В книге обобщены и систематизированы результаты исследований распространенности изотопов благородных газов в разнообразных природных объектах - метеоритах, магматических и осадочных горных породах, подземных флюидах, атмосфере и гидросфере Земли. Показано, что в изотопных соотношениях благородных газов запечатлена генетическая информация, позволяющая не только идентифицировать источник газа, но и получить сведения об эволюции и геохимических особенностях этого источника. Таким образом, благородные газы являются уникальными геотектоническими трассерами, ключом к познанию происхождения и истории летучих компонентов Земли. Изотопные отношения благородных газов могут эффективно использоваться для решения широкого круга задач, прямо или косвенно связанных с происхождением летучих компонентов - рудоносных флюидов, горючих газов и нефти, термальных и минеральных вод и т. д.
Книга предназначена для широкого круга специалистов, работающих в области наук о Земле - геохимиков, геофизиков, гидрогеологов, вулканологов.
Настоящая работа посвящена исследованию гелиевой проницаемости полых стеклянных кремнезёмных микросфер. Для проведения исследования был подготовлен экспериментальный стенд для получения кинетических сорбционных кривых для гелия при заданных значениях давления и температуры. В ходе согласования экспериментов и анализа сорбционных кривых гелия кремнезёмных микросфер в диапазоне температур 21.5-110.0 ◦C с помощью дискретного метода были получены параметры проницаемости: характерная проницаемость и удельный сорбционный объём. Предложен новый непрерывный метод для определения распределения микросфер по характерным проницаемостям на основании решения обратной некорректной задачи для интегрального уравнения. Полученные значения удельного сорбционного объёма хорошо согласуются с результатами, полученными с использованием ранее разработанного дискретного метода.
Работа посвящена исследованиям по применимости мембранно-сорбционного метода для разделения водородно-гелиевых смесей. Экспериментально получены сорбционные зависимости поглощения водорода и гелия для синтетических полых микросфер из натрийборсиликатного стекла типа МС-В-1Л, кремнезёмных микросфер и гранулированного сорбента на основе микросфер МС-В-1Л. Показано значительное различие в темпах сорбционных процессов водорода и гелия для исследуемых сорбентов. На основе модели диффузии газа определены кинетические характеристики поглощения, коэффициенты проницаемости и селективности, динамические характеристики процессов сорбции водорода и гелия гелий-водородных смесей различного состава данными сорбентами. Для кремнезёмных микросфер коэффициент селективности по отношению к водороду и гелию при 24 ◦C превышает 130, а для гранулированного сорбента на базе микросфер МС-В-1Л составляет примерно 1000 при 110 ◦C. Высокие значения селективности исследуемых сорбентов подтверждают возможность и эффективность применения мембранно-сорбционного метода для разделения водородно-гелиевых смесей.
До начала XX в. гелий считался экзотическим элементом. Изучение его геологии положено работами X.П. Кэди и Д.Ф. Макфарленда. Они обнаружили значительные концентрации гелия в 1905 г. при исследованиях горючих газов Канзаса (США). Значение легкого инертного газа было осознано в ходе Первой мировой войны. Он был признан лучшим наполнителем дирижаблей. После гражданской войны гелием заинтересовались и в СССР. Был создан специальный Научный совет по гелию. Специалисты ВИМСа одни из первых практически обосновали представления В.И. Вернадского о «гелиевом дыхании Земли». С середины 1950-х гг. в институте начались исследования возможностей гелиометрического метода при поисках урана. Основой метода послужили представления о возможной концентрации радиогенного гелия в пределах урановых месторождений. Это предположение не подтвердилось. А.Н. Еремеев организовал в ВИМСе работы по площадной гелиевой съемке с составлением карт различных масштабов приповерхностного поля гелия. В региональном поле гелия четко отразилась реальная блоковая структура кристаллического фундамента. Была открыта ранее неизвестная закономерность, согласно которой распределение повышенных концентраций свободного гелия зависит от глубинных, в т. ч. и рудоносных разломов земной коры. В 1969 г. результаты изучения гелиеносности были зарегистрированы как научное открытие – “Закономерность распределения концентраций гелия в земной коре”. В настоящее время гелиометрический метод используется при геологическом картировании, прогнозе месторождений эндогенных руд и подземных вод, контроле условий эксплуатации и состояния полигонов захоронения отходов, подземных газохранилищ, обосновании выбора площадок для строительства АЭС, плотин.
