用于將第一物質轉變為第二物質的裝置、系統和方法

用于將第一物質轉變為第二物質的裝置、系統和方法
【專利摘要】一種用于將第一物質轉變為第二物質的系統，該系統包括：混合反應器，被配置成提供包括第一反應物、第二反應物和溶劑的反應物混合物；以及高剪切力設備，流體連接至混合反應器，其中，高剪切力設備包括至少一個轉子/定子組，至少一個轉子/定子組包括轉子和關于旋轉軸對稱布置并且分離剪切間隙的互補形狀的定子，其中，剪切間隙在從約10微米至約250微米的范圍內；以及電動機，被配置成關于旋轉軸旋轉轉子，由此能量可以從轉子被傳遞至反應物，由此在第一反應物和第二反應物之間引入反應，以形成產物。
【專利說明】用于將第一物質轉變為第二物質的裝置、系統和方法
[0001 ] 關于聯邦政府資助的研究或開發的聲明
[0002]不適用。

【技術領域】
[0003]本發明總體涉及打破和創建亞原子粒子和/或原子粒子之間的鍵。更特別地，在實施例中，本發明涉及將亞原子粒子添加到原子的原子核，從原子的原子核去除亞原子粒子，和/或改變原子的原子核中的亞原子粒子。更特別地，在實施例中，本發明涉及添加質子和/或中子和/或從原子核去除質子和/或中子，和/或將質子轉變為中子，和/或將中子轉變為質子。甚至更特別地，在實施例中，本發明涉及從氦-4獲取氦-3。甚至更特別地，在實施例中，本發明涉及將一種元素或同位素轉變為另一種元素或同位素。

【背景技術】
[0004]氦-3是氦的輕且非放射性同位素，具有兩個質子和一個中子。例如，氦-3在研究和工業中具有多種用途。氦-3在低溫下被使用，以實現約十分之幾開爾文數量級的溫度，并且在稀釋冷卻器中與氦-4結合，以實現低到千分之幾開爾文的溫度。氦-3還是用于中子探測的儀器中的重要同位素。氦-3的其他用途包括醫學成像。氦-3還被用于一些聚變處理。
[0005]雖然存在用于氦-3的很多用途，但是地球上的氦-3的數量非常稀少。實際上，雖然氦在整個宇宙中是普遍的，但是氦在地球上非常稀少。而且，不僅氦在地球上非常稀少，而且作為氦-3的氦的比例非常低。例如,近地表大氣的氦-3含量為7.27±0.20兆體積分率(pptv)，并且對于大氣氦的氦-3/氦-4比約為1.393X10'來自任何地源的比率都不大于5分率的氦-3比百萬分率的氦_4。從而,從自然存在的資源獲取大量氦-3很難。
[0006]氦-3還可以作為氚(包含兩個中子和一個質子的氫的放射性同位素)衰變的產物來被獲取。這是當前獲取氦-3的最普遍商業方法。因為氚是放射性的，如果吸入或者吸收可能很危險。而且，氚可以與氧結合，以形成可以通過皮膚中的毛孔吸收的氚化水分子。除了危險之外，氚也非常稀少。氚通常通過鋰-6的中子活化，在核反應器中被產生。然而，該方法昂貴，并且可能致使反應器組件具有放射性。
[0007]其他元素同樣稀少并且很難獲得。更特別地，諸如鑭系元素的稀土元素隨著更多的應用被商業化而發現增加了更多應用，在自然界中很難獲得。例如，稀土元素在用于計算機監視器和電視的液晶顯示器、光纖電纜、磁體、玻璃拋光、DVD、計算機中的USB驅動器、催化轉換器、石油裂化催化劑、電池組、熒光燈、導彈、噴氣發動機、以及衛星中被使用。
[0008]從而，針對本領域，需要一種用于從更有效且經濟的系統、裝置和方法來從更便宜且豐富的元素獲取氦-3和其他稀有元素。此外，需要一種獲取氦-3的系統、裝置和方法，其更加安全并且得到比當前方法提供的更少的放射性副產品。另外，需要一種用于從更便宜且更豐富的元素獲取稀土元素的有效且經濟的系統。還需要一種用于將元素的同位素轉變為另一種同位素或元素的經濟方法。


【發明內容】

[0009]在此公開一種高剪切力系統和處理，其推動中子削裂和原子重排，對于給定元素，其可能得到原子數量的改變和/或同位素形成的改變。高剪切力設備引入局部化高壓和高溫，其使核子-核子相互作用，實現核重排。特別是，來自高剪切力設備的轉子和定子的機械能被傳送至元素的原子核。在實施例中，機械能經由諸如金屬(例如，銀)的無機粒子被傳遞。所得到的能量傳遞可以產生高壓和高溫的高度局部化區域，其足以克服庫侖勢壘，并且允許多種元素原子核之間的核子-核子相互作用。
[0010]在一個實施例中，公開一種用于將氦-4轉變為氦-3的高剪切力系統和處理。高剪切力設備引入局部化高壓和高溫，其使核子-核子相互作用，導致氫和氦-4反應，以生成氦-3。具體地，來自高剪切力設備的轉子和定子的機械能通過諸如金屬(例如，銀)的無機粒子，被傳送到氫和氦。所得到的能量傳遞可能導致高壓和高溫的高度局部化區域，其足以克服庫侖勢壘，并且允許多種元素的原子核之間(例如，氫和氦核之間)或中的核子-核子相互作用。
[0011]在本公開的實施例中，處理采用高剪切力機械反應器，以提供增強的壓力和溫度反應條件，其促進氦-4到氦-3的轉變。而且，在在此描述的實施例中公開的處理包括將氦-3溶解在氫氧化銨溶液中，用于長期存儲氦_3。
[0012]在本公開的實施例中，提供一種用于將第一物質轉變為第二物質的系統。該系統包括:混合反應器，攪拌混合物，以提供反應物，其中，混合物包括與溶劑結合的第一反應物和第二反應物，并且可選地，懸浮和/或溶解在溶劑中的固體的粒子。該系統還包括:高剪切力設備，流體連接至混合反應器，其中，高剪切力設備包括至少一級。高剪切力設備的至少一級包括:轉子，關于旋轉軸對稱布置并且圍繞內部空間。高剪切力設備的級還包括外殼，其中，外殼和轉子被環形空間分隔，其中，轉子和外殼之間的距離大于約10微米并且小于或等于約250微米。高剪切力設備還包括:電動機，被配置為關于旋轉軸旋轉轉子，其中，來自旋轉轉子的能量可選地經由固體粒子，被從轉子傳遞至反應物，由此誘發第一反應物和第二反應物之間的反應，以形成產物。
[0013]在本公開的實施例中，提供一種用于將氦-4轉變為氦-3的系統。該系統包括:混合反應器，被配置成攪拌混合物，以提供反應物，其中，混合物包括氫、氦、和溶劑，并且可選地無機固體的粒子，其可以懸浮在溶劑中。該系統還包括:高剪切力設備，流體連接至混合反應器。高剪切力設備包括:轉子，關于旋轉軸對稱定位并且圍繞內部空間；外殼，其中，夕卜殼和轉子被環形空間分隔，其中，轉子和外殼之間的距離大于或等于約250微米；電動機，被配置成關于旋轉軸旋轉轉子，其中，來自旋轉轉子的能量從轉子被傳送到氫和氦，可選地借助于存在的無機固體粒子，由此引起高壓和高溫的局部化區域，促進氫和氦核的相互作用，使得氦中的一些氦-4被轉變為氦-3 ;進料口，被配置成從混合反應器接收反應物，所述進料口沿著旋轉軸布置并且與內部空間以及混合反應器的第一出口流體連接；以及第一出口，其中，第一出口與內部空間以及與混合反應器的再循環入口流體連接，以向混合反應器提供包括溶解在溶劑中的轉變后的氦-3的產物混合物。該系統還包括分離單元，用于從溶劑中分離至少一部分氦-3，其中，分離單元包括與混合反應器的第二出口流體連接的入口和用于獲取氦-3的取樣出口。
[0014]在本公開的實施例中，提供一種用于長期存儲氦-3的方法。該方法包括:獲取氦_3，在使得氦-3溶解在氫氧化銨溶液中的壓力下混合氦-3與氫氧化銨溶液，并且保持氦-3溶解在氫氧化銨中的壓力。
