Основы мирного термоядерного синтеза
Впервые термоядерный синтез был осуществлен в 1953 году в Советском Союзе при экспериментальном взрыве термоядерной бомбы. Были случаи использования термоядерных бомб в мирных целях. Подземные взрывы создают в недрах Земли сферические пустоты, которые через некоторое время используют в качестве подземных хранилищ газа. Один раз с помощью подземного взрыва потушили факел горящего газа, который три года не могли потушить никакими способами. В засушливом месте в районе Семипалатинского полигона с помощью взрыва создали котлован глубиной около сотни метров и диаметром около полукилометра. Сейчас там чистое озеро, в котором водится рыба и в котором нет никакого радиоактивного заражения. Прошло уже пять с половиной десятка лет после первого термоядерного взрыва, но мирным способом широкомасштабного термоядерного синтеза человечество так и не сумело овладеть. Под “мирным способом” подразумевается трансформирование энергии термоядерного синтеза, выделяемой в термоядерном реакторе, в наиболее удобный для использования вид энергии – электроэнергию. Попробуем теоретически рассмотреть возможные принципы работы термоядерного реактора, которые могут прийти в голову при изучении условий возникновения термоядерного взрыва в рамках современной научной парадигмы.
Если для химических элементов тяжелее железа энергетически выгодно деление ядер, то для элементов легче железа энергетически выгодно слияние ядер. По этой причине химические элементы тяжелее железа будем называть тяжелыми, а элементы легче железа будем называть легкими. Теоретически термоядерным горючим может быть любой легкий химический элемент.
Рис.1 Этапы деления тяжелых ядер в атомной бомбе
Для того чтобы произошло массовое слияние ядер при лобовом столкновении, необходимо, чтобы средняя кинетическая энергия сталкивающихся ядер была не меньше энергии кулоновского отталкивания ядер. Именно со средней кинетической энергией частиц линейно связан макроскопический параметр «температура». Чем больше температура, тем больше средняя кинетическая энергия, больше средняя скорость движения. В термоядерной бомбе необходимая температура достигается первоначальным взрывом атомной бомбы. В атомной бомбе происходит деление тяжелых ядер в результате возбуждения после столкновения с нейтроном. Осколки деления разлетаются в разные стороны под действием сил кулоновского отталкивания. То есть, происходит реакция, противоположная реакции термоядерного синтеза. Разница лишь в том, что синтез осуществляется слиянием легких ядер, а осколки от деления тяжелых ядер могут быть какими угодно – от нейтрона до тяжелого ядра.
Рис.2 Основная причина синтеза легких ядер в термоядерной бомбе
Тяжелые осколки деления, разгоняющиеся под действием кулоновских сил, сталкиваются с легкими ядрами и при столкновении передают им кинетическую энергию, достаточную, чтобы те же самые кулоновские силы и преодолеть при столкновении с другим легким ядром. Кроме того, в термоядерной бомбе существует еще один канал синтеза. Чтобы в атомной бомбе, поджигающей термоядерный синтез, развилась цепная ядерная реакция, необходимо чтобы в результате развала одного тяжелого ядра появилось столько нейтронов, сколько нужно для развала двух тяжелых ядер. Если бы каждый освободившийся нейтрон поглотился соседним ядром, то тогда необходимое количество равно двум. В реальности часть нейтронов рассеиваются за пределы активной зоны, не вступая в реакцию, поэтому среднее количество освободившихся в одной реакции нейтронов должно быть больше двух. Только тогда начнется лавинообразный процесс развала тяжелых ядер. Соответственно, лавинообразно будет нарастать и количество свободных нейтронов. Для слияния же нейтрона с легким ядром нет преграды в виде кулоновских сил. Наоборот, чем меньше кинетическая энергия при столкновении, тем больше вероятность слияния. Чем больше кинетическая энергия, тем больше вероятность упругого отталкивания (как при столкновении резиновых мячиков). Второй канал синтеза ядер способен продолжать работать даже после того, как после понижения температуры полностью закроется основной первый канал.
Рис.3 Второй канал синтеза легких ядер в термоядерной бомбе
При использовании второго канала в мирных целях с ядрами атомов термоядерного горючего должны сливаться медленные нейтроны. Гипотетический реактор с такой конструкцией отнесем к первому типу. В таком реакторе нет надобности разогревать плазму до температуры поджига термоядерного горючего. Достаточно лишь лишить атомы электронных оболочек, что требует гораздо меньшей температуры. Условие большой плотности нейтронов требует совмещения в одной конструкции термоядерного реактора и ядерного реактора, создающего мощный поток медленных нейтронов. Такое требование трудно выполнимо и подобных экспериментальных исследований не ведется.
Гораздо проще просто взрывать термоядерные бомбы малой мощности в огромном котле с толстенными стенками. И такие реакторы уже реально проектируются. Отнесем их к реакторам второго типа. Роль теплоносителя внутри котла должен играть жидкий натрий, который в течение часа должен отдавать стенкам котла поглощенную при взрыве энергию. По предварительным расчетам, мощность одного такого термоядерного реактора будет сопоставима с мощностью 25 ядерных реакторов.
