ITMI20101263A1 - Dispositivo e metodo per rilasciare neutroni - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO E METODO PER RILASCIARE NEUTRONIâ€

DESCRIZIONE

[CAMPO DELL’INVENZIONE]

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per il rilascio di neutroni secondo il preambolo della rivendicazione 1, e ad un relativo metodo di rilascio di neutroni.

[ARTE NOTA]

L’energia nucleare può essere liberata mediante la scissione del nucleo di un elemento, in particolare di un elemento radioattivo quale l’Uranio. Questa liberazione di energia comporta l’emissione, fra l’altro, di neutroni. E’ noto che la liberazione di energia nucleare può essere innescata mediante onde d’urto di pressione; variazioni estreme di pressione possono anche innescare reazioni a catena anche di tipo distruttivo, come nel caso delle bombe a fissione.

Con l’obiettivo di liberare energia nucleare senza produrre scorie radioattive, à ̈ noto innescare la liberazione di energia nucleare mediante onde di pressione ottenute da cavitazione in un liquido, come descritto dal brevetto WO2008/041254. Questo brevetto descrive un dispositivo e metodo che utilizzano onde ultrasoniche in un liquido, inducendovi cavitazione. Il liquido sottoposto a cavitazione, a causa delle variazioni di pressione dovute all’implosione delle bolle di gas, produce un rilascio di neutroni in quantità che possono essere aumentate dissolvendo nel liquido elementi metallici, preferibilmente Ferro sotto forma di Cloruro di Ferro.

Il metodo noto dal brevetto WO2008/041254 per la produzione di neutroni mediante cavitazione di liquido presenta lo svantaggio di necessitare tempi lunghi (nell’ordine di un’ora) per emettere neutroni. Inoltre questa emissione rimane comunque limitata in intensità, limitando conseguentemente le applicazioni dei neutroni prodotti.

Il dispositivo noto dal brevetto WO2008/041254 per la produzione di neutroni comprende un sonotrodo che à ̈ immerso in una vasca di forma opportuna e riempita del liquido; la configurazione di questo dispositivo impone una scarsa flessibilità, poiché il dispositivo, per consentire al sonotrodo di emettere ultrasuoni alla frequenza di risonanza del liquido, à ̈ fortemente vincolato per quel che riguarda la scelta delle condizioni operative. Pertanto questo dispositivo presenta lo svantaggio di non essere flessibile e di non poter essere sfruttato per applicazioni diversificate tra loro.

[OBIETTIVI E SINTESI DELLA INVENZIONE]

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di presentare un dispositivo e un metodo che consentano di liberare energia nucleare mediante il rilascio di neutroni, che risolvano alcuni dei problemi dell’arte nota.

In particolare, à ̈ scopo della presente invenzione quello di presentare un dispositivo e un relativo metodo che liberino una maggiore quantità di energia nucleare, mediante il rilascio di un maggior numero di neutroni nell’unità di tempo, in cui questi neutroni siano anche a livelli energetici più elevati rispetto a quelli rilasciati secondo metodi dell’arte nota.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di presentare un dispositivo che consenta di rilasciare neutroni operando in una varietà di condizioni differenti, e che abbia una configurazione semplice e facilmente adattabile alle applicazioni desiderate, di caso in caso. Questi ed altri scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante un dispositivo ed un metodo per il rilascio di neutroni incorporante le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente descrizione.

L’idea generale alla base della presente invenzione à ̈ di prevedere un dispositivo per il rilascio di neutroni, comprendente un trasduttore elettromeccanico, in cui detto trasduttore elettromeccanico comprende almeno un generatore di ultrasuoni ed un sonotrodo meccanicamente connesso a detto generatore di ultrasuoni, in maniera tale da oscillare a frequenza ultrasoniche quando detto generatore di ultrasuoni à ̈ alimentato. Il dispositivo comprende ulteriormente un elemento di battuta comprendente un materiale solido con cui detto sonotrodo entra direttamente in contatto e che viene sollecitato ciclicamente da detto sonotrodo, causando il rilascio di neutroni.

Questa soluzione consente di superare gli svantaggi dell’arte nota, ovvero consente mediante la sollecitazione di un materiale solido di rilasciare un maggior numero di neutroni nell’unità di tempo, anche con livelli energetici più elevati.

Vantaggiosamente, in questo modo à ̈ possibile avere a disposizione una maggior potenza nucleare prodotta e veicolata dai neutroni, a fronte di una spesa energetica (per il funzionamento del dispositivo) ridotta rispetto a soluzioni note che permettono di emettere neutroni di corrispondente potenza.