[0015]在本公開中描述的實施例中，提供一種將氦-4轉變為氦-3的方法。該方法可以包括結合氫、氦和溶劑，并且可選地使金屬粒子懸浮和/或溶解在溶劑中，以形成原料流，并且將原料流引入高剪切力設備的內部空間中，內部空間包含至少一個轉子和分離從約10微米至約250微米范圍內的間隙并且關于旋轉軸對稱定位的至少一個互補形狀的定子。該方法進一步包括:關于旋轉軸旋轉至少一個轉子，由此機械能從旋轉轉子被傳遞至氫和氦的原子核，從而引起高壓和高溫的局部化區域，促進核反應，導致至少一些氦-4到氦-3的轉變。該方法進一步包括:從內部空間中提取產物流，其中，產物流包括從氦-4轉換的氦-3，并且可以進一步包括一種或多種未反應的氫、未反應的氦和固體粒子。
[0016]在本公開的實施例中，提供一種用于將第一元素轉變為第二元素或者第一元素的同位素的方法。該方法可以包括:提供包括氫、第一元素和溶劑的原料流或乳液。該方法可以進一步包括:將原料流引入高剪切力設備的內部空間中，內部空間包含至少一個轉子和在轉子和定子之間分離一間隙并且關于旋轉軸對稱布置的至少一個互補形狀的轉子，并且關于旋轉軸旋轉至少一個轉子，由此機械能從旋轉轉子被傳遞至各個原子核，從而引起高壓和高溫的局部化區域，促進元素的各個原子核和氫核之間的核反應，得到至少一些第一元素到不同元素或者第一元素的同位素的轉變。該方法可以進一步包括:從高剪切力設備提取產物流，其中，產物流包括不同元素或第一元素的同位素。提供原料流可以進一步包括:經由混合反應器將氫溶解在溶劑中，并且該方法可以進一步包括:將產物流再循環至混合反應器，并且將至少一部分產物流從混合反應器提取到分離單元，由此至少一部分不同元素或第一元素的同位素可以與至少一部分溶劑分離。該溶劑可以選自由氫氧化銨溶液、水、油、及其組合構成的組。在實施例中，原料流進一步包括固體。在實施例中，固體粒子選自由金屬、陶瓷、金屬氧化物、及其組合構成的組。在實施例中，固體包括金屬粒子。固體可以包括具有在從約2微米至約8微米范圍內的平均尺寸。關于旋轉軸旋轉轉子可以產生大于約100，000, OOOs 1的剪切率。在實施例中，剪切間隙大于約250微米。在實施例中，剪切間隙小于約250微米。
[0017]在方法的實施例中，第一元素選自由稀土元素構成的組，并且不同元素是更高階稀土元素。在實施例中，第一元素是放射性的。在實施例中，第一元素選自由銫和鍶的放射性核構成的組，并且第一元素的同位素選自由第一元素的穩定同位素構成的組。在實施例中，第一元素選自由鍶-89、鍶-90、及其組合構成的組。第一元素的同位素可以選自由鍶-84、鍶-86、鍶-87、鍶-88、及其組合構成的組。第一元素的同位素可以主要包括鍶_88。在實施例中，第一元素選自由銫-129、銫-131、銫-132、銫134、銫-135、銫136、銫137、及其組合構成的組。在實施例中，第一元素選自由銫-134、銫-135、銫-137、及其組合構成的組。第一元素的同位素可以包括銫-133。
[0018]原料流可以包括包含第一元素、固體粒子、水、以及油的被污染流體。固體粒子可以包括沙子。該方法可以進一步包括:將去氧劑引入原料流。在實施例中，去氧劑包括肼。
[0019]這些和其他實施例和可能優點將在以下詳細說明書和附圖中變得顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]為了更詳細說明本發明的優選實施例，現在將對附圖作出參考，其中:
[0021]圖1是根據本公開的實施例的用于將氦-4轉變為氦-3的系統的示意圖。
[0022]圖2是根據本公開的實施例的用于將一種同位素或元素轉變為不同同位素或元素的系統的示意圖。
[0023]圖3是根據本公開的實施例的高剪切力設備的示意圖。
[0024]圖4是示出將氦-4轉變為氦-3的示例性測試結果。
[0025]符號和術語
[0026]如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指示，術語“氫”的使用是指氫的所有同位素和形式。如在此使用，除非另外明確或者由上下文指示，術語“氫_1”、“氕”、“輕氫”、“Η-Γ’Ζ1!!”的使用均是指氫的單質子同位素。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“氘”、“氫-2”、“2H”、“H-2”、以及“D”均是指具有一個中子的氫的同位素。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“氚”、“氫-3”、“3H”、“H-3”、以及“T”均是指具有兩個中子的氫的同位素。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“氦”的使用是指氦的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“氦-3”、“3He”和“He-3”的使用均是指具有一個中子的氦的同位素。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“氦_4”、“4He”和“He-4”的使用是指具有兩個中子的氦的同位素。
[0027]如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“釔”和“Y”的使用是指釔的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“鈧”和“Sc”的使用是指鈧的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“鈰”和“Ce”的使用是指鈰的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“鑭”和“La”的使用是指鑭的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“鐠”和“Pr”的使用是指鐠的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“釹”和“Nd”的使用是指釹的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“钷”和“Pm”的使用是指钷的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“釤”和“Sm”的使用是指釤的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“銪”和“Eu”的使用是指銪的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“釓”和“Gd”的使用是指釓的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“鋱”和“Tb”的使用是指鋱的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“鏑”和“Dy”是指鏑的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“欽”和“Ho”的使用是指欽的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“鉺”和“Er”的使用是指鉺的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“銩”和“Tm”的使用是指銩的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“鐿”和“Yb”的使用是指鐿的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“镥”和“Lu”的使用是指镥的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“鈣”和“Ca”的使用是指鈣的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“鍶”和“Sr”的使用是指鍶的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“銫”和“Cs”的使用是指銫的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明確或通過上下文指出，術語“鋇”和“Ba”的使用是指鋇的所有同位素和形式。
