用于将第一物质转变为第二物质的装置、系统和方法

用于将第一物质转变为第二物质的装置、系统和方法
【专利摘要】一种用于将第一物质转变为第二物质的系统，该系统包括：混合反应器，被配置成提供包括第一反应物、第二反应物和溶剂的反应物混合物；以及高剪切力设备，流体连接至混合反应器，其中，高剪切力设备包括至少一个转子/定子组，至少一个转子/定子组包括转子和关于旋转轴对称布置并且分离剪切间隙的互补形状的定子，其中，剪切间隙在从约10微米至约250微米的范围内；以及电动机，被配置成关于旋转轴旋转转子，由此能量可以从转子被传递至反应物，由此在第一反应物和第二反应物之间引入反应，以形成产物。
【专利说明】用于将第一物质转变为第二物质的装置、系统和方法
[0001 ] 关于联邦政府资助的研究或开发的声明
[0002]不适用。

【技术领域】
[0003]本发明总体涉及打破和创建亚原子粒子和/或原子粒子之间的键。更特别地，在实施例中，本发明涉及将亚原子粒子添加到原子的原子核，从原子的原子核去除亚原子粒子，和/或改变原子的原子核中的亚原子粒子。更特别地，在实施例中，本发明涉及添加质子和/或中子和/或从原子核去除质子和/或中子，和/或将质子转变为中子，和/或将中子转变为质子。甚至更特别地，在实施例中，本发明涉及从氦-4获取氦-3。甚至更特别地，在实施例中，本发明涉及将一种元素或同位素转变为另一种元素或同位素。

【背景技术】
[0004]氦-3是氦的轻且非放射性同位素，具有两个质子和一个中子。例如，氦-3在研究和工业中具有多种用途。氦-3在低温下被使用，以实现约十分之几开尔文数量级的温度，并且在稀释冷却器中与氦-4结合，以实现低到千分之几开尔文的温度。氦-3还是用于中子探测的仪器中的重要同位素。氦-3的其他用途包括医学成像。氦-3还被用于一些聚变处理。
[0005]虽然存在用于氦-3的很多用途，但是地球上的氦-3的数量非常稀少。实际上，虽然氦在整个宇宙中是普遍的，但是氦在地球上非常稀少。而且，不仅氦在地球上非常稀少，而且作为氦-3的氦的比例非常低。例如,近地表大气的氦-3含量为7.27±0.20兆体积分率(pptv)，并且对于大气氦的氦-3/氦-4比约为1.393X10'来自任何地源的比率都不大于5分率的氦-3比百万分率的氦_4。从而,从自然存在的资源获取大量氦-3很难。
[0006]氦-3还可以作为氚(包含两个中子和一个质子的氢的放射性同位素)衰变的产物来被获取。这是当前获取氦-3的最普遍商业方法。因为氚是放射性的，如果吸入或者吸收可能很危险。而且，氚可以与氧结合，以形成可以通过皮肤中的毛孔吸收的氚化水分子。除了危险之外，氚也非常稀少。氚通常通过锂-6的中子活化，在核反应器中被产生。然而，该方法昂贵，并且可能致使反应器组件具有放射性。
[0007]其他元素同样稀少并且很难获得。更特别地，诸如镧系元素的稀土元素随着更多的应用被商业化而发现增加了更多应用，在自然界中很难获得。例如，稀土元素在用于计算机监视器和电视的液晶显示器、光纤电缆、磁体、玻璃抛光、DVD、计算机中的USB驱动器、催化转换器、石油裂化催化剂、电池组、荧光灯、导弹、喷气发动机、以及卫星中被使用。
[0008]从而，针对本领域，需要一种用于从更有效且经济的系统、装置和方法来从更便宜且丰富的元素获取氦-3和其他稀有元素。此外，需要一种获取氦-3的系统、装置和方法，其更加安全并且得到比当前方法提供的更少的放射性副产品。另外，需要一种用于从更便宜且更丰富的元素获取稀土元素的有效且经济的系统。还需要一种用于将元素的同位素转变为另一种同位素或元素的经济方法。


【发明内容】

[0009]在此公开一种高剪切力系统和处理，其推动中子削裂和原子重排，对于给定元素，其可能得到原子数量的改变和/或同位素形成的改变。高剪切力设备引入局部化高压和高温，其使核子-核子相互作用，实现核重排。特别是，来自高剪切力设备的转子和定子的机械能被传送至元素的原子核。在实施例中，机械能经由诸如金属(例如，银)的无机粒子被传递。所得到的能量传递可以产生高压和高温的高度局部化区域，其足以克服库仑势垒，并且允许多种元素原子核之间的核子-核子相互作用。
[0010]在一个实施例中，公开一种用于将氦-4转变为氦-3的高剪切力系统和处理。高剪切力设备引入局部化高压和高温，其使核子-核子相互作用，导致氢和氦-4反应，以生成氦-3。具体地，来自高剪切力设备的转子和定子的机械能通过诸如金属(例如，银)的无机粒子，被传送到氢和氦。所得到的能量传递可能导致高压和高温的高度局部化区域，其足以克服库仑势垒，并且允许多种元素的原子核之间(例如，氢和氦核之间)或中的核子-核子相互作用。
[0011]在本公开的实施例中，处理采用高剪切力机械反应器，以提供增强的压力和温度反应条件，其促进氦-4到氦-3的转变。而且，在在此描述的实施例中公开的处理包括将氦-3溶解在氢氧化铵溶液中，用于长期存储氦_3。
[0012]在本公开的实施例中，提供一种用于将第一物质转变为第二物质的系统。该系统包括:混合反应器，搅拌混合物，以提供反应物，其中，混合物包括与溶剂结合的第一反应物和第二反应物，并且可选地，悬浮和/或溶解在溶剂中的固体的粒子。该系统还包括:高剪切力设备，流体连接至混合反应器，其中，高剪切力设备包括至少一级。高剪切力设备的至少一级包括:转子，关于旋转轴对称布置并且围绕内部空间。高剪切力设备的级还包括外壳，其中，外壳和转子被环形空间分隔，其中，转子和外壳之间的距离大于约10微米并且小于或等于约250微米。高剪切力设备还包括:电动机，被配置为关于旋转轴旋转转子，其中，来自旋转转子的能量可选地经由固体粒子，被从转子传递至反应物，由此诱发第一反应物和第二反应物之间的反应，以形成产物。
[0013]在本公开的实施例中，提供一种用于将氦-4转变为氦-3的系统。该系统包括:混合反应器，被配置成搅拌混合物，以提供反应物，其中，混合物包括氢、氦、和溶剂，并且可选地无机固体的粒子，其可以悬浮在溶剂中。该系统还包括:高剪切力设备，流体连接至混合反应器。高剪切力设备包括:转子，关于旋转轴对称定位并且围绕内部空间；外壳，其中，夕卜壳和转子被环形空间分隔，其中，转子和外壳之间的距离大于或等于约250微米；电动机，被配置成关于旋转轴旋转转子，其中，来自旋转转子的能量从转子被传送到氢和氦，可选地借助于存在的无机固体粒子，由此引起高压和高温的局部化区域，促进氢和氦核的相互作用，使得氦中的一些氦-4被转变为氦-3 ;进料口，被配置成从混合反应器接收反应物，所述进料口沿着旋转轴布置并且与内部空间以及混合反应器的第一出口流体连接；以及第一出口，其中，第一出口与内部空间以及与混合反应器的再循环入口流体连接，以向混合反应器提供包括溶解在溶剂中的转变后的氦-3的产物混合物。该系统还包括分离单元，用于从溶剂中分离至少一部分氦-3，其中，分离单元包括与混合反应器的第二出口流体连接的入口和用于获取氦-3的取样出口。
[0014]在本公开的实施例中，提供一种用于长期存储氦-3的方法。该方法包括:获取氦_3，在使得氦-3溶解在氢氧化铵溶液中的压力下混合氦-3与氢氧化铵溶液，并且保持氦-3溶解在氢氧化铵中的压力。
[0015]在本公开中描述的实施例中，提供一种将氦-4转变为氦-3的方法。该方法可以包括结合氢、氦和溶剂，并且可选地使金属粒子悬浮和/或溶解在溶剂中，以形成原料流，并且将原料流引入高剪切力设备的内部空间中，内部空间包含至少一个转子和分离从约10微米至约250微米范围内的间隙并且关于旋转轴对称定位的至少一个互补形状的定子。该方法进一步包括:关于旋转轴旋转至少一个转子，由此机械能从旋转转子被传递至氢和氦的原子核，从而引起高压和高温的局部化区域，促进核反应，导致至少一些氦-4到氦-3的转变。该方法进一步包括:从内部空间中提取产物流，其中，产物流包括从氦-4转换的氦-3，并且可以进一步包括一种或多种未反应的氢、未反应的氦和固体粒子。