Inoltre, la presente soluzione consente di realizzare un dispositivo per il rilascio di neutroni di dimensioni compatte, e soprattutto con una configurazione più flessibile. Vantaggiosamente, questo dispositivo consente di variare più facilmente le condizioni operative (e quindi le caratteristiche dei neutroni emessi) semplicemente variando le caratteristiche dell’elemento di battuta, quali forma, dimensioni o materiale. Queste modifiche sono semplici da apportare a seconda dell’applicazione desiderata, e rendono il presente dispositivo un reattore piezonucleare polivalente.

Preferibilmente, il trasduttore elettromeccanico comprende un sistema di posizionamento micrometrico; attraverso questo sistema di posizionamento à ̈ possibile regolare alcuni dei parametri operativi del dispositivo, tra cui la distanza media tra il sonotrodo e l’elemento di battuta. Questa distanza à ̈ un parametro importante, poiché influenza la potenza meccanica introdotta nell’elemento di battuta mediante il sonotrodo, e definisce la modalità di funzionamento del dispositivo nella condizione subcritica, critica o ipercritica.

Inoltre, preferibilmente il dispositivo comprende un sistema di applicazione di un carico agente sul trasduttore elettromeccanico che consente l’applicazione di una pressione locale controllata nella zona di contatto tra il sonotrodo e l’elemento di battuta. Anche questo accorgimento consente di variare la modalità di funzionamento del dispositivo, influenzando il rilascio di neutroni.

Vantaggiosamente, la disponibilità dei neutroni rilasciati con il presente dispositivo ne consente l’applicazione negli ambiti più svariati: per il trattamento dei materiali (per esempio dei materiali nanostrutturati o radioattivi) per la farmacologia o per l’innesco di reazioni nucleari ulteriori.

Inoltre, al variare delle condizioni operative del dispositivo, varia la modalità di rilascio dei neutroni e si assiste collateralmente a modifiche nella struttura atomica del materiale solido dell’elemento di battuta. Il metodo ed il dispositivo secondo la presente invenzione possono quindi essere utilizzati per modificare la struttura di elementi.

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione dettagliata che segue e dai disegni annessi, forniti a puro titolo esemplificativo e non limitativo.

[BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI]

Alcuni esempi di realizzazione preferiti e vantaggiosi della presente invenzione vengono descritti a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento alle figure allegate, in cui:

- La figura 1 mostra un esempio di reattore piezonucleare secondo l’arte nota.

- La figura 2 mostra un primo esempio di realizzazione del reattore piezonucleare oggetto della presente invenzione.

- Le figure 3a, 3b, 3c esemplificano tre diverse condizioni operative in base al contatto tra sonotrodo ed elemento di battuta.

- La figura 4 mostra un secondo esempio di realizzazione del reattore piezonucleare oggetto della presente invenzione.

- La figura 5 mostra un terzo esempio di realizzazione del reattore piezonucleare oggetto della presente invenzione.

- La figura 6 mostra un quarto esempio di realizzazione del reattore piezonucleare oggetto della presente invenzione.

- La figura 7 illustra un esempio di elemento di battuta utilizzato secondo la presente invenzione.

- La figura 7B riporta una tabella indicante le composizioni percentuali in peso del materiale metallico dell’elemento di battuta, in diverse condizioni.

- La figura 8 mostra un esempio delle misure di radiazione effettuate durante l’operazione del dispositivo.

- La figura 9 mostra un quinto esempio di realizzazione del reattore piezonucleare oggetto della presente invenzione.

Le figure illustrano differenti aspetti e forme di realizzazione della presente invenzione e, dove appropriato, strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da uguali numeri di riferimento.

[DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE]

Nell’esempio di figura 1 viene illustrato un reattore piezonucleare 101 secondo l’arte nota. Il dispositivo comprende un trasduttore meccanico 102, comprendente un sonotrodo 103 e un generatore di ultrasuoni 104. Un alimentatore 105 fornisce potenza al generatore di ultrasuoni 104, in modo che il sonotrodo 103 oscilli ad una frequenza ultrasonica. Il trasduttore meccanico 102 à ̈ vincolato ad un supporto 106 e l’estremità libera del sonotrodo 103 à ̈ inserita in una vasca 107, anch’essa vincolata ad un supporto. La vasca 107 à ̈ riempita di liquido 108, con cui il sonotrodo 103 interagisce. L’oscillazione del sonotrodo 103 induce delle bolle di cavitazione nel liquido 108, le quali implodendo generano un’onda d’urto tale da provocare il rilascio di neutroni, indicato dalle frecce 109. Preferibilmente, il liquido 108 contiene in soluzione elementi metallici.

La figura 2 illustra un esempio di realizzazione del dispositivo 201 per generare neutroni oggetto della presente invenzione. Poiché questo dispositivo, come si vedrà nel seguito, permette di alterare la struttura molecolare di un elemento (per via del rilascio di neutroni) e genera quindi una trasformazione dello stesso per effetto delle oscillazioni generate da un piezoelettrico, nel seguito esso verrà anche definito “reattore piezonucleare†.