[0028]如在此使用的，術語“剪切模塊”、“剪切泵”、以及“高剪切力設備”可交換使用。如在此使用的，術語“psi ”是指“每平方英寸磅數”，術語“hz”是指“赫茲”并且是頻率的通用單位，術語“rpm”是指“每分鐘轉數”。術語“反應器”、“攪拌反應器”和“混合反應器”在整個公開中可交換使用。

【具體實施方式】
[0029]1.概述。在此公開一種打破原子和/或亞原子粒子之間的鍵和/或創建原子和/或亞原子粒子之間的新鍵的系統和方法。更具體地，在一個實施例中，在此公開一種用于從原子的原子核去除亞原子粒子的系統和方法。甚至更具體地，在一個實施例中，在此公開一種將氦-4轉變為氦-3的系統和方法。
[0030]盡管在一個實施例中，在此參考從氦-4創建氦-3來描述該處理，但是本領域技術人員將認識到，在此公開的系統和方法還可以被應用至其他原子核，用于將一個同位素或元素轉變為不同同位素或元素(例如，鋰-7至鋰_6、以及氦-4至氚)。
[0031]所公開的系統和方法依靠使用剪切泵產生高壓和高溫，以產生足以打破和創建原子和/或亞原子粒子之間的鍵。在一個實施例中，該能量足以從氦-4原子核去除中子，以產生氦-3。在實施例中，氦和氫在氫氧化銨中被結合(例如，溶解)，以提供溶液。在實施例中，氦、氫和氫氧化銨的溶液進一步包括肼、銀粉、或兩者，其也可以懸浮和/或溶解在溶液中。在不希望被理論限制的情況下，肼可以用作去氧劑，防止或最小化由剪切泵的壓力釋放的游離氧與氫的相互作用。銀粉可以包括具有在從約2微米至8微米范圍內的平均尺寸的銀粒子。銀粉可以使能量從剪切模塊的轉子傳遞到原子核(例如，到氫和氦核)，得到足以促進核子-核子相互作用的非常高壓力和溫度的高局部化區域。通過多種不同反應，氫-1原子核(即，質子)從氦-4原子核有效地去除中子，由此得到氦-3和副產品。
[0032]雖然在此參考氦作為元素、銀粉作為將機械能從剪切模塊傳遞至原子核的媒介、以及氫氧化銨作為溶液對處理進行描述，但是本領域普通技術人員將認識到，根據實施例，可以轉換其他元素，可以利用其他材料，諸如但不限于純無機材料，包括金屬、金屬氧化物、以及陶瓷、和/或其他溶劑，諸如但不限于合成油、機油、石蠟油、以及豆油。在實施例中，諸如金屬粒子的非固體需要實現轉換。只要剪切力足以實現核反應，固體粒子可以不存在。在實施例中，固體粒子的結合可以增強反應的程度或速率。在實施例中，例如，無機材料選自由鎳、鋁、鈦、及其組合構成的組。可以利用大量溶劑。在實施例中，將被轉換的元素、氫、和/或機械傳遞媒體可以溶解在溶劑中。在實施例中，溶劑包括選自水、油和氫氧化銨中的一種或多種成分。在實施例中，溶劑選自諸如但不限于豆油、機油、石蠟油、合成油、脂類、及其組合的油。剪切力可以經由加入更粘稠的油而增加。使用更粘稠的油作為溶劑或溶劑的成分可以使得使用更少的量或者基本沒有固體微粒材料成為可能。
[0033]在一些反應中，不是從氦-4原子核去除中子之外，而是去除質子，得到氚和自由質子，其可以與其他氦-4原子核反應。雖然氚是放射性的，但是除非被吸收或吸入，其對人體相對無害。而且，到氦-3的氚衰變可以增加經由所公開的系統和處理產生的氦-3的最終產率。
[0034]在此公開的將氦-4轉變為氦-3的系統和處理看起來不產生過多高能量自由中子。從而，由于所利用的裝置和設備通過自由中子轟擊而不呈現放射性，所公開的處理對于產生氦-3是相對安全的。
[0035]I1.用于將氦-4轉變為氦-3的系統。本公開的氦-3生成系統包括至少一個攪拌反應器、一個剪切泵(也被稱為高剪切力設備或剪切模塊)、液體進料泵、氣體壓縮器、蓄能脈沖阻尼器、以及冷阱。除了以下描述的那些之外，該系統可以進一步包括一個或多個泵。氦-3生成系統可以進一步包括一個或多個流量控制閥。該系統可以與用于監視和控制流入和流出各個組件的流量的控制系統電通信。
[0036]現在將參考圖1A至圖1C描述根據本公開的用于氦-3生成的系統。圖1A至圖1C是根據本公開的實施例的氦-3生成系統100的示意圖。圖1A是在啟動模式期間的系統100的示意圖。圖1B是在運行模式期間的系統的示意圖。圖1C是在真空模式期間的系統的示意圖。氦-3生成系統100包括攪拌反應器110、液體進料泵120、剪切泵130、氣體壓縮器140、蓄能脈沖阻尼器150、分離單元160、以及真空泵165。系統100還包括氫源170和氦源172。在本實施例中，分離單元160是冷阱。然而，在其他實施例中，可以采用其他分離單元，以從溶劑中分離氦。例如，在實施例中，分離單元160選自由蒸餾塔和低溫分餾塔構成的組。
[0037]在運行模式下，如在圖1B中所示的，來自氫源170的氫和來自氦源172的氦被結合(可以被溶解)在溶劑中，諸如，例如在攪拌反應器I1中的氫氧化銨溶液。來自氦源172的氦主要包含氦-4，但是可以按照氦-3自然存在的比例，包含微量的氦_3。游離氧通過例如與氫結合以產生水并且降低可用于將氦-4轉變為氦-3的核處理的氫的量，來減少氦-3的生成。因此，在實施例中，去氧劑也與氫氧化銨溶液混合。可以利用本領域中已知的任何合適去氧劑。在實施例中，去氧劑包括肼。去氧劑可以用于去除或減少當由剪切模塊130處理混合物時可能釋放的游離氧，并且由此防止或最小化氧與氫反應物的相互作用。諸如純金屬的無機材料的小粒子還被引入到混合物中并且變為在其中懸浮。在實施例中，所利用的機械轉移劑被溶解在溶劑中。在實施例中，氫可以不溶解在溶劑中，但是可以在剪切模塊130中被剪切。期望氫和/或機械能轉移劑被溶解和/或溶解在溶劑中(例如，在水、油和/或其他液體中)。在實施例中，金屬粒子在從約2微米至約8微米的范圍內。在實施例中，金屬是純金屬。在實施例中，金屬包括、基本由、或者由銀粉構成。金屬粒子可以包括選自鎳、鋁和鈦構成的組中的一種或多種金屬。在實施例中，用一種或多種其他金屬、金屬氧化物、和/或陶瓷替換銀粉。在實施例中，攪拌反應器110以600RPM的反應器攪拌運行，以混合混合物的多種成分。然而，主要是剪切模塊130提供氣體和液體原料流的緊密混合。混合物通過進料泵120從攪拌反應器110的出口被泵送至剪切模塊130的入口。剪切模塊包含分隔剪切間隙的轉子和定子。在實施例中，剪切間隙大于約10微米。在實施例中，剪切間隙小于或等于約250微米。在實施例中，剪切間隙在從約10微米至約250微米的范圍內。在實施例中，剪切間隙約為250微米的數量級。在實施例中，剪切模塊130以約7500rpm運行。轉子的高速度和每個轉子與互補形狀的定子之間的小距離(即，小剪切間隙)與存在的金屬粒子結合，得到能量從剪切模塊到正被處理的元素(例如，到氫和氦)的傳遞。不希望被理論限制的情況下，相信多組原子核(例如，氫和氦核)周圍的高度局部化區域中的壓力和溫度可以在短持續時間內變得非常高，從而使得核反應能夠發生在原子核之間(例如，在氫和氦-4原子核之間)，并且最終得到轉變(例如，至少一部分氦-4反應物轉變為氦-3)。混合物通過連接至攪拌反應器110上的再循環入口的出口，從剪切模塊130排出。