[0016]在本公开的实施例中，提供一种用于将第一元素转变为第二元素或者第一元素的同位素的方法。该方法可以包括:提供包括氢、第一元素和溶剂的原料流或乳液。该方法可以进一步包括:将原料流引入高剪切力设备的内部空间中，内部空间包含至少一个转子和在转子和定子之间分离一间隙并且关于旋转轴对称布置的至少一个互补形状的转子，并且关于旋转轴旋转至少一个转子，由此机械能从旋转转子被传递至各个原子核，从而引起高压和高温的局部化区域，促进元素的各个原子核和氢核之间的核反应，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转变。该方法可以进一步包括:从高剪切力设备提取产物流，其中，产物流包括不同元素或第一元素的同位素。提供原料流可以进一步包括:经由混合反应器将氢溶解在溶剂中，并且该方法可以进一步包括:将产物流再循环至混合反应器，并且将至少一部分产物流从混合反应器提取到分离单元，由此至少一部分不同元素或第一元素的同位素可以与至少一部分溶剂分离。该溶剂可以选自由氢氧化铵溶液、水、油、及其组合构成的组。在实施例中，原料流进一步包括固体。在实施例中，固体粒子选自由金属、陶瓷、金属氧化物、及其组合构成的组。在实施例中，固体包括金属粒子。固体可以包括具有在从约2微米至约8微米范围内的平均尺寸。关于旋转轴旋转转子可以产生大于约100，000, OOOs 1的剪切率。在实施例中，剪切间隙大于约250微米。在实施例中，剪切间隙小于约250微米。
[0017]在方法的实施例中，第一元素选自由稀土元素构成的组，并且不同元素是更高阶稀土元素。在实施例中，第一元素是放射性的。在实施例中，第一元素选自由铯和锶的放射性核构成的组，并且第一元素的同位素选自由第一元素的稳定同位素构成的组。在实施例中，第一元素选自由锶-89、锶-90、及其组合构成的组。第一元素的同位素可以选自由锶-84、锶-86、锶-87、锶-88、及其组合构成的组。第一元素的同位素可以主要包括锶_88。在实施例中，第一元素选自由铯-129、铯-131、铯-132、铯134、铯-135、铯136、铯137、及其组合构成的组。在实施例中，第一元素选自由铯-134、铯-135、铯-137、及其组合构成的组。第一元素的同位素可以包括铯-133。
[0018]原料流可以包括包含第一元素、固体粒子、水、以及油的被污染流体。固体粒子可以包括沙子。该方法可以进一步包括:将去氧剂引入原料流。在实施例中，去氧剂包括肼。
[0019]这些和其他实施例和可能优点将在以下详细说明书和附图中变得显而易见。

【专利附图】

【附图说明】
[0020]为了更详细说明本发明的优选实施例，现在将对附图作出参考，其中:
[0021]图1是根据本公开的实施例的用于将氦-4转变为氦-3的系统的示意图。
[0022]图2是根据本公开的实施例的用于将一种同位素或元素转变为不同同位素或元素的系统的示意图。
[0023]图3是根据本公开的实施例的高剪切力设备的示意图。
[0024]图4是示出将氦-4转变为氦-3的示例性测试结果。
[0025]符号和术语
[0026]如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指示，术语“氢”的使用是指氢的所有同位素和形式。如在此使用，除非另外明确或者由上下文指示，术语“氢_1”、“氕”、“轻氢”、“Η-Γ’Ζ1!!”的使用均是指氢的单质子同位素。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“氘”、“氢-2”、“2H”、“H-2”、以及“D”均是指具有一个中子的氢的同位素。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“氚”、“氢-3”、“3H”、“H-3”、以及“T”均是指具有两个中子的氢的同位素。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“氦”的使用是指氦的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“氦-3”、“3He”和“He-3”的使用均是指具有一个中子的氦的同位素。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“氦_4”、“4He”和“He-4”的使用是指具有两个中子的氦的同位素。
[0027]如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“钇”和“Y”的使用是指钇的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“钪”和“Sc”的使用是指钪的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“铈”和“Ce”的使用是指铈的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“镧”和“La”的使用是指镧的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“镨”和“Pr”的使用是指镨的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“钕”和“Nd”的使用是指钕的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“钷”和“Pm”的使用是指钷的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“钐”和“Sm”的使用是指钐的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“铕”和“Eu”的使用是指铕的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“钆”和“Gd”的使用是指钆的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“铽”和“Tb”的使用是指铽的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“镝”和“Dy”是指镝的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“钦”和“Ho”的使用是指钦的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“铒”和“Er”的使用是指铒的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“铥”和“Tm”的使用是指铥的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“镱”和“Yb”的使用是指镱的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“镥”和“Lu”的使用是指镥的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“钙”和“Ca”的使用是指钙的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“锶”和“Sr”的使用是指锶的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“铯”和“Cs”的使用是指铯的所有同位素和形式。如在此使用的，除非另外明确或通过上下文指出，术语“钡”和“Ba”的使用是指钡的所有同位素和形式。