Il reattore piezonucleare 201 à ̈ un dispositivo che consente il rilascio di neutroni in maniera controllata, permettendone l’utilizzo per l’applicazione desiderata. Il reattore piezonucleare 201 comprende un trasduttore elettromeccanico 202 vincolato mediante un sistema di regolazione micrometrico 203 (per esempio una slitta micrometrica) al supporto 204; la funzione di questi elementi sarà descritta con più dettaglio nel seguito.

Il trasduttore elettromeccanico 202 comprende un sonotrodo 205; in questo esempio il sonotrodo 205 ha forma troncoconica a punta piatta, ed in generale preferibilmente ha una forma a simmetria cilindrica. La forma del sonotrodo 205 à ̈ ottimizzata in funzione della frequenza di risonanza desiderata, in modo da amplificare le oscillazioni della punta del sonotrodo pur mantenendone il controllo. Il materiale con cui à ̈ realizzato il sonotrodo 205 à ̈ preferibilmente metallico, in particolare à ̈ preferibilmente realizzato di ferro o sue leghe, o di titanio e sue leghe, o di alluminio e sue leghe.

Il sonotrodo 205 à ̈ meccanicamente connesso al generatore di ultrasuoni 206. Il generatore di ultrasuoni 206 comprende un convertitore di ultrasuoni che può essere di tipo noto, ossia comprendente una pluralità di elementi piezoelettrici, cioà ̈ una pila di materiali metallici e ceramici alternati, tipicamente a forma di disco. Quando il generatore di ultrasuoni 206 à ̈ alimentato mediante la sorgente 207 con una forma d’onda opportuna, il convertitore di ultrasuoni per effetti piezoelettrici produce un’oscillazione ultrasonica, preferibilmente di frequenza compresa tra 10 kHz e 30 kHz. Il generatore di ultrasuoni 206 può essere raffreddato da appositi mezzi, per evitarne il surriscaldamento durante l’utilizzo. L’oscillazione ultrasonica à ̈ quindi trasferita al sonotrodo, che oscilla longitudinalmente lungo il suo asse, ossia nella direzione verticale schematizzata in figura.

Il reattore piezoelettrico 201 comprende ulteriormente un elemento di battuta 208 solido, comprendente una porzione solida con cui detto sonotrodo 205 entra direttamente in contatto durante l’oscillazione ultrasonica.

L’elemento di battuta 208 risulta quindi sollecitato ciclicamente a frequenza ultrasonica, e questa sollecitazione diretta causa il rilascio di energia atomica sotto forma di neutroni, rappresentati dalle frecce 209. Il rilascio di neutroni dall’elemento di battuta 208 può avvenire in maniera non isotropa, ma essere localizzata spazialmente come esemplificato dalle frecce 209; inoltre il rilascio di neutroni dall’elemento di battuta 208 subisce variazioni nel tempo ed à ̈ prevalentemente di tipo impulsivo, come sarà descritto in maggior dettaglio nel seguito.

Nell’esempio di figura 2 l’elemento di battuta 208 comprende una barra cilindrica la cui lunghezza à ̈ superiore a 8 volte il suo diametro. L’elemento di battuta 208 deve essere centrato ed allineato al trasduttore elettromeccanico 202 come rappresentato in figura 2, in modo da non generare instabilità nel sistema. A questo scopo, sono previsti dei supporti di centratura (non mostrati in figura) che hanno la funzione di assicurare l’allineamento del sonotrodo 205 con l’elemento di battuta 208.

L’elemento di battuta 208 comprende un materiale solido, da cui i neutroni sono rilasciati. Questo materiale solido à ̈ preferibilmente metallico, oppure non metallico come per esempio un minerale; alternativamente potrebbe essere un materiale composito.

Tra i materiali metallici utilizzabili per l’elemento di battuta 208, vi à ̈ preferibilmente il ferro, sia in forma ottenuta per fusione che in forma ottenuta per sinterizzazione di polveri. Alternativamente, altri materiali metallici quali rame o ottone sono utilizzabili. Al limite, l’elemento di battuta 208 potrebbe comprendere una frazione più o meno grande di elementi radioattivi nella sua composizione.

Alla base dell’elemento di battuta 208 à ̈ presente un ulteriore elemento di contenimento 210 vincolato a un supporto, di forma tale da alloggiare e sostenere l’elemento di battuta 208. In questo esempio, l’elemento di contenimento 210 ha forma troncoconica con un’apposita sede per l’elemento di battuta 208. L’elemento di contenimento 210 svolge la funzione di riflessore meccanico delle onde ultrasoniche provenienti dal sonotrodo 205 e veicolate dal’elemento di battuta 208. L’elemento di contenimento 210 à ̈ preferibilmente realizzato di un materiale in cui il rilascio dei neutroni avviene con maggiore difficoltà rispetto al materiale dell’elemento di battuta 208; per esempio se l’elemento di battuta 208 comprende acciaio, l’elemento di contenimento potrebbe comprendere alluminio.