[0038]來自氣源190的空氣是用于將壓縮后的氣體傳送至脈沖阻尼器150的入口的空氣壓縮機140的功率源。脈沖阻尼器150確保混合物的連續流被提供給剪切模塊130。
[0039]位于頂部空間氣體所在的攪拌反應器110的頂部處或附近的出口流體連接至冷阱160的入口。冷阱160用于壓縮并且防止液體進入氣體壓縮器140。冷阱160包括取樣出口，以從系統100去除氣體。被去除的氣體包括已通過氦-4的轉變生成的氦-3。冷阱160還包括流體連接至氣體壓縮器140的入口的出口，由此可以通過剪切模塊130再循環材料。
[0040]在運行模式之前，系統100可以在啟動模式下操作，如圖1A中所示，以從系統去除雜質。在啟動模式下，諸如氫氧化銨溶液的溶劑被添加至反應器110，并且反應器110通過來自氫源170的氫被一次或多次(例如，兩次)以及通過來自氦源172的氦被一次或多次(例如,兩次)凈化。真空泵165吸取反應器110上的真空(例如，60mm的真空)，并且隨后反應物的混合物(例如，50%氫和50%氦)經由第一反應物(例如，氫)源170和第二反應物(例如，氦)源172被添加至反應器110。
[0041]一旦系統100通過反應物(例如，氫和氦)被凈化，系統100就被設置到如圖1B中所示的運行模式，并且將在下面進一步描述。在運行模式下，圖1A中所示的真空泵165可以被隔離并且不被使用。當完成運行模式時，系統被設置到如圖1C中描述的真空模式。來自攪拌反應器110的頂部空間的氣體被抽真空到冷阱160中，在其中，液體被濃縮，并且溶解液體釋放的氣體。可以從冷阱160的取樣點提取氣體。通過從攪拌反應器110抽真空液體而釋放的氣體包括經由氦-4的轉變獲得的氦_3。
[0042]溶解在氫氧化銨中的氦-3可以以不損失氦-3的方式被無期限地存儲。在實施例中，容器被關閉，從那里提取氣體，并且氨冷凝在冰夾套容器中。剩余氣體可以被分析，和/或液體冷凝物被再循環至反應器。
[0043]如上所述，雖然在此參考從氦-4獲取氦-3描述了一些實施例，但是本領域技術人員應該理解，在此描述的方法和系統可以被應用至其他原子核，以獲得不同同位素或元素。從而，本公開的公開不限于從氦-4獲取氦-3。
[0044]II1.用于將一種同位素或元素轉變為另一種同位素或元素的系統。本公開的用于將原子元素轉變為其他元素的系統包括:至少一個攪拌反應器、一個剪切泵(還被稱為高剪切力設備或剪切模塊)、液體進料泵、氣體壓縮器、蓄能脈沖阻尼器、以及冷阱。除了以下描述的那些之外，該系統可以進一步包括一個或多個流量控制泵。該系統可以進一步包括一個或多個流量控制閥。該系統可以與用于監控和控制流入和流出多種組件的控制系統電通信。
[0045]如以下進一步論述的，經由所公開的系統和方法，一種稀土元素可以被轉變為另一種稀土元素。在這樣的實施例中，一種稀土元素可以用作質子或中子供體，另一種元素用作質子或中子受體。從而，例如，為了產生具有Y質子的元素E3，具有Y-1質子的第一元素El可以與具有Y+n質子的第二元素Ε2結合，并且質子從元素Ε2到元素El的傳送可以被用于將元素El轉變為期望元素Ε3。在實施例中，質子/中子供體和受體是相同元素。
[0046]例如，在實施例中，來自氫原子的質子可以與鈣原子的原子核相互作用，以通過將鈣原子的原子核中的一個中子轉變為質子來產生鈧。類似地，來自氫原子的質子可以與鍶原子的原子核相互作用，以通過將鍶原子的原子核中的中子轉變為質子來產生釔。在其他實施例中，來自氫原子的質子可以與鋇原子的原子核相互作用來以產生鑭。在實施例中，如果反應物和產物通過系統被再循環，則諸如例如鑭原子的原子核的產物的原子核可以與來自氫原子的質子相互作用，以產生更高階稀土元素，諸如從鑭產生鈰。除了從鋇獲得鑭之夕卜，如果允許處理繼續足夠時間，則可以從鋇的初始源獲得除了鑭之外的其他稀土元素。這樣，處理被提供用于產生鑭、鋪、鐠、釹、钷、衫、銪、禮、鋪、鏑、欽、鉺、錢、鐿、以及镥。
[0047]現在將參考圖2Α至圖2C描述根據本公開的用于轉變元素的系統。圖2Α至圖2C是根據本公開的實施例的用于轉變元素的系統300的示意圖。圖2Α是在啟動模式期間的系統300的示意圖。圖2Β是在運行模式期間的系統的示意圖。圖2C是在真空模式期間的系統的示意圖。元素轉變系統300包括攪拌反應器310、液體進料泵320、剪切泵330、氣體壓縮器340、蓄能脈沖阻尼器350、分離單元360、以及真空泵365。系統300還包括氫源370和反應物元素源372。反應物源372中的反應物元素在溶液中。在實施例中，反應物元素是鈣、鍶、和鋇中的一個。在實施例中，鋇為溶解在水中的氫氧化鋇的形式。在實施例中，鍶為溶解在水中的碳酸鍶的形式。在本實施例中，分離單元360是冷阱。然而，在實施例中，從溶劑中分離反應產物的其他方法包括蒸餾和低溫分餾。
[0048]在運行模式下，如圖2Β中所示，來自元素反應物源372的元素與諸如例如攪拌反應器310中的水或氫氧化銨溶液的溶劑結合(例如，溶解在其中)。在被引入到剪切模塊330之前，來自源372的反應物元素應該為可溶解形式。諸如純金屬的無機材料的小粒子還被引入到混合物中，并且變為懸浮在混合物中。在實施例中，金屬粒子在從約2微米至約8微米的范圍內。在實施例中，金屬是純金屬。在實施例中，金屬包括銀粉。在實施例中，金屬包括選自由鎳、鋁、鈦、及其組合構成的組中的一種或多種金屬。在實施例中，用另一種金屬、金屬氧化物、和/或陶瓷替換銀粉。在實施例中，攪拌反應器310以600RPM的反應攪拌操作，以混合混合物的多種成分。然而，剪切模塊330主要提供氣體和液體原料流的緊密混合。混合物由進料泵320從攪拌反應器310的出口被泵送至剪切模塊330的入口。剪切模塊包含至少一個轉子和如上所述的互補形狀的定子。在實施例中，剪切模塊130以約7500rpm操作。與金屬粒子的存在結合，轉子的高速度和每個互補轉子/定子組之間的小距離導致能量從剪切模塊傳遞到元素。能量從轉子傳遞到氫的各個原子核，并且反應物元素使能在氫的各個原子核與反應物元素之間的相互作用，以將一些反應物元素轉變為不同元素或者反應物元素的不同同位素。混合物通過連接至攪拌反應器310上的再循環入口的出口從剪切模塊330排出。
[0049]來自氣源390的空氣是將壓縮后的氣體注入脈沖阻尼器350的入口的氣體壓縮器340的功率源。脈沖阻尼器350被配置成保持混合物到剪切模塊330的連續流。
[0050]位于頂部空間氣體所在的攪拌反應器310的頂部處或附近的出口流體連接至冷阱360的入口。冷阱360用于濃縮并且防止和/或最小化進入氣體壓縮器340的液體的量。冷阱360包括取樣出口，以從系統300去除氣體。冷阱360進一步包括流體連接至氣體壓縮器340的入口的出口，由此材料可以通過剪切模塊330被再循環。