[0028]如在此使用的，术语“剪切模块”、“剪切泵”、以及“高剪切力设备”可交换使用。如在此使用的，术语“psi ”是指“每平方英寸磅数”，术语“hz”是指“赫兹”并且是频率的通用单位，术语“rpm”是指“每分钟转数”。术语“反应器”、“搅拌反应器”和“混合反应器”在整个公开中可交换使用。

【具体实施方式】
[0029]1.概述。在此公开一种打破原子和/或亚原子粒子之间的键和/或创建原子和/或亚原子粒子之间的新键的系统和方法。更具体地，在一个实施例中，在此公开一种用于从原子的原子核去除亚原子粒子的系统和方法。甚至更具体地，在一个实施例中，在此公开一种将氦-4转变为氦-3的系统和方法。
[0030]尽管在一个实施例中，在此参考从氦-4创建氦-3来描述该处理，但是本领域技术人员将认识到，在此公开的系统和方法还可以被应用至其他原子核，用于将一个同位素或元素转变为不同同位素或元素(例如，锂-7至锂_6、以及氦-4至氚)。
[0031]所公开的系统和方法依靠使用剪切泵产生高压和高温，以产生足以打破和创建原子和/或亚原子粒子之间的键。在一个实施例中，该能量足以从氦-4原子核去除中子，以产生氦-3。在实施例中，氦和氢在氢氧化铵中被结合(例如，溶解)，以提供溶液。在实施例中，氦、氢和氢氧化铵的溶液进一步包括肼、银粉、或两者，其也可以悬浮和/或溶解在溶液中。在不希望被理论限制的情况下，肼可以用作去氧剂，防止或最小化由剪切泵的压力释放的游离氧与氢的相互作用。银粉可以包括具有在从约2微米至8微米范围内的平均尺寸的银粒子。银粉可以使能量从剪切模块的转子传递到原子核(例如，到氢和氦核)，得到足以促进核子-核子相互作用的非常高压力和温度的高局部化区域。通过多种不同反应，氢-1原子核(即，质子)从氦-4原子核有效地去除中子，由此得到氦-3和副产品。
[0032]虽然在此参考氦作为元素、银粉作为将机械能从剪切模块传递至原子核的媒介、以及氢氧化铵作为溶液对处理进行描述，但是本领域普通技术人员将认识到，根据实施例，可以转换其他元素，可以利用其他材料，诸如但不限于纯无机材料，包括金属、金属氧化物、以及陶瓷、和/或其他溶剂，诸如但不限于合成油、机油、石蜡油、以及豆油。在实施例中，诸如金属粒子的非固体需要实现转换。只要剪切力足以实现核反应，固体粒子可以不存在。在实施例中，固体粒子的结合可以增强反应的程度或速率。在实施例中，例如，无机材料选自由镍、铝、钛、及其组合构成的组。可以利用大量溶剂。在实施例中，将被转换的元素、氢、和/或机械传递媒体可以溶解在溶剂中。在实施例中，溶剂包括选自水、油和氢氧化铵中的一种或多种成分。在实施例中，溶剂选自诸如但不限于豆油、机油、石蜡油、合成油、脂类、及其组合的油。剪切力可以经由加入更粘稠的油而增加。使用更粘稠的油作为溶剂或溶剂的成分可以使得使用更少的量或者基本没有固体微粒材料成为可能。
[0033]在一些反应中，不是从氦-4原子核去除中子之外，而是去除质子，得到氚和自由质子，其可以与其他氦-4原子核反应。虽然氚是放射性的，但是除非被吸收或吸入，其对人体相对无害。而且，到氦-3的氚衰变可以增加经由所公开的系统和处理产生的氦-3的最终产率。
[0034]在此公开的将氦-4转变为氦-3的系统和处理看起来不产生过多高能量自由中子。从而，由于所利用的装置和设备通过自由中子轰击而不呈现放射性，所公开的处理对于产生氦-3是相对安全的。
[0035]I1.用于将氦-4转变为氦-3的系统。本公开的氦-3生成系统包括至少一个搅拌反应器、一个剪切泵(也被称为高剪切力设备或剪切模块)、液体进料泵、气体压缩器、蓄能脉冲阻尼器、以及冷阱。除了以下描述的那些之外，该系统可以进一步包括一个或多个泵。氦-3生成系统可以进一步包括一个或多个流量控制阀。该系统可以与用于监视和控制流入和流出各个组件的流量的控制系统电通信。
[0036]现在将参考图1A至图1C描述根据本公开的用于氦-3生成的系统。图1A至图1C是根据本公开的实施例的氦-3生成系统100的示意图。图1A是在启动模式期间的系统100的示意图。图1B是在运行模式期间的系统的示意图。图1C是在真空模式期间的系统的示意图。氦-3生成系统100包括搅拌反应器110、液体进料泵120、剪切泵130、气体压缩器140、蓄能脉冲阻尼器150、分离单元160、以及真空泵165。系统100还包括氢源170和氦源172。在本实施例中，分离单元160是冷阱。然而，在其他实施例中，可以采用其他分离单元，以从溶剂中分离氦。例如，在实施例中，分离单元160选自由蒸馏塔和低温分馏塔构成的组。
[0037]在运行模式下，如在图1B中所示的，来自氢源170的氢和来自氦源172的氦被结合(可以被溶解)在溶剂中，诸如，例如在搅拌反应器I1中的氢氧化铵溶液。来自氦源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。游离氧通过例如与氢结合以产生水并且降低可用于将氦-4转变为氦-3的核处理的氢的量，来减少氦-3的生成。因此，在实施例中，去氧剂也与氢氧化铵溶液混合。可以利用本领域中已知的任何合适去氧剂。在实施例中，去氧剂包括肼。去氧剂可以用于去除或减少当由剪切模块130处理混合物时可能释放的游离氧，并且由此防止或最小化氧与氢反应物的相互作用。诸如纯金属的无机材料的小粒子还被引入到混合物中并且变为在其中悬浮。在实施例中，所利用的机械转移剂被溶解在溶剂中。在实施例中，氢可以不溶解在溶剂中，但是可以在剪切模块130中被剪切。期望氢和/或机械能转移剂被溶解和/或溶解在溶剂中(例如，在水、油和/或其他液体中)。在实施例中，金属粒子在从约2微米至约8微米的范围内。在实施例中，金属是纯金属。在实施例中，金属包括、基本由、或者由银粉构成。金属粒子可以包括选自镍、铝和钛构成的组中的一种或多种金属。在实施例中，用一种或多种其他金属、金属氧化物、和/或陶瓷替换银粉。在实施例中，搅拌反应器110以600RPM的反应器搅拌运行，以混合混合物的多种成分。然而，主要是剪切模块130提供气体和液体原料流的紧密混合。混合物通过进料泵120从搅拌反应器110的出口被泵送至剪切模块130的入口。剪切模块包含分隔剪切间隙的转子和定子。在实施例中，剪切间隙大于约10微米。在实施例中，剪切间隙小于或等于约250微米。在实施例中，剪切间隙在从约10微米至约250微米的范围内。在实施例中，剪切间隙约为250微米的数量级。在实施例中，剪切模块130以约7500rpm运行。转子的高速度和每个转子与互补形状的定子之间的小距离(即，小剪切间隙)与存在的金属粒子结合，得到能量从剪切模块到正被处理的元素(例如，到氢和氦)的传递。不希望被理论限制的情况下，相信多组原子核(例如，氢和氦核)周围的高度局部化区域中的压力和温度可以在短持续时间内变得非常高，从而使得核反应能够发生在原子核之间(例如，在氢和氦-4原子核之间)，并且最终得到转变(例如，至少一部分氦-4反应物转变为氦-3)。混合物通过连接至搅拌反应器110上的再循环入口的出口，从剪切模块130排出。