L’energia nucleare rilasciata dal reattore piezoelettrico 201, principalmente sotto forma di neutroni ma anche in altre forme secondarie tra cui per esempio calore, può essere impiegata per scopi la cui portata deve essere ancora oggetto di investigazioni approfondite. È possibile citare tra le possibili applicazioni quelle nel campo della generazione dell’energia elettrica, utilizzando neutroni sia direttamente che per innescare reazioni ulteriori. Inoltre sono prevedibili applicazioni dei neutroni nel campo dei materiali, per esempio per le nanotecnologie, per l’abbattimento della radioattività, o per applicazioni farmacologiche o mediche. I neutroni, infatti, potrebbero avere la capacità di modificare la cinetica delle reazioni, e di innescarne di ulteriori.

Queste ed altre applicazioni sono più facilmente implementabili grazie alla possibilità di disporre di un reattore piezoelettrico per il rilascio di neutroni che sia polivalente, ossia consenta di adattarsi con maggiore flessibilità alle necessità stabilite di caso in caso dall’applicazione, grazie alla configurazione semplice e alle dimensioni ridotte.

Inoltre, il rilascio di neutroni dall’elemento di battuta 208 comporta la variazione locale della struttura atomica del materiale solido da cui sono rilasciati; ulteriori dettagli saranno forniti nel seguito della descrizione. È già stato chiarito come le modalità con cui i neutroni sono rilasciati, mediante l’utilizzo del dispositivo oggetto della presente invenzione, sono dipendenti oltre che dal materiale sollecitato dal sonotrodo, anche dai parametri operativi utilizzati per il dispositivo.

Tra i parametri operativi si segnala l’ampiezza piccopicco delle oscillazioni della punta del sonotrodo, che à ̈ compresa preferibilmente tra 0.1 µm e 500 µm, ed ancor più preferibilmente compresa tra 2 µm e 300 µm. L’ampiezza picco-picco 301 delle oscillazioni della punta del sonotrodo 205 à ̈ rappresentata nelle figure 3a, 3b e 3c, mentre la traiettoria della punta del sonotrodo à ̈ esemplificata dalla linea 302, che segue un andamento sinusoidale. Lo spostamento della punta del sonotrodo à ̈ limitata alla direzione assiale individuata dalla freccia 303, e la traiettoria trasversale della linea 302 à ̈ in realtà fittizia e solamente evocativa della posizione della punta del sonotrodo 205 in diversi istanti di tempo, a frequenze comprese preferibilmente tra 5 kHz e 50 kHz, ed ancora più preferibilmente comprese tra 10 kHz e 30 kHz.

Mediante il sistema di posizionamento micrometrico 203 del trasduttore elettromeccanico 201, à ̈ possibile regolare con precisione la posizione della punta del sonotrodo 205 e conseguentemente, nota l’ampiezza 301, la distanza massima 310 tra il sonotrodo 205 e l’elemento di battuta 208. Al variare di questa distanza massima 310, à ̈ possibile individuare tre modalità di funzionamento del dispositivo per il rilascio di neutroni, esemplificate nelle figure 3a, 3b e 3c.

Infatti il rapporto tra l’ampiezza di oscillazione e la distanza massima 310 tra sonotrodo e elemento di battuta, determina l’entità (sia per durata che per interferenza) del contatto diretto tra gli elementi del sistema, da cui dipende il rilascio di neutroni.

La distanza minima tra sonotrodo ed elemento di battuta à ̈ invece un parametro meno significativo, poiché innovativamente, secondo la presente invenzione, il sonotrodo viene portato a contatto diretto con il materiale solido per tempi anche prolungati, comportando una deformazione elastica degli elementi. Da un punto di vista pratico, si può affermare che la distanza minima sia zero all’atto del contatto, mentre si può apprezzare come l’elemento di battuta entri ed interferisca nel campo di oscillazione 301 del sonotrodo.

La figura 3a esemplifica una prima modalità di funzionamento del dispositivo detta “subcritica†, in cui la differenza tra l’ampiezza di oscillazione picco-picco 301 e la distanza massima 310’ tra il sonotrodo 205 e l’elemento di battuta 208’ à ̈ inferiore all’1% dell’ampiezza 301 stessa. In questa modalità “subcritica†, il contatto diretto tra gli elementi avviene solo quando il sonotrodo 205 raggiunge il limite inferiore, ed à ̈ pertanto molto breve. Conseguentemente, nella modalità “subcritica†il rilascio di neutroni à ̈ molto limitato e difficile da innescare; da queste considerazioni deriva la dicitura “subcritica†. Si deve notare come, al di sotto della condizione “subcritica†, ossia quando non si verificasse contatto diretto tra il sonotrodo 205 e l’elemento 208’, non si assisterebbe al rilascio di neutroni (al di là dell’emissione spontanea “di fondo†propria di tutti i materiali, di entità praticamente trascurabile).

