так и в микрообъеме. Причем литой цирконий имеет микроструктуру мартенситного типа, которая выявляется методом химического травления. Как показывает практический опыт, измельчение микроструктуры литого металла или изменение ее вида в процессе кристаллизации можно осуществить под воздействием вводимых в расплав металла ультразвуковых колебаний.

Вышеуказанные сведения о строении и свойствах жидких металлов закономерно отражают существование в них устойчивого состояния внутренних связей между составными их частицами (ионами и электронами), когда они сами не являются источниками какого-либо вида энергии, а наоборот, служат ее потребителями в условиях их получения. В крупном масштабе объединения совокупности составных частиц жидкометаллической системы эти условия наглядно (геометрически) выражаются, как было указано ранее, в том виде, что жидкая масса постоянно находится в состоянии устойчивого равновесия (покоя) и поэтому свободная поверхность в емкости, в которой она размещена, представляет собой ровную горизонтальную плоскость.

3.2. Ядерные реакции в жидком металле.

В условиях поставленного эксперимента, как описано выше, закономерности и свойства, которые характерны для жидких металлов, спонтанно нарушаются. Эти отличительные особенности обнаруживается в следующих необычных эффектах:

а) нарушается состояние устойчивого равновесия электрически нейтральной жидкометаллической системы, нагреваемой электронным лучом, и осуществляется ее переход в состояние выделения в массе энергии с образованием ориентированно и ускоренно движущейся спонтанно деформируемой жидкотекучей среды;

б) поведение этой среды необычно, т. к. она активно (скачкообразно) реагирует на повышение тока электронного луча и уменьшение расстояния между торцевыми поверхностями расположенных над ней массивных переплавляемых заготовок циркония, в результате чего эффекты выделения энергии в ней еще более усиливаются, а скорость ускоренного перемещения скачкообразно повышается[1];

в) исчезают признаки изотропии свойств, что отражается в возбуждении в образовавшейся жидкой фазе дальнодействующих ориентированных сил и формировании уединенных и круговых волн с генерированием в их объеме переменного тока и магнитного поля;

г) осуществляются управляемые процессы аккумулирования электромагнитной энергии в массивной жидкофазной системе, в определенных условиях активизирующиеся вплоть до возникновения направленного вовнутрь этой системы взрывного процесса с генерированием ударных волн со звуковыми эффектами;

д) происходят изменения оптических и физических свойств жидкометаллической среды, которые проявляются в том, что образующиеся уединенные волны и круговые волны приобретают необычное белое свечение, яркость которого изменяется в процессе их спонтанной деформации;

е) обнаруживаются характерные признаки сверхбыстрой кристаллизации жидкофазной системы с фиксацией в этом процессе силовых линий генерирующихся в ней физических полей [1, 3];

ж) масса жидкой фазы приобретает смысл критического параметра, активно оказывающего влияние на процессы выделения и накопления в ней электромагнитной энергии[1];

з) при затвердевании жидкого вещества в полученном слитке обнаруживаются продукты-самородки и другие дефекты с необычной для металлов микроструктурой и аномальным химическим составом.

Образование в слитке циркония продуктов, имеющих необычную для циркония микроструктуру и содержащих литий, бериллий, бор, барий и элементы ряда лантаноидов, которые отсутствуют в исходном цирконии, является аномальным результатом, который согласуется с эффектами выделения в жидкой фазе избыточной энергии. Эти данные явно показывают, что вышеописанные аномальные эффекты обусловлены нарушением устойчивости связей внутри ядер атомов циркония и инициированием при этом самоподдерживающихся ядерных реакций. В условиях их протекания осуществляются структурно-фазовые превращения с образованием продуктов ядерных превращений. Эти вещества обогащены химическими элементами ( углеродом, азотом, кислородом, натрием, магнием, алюминием, кремнием, калием, кальцием, титаном, хромом, марганцем, железом и редкоземельными элементами), образовавшимися в ядерных реакциях. Величина массы расплавленного циркония становится критическим параметром, определяющим возможность осуществления ядерных реакций.

Результаты анализа химического состава обнаруженных в слитке циркония продуктов совпадают с известными данными по синтезу ряда химических элементов (от гелия до железа) в сети реакций ядерного горения, происходящих в плазменном веществе звезд [20 - 22]. Как известно, процесс ядерного горения включает четыре этапа. Первый этап характеризуется протеканием реакций протон-протонного и CNO циклов, приводящих, в частности, к синтезу гелия, лития, бериллия и бора, углерода, азота, кислорода. В следующем этапе происходит горение гелия с образованием углерода, синтезируются также ядра магния и кремния. Третий этап заключается в горении углерода и кислорода, основным продуктом которого является кремний. Четвертый этап характеризуется горением кремния и протеканием реакций захвата a-частиц, приводящих к синтезу элементов группы железа. В поставленном эксперименте ядерные реакции протекают при введении в реакционную среду энергии ускоренных электронов, что создает возможность синтеза химических элементов тяжелее железа.