[0038]来自气源190的空气是用于将压缩后的气体传送至脉冲阻尼器150的入口的空气压缩机140的功率源。脉冲阻尼器150确保混合物的连续流被提供给剪切模块130。
[0039]位于顶部空间气体所在的搅拌反应器110的顶部处或附近的出口流体连接至冷阱160的入口。冷阱160用于压缩并且防止液体进入气体压缩器140。冷阱160包括取样出口，以从系统100去除气体。被去除的气体包括已通过氦-4的转变生成的氦-3。冷阱160还包括流体连接至气体压缩器140的入口的出口，由此可以通过剪切模块130再循环材料。
[0040]在运行模式之前，系统100可以在启动模式下操作，如图1A中所示，以从系统去除杂质。在启动模式下，诸如氢氧化铵溶液的溶剂被添加至反应器110，并且反应器110通过来自氢源170的氢被一次或多次(例如，两次)以及通过来自氦源172的氦被一次或多次(例如,两次)净化。真空泵165吸取反应器110上的真空(例如，60mm的真空)，并且随后反应物的混合物(例如，50%氢和50%氦)经由第一反应物(例如，氢)源170和第二反应物(例如，氦)源172被添加至反应器110。
[0041]一旦系统100通过反应物(例如，氢和氦)被净化，系统100就被设置到如图1B中所示的运行模式，并且将在下面进一步描述。在运行模式下，图1A中所示的真空泵165可以被隔离并且不被使用。当完成运行模式时，系统被设置到如图1C中描述的真空模式。来自搅拌反应器110的顶部空间的气体被抽真空到冷阱160中，在其中，液体被浓缩，并且溶解液体释放的气体。可以从冷阱160的取样点提取气体。通过从搅拌反应器110抽真空液体而释放的气体包括经由氦-4的转变获得的氦_3。
[0042]溶解在氢氧化铵中的氦-3可以以不损失氦-3的方式被无期限地存储。在实施例中，容器被关闭，从那里提取气体，并且氨冷凝在冰夹套容器中。剩余气体可以被分析，和/或液体冷凝物被再循环至反应器。
[0043]如上所述，虽然在此参考从氦-4获取氦-3描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在此描述的方法和系统可以被应用至其他原子核，以获得不同同位素或元素。从而，本公开的公开不限于从氦-4获取氦-3。
[0044]II1.用于将一种同位素或元素转变为另一种同位素或元素的系统。本公开的用于将原子元素转变为其他元素的系统包括:至少一个搅拌反应器、一个剪切泵(还被称为高剪切力设备或剪切模块)、液体进料泵、气体压缩器、蓄能脉冲阻尼器、以及冷阱。除了以下描述的那些之外，该系统可以进一步包括一个或多个流量控制泵。该系统可以进一步包括一个或多个流量控制阀。该系统可以与用于监控和控制流入和流出多种组件的控制系统电通信。
[0045]如以下进一步论述的，经由所公开的系统和方法，一种稀土元素可以被转变为另一种稀土元素。在这样的实施例中，一种稀土元素可以用作质子或中子供体，另一种元素用作质子或中子受体。从而，例如，为了产生具有Y质子的元素E3，具有Y-1质子的第一元素El可以与具有Y+n质子的第二元素Ε2结合，并且质子从元素Ε2到元素El的传送可以被用于将元素El转变为期望元素Ε3。在实施例中，质子/中子供体和受体是相同元素。
[0046]例如，在实施例中，来自氢原子的质子可以与钙原子的原子核相互作用，以通过将钙原子的原子核中的一个中子转变为质子来产生钪。类似地，来自氢原子的质子可以与锶原子的原子核相互作用，以通过将锶原子的原子核中的中子转变为质子来产生钇。在其他实施例中，来自氢原子的质子可以与钡原子的原子核相互作用来以产生镧。在实施例中，如果反应物和产物通过系统被再循环，则诸如例如镧原子的原子核的产物的原子核可以与来自氢原子的质子相互作用，以产生更高阶稀土元素，诸如从镧产生铈。除了从钡获得镧之夕卜，如果允许处理继续足够时间，则可以从钡的初始源获得除了镧之外的其他稀土元素。这样，处理被提供用于产生镧、铺、镨、钕、钷、衫、铕、礼、铺、镝、钦、铒、钱、镱、以及镥。
[0047]现在将参考图2Α至图2C描述根据本公开的用于转变元素的系统。图2Α至图2C是根据本公开的实施例的用于转变元素的系统300的示意图。图2Α是在启动模式期间的系统300的示意图。图2Β是在运行模式期间的系统的示意图。图2C是在真空模式期间的系统的示意图。元素转变系统300包括搅拌反应器310、液体进料泵320、剪切泵330、气体压缩器340、蓄能脉冲阻尼器350、分离单元360、以及真空泵365。系统300还包括氢源370和反应物元素源372。反应物源372中的反应物元素在溶液中。在实施例中，反应物元素是钙、锶、和钡中的一个。在实施例中，钡为溶解在水中的氢氧化钡的形式。在实施例中，锶为溶解在水中的碳酸锶的形式。在本实施例中，分离单元360是冷阱。然而，在实施例中，从溶剂中分离反应产物的其他方法包括蒸馏和低温分馏。
[0048]在运行模式下，如图2Β中所示，来自元素反应物源372的元素与诸如例如搅拌反应器310中的水或氢氧化铵溶液的溶剂结合(例如，溶解在其中)。在被引入到剪切模块330之前，来自源372的反应物元素应该为可溶解形式。诸如纯金属的无机材料的小粒子还被引入到混合物中，并且变为悬浮在混合物中。在实施例中，金属粒子在从约2微米至约8微米的范围内。在实施例中，金属是纯金属。在实施例中，金属包括银粉。在实施例中，金属包括选自由镍、铝、钛、及其组合构成的组中的一种或多种金属。在实施例中，用另一种金属、金属氧化物、和/或陶瓷替换银粉。在实施例中，搅拌反应器310以600RPM的反应搅拌操作，以混合混合物的多种成分。然而，剪切模块330主要提供气体和液体原料流的紧密混合。混合物由进料泵320从搅拌反应器310的出口被泵送至剪切模块330的入口。剪切模块包含至少一个转子和如上所述的互补形状的定子。在实施例中，剪切模块130以约7500rpm操作。与金属粒子的存在结合，转子的高速度和每个互补转子/定子组之间的小距离导致能量从剪切模块传递到元素。能量从转子传递到氢的各个原子核，并且反应物元素使能在氢的各个原子核与反应物元素之间的相互作用，以将一些反应物元素转变为不同元素或者反应物元素的不同同位素。混合物通过连接至搅拌反应器310上的再循环入口的出口从剪切模块330排出。
[0049]来自气源390的空气是将压缩后的气体注入脉冲阻尼器350的入口的气体压缩器340的功率源。脉冲阻尼器350被配置成保持混合物到剪切模块330的连续流。
[0050]位于顶部空间气体所在的搅拌反应器310的顶部处或附近的出口流体连接至冷阱360的入口。冷阱360用于浓缩并且防止和/或最小化进入气体压缩器340的液体的量。冷阱360包括取样出口，以从系统300去除气体。冷阱360进一步包括流体连接至气体压缩器340的入口的出口，由此材料可以通过剪切模块330被再循环。
[0051]在运行模式之前，系统300可以在启动模式下操作，如图2A中所示，以从系统去除杂质。在启动模式下，诸如氢氧化铵溶液的溶剂被添加至反应器310，并且反应器310通过来自气源370的合适气体，被一次或多次(例如，两次)净化。真空泵365可操作以抽取反应器310上的真空(例如，60mm真空)，并且随后，气体从第一气源370和/或第二气源372被添加至反应器310。