La figura 3b esemplifica una seconda modalità di funzionamento del dispositivo detta “critica†, in cui la differenza tra l’ampiezza di oscillazione picco-picco 301 e la distanza massima 310’’ tra il sonotrodo 205 e l’elemento di battuta 208’’ à ̈ compresa tra l’1% e il 99% dell’ampiezza 301 stessa, per esempio pari al 50%. In questa modalità “critica†il contatto diretto tra gli elementi del sistema avviene per tempi più prolungati man mano che si riduce la distanza massima 310’’ tra di essi. Conseguentemente, avvicinando l’elemento di battuta 208’’ al sonotrodo 205, all’interno del campo coperto dall’ampiezza di oscillazione picco-picco 301, si assiste ad un aumento della sollecitazione diretta e pertanto ad una quantità di neutroni rilasciati mediamente nell’unità di tempo sempre maggiore. Durante la modalità di funzionamento “critica†del dispositivo, si assiste al rilascio di neutroni, tipicamente in quantità paragonabili a quelle ottenibili mediante i metodi e dispositivi noti citati in precedenza. Naturalmente, al diminuire della distanza massima 310’’ tra il sonotrodo 205 e l’elemento di battuta 208’’, l’elemento solido viene sollecitato direttamente in misura maggiore, e pertanto una maggior quantità di energia à ̈ immessa nel sistema, per cui anche il rilascio di neutroni aumenta di conseguenza.

La figura 3c esemplifica una terza modalità di funzionamento del dispositivo detta “ipercritica†, in cui la differenza tra l’ampiezza di oscillazione picco-picco 301 e la distanza massima 310’’’ tra il sonotrodo 205 e l’elemento di battuta 208’’’ à ̈ prossima al 100% dell’ampiezza 301 stessa. In questo caso la distanza massima 310’’’ à ̈ prossima a zero, ossia il sonotrodo 205 à ̈ mantenuto a contatto diretto con l’elemento di battuta 208’’’ (o se ne discosta per tempi trascurabili). In questa modalità “ipercritica†, dal momento che il contatto diretto tra gli elementi del sistema à ̈ permanente, tutta la sollecitazione meccanica del sonotrodo 205 oscillante à ̈ introdotta nell’elemento di battuta 208’’’, ed assorbito dall’elasticità del materiale solido di quest’ultimo. Collateralmente, le sollecitazioni saranno anche ripartite sull’intero dispositivo a causa dell’elasticità intrinseca del sistema; questo effetto à ̈ un disturbo poiché sottrae energia all’elemento di battuta, e pertanto à ̈ desiderabile che rimanga limitato, rendendo i supporti del dispositivo più rigidi possibile. Durante la modalità di funzionamento “ipercritica†del dispositivo, ossia che tende a mantenere sempre il contatto tra sonotrodo ed elemento di battuta, si assiste al rilascio di neutroni in quantità maggiori rispetto a quelle ottenibili mediante i metodi e dispositivi noti citati in precedenza. La modalità “ipercritica†à ̈ la modalità di funzionamento del dispositivo preferita, proprio perché consente il rilascio di neutroni in quantità e a livelli energetici più elevati, rendendone l’applicazione più efficace.

Con riferimento alla figura 4, viene esemplificata una forma di realizzazione del reattore piezonucleare 401 particolarmente vantaggiosa in combinazione con la modalità di funzionamento “ipercritica†. In questa forma di realizzazione, dove a riferimenti uguali corrispondono i medesimi elementi, sono presenti dei mezzi di applicazione di carico 402, che consentono di applicare un carico P diretto lungo l’asse del sonotrodo 205 e dell’elemento di battuta 208, che vada a comprimere quest’ultimo. L’entità del carico P à ̈ preferibilmente compresa tra 0 N e 10000 N, ed ancor più preferibilmente tra 0 N e 1000 N, o comunque tale da non causare deformazioni plastiche permanenti nell’elemento di battuta o nel sonotrodo.

Nella modalità di funzionamento “ipercritica†, l’applicazione del carico P corrisponde ad un a pressione agente come “precarico†sull’elemento di battuta 208. Durante l’oscillazione ultrasonica del sonotrodo 205, à ̈ possibile sfruttare l’effetto del precarico per aumentare la sollecitazione dell’elemento di battuta 208, naturalmente a fronte di una maggiore spesa energetica da introdurre nel sistema mediante l’alimentatore 207. Questa maggiore sollecitazione, come già descritto in precedenza, può corrispondere al rilascio di una maggiore quantità di neutroni, a livelli energetici anche superiori.