Проведена адаптация термодинамических моделей неоднородных сред для их использования при изучении наноразмерных систем. Предложена аналитическая модель взаимодействия газовой фазы со стенками наноразмерных пор и вакансионных кластеров в твердых телах. Показана возможность приближенного учета межфазного взаимодействия при расчете свободной энергии системы и давления газа путем введения в уравнение состояния дополнительных слагаемых. Для приближенного расчета этих слагаемых в настоящей работе предложены простые формулы, позволяющие выполнить оценку адсорбционной поправки к свободной энергии в наноразмерных газовых пузырях аналитически. При этом взаимодействие атомов газа и стенок описывается с использованием потенциала Леннарда-Джонса. Разработанная модель использована для исследования состояния гелия, водорода и аргона в нанопорах вольфрама. Установлено, что взаимодействие со стенками дает весьма существенный вклад в свободную энергию газа, относительная доля которого сильно зависит от параметров уравнения состояния и потенциала взаимодействия молекул газа со стенками. Проведенный анализ указывает на необходимость учета “стеночных” поправок при исследовании состояния газов. Полученные результаты свидетельствуют о существенном вкладе энергии взаимодействия фаз в свободную энергию газа даже при сравнительно больших значениях радиусов пор в десятки и сотни нанометров. Влияние взаимодействия молекул газа со стенками пор на давление газа оказывается более слабым. Для всех рассмотренных случаев пренебрежение межфазным взаимодействием при расчете давления газа возможно, если радиус поры составляет не менее десяти нанометров. Полученные результаты могут быть полезны при исследовании давления газа в нанопорах твердых тел, например, в задачах плазмохимии поверхности, управляемого термоядерного синтеза, порошковой металлургии.
В воздухе, азоте, аргоне и гелии атмосферного давления исследовано излучение плазмы диффузного разряда, формируемой между двумя электродами с малым радиусом кривизны. При наносекундной длительности импульса напряжения и милиджоульных энерговкладах в газ зарегистрированы треки частиц, вылетающих из ярких пятен на электродах, в том числе, под прямым углом к их поверхности. Показано, что в этих условиях длина треков зависит от полярности электрода и, что в воздухе треки заканчиваются более яркой областью свечения. Установлено, что наибольшую интенсивность излучения при разрядах в четырёх различных газах (воздух, азот, аргон и гелий) имеют треки, которые формируются в воздухе. Из этого, а также из зарегистрированной ранее длительности свечения треков в сотни микросекунд, следует, что их излучение в основном определяется нагревом материала электрода в результате взаимодействия с кислородом.
До начала XX в. гелий считался экзотическим элементом. Изучение его геологии положено работами X.П. Кэди и Д.Ф. Макфарленда. Они обнаружили значительные концентрации гелия в 1905 г. при исследованиях горючих газов Канзаса (США). Значение легкого инертного газа было осознано в ходе Первой мировой войны. Он был признан лучшим наполнителем дирижаблей. После гражданской войны гелием заинтересовались и в СССР. Был создан специальный Научный совет по гелию. Специалисты ВИМСа одни из первых практически обосновали представления В.И. Вернадского о «гелиевом дыхании Земли». С середины 1950-х гг. в институте начались исследования возможностей гелиометрического метода при поисках урана. Основой метода послужили представления о возможной концентрации радиогенного гелия в пределах урановых месторождений. Это предположение не подтвердилось. А.Н. Еремеев организовал в ВИМСе работы по площадной гелиевой съемке с составлением карт различных масштабов приповерхностного поля гелия. В региональном поле гелия четко отразилась реальная блоковая структура кристаллического фундамента. Была открыта ранее неизвестная закономерность, согласно которой распределение повышенных концентраций свободного гелия зависит от глубинных, в т. ч. и рудоносных разломов земной коры. В 1969 г. результаты изучения гелиеносности были зарегистрированы как научное открытие – “Закономерность распределения концентраций гелия в земной коре”. В настоящее время гелиометрический метод используется при геологическом картировании, прогнозе месторождений эндогенных руд и подземных вод, контроле условий эксплуатации и состояния полигонов захоронения отходов, подземных газохранилищ, обосновании выбора площадок для строительства АЭС, плотин.
Рассмотрены аспекты влияния и роли инертных газов в реакторных материалах. Изучены пробле-
мы и источники накопления гелия в реакторных материалах. Предложены модели имеющие точное ма-
тематическое решение, для описания экспериментальных данных спектров термодесорбции гелия, по-
зволяющая получить энергию активации выхода гелия при диффузионном и реакционном механизмах.
Монография предназначена для научных и инженерно-технических работников, студентов, аспирантов
и преподавателей.