[0052]一旦系统300通过气体被净化，系统300就被设置为如图2B中所示并且如上所述的运行模式。在运行模式下，图2A中所示的真空泵365可以被隔离并且不被使用。当运行模式完成时，系统被设置为如图2C中所示的真空模式。来自搅拌反应器310的顶部空间的气体被抽真空到冷阱360，在其中，液体被浓缩并且溶解从液体释放的气体。可以从冷阱360的取样点提取气体。通过来自搅拌反应器110的液体的真空化释放的气体包括转变后的元素(即，通过处理形成的不同元素或同位素)。
[0053]如上所述，一种稀土元素可以经由所公开的系统和方法的实施例被转变为另一种稀土金属。在实施例中，期望在存在无机固体(例如，银粉)的情况下，液体形式(例如，通过混合并且将稀土金属盐溶解在适当的载体流体或溶剂中，诸如但不限于氨水、硫磺酸或金属盐可溶解的其他流体载体)的稀土金属穿过在此公开的高剪切力系统。
[0054]虽然在此描述了从钙、锶、和钡获得稀土元素的一些实施例，但是本领域技术人员将认识到，可以使用其他反应物元素，并且可以根据所选的特定反应物元素和处理的持续时间，获得不同产物元素。而且，虽然已经使用氢描述了处理和系统，但是本领域技术人员将认识到，可以用其他元素代替氢。选择氢，以最小化倾向于使原子核互斥的电磁力的抑制效应，并且由此防止原子核变得足够近而在它们之间经受核反应。
[0055]还注意到，所公开的系统和方法可以适于并且被用于净化被放射性质子污染的饮用水。在这样的实施例中，在存在氢的情况下，被污染的水经过高剪切力设备。一次或多次经过系统可以被用于将反应质子和氢转变为氦-3和/或氦_4。在消耗之前，可以将氯添加到水中。在这样的实施例中，在添加氢之前，少量可食用或不可食用油可以被引入到高剪切力设备/水中。油可以可以用作氢的载体，帮助在几分之一秒(例如，十亿分之一秒)内打破氢，并且使得反应能够发生。通过利用氢载体，可以执行多次经过高剪切力设备。氢可以被基本连续地添加，直到油/水充满氢气为止。在气体将被重新恢复和上市并且可能存在氧的情况下(如在水的情况下)，可以利用去氧剂(诸如，肼)。在使用非含氧烃的情况下，可以不要求去氧剂。
[0056]在试图生产氦-3的情况下，诸如但不限于基本纯银的纯非氧化金属可以被用作传递媒体，以帮助气体分子的碰撞。在氦-3不是期望最后产物的实施例或应用中，可以利用其它传递媒体。另一种传递媒体的实例包括但不限于具有乳化剂的被污染海水。以此方式，本发明的实现可以用于通过经由利用氢的转变，将在此的污染物转变为不太有害或者非有害物质，减少或消除被污染或有害脏水的存在。
[0057]IV.用于一种元素或同位素到另一种元素或同位素的转变的高剪切力设备
[0058]以下提供对于适于用作将氦-4转变为氦-3的图1A至图1C中的剪切模块130或者图2A至图2C中将一种同位素或元素转变为另一种同位素或元素的剪切模块330的高剪切力设备(HSD)的说明。
[0059]通过HSD输入到流体的能量近似值(kW/L/min)可以通过测量电动机能量(kW)和流体输出(L/min)作出。在实施例中，高剪切力设备的能量消费大于1000W/m3。在实施例中，高剪切力设备的能量消耗在从约1000W/m3至约7500kW/m3的范围内。在实施例中，能量消耗在最多约7500W/m3的范围内。在还有的其他实施例中，高剪切力设备的能量消耗大于7500W/m3。在高剪切力设备中生成的剪切率可以广泛地改变，并且取决于转子的直径、转子的转速、以及转子和定子之间的间隙的尺寸。在实施例中，由高剪切力设备生成的剪切率大于约100，000, OOOs'例如，在一个实施例中，对于以15，OOOrpm操作的具有I微米间隙的12英寸直径的转子，剪切率约为119，700, OOOs'
[0060]尖端速度是与将能量发送至反应物的一个或多个旋转元件的端部相关的速度(m/sec)。对于旋转元件，尖端速度是每单位时间转子的顶部所经过的圆周距离，并且通常由等式VOn/sec) = π.?.η限定，其中，V是尖端速度，D是转子的直径，单位为米，以及η是转子的旋转速度，单位为每秒的转数。因此，尖端速度是转子直径和旋转速度的函数。而且，尖端速度可以通过将由转子尖端经过的圆周距离2 JiR(其中，R是转子的半径(例如，米))乘以旋转频率(例如，每分钟的转数，rpm)来计算。
[0061]对于所公开的高剪切力设备的实施例，典型旋转速度约为15，OOOrpm以上的数量级。尖端速度取决于电动机的尺寸。在实施例中，典型尖端速度超过23m/sec (4500ft/min)，并且可以超过40m/sec (7900ft/min)。为了本公开的目的，术语“高剪切”是指机械转子_定子设备，诸如磨粉机或混合器，其能够具有超过5m/sec (1000ft/min)的尖端速度并且要求外部机械驱动的功率设备将能量驱动到将反应的产品流中。高剪切力设备将高尖端速度与非常小的剪切间隙结合，以对正被处理的材料产生显著剪切。从而，在操作期间，产生非常高的压力和升高的温度。在其他实施例中，压力取决于溶液的粘性、转子尖端速度、以及剪切间隙。而且，用于局部化区域的压力可以在短时间段内明显超过1050Mpa。另外，这些局部化区域还在这些短时间段内经受温度的极度上升。
[0062]在不限制于将一种元素或同位素转变为另一种元素或同位素(诸如例如，氦-4到氦-3)的特定理论的情况下，认为该局部化超高压力和温度可能是高压机械引入或水力空化的结果。认为在这些短时间段内的局部化温度可以超过100，000K。破裂气泡壁的惯性限制能量，由此限制到高局部化区域的超高温度。从而，在短时间段内，在高局部化区域中，压力和温度足以导致例如氢和氦-4原子核之间的核相互作用。这些相互作用中的一些导致氦-4转变为氦-3。在其他实施例中，来自氢原子的质子可以与钙原子的原子核相互作用，以通过将钙原子的原子核中的一个中子转变为质子产生钪。类似地，来自氢原子的质子可以与锶原子的原子核相互作用，以通过将锶原子的原子核中的中子转变为质子来产生钇。在其他实施例中，来自氢原子的质子可以与钡原子的原子核相互作用，以产生镧。在实施例中，如果反应物和产物通过系统被再循环，则诸如例如镧原子的原子核的产物的原子核可以与来自氢原子的质子相互作用，以产生更高阶稀土元素，诸如，从镧产生铈。除了从钡获得镧之外，如果允许处理继续足够次数，可以从初始的钡源获取除了镧之外的其他稀土元素。从而，提供了用于产生镧、铺、镨、钕、钷、衫、铕、礼、铺、镝、钦、铒、钱、镱和镥。
[0063]现在参考图3，呈现高剪切力设备200的示意图。高剪切力设备200包括至少一个转子-定子组合。在不限制的情况下，转子-定子组合还可以被称作发生器220、230、240或级。高剪切力设备200包括至少两个发生器，并且最优选地，高剪切力设备包括至少三个发生器。
[0064]第一发生器220包括转子222和定子227。第二发生器230包括转子223、以及定子228 ;第三发生器包括转子224和定子229。对于每个发生器220、230、240，转子通过输入250被可旋转地驱动。发生器220、230、240在旋转方向265上关于轴260旋转。定子227可固定地连接至高剪切力设备壁255。
[0065]发生器包括转子和定子之间的间隙。第一发生器220包括第一间隙225 ;第二发生器230包括第二间隙235 ;以及第三发生器240包括第三间隙245。间隙225、235、245可以在I和250微米宽之间。在特定实例中，用于第一发生器220的间隙225大于约用于第二发生器230的间隙235，其大于约用于第三发生器240的间隙245。