I mezzi di applicazione di carico 402 possono avere svariate forme di realizzazione; a titolo di mero esempio se ne riportano due, descritte con riferimento alle figure 5 e 9.

La figura 5 mostra un terzo esempio di realizzazione del reattore piezonucleare 501, dove a riferimenti uguali corrispondono elementi uguali.

Il dispositivo per il rilascio di neutroni 501 comprende un supporto 502 per l’applicazione di un carico, che à ̈ atto a trasmettere un carico al trasduttore elettromeccanico 202 che agisca lungo una direzione centrata rispetto al sonotrodo 205. Al supporto 502 à ̈ collegato un sistema di carico pneumatico 503 vincolato alla struttura del dispositivo 501, e tale da poter generare un carico di entità controllata quando alimentato da un opportuno generatore di pressione 504, per esempio un generatore idraulico. Mediante l’utilizzo dei mezzi elettro-pneumatici per l’applicazione di carico, descritti per il dispositivo 501, à ̈ possibile variare l’entità del carico P agente sull’elemento di battuta 208, e controllare in tempo reale i parametri operativi ad esso legati. In questo modo, à ̈ possibile adattare una maggiore varietà di parametri di funzionamento del dispositivo per il rilascio di neutroni, secondo le applicazioni specifiche. Per esempio, à ̈ possibile controllare l’entità del carico P in modo che esso sia il più costante possibile nel tempo; alternativamente sarebbe possibile prevedere l’applicazione graduale del carico P secondo una “rampa†, od ancora applicare un carico P oscillante a frequenze molto inferiori a quella del sonotrodo.

L’esempio del reattore piezoelettrico polivalente 501 à ̈ una forma di realizzazione preferita, che può per esempio essere implementata da una pressa con sistema di posizionamento meccanico-pneumatico, collegato ad un sistema di regolazione micrometrica che consenta di controllare precisamente la posizione del trasduttore elettromeccanico.

La figura 6 mostra una quarta forma di realizzazione del reattore piezonucleare 601, dove a riferimenti uguali corrispondono elementi uguali. Il reattore piezonucleare 601 comprende ulteriormente una vasca 602 all’interno della quale à ̈ inserito un elemento di battuta 603 comprendente una porzione solida di forma e materiale opportuni (anche diverse dagli esempi precedenti), e supporti analoghi a quelli già descritti in precedenza. La vasca 602 à ̈ riempita da un liquido 604, che pertanto circonda l’elemento di battuta 603. Il liquido 604 può essere acqua distillata, o altre soluzioni anche reattive, acide, basiche, eccetera. Il sonotrodo 205 sollecita l’elemento di battuta 603 provocando il rilascio di neutroni secondo i meccanismi illustrati in precedenza. Si deve notare come la punta del sonotrodo 205 sia in questo caso immersa nel liquido 604, ma potrebbe essere altrimenti esterna al liquido 604, o a pelo del liquido 604.

Questa soluzione si differenzia comunque dall’arte nota, in quanto il rilascio di neutroni non avviene per cavitazione del liquido, ma per sollecitazione diretta del materiale solido compreso nell’elemento di battuta 603. Il reattore piezonucleare 601 à ̈ vantaggioso qualora le applicazioni dei neutroni rilasciati prevedano la presenza di un liquido, e dimostra ulteriormente la flessibilità di configurazione ed utilizzo del dispositivo oggetto della presente invenzione.

La figura 7 illustra un esempio di elemento di battuta 701 dopo che à ̈ stato sottoposto a sollecitazione da parte del sonotrodo in un dispositivo secondo la presente invenzione.

L’elemento di battuta 701 comprende una barra di ferro cilindrica di massa 500 g e diametro 20mm, sottoposta ad una sollecitazione ultrasonica con frequenza di 20 kHz e ampiezza picco-picco di 60 µm, con una potenza media assorbita dalla rete elettrica di 19 Watt. Gli altri parametri di funzionamento del dispositivo sono stati regolati in modo da ottenere una modalità di funzionamento in condizioni “critiche†, come definite in precedenza.

Dopo 5 minuti di sollecitazione nel dispositivo, si osserva la comparsa di sei zone 702 di danneggiamento/modifica del materiale solido (aventi dimensioni e forma comparabili tra loro), causate da rilascio impulsivo di neutroni. Si apprezza sperimentalmente quindi come il meccanismo di rilascio dei neutroni sia localizzato spazialmente sulla barra in zone di circa 4 x 2 mm, che appaiono disposte casualmente sulla superficie laterale di essa.

In queste zone, a causa del rilascio di neutroni, si assiste inoltre ad una variazione delle caratteristiche atomiche del materiale trattato.