Полученные результаты исследований и указанные реакции ядерного синтеза показывают, что в жидком цирконии при установлении критической его массы в условиях нагрева ускоренными электронами, внутри его ядер начинают действовать аномальные механизмы, обуславливающие инициирование реакций ядерного синтеза за счет взаимодействия протонов. Этот процесс приводит к образованию продуктов этих реакций, содержащих элементы протон-протонного цикла, в частности, литий, бериллий и бор, отсутствующие в исходном цирконии, и обогащенных вышеуказанными химическими элементами. Выделение энергии ядерных превращений происходит с трансформацией ее в электромагнитную энергию с генерированием переменного тока в реакционной среде, сопровождается генерированием переменного тока в реакционной среде и образованием этой среды в виде ускоренно движущихся уединенных волн.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований – грант № а.

Автор выражает благодарность своему сыну Ивану за большую помощь в работе.

Литература

1. Солин ядерный реактор Солина и его регулирующие элементы, исходный продукт для формирования активной среды и способ ее формирования, способ управления квантовым ядерным реактором, сверхпроводящий ядерный конденсат, способ его получения в квантовом ядерном реакторе и твердый продукт управляемого ядерного синтеза. Патент Российской Федерации на изобретение, № 000. Заявл. 28.12.92. Изобретения.1997, №23, с.380.

2. Солин ядерный реактор - генератор когерентного излучения. Информационный листок, № 000-96, Свердловск, ЦНТИ, 1996.

3. Солин безопасный квантовый ядерный реактор. Уральский изобретатель, №2, (2000), с.5.

4. Солин образования динамических волновых структур со скачкообразным вскипанием жидкого металла в процессе электроннолучевой плавки циркония в промышленных условиях. Научно-техническая конференция по проблеме циркония, № Б-7726. Глазов, 1977.

5. О переходе расплава циркония в электронной печи в состояние сверхтекучести. Семинар по прикладной магнитной гидродинамике (). Пермь, Институт механики сплошных сред, 1982.

6. Солин волны и упорядоченные потоки, спонтанные микровзрывы и доменные структуры в расплавленном состоянии циркония в электронной печи. Пятая Всесоюзная конференции по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов ( В). Свердловск, Институт металлургии УрО АН СССР, 1983.

7. Солин ядерный реактор Солина (варианты), способ осуществления его работы и способ получения электрической энергии с использованием квантового ядерного реактора Солина (варианты). Патент Российской Федерации на изобретение № 000. Заявл. 23.08.99. Изобретения, 2001, №26, с 349-352.

8. Солин способ получения энергии, основные сведения об установлении явления в области физики ядерной плазмы (), № 000, Свердловск, Филиал «Промэкология» центра «Академический» УрО АН СССР,1989, 103 с.

9. Солин порядок в металлических расплавах и структурно-чувствительные свойства вблизи границ устойчивости фаз. Сб. тезисов докладов. (, ), Львов, ЛПИ, (1988), с.160.

10. О получении магнитной жидкости из расплава циркония в электронной печи. Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов. Сб. тезисов докладов, (). Курган, КГУ. (1996), с. 88.

11. Об аномальном взаимодействии электронного луча с жидким цирконием. Сб. тезисов докладов. (). Свердловск, ИФМ УрО АН СССР, (1990), с.7.

12. Солин безопасный квантовый ядерный реактор. 8-я Российская конференция по холодной трансмутации ядер химических элементов. Сб. тезисов докладов. Дагомыс, Сочи (2000), с.43.

13. Баум жидкости. М., Наука. 1979, 120с.

14.  , Айвазов плавления металлов и полупроводников. М., Металлургия. 1980, 171с.

15.  , , и др. Электронная плавка металлов. Изд. 2. М., Металлургия. 1972, 350с.

16.  , , и др. Рафинирующие переплавы стали и сплавов в вакууме. М., Металлургия, 1979, 304с.

17.  Тир гидродинамика. 1971. №1, с. 138-144.

18.  Фогель метод удержания жидких металлов во взвешенном состоянии. Л., Машиностроение,1979, 104с.

19.  Жеребцов и магнитные цепи. Л., Энергоатомиздат, 1982, с. 194.

20.  Фаулер и теоретическая ядерная астрофизика, поиски происхождения элементов. УФН, т. 145, вып.3, (1985), с. 441-488.

21.  Бете. Источники энергии звезд. УФН, т. 96, вып. 3, (1968), с. 393-408.

22.  , Чечев элементов во Вселенной. М., Наука. 1987, с.160.

	Рис. 1. Формирование уединенной волны
	а) гидродинамика процесса;	б) уединенная волна в период образования выступа;
Рис. 2. Трубчатые каналы в слитке циркония в виде:
х250	х75
а) синусоидальных дыр;
x250 б) пустотелой треугольной волновой петли;	x400  в) концентрических  кольцевых дыр;
г) регулярно повторяющихся кривых; (x75)
Рис. 3. Фрактальные образования в виде овальных кольцевых волн на  внутренней поверхности сферической оболочки
х2000
Рис. 4. Микроструктура
x500 а) отдельного продукта – самородка в слитке циркония;	х500  б) литого циркония;
в) продукта–самородка, образовавшегося по всему поперечному сечению слитка. (x200)