[0066]另外，间隙225、235、245的宽度可以包括粗糙、中间、精细、以及超精细特征。转子222,223和224以及定子227、228和229可以是齿状设计。每个发生器都可以包括两组以上转子-定子齿，如本领域中已知的。转子222、223和224可以包括关于每个转子的圆周沿圆周隔开的多个转子齿。定子227、228和229可以包括关于每个定子的圆周沿圆周隔开的多个定子齿。在实施例中，转子的内径约为11.8cm。在实施例中，定子的外径约为15.4cm。在其他实施例中，转子和定子可以具有约60_的外径用于转子，以及约64_的外径用于定子。可替换地，转子和定子可以具有替换(alternate)直径，以改变尖端速度和剪切压力。在特定实施例中，三级中的每个都以超精细发生器操作，包括小于或等于约250微米的间隙。在其他实施例中，三个发生器220、230和240(发生器在此还可以称为级)中的一个或多个都以超精细发生器操作，包括在约I至250微米之间的间隙。在实施例中，高剪切力设备200包括三个以上级或发生器，例如，四级或发生器。在其他实施例中，高剪切力设备200包括少于所示出的三个发生器220、230和240。
[0067]高剪切力设备200被供给包括原料流205的反应混合物。在实施例中，原料流205包括氢、氦、以及被混合有去氧剂和金属的微米大小粒子(其可以悬浮在混合物中)的溶齐U。在本公开的实施例中，溶剂是氢氧化铵溶液，以及去氧剂是肼。然而，不要求去氧剂用于所有实施例。原料流205通过发生器220、230、240被泵送，从而形成产物流210。除了一些原始氦-4被转变为氦-3之外，产物210包含与原料流205相同的化工混合物。在每个发生器中，转子222、223、224相对于固定定子227、228、229高速旋转。转子的旋转在转子222的外表面和定子227的内表面之间泵送诸如原料流205的流体，产生局部化高剪切力条件。间隙225、235、245产生处理原料流205的高剪切力。转子和定子之间的高剪切力用于处理原料流205，以产生产物流210。特别是，银粉将机械能从转子222、223和224和定子227、228和229传递至诸如例如氢和氦核的元素。转子被设置为以与以上所述的转子的直径相当的速度和期望尖端速度旋转。
[0068]高剪切力设备200的选择取决于吞吐量要求和分散出口 210中的期望粒子或气泡尺寸。在特定实例中，高剪切力设备200包括北卡罗来纳州威尔明顿的IK? Works公司的DISPAX REACTOR?和马萨诸塞州威尔明顿的APV North Ameria公司的ModelDR2000/4，例如，包括皮带传动、4M发生器、PTFE密封环、入口法兰I”卫生级卡箍、出口法兰3/4”卫生级卡箍、2HP功率、7900rpm的输出速度、约300_7001/h (取决于发生器)的流量(水)、从9.4m/s至41m/s (约1850ft/min至约8070ft/min)的尖端速度。具有多种入口/出口连接、马力、标称尖端速度、输出rpm、以及标称流率的多个可选模型可用。
[0069]在不希望限于特定理论的情况下，相信高剪切力混合的水平或程度足以产生局部化高压和高温，其使核反应能够发生，而不是否则被期望发生的。相信局部化条件在高剪切力设备内发生，得到增加的温度和压力。高剪切力设备内的压力和温度的增加是瞬间的，并且被局部化和快速地回复到一旦退出高剪切力设备时的总体或平均系统条件。在一些情况下，相信局部化压力和温度足以克服库仑势垒，并且允许不同原子的原子核之间的核子-核子反应。用于多种反应的机制不被知晓。然而，相信在将氦-4转变为氦-3的实施例中，至少一些反应涉及质子对氦-4原子核的高能量碰撞，使得从氦-4原子核去除中子，形成氦-3原子核。除了氦-3之外的产物还可以经由所公开的系统和方法产生。例如，可以产生氚。然而，因为氚最终衰变为氦_3，所以该元素的产生被视为有益的。因为氦-4是非常稳定的原子核，比氦-3具有更高的结合能，处理消耗能量而不是释放能量。而且，因为氦-4非常稳定，很多氦-4从高剪切力设备200排出，而不被转变为氦_3。然而，在实现本公开的实施例的实验中，已经实现了氦-3的产量的增加，使得氦-3的数量比处理之前增加3 %、5 %、7 %、10 %、12 %、14%或更多。从而，在相信使得从一些氦_4原子核去除中子有效的条件下，本系统和方法的特定实施例的高剪切力混合设备被操作，由此将一些氦-4原子核转变为氦-3原子核。
[0070]如上所述，在实施例中，所公开的系统被用于将第一元素转变为第一元素的同位素。虽然不意味着限于在此详细论述的特定实施例，但是可以想象，所公开的系统和方法对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转变或“转化”特别有用。例如，所公开的系统和方法对于处理诸如但不限于被一种或多种放射性核污染的水和/或污泥的被污染流体可能有用，由此至少一部分放射性核可以经由与氢接触的高剪切，被转变为元素的非放射性或较少放射性形式(例如，其中，放射性核被转变为元素的自然发生的非放射性同位素)。高剪切提供原子氢，其可以与元素反应，如上所述。期望将被处理的被污染流体包括油。如果没有，则在引入到高剪切力设备之前，油可以被添加至被污染流体。油可以包括回收植物油、机油、融化的蜡等。在引入到高剪切力设备之前，诸如但不限于肼的去氧剂可以被添加至被污染液体中。
[0071 ] 在实施例中，包含铯和/或锶的一种或多种放射性核的被污染流体如在此所述被处理，以提供包含元素的稳定(或‘更稳定’)同位素的处理后液体。‘更稳定’同位素可以具有比放射性核短一半的寿命。被污染流体可以包含第一元素和固体粒子，诸如但不限于水和/或油中的沙子。
[0072]在实施例中，被污染流体包括锶(即，锶-89和/或锶-90)的至少一种放射性同位素，并且至少一种放射性同位素的至少一部分被转变为一种或多种非放射性锶同位素(即，转变为锶-85、锶86、锶87、和/或锶88)。在实施例中，锶的放射性同位素主要被转变为银-88。
[0073]在实施例中，被污染液体包括铯的至少一种放射性同位素(即，铯-129、铯-131、铯-132、铯134、铯-135、铯-136、和/或铯-137)，并且至少一种放射性同位素的至少一部分被转变为铯-133。在实施例中，被污染液体包括选自铯-134、铯-135、和铯-137中的铯的至少一种放射性同位素，并且至少一种放射性同位素的至少一部分被转变为铯-133。
[0074]在阅读本公开时，本领域技术人员将理解所公开的系统和方法适用于转变其他元素/同位素。
[0075]氦-4到氦-3处理的实例:在氦-4到氦-3处理的特定实施例中，反应物含量包括两⑵瓶银，99.9%金属基底，5-8微米，每个50克；两⑵瓶肼，98%，每个100克；两(2)瓶银，99.9%金属基底，2-3.5微米，每个50克；以及三(3)瓶氢氧化铵溶液，每个2.5公升。用于添加反应物含量的启动过程包括:将三(3)瓶氢氧化铵添加至反应器110。系统100通过氢和氦被净化两次，每次在反应器110上的抽真空60mm。一旦执行反应器110的氦和氢净化，肼就被添加至反应器110，以去除氧。在添加肼之后，将银粉添加至反应器110。