[0051]在運行模式之前，系統300可以在啟動模式下操作，如圖2A中所示，以從系統去除雜質。在啟動模式下，諸如氫氧化銨溶液的溶劑被添加至反應器310，并且反應器310通過來自氣源370的合適氣體，被一次或多次(例如，兩次)凈化。真空泵365可操作以抽取反應器310上的真空(例如，60mm真空)，并且隨后，氣體從第一氣源370和/或第二氣源372被添加至反應器310。
[0052]一旦系統300通過氣體被凈化，系統300就被設置為如圖2B中所示并且如上所述的運行模式。在運行模式下，圖2A中所示的真空泵365可以被隔離并且不被使用。當運行模式完成時，系統被設置為如圖2C中所示的真空模式。來自攪拌反應器310的頂部空間的氣體被抽真空到冷阱360，在其中，液體被濃縮并且溶解從液體釋放的氣體。可以從冷阱360的取樣點提取氣體。通過來自攪拌反應器110的液體的真空化釋放的氣體包括轉變后的元素(即，通過處理形成的不同元素或同位素)。
[0053]如上所述，一種稀土元素可以經由所公開的系統和方法的實施例被轉變為另一種稀土金屬。在實施例中，期望在存在無機固體(例如，銀粉)的情況下，液體形式(例如，通過混合并且將稀土金屬鹽溶解在適當的載體流體或溶劑中，諸如但不限于氨水、硫磺酸或金屬鹽可溶解的其他流體載體)的稀土金屬穿過在此公開的高剪切力系統。
[0054]雖然在此描述了從鈣、鍶、和鋇獲得稀土元素的一些實施例，但是本領域技術人員將認識到，可以使用其他反應物元素，并且可以根據所選的特定反應物元素和處理的持續時間，獲得不同產物元素。而且，雖然已經使用氫描述了處理和系統，但是本領域技術人員將認識到，可以用其他元素代替氫。選擇氫，以最小化傾向于使原子核互斥的電磁力的抑制效應，并且由此防止原子核變得足夠近而在它們之間經受核反應。
[0055]還注意到，所公開的系統和方法可以適于并且被用于凈化被放射性質子污染的飲用水。在這樣的實施例中，在存在氫的情況下，被污染的水經過高剪切力設備。一次或多次經過系統可以被用于將反應質子和氫轉變為氦-3和/或氦_4。在消耗之前，可以將氯添加到水中。在這樣的實施例中，在添加氫之前，少量可食用或不可食用油可以被引入到高剪切力設備/水中。油可以可以用作氫的載體，幫助在幾分之一秒(例如，十億分之一秒)內打破氫，并且使得反應能夠發生。通過利用氫載體，可以執行多次經過高剪切力設備。氫可以被基本連續地添加，直到油/水充滿氫氣為止。在氣體將被重新恢復和上市并且可能存在氧的情況下(如在水的情況下)，可以利用去氧劑(諸如，肼)。在使用非含氧烴的情況下，可以不要求去氧劑。
[0056]在試圖生產氦-3的情況下，諸如但不限于基本純銀的純非氧化金屬可以被用作傳遞媒體，以幫助氣體分子的碰撞。在氦-3不是期望最后產物的實施例或應用中，可以利用其它傳遞媒體。另一種傳遞媒體的實例包括但不限于具有乳化劑的被污染海水。以此方式，本發明的實現可以用于通過經由利用氫的轉變，將在此的污染物轉變為不太有害或者非有害物質，減少或消除被污染或有害臟水的存在。
[0057]IV.用于一種元素或同位素到另一種元素或同位素的轉變的高剪切力設備
[0058]以下提供對于適于用作將氦-4轉變為氦-3的圖1A至圖1C中的剪切模塊130或者圖2A至圖2C中將一種同位素或元素轉變為另一種同位素或元素的剪切模塊330的高剪切力設備(HSD)的說明。
[0059]通過HSD輸入到流體的能量近似值(kW/L/min)可以通過測量電動機能量(kW)和流體輸出(L/min)作出。在實施例中，高剪切力設備的能量消費大于1000W/m3。在實施例中，高剪切力設備的能量消耗在從約1000W/m3至約7500kW/m3的范圍內。在實施例中，能量消耗在最多約7500W/m3的范圍內。在還有的其他實施例中，高剪切力設備的能量消耗大于7500W/m3。在高剪切力設備中生成的剪切率可以廣泛地改變，并且取決于轉子的直徑、轉子的轉速、以及轉子和定子之間的間隙的尺寸。在實施例中，由高剪切力設備生成的剪切率大于約100，000, OOOs'例如，在一個實施例中，對于以15，OOOrpm操作的具有I微米間隙的12英寸直徑的轉子，剪切率約為119，700, OOOs'
[0060]尖端速度是與將能量發送至反應物的一個或多個旋轉元件的端部相關的速度(m/sec)。對于旋轉元件，尖端速度是每單位時間轉子的頂部所經過的圓周距離，并且通常由等式VOn/sec) = π.?.η限定，其中，V是尖端速度，D是轉子的直徑，單位為米，以及η是轉子的旋轉速度，單位為每秒的轉數。因此，尖端速度是轉子直徑和旋轉速度的函數。而且，尖端速度可以通過將由轉子尖端經過的圓周距離2 JiR(其中，R是轉子的半徑(例如，米))乘以旋轉頻率(例如，每分鐘的轉數，rpm)來計算。
[0061]對于所公開的高剪切力設備的實施例，典型旋轉速度約為15，OOOrpm以上的數量級。尖端速度取決于電動機的尺寸。在實施例中，典型尖端速度超過23m/sec (4500ft/min)，并且可以超過40m/sec (7900ft/min)。為了本公開的目的，術語“高剪切”是指機械轉子_定子設備，諸如磨粉機或混合器，其能夠具有超過5m/sec (1000ft/min)的尖端速度并且要求外部機械驅動的功率設備將能量驅動到將反應的產品流中。高剪切力設備將高尖端速度與非常小的剪切間隙結合，以對正被處理的材料產生顯著剪切。從而，在操作期間，產生非常高的壓力和升高的溫度。在其他實施例中，壓力取決于溶液的粘性、轉子尖端速度、以及剪切間隙。而且，用于局部化區域的壓力可以在短時間段內明顯超過1050Mpa。另外，這些局部化區域還在這些短時間段內經受溫度的極度上升。
[0062]在不限制于將一種元素或同位素轉變為另一種元素或同位素(諸如例如，氦-4到氦-3)的特定理論的情況下，認為該局部化超高壓力和溫度可能是高壓機械引入或水力空化的結果。認為在這些短時間段內的局部化溫度可以超過100，000K。破裂氣泡壁的慣性限制能量，由此限制到高局部化區域的超高溫度。從而，在短時間段內，在高局部化區域中，壓力和溫度足以導致例如氫和氦-4原子核之間的核相互作用。這些相互作用中的一些導致氦-4轉變為氦-3。在其他實施例中，來自氫原子的質子可以與鈣原子的原子核相互作用，以通過將鈣原子的原子核中的一個中子轉變為質子產生鈧。類似地，來自氫原子的質子可以與鍶原子的原子核相互作用，以通過將鍶原子的原子核中的中子轉變為質子來產生釔。在其他實施例中，來自氫原子的質子可以與鋇原子的原子核相互作用，以產生鑭。在實施例中，如果反應物和產物通過系統被再循環，則諸如例如鑭原子的原子核的產物的原子核可以與來自氫原子的質子相互作用，以產生更高階稀土元素，諸如，從鑭產生鈰。除了從鋇獲得鑭之外，如果允許處理繼續足夠次數，可以從初始的鋇源獲取除了鑭之外的其他稀土元素。從而，提供了用于產生鑭、鋪、鐠、釹、钷、衫、銪、禮、鋪、鏑、欽、鉺、錢、鐿和镥。
[0063]現在參考圖3，呈現高剪切力設備200的示意圖。高剪切力設備200包括至少一個轉子-定子組合。在不限制的情況下，轉子-定子組合還可以被稱作發生器220、230、240或級。高剪切力設備200包括至少兩個發生器，并且最優選地，高剪切力設備包括至少三個發生器。
[0064]第一發生器220包括轉子222和定子227。第二發生器230包括轉子223、以及定子228 ;第三發生器包括轉子224和定子229。對于每個發生器220、230、240，轉子通過輸入250被可旋轉地驅動。發生器220、230、240在旋轉方向265上關于軸260旋轉。定子227可固定地連接至高剪切力設備壁255。