A scopo esemplificativo, si riporta in figura 7B una tabella indicante la composizione del materiale metallico dell’elemento di battuta in una zona 702, prima e dopo essere sottoposto a sollecitazione da parte del dispositivo.

La colonna 721 indica l’elemento a cui si riferisce la percentuale, mentre la colonna 722 indica la composizione percentuale in peso del materiale metallico prima di essere sottoposto a sollecitazione. Originariamente l’elemento di battuta comprendeva acciaio al basso carbonio; nella colonna 722 si osserva infatti come l’elemento preponderante sia appunto il ferro (Fe).Dopo che l’elemento di battuta à ̈ stato sottoposto a sollecitazione da parte del dispositivo, secondo le condizioni di funzionamento descritte con riferimento alla figura 7, si à ̈ assistito ad una variazione della composizione locale dell’elemento di battuta nelle zone 702, come indicato in colonna 723. La colonna 723 indica che, localmente, la percentuale di ferro (Fe) à ̈ quasi dimezzata, mentre si nota un repentino accrescimento della percentuale di carbonio (C) e la comparsa di elementi non presenti in lega precedentemente alla sollecitazione.

La modifica della composizione locale del materiale esemplificata dalle colonne 722 e 733 Ã ̈ una prima evidenza sperimentale della modificazione della struttura atomica del materiale, causata dal rilascio di neutroni.

Una seconda evidenza sperimentale può essere ricavata dalla misurazione della radiazione emessa dall’elemento di battuta durante la sollecitazione da parte del dispositivo oggetto della presente invenzione.

La figura 8 mostra le misure di radiazione effettuate durante l’operazione del dispositivo sul materiale dell’elemento di battuta. Tale misure di radiazione sono state effettuate utilizzando uno spettrometro a scintillazione BTI ed un rilevatore neutronico HDS 100 G/GN. Le misure di radiazione sono state condotte rilevando prima la radiazione di fondo naturalmente presente nell’ambiente, e in seguito rilevando la radiazione nell’arco dei 5 minuti della prova descritta con riferimento alla figura 7, verificando l’effettivo rilascio di neutroni e raggi gamma nell’ambiente.

Il grafico di figura 8 mostra l’intensità di radiazione rispetto al tempo. Gli impulsi di rilascio di neutroni sono indicati da una stella, ed avvengono con una frequenza media di 3 impulsi al minuto. Il rilascio di neutroni più consistente, sotto forma di “burst†ossia scoppi, avviene con frequenza più ridotta, solo due volte nei cinque minuti, ma con livelli di radiazione più elevati. Infine, à ̈ presente anche l’emissione di raggi gamma, indicata da rombi, che però à ̈ a livelli energetici inferiori a quelli dei neutroni.

Si apprezza sperimentalmente quindi come il meccanismo di rilascio dei neutroni sia impulsivo nel tempo, ed avvenga in tempi ragionevolmente brevi, nell’ordine dei minuti. L’esempio descritto per il funzionamento del dispositivo per il rilascio di neutroni ed i parametri indicati sono puramente esemplificativi e non limitativi.

Si deve infatti osservare come, per durate di sollecitazioni più lunghe, si possa assistere ad un incremento delle quantità di neutroni rilasciate mediamente per unità di tempo. Tipicamente, l’operazione del dispositivo può durare 60 minuti o oltre, durante i quali si assiste al rilascio di neutroni e alla graduale modificazione del materiale solido dell’elemento di battuta.

Durante il funzionamento, il reattore piezonucleare polivalente consente di regolare, mediante sistemi elettronici di tipo noto, le grandezze elettriche, pneumatiche e meccaniche occorrenti a realizzare le condizioni ottimali o desiderate per di rilascio dei neutroni, ossia le modalità di funzionamento già descritte: subcritica, critica, ipercritica.

E’ chiaro che molte varianti sono possibili all’uomo esperto del settore senza per questo fuoriuscire dall’ambito di protezione quale risulta dalle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, sarebbe possibile modificare i mezzi di applicazione di carico 402, semplificando il sistema meccanico-pneumatico di figura 5 ed utilizzando la variante del dispositivo 901 esemplificata in figura 9. Nell’esempio di figura 9 i mezzi di carico comprendono una molla precaricata 902 che carica il trasduttore elettromeccanico fornendo la pressione di contatto media necessaria tra sonotrodo ed elemento di battuta. Naturalmente, durante le micro oscillazioni ultrasoniche del sonotrodo, l’entità del carico prodotto dalla molla non varierebbe significativamente, consentendo l’applicazione di un carico quasi costante e controllabile.

Altri esempi di varianti potrebbero riguardare l’utilizzo di un sonotrodo avente forma e dimensioni diverse da quella troncoconica riportata negli esempi presentati. Inoltre, sarebbe possibile prevedere elementi di battuta aventi forme e dimensioni diverse, anche non allungate, purché comprendenti una porzione di materiale solido sollecitata che sia atta ad essere sollecitata mediante la punta del sonotrodo.