[0076]—旦完成启动过程,就在反应器上以20_30psi的50体积或摩尔百分数氢和50体积或摩尔百分数氦的比率，将来自源170和172的氢和氦添加至反应器110。反应器110的搅拌为600rpm，以保持液体和固体成分以及气体成分在反应器110中均匀混合。泵120将混合物从反应器110泵送至剪切模块130。剪切模块以7900rpm操作。液体从剪切模块130排出，并且返回到搅拌反应器110，并且处理在7个小时周期内重复多次。在运行时间后，并且在真空蒸馏进入冷阱160的反应器110液体之后，从冷阱160采集取样。根据以下概述的过程分析取样，并且在图4中所示的表中呈现分析的结果。在反应器110经受真空之前收集的取样被称为取样13A，并且在真空蒸馏进入冷阱160的反应器110液体之后采集的取样被称为取样13B。从而，取样13A是处理前氦，S卩，在经受通过剪切设备与氢相互作用之前的氦。取样13B是处理后氦，S卩，在通过剪切设备与氢相互作用之后的氦。从图4可以看出，包含从氦-4转变的氦-3的取样13B(处理后氦取样)比取样13A(处理前氦取样)明显包含更多氦_3。
[0077]用于氚和氦的分析方法
[0078]空气取样(0.5cc空气)在由不锈钢和Corning-1724玻璃构成的高真空流水线上被处理，以最小化氦扩散。在分别在_90°C和_95°C下去除H2O蒸汽和CO2之后，使用校准体积和电容压力计测量非冷凝性气体(例如，He、Ne、Ar、02、N2,以及CH4)的量。在装配有可变漏阀的Dycor四极质谱仪上分析气体比率(N2N2、Ar、CH4)。结果与电容压力计测量结合，以获得气体浓度(+/-2% )。在氦同位素分析之前，通过与Zr-Al合金(SAES-ST707)的反应去除N2和O2, Ar和Ne分别以77K和40K被吸收在活性炭上。SAES-ST-101吸气剂(一个在入口线中以及两个在质谱仪中)将HD+基底减小到?1000离子/秒。
[0079]在装配有法拉第圆筒(分辨率为200)和Johnston电子倍增器(分辨率为600)的VG5400稀有气体质谱仪上分析氦同位素比率和浓度，用于顺序分析4He (F-圆筒)和3He (倍增器)光束。在轴向收集器(分辨率为600)上，3He+与HD+完全分离，基线分离〈2%的HD+峰值。在1000离子/秒的HD+下，HD+对3He峰值的贡献为〈0.1离子/秒。对于具有一空气比率(2xlO_4Amp/托的灵敏度)的2.0 μ cc的He，由于分散的4He离子或4He离子在质谱仪的源内的较低电压电位处的形成，3He信号平均2500离子/秒，基底信号为?15cps。使用空气氦作为绝对标准，报告相对于大气比率(Ra)的所有3HeAfe比率。3HeAfe比率的误差由取样测量(0.2% )的准确度和空气中的比率测量的改变(0.2% )获得，并且对于所报告的氦同位素值在2 σ给出0.3%的总误差。从总取样与已知尺寸的标准的比较，获得氦浓度。如由峰值高度比较测量的值精确到1% (20)。
[0080]使用3He “内生长”技术分析氚值。150g水在高真空线上被脱去所有He，并且被密封在3”0.D.1724玻璃安瓿中60至90天。玻璃安瓿在无氦的氮气中在250°C下被烘培，以最小化玻璃中的氦的溶解度。在密封之后，安瓿被存储在_20°C下，以在取样存储期间限制氦到球管(bulb)的扩散。在该时间间隔期间，从氚的衰变产生的3He累积在烧瓶中。典型取样空白是?10_9cc的4He和10_15CC的3He。对3He的空白校正使用4He含量作出，并且假设空白具有空气3He/4He比率。存储安瓿的3He含量使用以上过程在VG5400上被测量，并且与空气标准的3He含量相比较。用于包含10T.U.并且被存储90天的取样的典型3He信号是?8xl05原子(±2%)和3He的3± IxlO4原子的空白。所报告的氣值的误差取决于氣的量，并且在10T.U.下为2% (20)。可以通过更大取样和更长存储时间，实现更高精度。
[0081]虽然已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是在不脱离本发明的精神和教导的情况下，本领域技术人员可以对其进行修改。在此描述的实施例仅是示例性的，并且不旨在限制。在此公开的本发明的多个改变和修改都是可以的，并且在本发明的范围内。其中，数值范围或极限被明确阐述，这样的明确范围或极限应该被理解为包括就像落在明确阐述的范围或极限(例如，从约I至约10包括2、3、4等；大于0.10包括0.11,0.12,0.13等)内的幅度的重复范围或极限。关于权利要求的任何元素的术语“可选地”的使用旨在意味着该主体元素被要求或者可替换地不被要求。两种选择都旨在在权利要求的范围内。诸如包括、包含、具有等的更广泛术语的使用应该被理解为提供对更窄术语的支持，诸如，由...构成、基本由...构成、主要由...构成等。
[0082]因此，保护范围不由以上阐述的说明书限制，而是仅通过以下权利要求限制，其范围包括权利要求的主题的所有等价物。每个和每一个权利要求均被结合到说明书中作为本发明的实施例。从而，权利要求是进一步说明，并且是对本发明的优选实施例的增加。在此阐述的所有专利、专利申请、以及公开出版物的公开都被结合于此作为参考，它们给在此阐述的提供示例性、程序或其他详情补充。
【权利要求】
1.一种用于将第一物质转变为第二物质的系统，所述系统包括: 混合反应器，被配置成提供包括第一反应物、第二反应物、和溶剂的反应物混合物；以及 高剪切力设备，流体连接至所述混合反应器，其中，所述高剪切力设备包括: 至少一个转子/定子组，包括转子和关于旋转轴对称定位并且分离剪切间隙的互补形状的定子，其中，所述剪切间隙在从约10微米至约250微米的范围内；以及 电动机，被配置用于关于所述旋转轴旋转所述转子，由此能量可以从所述转子被传递至所述反应物，从而引起所述第一反应物和所述第二反应物之间的反应，以形成产物。
2.根据权利要求1所述的系统: 其中，所述第一反应物和所述第二反应物基本相同； 其中，所述第一反应物主要包括选自由钙、锶和钡构成的组中的元素的可溶形式； 其中，所述第一反应物主要包括氢； 其中，所述第一反应物主要包括第一元素，所述第二反应物主要包括第二元素，以及所述产物主要包括第三元素；和/或 其中，所述第一反应物主要包括第一元素，所述第二反应物的至少一部分是第二元素的第一同位素，并且所述产物主要包括所述第二元素的第二同位素。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一反应物主要包括第一元素，所述第二反应物的至少一部分是第二元素的第一同位素，以及所述产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氢，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.根据权利要求1所述的系统，其中，所述高剪切力设备包括至少三个转子/定子组。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述剪切间隙对于所述至少三个转子/定子组中的至少两个是不同的，和/或其中，所述剪切间隙对于所述至少三个转子/定子组中的至少两个是基本相同的。