[0065]發生器包括轉子和定子之間的間隙。第一發生器220包括第一間隙225 ;第二發生器230包括第二間隙235 ;以及第三發生器240包括第三間隙245。間隙225、235、245可以在I和250微米寬之間。在特定實例中，用于第一發生器220的間隙225大于約用于第二發生器230的間隙235，其大于約用于第三發生器240的間隙245。
[0066]另外，間隙225、235、245的寬度可以包括粗糙、中間、精細、以及超精細特征。轉子222,223和224以及定子227、228和229可以是齒狀設計。每個發生器都可以包括兩組以上轉子-定子齒，如本領域中已知的。轉子222、223和224可以包括關于每個轉子的圓周沿圓周隔開的多個轉子齒。定子227、228和229可以包括關于每個定子的圓周沿圓周隔開的多個定子齒。在實施例中，轉子的內徑約為11.8cm。在實施例中，定子的外徑約為15.4cm。在其他實施例中，轉子和定子可以具有約60_的外徑用于轉子，以及約64_的外徑用于定子。可替換地，轉子和定子可以具有替換(alternate)直徑，以改變尖端速度和剪切壓力。在特定實施例中，三級中的每個都以超精細發生器操作，包括小于或等于約250微米的間隙。在其他實施例中，三個發生器220、230和240(發生器在此還可以稱為級)中的一個或多個都以超精細發生器操作，包括在約I至250微米之間的間隙。在實施例中，高剪切力設備200包括三個以上級或發生器，例如，四級或發生器。在其他實施例中，高剪切力設備200包括少于所示出的三個發生器220、230和240。
[0067]高剪切力設備200被供給包括原料流205的反應混合物。在實施例中，原料流205包括氫、氦、以及被混合有去氧劑和金屬的微米大小粒子(其可以懸浮在混合物中)的溶齊U。在本公開的實施例中，溶劑是氫氧化銨溶液，以及去氧劑是肼。然而，不要求去氧劑用于所有實施例。原料流205通過發生器220、230、240被泵送，從而形成產物流210。除了一些原始氦-4被轉變為氦-3之外，產物210包含與原料流205相同的化工混合物。在每個發生器中，轉子222、223、224相對于固定定子227、228、229高速旋轉。轉子的旋轉在轉子222的外表面和定子227的內表面之間泵送諸如原料流205的流體，產生局部化高剪切力條件。間隙225、235、245產生處理原料流205的高剪切力。轉子和定子之間的高剪切力用于處理原料流205，以產生產物流210。特別是，銀粉將機械能從轉子222、223和224和定子227、228和229傳遞至諸如例如氫和氦核的元素。轉子被設置為以與以上所述的轉子的直徑相當的速度和期望尖端速度旋轉。
[0068]高剪切力設備200的選擇取決于吞吐量要求和分散出口 210中的期望粒子或氣泡尺寸。在特定實例中，高剪切力設備200包括北卡羅來納州威爾明頓的IK? Works公司的DISPAX REACTOR?和馬薩諸塞州威爾明頓的APV North Ameria公司的ModelDR2000/4，例如，包括皮帶傳動、4M發生器、PTFE密封環、入口法蘭I”衛生級卡箍、出口法蘭3/4”衛生級卡箍、2HP功率、7900rpm的輸出速度、約300_7001/h (取決于發生器)的流量(水)、從9.4m/s至41m/s (約1850ft/min至約8070ft/min)的尖端速度。具有多種入口/出口連接、馬力、標稱尖端速度、輸出rpm、以及標稱流率的多個可選模型可用。
[0069]在不希望限于特定理論的情況下，相信高剪切力混合的水平或程度足以產生局部化高壓和高溫，其使核反應能夠發生，而不是否則被期望發生的。相信局部化條件在高剪切力設備內發生，得到增加的溫度和壓力。高剪切力設備內的壓力和溫度的增加是瞬間的，并且被局部化和快速地回復到一旦退出高剪切力設備時的總體或平均系統條件。在一些情況下，相信局部化壓力和溫度足以克服庫侖勢壘，并且允許不同原子的原子核之間的核子-核子反應。用于多種反應的機制不被知曉。然而，相信在將氦-4轉變為氦-3的實施例中，至少一些反應涉及質子對氦-4原子核的高能量碰撞，使得從氦-4原子核去除中子，形成氦-3原子核。除了氦-3之外的產物還可以經由所公開的系統和方法產生。例如，可以產生氚。然而，因為氚最終衰變為氦_3，所以該元素的產生被視為有益的。因為氦-4是非常穩定的原子核，比氦-3具有更高的結合能，處理消耗能量而不是釋放能量。而且，因為氦-4非常穩定，很多氦-4從高剪切力設備200排出，而不被轉變為氦_3。然而，在實現本公開的實施例的實驗中，已經實現了氦-3的產量的增加，使得氦-3的數量比處理之前增加3 %、5 %、7 %、10 %、12 %、14%或更多。從而，在相信使得從一些氦_4原子核去除中子有效的條件下，本系統和方法的特定實施例的高剪切力混合設備被操作，由此將一些氦-4原子核轉變為氦-3原子核。
[0070]如上所述，在實施例中，所公開的系統被用于將第一元素轉變為第一元素的同位素。雖然不意味著限于在此詳細論述的特定實施例，但是可以想象，所公開的系統和方法對于元素的放射性同位素(即，元素的‘放射性核’)到元素的非放射性同位素的轉變或“轉化”特別有用。例如，所公開的系統和方法對于處理諸如但不限于被一種或多種放射性核污染的水和/或污泥的被污染流體可能有用，由此至少一部分放射性核可以經由與氫接觸的高剪切，被轉變為元素的非放射性或較少放射性形式(例如，其中，放射性核被轉變為元素的自然發生的非放射性同位素)。高剪切提供原子氫，其可以與元素反應，如上所述。期望將被處理的被污染流體包括油。如果沒有，則在引入到高剪切力設備之前，油可以被添加至被污染流體。油可以包括回收植物油、機油、融化的蠟等。在引入到高剪切力設備之前，諸如但不限于肼的去氧劑可以被添加至被污染液體中。
[0071 ] 在實施例中，包含銫和/或鍶的一種或多種放射性核的被污染流體如在此所述被處理，以提供包含元素的穩定(或‘更穩定’)同位素的處理后液體。‘更穩定’同位素可以具有比放射性核短一半的壽命。被污染流體可以包含第一元素和固體粒子，諸如但不限于水和/或油中的沙子。
[0072]在實施例中，被污染流體包括鍶(即，鍶-89和/或鍶-90)的至少一種放射性同位素，并且至少一種放射性同位素的至少一部分被轉變為一種或多種非放射性鍶同位素(即，轉變為鍶-85、鍶86、鍶87、和/或鍶88)。在實施例中，鍶的放射性同位素主要被轉變為銀-88。
[0073]在實施例中，被污染液體包括銫的至少一種放射性同位素(即，銫-129、銫-131、銫-132、銫134、銫-135、銫-136、和/或銫-137)，并且至少一種放射性同位素的至少一部分被轉變為銫-133。在實施例中，被污染液體包括選自銫-134、銫-135、和銫-137中的銫的至少一種放射性同位素，并且至少一種放射性同位素的至少一部分被轉變為銫-133。
[0074]在閱讀本公開時，本領域技術人員將理解所公開的系統和方法適用于轉變其他元素/同位素。