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Claims (24)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per il rilascio di neutroni, comprendente un trasduttore elettromeccanico (202), in cui detto trasduttore elettromeccanico comprende almeno un generatore di ultrasuoni (206) ed un sonotrodo (205) meccanicamente connesso a detto generatore di ultrasuoni (206) in modo tale da oscillare a frequenze ultrasoniche quando detto generatore di ultrasuoni à ̈ alimentato, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo comprende ulteriormente un elemento di battuta (208) comprendente un materiale solido, detto elemento di battuta essendo disposto in modo tale da essere sollecitato ciclicamente da detto sonotrodo (205) quando detto sonotrodo oscilla, detto sonotrodo (205) e detto elemento di battuta (208) essendo disposti in modo tale che, quando oscilla, detto sonotrodo (205) entra direttamente in contatto con detto elemento di battuta (208).
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, ulteriormente comprendente un sistema di regolazione micrometrico (203) atto a regolare la distanza massima tra detto sonotrodo (205) e detto elemento di battuta (208).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, ulteriormente comprendente mezzi di applicazione di carico (402) atti a generare e controllare una pressione media di contatto tra detto sonotrodo (205) e detto elemento di battuta (208), mediante l’applicazione di un carico diretto lungo l’asse di detto sonotrodo (205).
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detti mezzi di applicazione di carico (402) comprendono un sistema di carico pneumatico (503) vincolato alla struttura di detto dispositivo, e mezzi di controllo per detto sistema di carico pneumatico (503).
5. 5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, ulteriormente comprendente un elemento di contenimento (210) di forma tale da alloggiare e sostenere detto elemento di battuta (208).
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui detto elemento di contenimento ha forma troncoconica ed à ̈ realizzato in alluminio.
7. 7. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, ulteriormente comprendente mezzi di centraggio per allineare detto sonotrodo (205) a detto elemento di battuta (208).
8. 8. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui detto materiale solido di detto elemento di battuta (208) comprende almeno un metallo.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, in cui detto ameno un metallo à ̈ ferro.
10. 10. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui detto sonotrodo (205) comprende almeno uno tra i seguenti materiali metallici: ferro, titanio, alluminio.
11. 11. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10, in cui detto sonotrodo ha simmetria cilindrica.
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, in cui detto sonotrodo ha forma troncoconica a punta piatta.
13. 13. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12, in cui detto elemento di battuta (208) Ã ̈ una barra cilindrica avente lunghezza superiore ad 8 volte il diametro.
14. 14. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, ulteriormente comprendente una vasca (602) atta ad alloggiare detto elemento di battuta (208, 603) e contenere un liquido (604).
15. 15. Metodo per il rilascio di neutroni da un materiale solido, in cui un trasduttore elettromeccanico comprendente un sonotrodo genera un’oscillazione meccanica a frequenza ultrasonica di detto sonotrodo, caratterizzato dal fatto di comprendere i seguenti passi: - portare a contatto diretto detto sonotrodo con un elemento di battuta comprendente un materiale solido; - sollecitare ciclicamente detto materiale solido causando il rilascio di neutroni da detto materiale.
16. 16. Metodo secondo la rivendicazione 15, ulteriormente comprendete il passo di regolare la distanza massima (310) tra detto sonotrodo e detto elemento di battuta.
17. 17. Metodo secondo la rivendicazione 16, in cui detta distanza massima (310’, 310’’) à ̈ inferiore all’ampiezza di oscillazione picco-picco (301) di detto sonotrodo.
18. 18. Metodo secondo la rivendicazione 17, in cui detta distanza massima (310’’’) à ̈ inferiore all’ 1% di detta ampiezza di oscillazione picco-picco (301) e preferibilmente pari a zero.
19. 19. Metodo secondo la rivendicazione 18, ulteriormente comprendente il passo di applicare una pressione di contatto di entità controllata tra detto sonotrodo e detto elemento di battuta.
20. 20. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 15 a 19, in cui detta frequenza ultrasonica à ̈ compresa tra 10 kHz e 30 kHz.
21. 21. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 15 a 20, in cui detta oscillazione meccanica ha un'ampiezza piccopicco compresa tra 0.1 µm e 500 µm, preferibilmente compresa tra 2 µm e 300 µm.
22. 22. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 15 a 21, in cui detto elemento solido comprende almeno un materiale metallico.
23. 23. Metodo secondo la rivendicazione 22, in cui detto almeno un materiale metallico à ̈ uno dei seguenti: ferro, rame, ottone.
24. 24. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 15 a 23, in cui la struttura atomica di detto materiale solido à ̈ modificata in seguito a detto rilascio di neutroni. ***********