6.一种用于将氦-4转变为氦-3的系统，所述系统包括: 混合反应器，被配置成提供反应物的混合物，其中，所述混合物包括氢、氦、和溶剂； 高剪切力设备，流体连接至所述混合反应器，其中，所述高剪切力设备包括: 至少一个转子/定子组，包括:转子和关于旋转轴对称定位并且分离剪切间隙的互补形状的定子，其中，所述剪切间隙在从约10微米至约250微米的范围内； 电动机，被配置用于关于所述旋转轴旋转所述转子，由此能量可以从所述转子被传递至所述氢和氦，由此引入促进氢和氦核的反应的高压和高温的局部区域，使得所述氦中的至少一部分所述氦-4被转变为氦-3 ； 进料口，从所述混合反应器接收所述反应物混合物，所述进料口将所述高剪切力设备与所述混合反应器的第一出口流体连接；以及 第一出口，将所述高剪切力设备与所述混合反应器的再循环入口流体连接，以给所述混合反应器提供包括溶解在所述溶剂中的转变后的氦-3的产物混合物；以及分离单元，被配置成从所述溶剂去除至少一部分所述转变后的氦_3。
7.根据权利要求6所述的系统: 其中，所述溶剂包括选自由氢氧化铵、水和油构成的组中的至少一种成分； 其中，所述混合物进一步包括去氧剂； 其中，所述混合物进一步包括选自由银、铝、镍、和钛构成的组中的至少一种金属；和/或 其中，所述混合物进一步包括金属粒子，并且其中，所述金属粒子具有在从约2微米至约8微米范围内的平均尺寸。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述混合物包括去氧剂，并且其中，所述去氧剂包括肼。
9.根据权利要求6所述的系统: 其中，所述电动机能够提供高达至少约7900RPM的所述转子的旋转频率； 其中，所述混合反应器可在从约20psi和约30psi的范围内的压力下操作； 其中，所述混合物包括摩尔比的比例约为I的氢和所述氦；和/或 其中，所述氦主要包括氦_4。
10.一种长期存储氦-3的方法，所述系统包括: 获取氦-3 ； 在使得所述氦-3被溶解在所述氢氧化铵溶液中的压力下，混合所述氦-3与氢氧化铵溶液；以及 保持所述氦-3溶解在所述氢氧化铵中的压力。
11.一种将氦-4转变为氦-3的方法,所述方法包括: 将氢、氦和溶剂引入高剪切力设备，所述高剪切力设备包括转子和分离从约10微米至约250微米范围内的剪切间隙并且关于旋转轴对称定位的互补形状的定子；以及 关于所述旋转轴旋转所述转子，由此机械能够从旋转的转子被传递至所述氢和氦的原子核，由此引入促进核反应的高压和高温的局部区域，得到至少一些所述氦-4到氦-3的转变；以及 从所述高剪切力设备提取产物，其中，所述产物包括从所述氦-4转变的溶解的氦_3。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括:经由混合反应器结合所述溶剂中的氢和氦，以形成原料流，将所述产物再循环到所述混合反应器，并且将至少一部分所述产物从所述混合反应器提取到冷阱中，由此使至少一部分所述转变后的氦-3与至少一部分所述溶剂分离。
13.根据权利要求11所述的方法: 其中，所述原料流进一步包括去氧剂； 其中，所述溶剂包括氢氧化铵溶液；和/或 其中，关于所述旋转轴旋转所述转子产生大于约100，000，OOOiT1的剪切率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述原料流进一步包括去氧剂，并且其中，所述去氧剂包括餅。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括:将固体引入所述高剪切力设备。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述固体包括金属，和/或其中，所述固体包括具有在从约2微米至约8微米范围内的平均尺寸的金属粒子。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属包括银。
18.一种用于将第一元素转变为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: 将氢、所述第一元素、以及溶剂引入高剪切力设备，所述高剪切力设备包括转子和分离剪切间隔并且关于旋转轴对称定位的互补形状的定子； 关于所述旋转轴旋转所述转子，由此机械能从所述旋转转子到各个原子核的传递引入促进所述元素的各个原子核和所述氢核之间的核反应的高压和高温的局部区域，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转变；以及 从所述高剪切力设备提取产物流，其中，所述产物流包括所述不同元素或所述第一元素的同位素。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括:经由混合反应器结合所述溶剂中的氢，将所述产物流再循环到所述混合反应器，并且将至少一部分所述产物流从所述混合反应器提取到分离单元，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与至少一部分所述溶剂分离；和/或进一步包括:将去氧剂引入所述原料流。
20.根据权利要求19所述的方法包括:将去氧剂引入所述原料流，其中，所述去氧剂包括餅。
21.根据权利要求18所述的方法: 其中，所述溶剂包括选自由氢氧化铵溶液、水、及其组合构成的组中的至少一种成分； 其中，所述原料流进一步包括固体粒子； 其中，关于所述旋转轴旋转所述转子产生大于约100，000，OOOs 1的剪切率； 其中，所述剪切间隙大于约250微米； 其中，所述第一元素选自由稀土元素构成的组，并且其中，所述不同元素为更高阶稀土元素； 其中，所述第一元素选自由铯和锶的放射性核构成的组，并且其中，所述第一元素的同位素选自由所述第一元素的稳定同位素构成的组；和/或其中，所述第一元素是放射性核。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述原料流进一步包括固体粒子，其中，所述固体粒子选自由金属、陶瓷、金属氧化物、及其组合构成的组，和/或其中，所述固体粒子具有在从约2微米至约8微米范围内的平均尺寸。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一元素是放射性核，以及: 其中，所述第一元素选自由锶-89、锶-90、及其组合构成的组； 其中，所述第一元素选自由铯-129、铯-131、铯-132、铯-134、铯-135、铯-136、铯-137、及其组合构成的组；和/或 其中，所述原料流包括包含所述第一元素、固体粒子、水和油的被污染液体。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一元素的同位素选自由锶-84、锶-86、锶-87、锶-88、以及其组合构成的组。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一元素的同位素主要包括锶-88。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一元素选自由铯-134、铯-135、铯-137、及其组合构成的组。
27.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一元素的同位素包括铯-133。
28.根据权利要求23所述的方法，其中，所述原料流包括包含所述第一元素、固体粒子、水和油的被污染液体，并且其中，所述固体粒子包括沙子。
【文档编号】B01J19/18GK104203396SQ201380014878
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月19日 优先权日:2012年3月21日
【发明者】阿巴斯·哈桑, 阿齐兹·哈桑, 雷福德·G·安东尼, 阿莉莎·哈桑 申请人:Hrd有限公司