[0075]氦-4到氦-3處理的實例:在氦-4到氦-3處理的特定實施例中，反應物含量包括兩⑵瓶銀，99.9%金屬基底，5-8微米，每個50克；兩⑵瓶肼，98%，每個100克；兩(2)瓶銀，99.9%金屬基底，2-3.5微米，每個50克；以及三(3)瓶氫氧化銨溶液，每個2.5公升。用于添加反應物含量的啟動過程包括:將三(3)瓶氫氧化銨添加至反應器110。系統100通過氫和氦被凈化兩次，每次在反應器110上的抽真空60mm。一旦執行反應器110的氦和氫凈化，肼就被添加至反應器110，以去除氧。在添加肼之后，將銀粉添加至反應器110。
[0076]—旦完成啟動過程,就在反應器上以20_30psi的50體積或摩爾百分數氫和50體積或摩爾百分數氦的比率，將來自源170和172的氫和氦添加至反應器110。反應器110的攪拌為600rpm，以保持液體和固體成分以及氣體成分在反應器110中均勻混合。泵120將混合物從反應器110泵送至剪切模塊130。剪切模塊以7900rpm操作。液體從剪切模塊130排出，并且返回到攪拌反應器110，并且處理在7個小時周期內重復多次。在運行時間后，并且在真空蒸餾進入冷阱160的反應器110液體之后，從冷阱160采集取樣。根據以下概述的過程分析取樣，并且在圖4中所示的表中呈現分析的結果。在反應器110經受真空之前收集的取樣被稱為取樣13A，并且在真空蒸餾進入冷阱160的反應器110液體之后采集的取樣被稱為取樣13B。從而，取樣13A是處理前氦，S卩，在經受通過剪切設備與氫相互作用之前的氦。取樣13B是處理后氦，S卩，在通過剪切設備與氫相互作用之后的氦。從圖4可以看出，包含從氦-4轉變的氦-3的取樣13B(處理后氦取樣)比取樣13A(處理前氦取樣)明顯包含更多氦_3。
[0077]用于氚和氦的分析方法
[0078]空氣取樣(0.5cc空氣)在由不銹鋼和Corning-1724玻璃構成的高真空流水線上被處理，以最小化氦擴散。在分別在_90°C和_95°C下去除H2O蒸汽和CO2之后，使用校準體積和電容壓力計測量非冷凝性氣體(例如，He、Ne、Ar、02、N2,以及CH4)的量。在裝配有可變漏閥的Dycor四極質譜儀上分析氣體比率(N2N2、Ar、CH4)。結果與電容壓力計測量結合，以獲得氣體濃度(+/-2% )。在氦同位素分析之前，通過與Zr-Al合金(SAES-ST707)的反應去除N2和O2, Ar和Ne分別以77K和40K被吸收在活性炭上。SAES-ST-101吸氣劑(一個在入口線中以及兩個在質譜儀中)將HD+基底減小到?1000離子/秒。
[0079]在裝配有法拉第圓筒(分辨率為200)和Johnston電子倍增器(分辨率為600)的VG5400稀有氣體質譜儀上分析氦同位素比率和濃度，用于順序分析4He (F-圓筒)和3He (倍增器)光束。在軸向收集器(分辨率為600)上，3He+與HD+完全分離，基線分離〈2%的HD+峰值。在1000離子/秒的HD+下，HD+對3He峰值的貢獻為〈0.1離子/秒。對于具有一空氣比率(2xlO_4Amp/托的靈敏度)的2.0 μ cc的He，由于分散的4He離子或4He離子在質譜儀的源內的較低電壓電位處的形成，3He信號平均2500離子/秒，基底信號為?15cps。使用空氣氦作為絕對標準，報告相對于大氣比率(Ra)的所有3HeAfe比率。3HeAfe比率的誤差由取樣測量(0.2% )的準確度和空氣中的比率測量的改變(0.2% )獲得，并且對于所報告的氦同位素值在2 σ給出0.3%的總誤差。從總取樣與已知尺寸的標準的比較，獲得氦濃度。如由峰值高度比較測量的值精確到1% (20)。
[0080]使用3He “內生長”技術分析氚值。150g水在高真空線上被脫去所有He，并且被密封在3”0.D.1724玻璃安瓿中60至90天。玻璃安瓿在無氦的氮氣中在250°C下被烘培，以最小化玻璃中的氦的溶解度。在密封之后，安瓿被存儲在_20°C下，以在取樣存儲期間限制氦到球管(bulb)的擴散。在該時間間隔期間，從氚的衰變產生的3He累積在燒瓶中。典型取樣空白是?10_9cc的4He和10_15CC的3He。對3He的空白校正使用4He含量作出，并且假設空白具有空氣3He/4He比率。存儲安瓿的3He含量使用以上過程在VG5400上被測量，并且與空氣標準的3He含量相比較。用于包含10T.U.并且被存儲90天的取樣的典型3He信號是?8xl05原子(±2%)和3He的3± IxlO4原子的空白。所報告的氣值的誤差取決于氣的量，并且在10T.U.下為2% (20)。可以通過更大取樣和更長存儲時間，實現更高精度。
[0081]雖然已經示出和描述了本發明的優選實施例，但是在不脫離本發明的精神和教導的情況下，本領域技術人員可以對其進行修改。在此描述的實施例僅是示例性的，并且不旨在限制。在此公開的本發明的多個改變和修改都是可以的，并且在本發明的范圍內。其中，數值范圍或極限被明確闡述，這樣的明確范圍或極限應該被理解為包括就像落在明確闡述的范圍或極限(例如，從約I至約10包括2、3、4等；大于0.10包括0.11,0.12,0.13等)內的幅度的重復范圍或極限。關于權利要求的任何元素的術語“可選地”的使用旨在意味著該主體元素被要求或者可替換地不被要求。兩種選擇都旨在在權利要求的范圍內。諸如包括、包含、具有等的更廣泛術語的使用應該被理解為提供對更窄術語的支持，諸如，由...構成、基本由...構成、主要由...構成等。
[0082]因此，保護范圍不由以上闡述的說明書限制，而是僅通過以下權利要求限制，其范圍包括權利要求的主題的所有等價物。每個和每一個權利要求均被結合到說明書中作為本發明的實施例。從而，權利要求是進一步說明，并且是對本發明的優選實施例的增加。在此闡述的所有專利、專利申請、以及公開出版物的公開都被結合于此作為參考，它們給在此闡述的提供示例性、程序或其他詳情補充。
【權利要求】
1.一種用于將第一物質轉變為第二物質的系統，所述系統包括: 混合反應器，被配置成提供包括第一反應物、第二反應物、和溶劑的反應物混合物；以及 高剪切力設備，流體連接至所述混合反應器，其中，所述高剪切力設備包括: 至少一個轉子/定子組，包括轉子和關于旋轉軸對稱定位并且分離剪切間隙的互補形狀的定子，其中，所述剪切間隙在從約10微米至約250微米的范圍內；以及 電動機，被配置用于關于所述旋轉軸旋轉所述轉子，由此能量可以從所述轉子被傳遞至所述反應物，從而引起所述第一反應物和所述第二反應物之間的反應，以形成產物。
2.根據權利要求1所述的系統: 其中，所述第一反應物和所述第二反應物基本相同； 其中，所述第一反應物主要包括選自由鈣、鍶和鋇構成的組中的元素的可溶形式； 其中，所述第一反應物主要包括氫； 其中，所述第一反應物主要包括第一元素，所述第二反應物主要包括第二元素，以及所述產物主要包括第三元素；和/或 其中，所述第一反應物主要包括第一元素，所述第二反應物的至少一部分是第二元素的第一同位素，并且所述產物主要包括所述第二元素的第二同位素。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，所述第一反應物主要包括第一元素，所述第二反應物的至少一部分是第二元素的第一同位素，以及所述產物主要包括所述第二元素的第二同位素；以及其中，所述第一元素主要包括氫，所述第二元素的所述第一同位素是氦_4，以及所述第二元素的所述第二同位素是氦_3。
4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述高剪切力設備包括至少三個轉子/定子組。
5.根據權利要求4所述的系統，其中，所述剪切間隙對于所述至少三個轉子/定子組中的至少兩個是不同的，和/或其中，所述剪切間隙對于所述至少三個轉子/定子組中的至少兩個是基本相同的。
6.一種用于將氦-4轉變為氦-3的系統，所述系統包括: 混合反應器，被配置成提供反應物的混合物，其中，所述混合物包括氫、氦、和溶劑； 高剪切力設備，流體連接至所述混合反應器，其中，所述高剪切力設備包括: 至少一個轉子/定子組，包括:轉子和關于旋轉軸對稱定位并且分離剪切間隙的互補形狀的定子，其中，所述剪切間隙在從約10微米至約250微米的范圍內； 電動機，被配置用于關于所述旋轉軸旋轉所述轉子，由此能量可以從所述轉子被傳遞至所述氫和氦，由此引入促進氫和氦核的反應的高壓和高溫的局部區域，使得所述氦中的至少一部分所述氦-4被轉變為氦-3 ； 進料口，從所述混合反應器接收所述反應物混合物，所述進料口將所述高剪切力設備與所述混合反應器的第一出口流體連接；以及 第一出口，將所述高剪切力設備與所述混合反應器的再循環入口流體連接，以給所述混合反應器提供包括溶解在所述溶劑中的轉變后的氦-3的產物混合物；以及分離單元，被配置成從所述溶劑去除至少一部分所述轉變后的氦_3。
7.根據權利要求6所述的系統: 其中，所述溶劑包括選自由氫氧化銨、水和油構成的組中的至少一種成分； 其中，所述混合物進一步包括去氧劑； 其中，所述混合物進一步包括選自由銀、鋁、鎳、和鈦構成的組中的至少一種金屬；和/或 其中，所述混合物進一步包括金屬粒子，并且其中，所述金屬粒子具有在從約2微米至約8微米范圍內的平均尺寸。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，所述混合物包括去氧劑，并且其中，所述去氧劑包括肼。
9.根據權利要求6所述的系統: 其中，所述電動機能夠提供高達至少約7900RPM的所述轉子的旋轉頻率； 其中，所述混合反應器可在從約20psi和約30psi的范圍內的壓力下操作； 其中，所述混合物包括摩爾比的比例約為I的氫和所述氦；和/或 其中，所述氦主要包括氦_4。
10.一種長期存儲氦-3的方法，所述系統包括: 獲取氦-3 ； 在使得所述氦-3被溶解在所述氫氧化銨溶液中的壓力下，混合所述氦-3與氫氧化銨溶液；以及 保持所述氦-3溶解在所述氫氧化銨中的壓力。
11.一種將氦-4轉變為氦-3的方法,所述方法包括: 將氫、氦和溶劑引入高剪切力設備，所述高剪切力設備包括轉子和分離從約10微米至約250微米范圍內的剪切間隙并且關于旋轉軸對稱定位的互補形狀的定子；以及 關于所述旋轉軸旋轉所述轉子，由此機械能夠從旋轉的轉子被傳遞至所述氫和氦的原子核，由此引入促進核反應的高壓和高溫的局部區域，得到至少一些所述氦-4到氦-3的轉變；以及 從所述高剪切力設備提取產物，其中，所述產物包括從所述氦-4轉變的溶解的氦_3。
12.根據權利要求11所述的方法，進一步包括:經由混合反應器結合所述溶劑中的氫和氦，以形成原料流，將所述產物再循環到所述混合反應器，并且將至少一部分所述產物從所述混合反應器提取到冷阱中，由此使至少一部分所述轉變后的氦-3與至少一部分所述溶劑分離。
13.根據權利要求11所述的方法: 其中，所述原料流進一步包括去氧劑； 其中，所述溶劑包括氫氧化銨溶液；和/或 其中，關于所述旋轉軸旋轉所述轉子產生大于約100，000，OOOiT1的剪切率。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述原料流進一步包括去氧劑，并且其中，所述去氧劑包括餅。
15.根據權利要求11所述的方法，進一步包括:將固體引入所述高剪切力設備。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，所述固體包括金屬，和/或其中，所述固體包括具有在從約2微米至約8微米范圍內的平均尺寸的金屬粒子。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述金屬包括銀。
18.一種用于將第一元素轉變為不同元素或者所述第一元素的同位素的方法，所述方法包括: 將氫、所述第一元素、以及溶劑引入高剪切力設備，所述高剪切力設備包括轉子和分離剪切間隔并且關于旋轉軸對稱定位的互補形狀的定子； 關于所述旋轉軸旋轉所述轉子，由此機械能從所述旋轉轉子到各個原子核的傳遞引入促進所述元素的各個原子核和所述氫核之間的核反應的高壓和高溫的局部區域，得到至少一些所述第一元素到所述不同原子或所述第一元素的同位素的轉變；以及 從所述高剪切力設備提取產物流，其中，所述產物流包括所述不同元素或所述第一元素的同位素。
19.根據權利要求18所述的方法，進一步包括:經由混合反應器結合所述溶劑中的氫，將所述產物流再循環到所述混合反應器，并且將至少一部分所述產物流從所述混合反應器提取到分離單元，由此所述不同元素或所述第一元素的同位素的至少一部分與至少一部分所述溶劑分離；和/或進一步包括:將去氧劑引入所述原料流。
20.根據權利要求19所述的方法包括:將去氧劑引入所述原料流，其中，所述去氧劑包括餅。
21.根據權利要求18所述的方法: 其中，所述溶劑包括選自由氫氧化銨溶液、水、及其組合構成的組中的至少一種成分； 其中，所述原料流進一步包括固體粒子； 其中，關于所述旋轉軸旋轉所述轉子產生大于約100，000，OOOs 1的剪切率； 其中，所述剪切間隙大于約250微米； 其中，所述第一元素選自由稀土元素構成的組，并且其中，所述不同元素為更高階稀土元素； 其中，所述第一元素選自由銫和鍶的放射性核構成的組，并且其中，所述第一元素的同位素選自由所述第一元素的穩定同位素構成的組；和/或其中，所述第一元素是放射性核。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，所述原料流進一步包括固體粒子，其中，所述固體粒子選自由金屬、陶瓷、金屬氧化物、及其組合構成的組，和/或其中，所述固體粒子具有在從約2微米至約8微米范圍內的平均尺寸。
23.根據權利要求21所述的方法，其中，所述第一元素是放射性核，以及: 其中，所述第一元素選自由鍶-89、鍶-90、及其組合構成的組； 其中，所述第一元素選自由銫-129、銫-131、銫-132、銫-134、銫-135、銫-136、銫-137、及其組合構成的組；和/或 其中，所述原料流包括包含所述第一元素、固體粒子、水和油的被污染液體。
24.根據權利要求23所述的方法，其中，所述第一元素的同位素選自由鍶-84、鍶-86、鍶-87、鍶-88、以及其組合構成的組。
25.根據權利要求24所述的方法，其中，所述第一元素的同位素主要包括鍶-88。
26.根據權利要求23所述的方法，其中，所述第一元素選自由銫-134、銫-135、銫-137、及其組合構成的組。
27.根據權利要求23所述的方法，其中，所述第一元素的同位素包括銫-133。
28.根據權利要求23所述的方法，其中，所述原料流包括包含所述第一元素、固體粒子、水和油的被污染液體，并且其中，所述固體粒子包括沙子。
【文檔編號】B01J19/18GK104203396SQ201380014878
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月19日 優先權日:2012年3月21日
【發明者】阿巴斯·哈桑, 阿齊茲·哈桑, 雷福德·G·安東尼, 阿莉莎·哈桑 申請人:Hrd有限公司