Куда большее количество типов реакторов можно придумать для воссоздания первого канала синтеза, осуществляемого в термоядерной бомбе, при котором происходит лобовое столкновение заряженных ядер атомов. В реакторах третьего типа можно осуществлять столкновение встречных пучков легких ядер, разогнанных до необходимой кинетической энергии с помощью ускорителей. Современные ускорители способны разогнать легкие ядра до необходимой скорости. Только выдаваемые ускорителями интенсивности пучков пока явно недостаточны, чтобы скомпенсировать все энергетические затраты и получить выигрыш. Поэтому ускорители ионных пучков пока что используются только как вспомогательные системы в импульсных реакторах.
В экспериментальных термоядерных реакторах пытаются достичь тех же самых параметров, что и во время взрыва термоядерной бомбы. При повышении температуры возрастает, соответственно, давление газообразного термоядерного топлива. Поэтому экспериментаторам требуется выполнить две очень сложные задачи. Первая задача связана с удержанием высокой температуры, а вторая – с удержанием высокого давления. Обе задачи связаны с безопасностью конструкции реактора. Если конструкция не выдержит давление, то разрушится. Если высокая температура расплавит стенки конструкции, то конструкция разрушится. Условие длительной непрерывной работы реактора требует импульсного впрыскивания в вакуумированную активную зону малых порций термоядерного горючего, которые при высокой температуре превращаются в плазму. Вакуумирование предотвратит вероятность загрязнения термоядерного горючего нежелательными атомами и ионами, которые способны увеличить температуру поджига, и ликвидирует потери энергии термоядерного горючего за счет теплопроводности. Полезная энергия термоядерных реакций должна сниматься с помощью поглощения корпусом реактора энергии нейтронов. В корпус реактора встраивается система охлаждения – теплоноситель первого контура, которая должна отдавать тепло рабочему телу, превращая воду в пар. На роль теплоносителя больше всего подходят литий и бериллий, потому что при захвате нейтронов ядра этих хим. элементов не образуют радиоактивных изотопов. Бериллий, к тому же, может выполнять еще одну функцию – размножение нейтронов. При поглощении нейтрона ядром бериллия образуются две альфа-частицы и два нейтрона, поэтому бериллиевый теплоноситель в стенках реактора может выполнять роль зеркала для нейтронов, направляя часть нейтронов обратно в активную зону, увеличивая вероятность термоядерной реакции. Импульсное впрыскивание требует, чтобы нагревание порции горючего происходило в максимально сжатые сроки. Это условие можно выполнить с помощью пары мощных импульсных лазеров, нагревающих порцию горючего с противоположных сторон. Если 50 лет назад таких лазеров не было, то сейчас проблема эта уже решена - такие лазеры удалось создать. Современные лазеры уже способны нагреть порцию термоядерного горючего до температуры поджига. Но не удается удержать плазму в таком состоянии в течение необходимого времени. Плазма распадается до того, как попарно сольется большая часть атомных ядер термоядерного горючего. Возникает новая задача – удержать в миниатюрной активной зоне высокотемпературную плазму. Для этого можно, например, использовать магнитное поле. Конфигурация этого поля должна быть такой, чтобы электроны поворачивали к стенкам реактора, а положительные ионы и голые ядра поворачивали в центр активной зоны. Реактор с такой конструкцией отнесем к четвертому типу. Однако создание плотного трехмерного магнитного мешка является практически не выполнимой задачей. Экспериментальных реакторов с магнитным мешком сферической формы не существует. Получается создать только разомкнутый двумерный мешок цилиндрической формы с электростатическими или магнитными заглушками.
Электронные оболочки атомов обладают упругостью и атомы, подобно резиновым мячикам, отталкиваются друг от друга при столкновениях. Для того чтобы появились условия для слияния ядер атомов, атомы должны сбросить свои электронные оболочки. Это происходит при повышении температуры. Чем больше температура, тем больше средняя скорость движения молекул и атомов. При столкновениях кинетическая энергия передается электронам и если она превышает энергию ионизации, то электрон вышибается из электронной оболочки. Атом превращается в положительно заряженный ион. Но и вышибленные электроны не исчезают. Они продолжают существовать и двигаться в окружающем пространстве. И могут быть опять захвачены атомом. Таким образом, плазма представляет собой газообразное состояние вещества, состоящее из ионизированных атомов и свободных электронов, между которыми существует термодинамическое равновесие. При повышении температуры равновесие смещается в сторону увеличения количества свободных электронов. При термоядерном взрыве свободные электроны не являются помехой. Но внутри термоядерного реактора они не являются желанными. Любое возвращение электрона в ионизированный атом сводит на нет большие энергетические затраты на ионизацию атома и увеличивает длительность процесса термоядерного синтеза. Поэтому с логической точки зрения, удаление свободных электронов из зоны реактора должно уменьшить энергетические затраты на нагрев и уменьшить требуемое время удержания плазмы. Более эффективным способом удержания плазмы должна быть подача положительного потенциала на стенки реактора, который по причине кулоновских сил вообще бы удалял электроны из активной зоны и возвращал туда положительные ионы и голые ядра. То есть, стенки реактора должны быть из электропроводного материала. Повышение температуры сопровождается увеличением потерь внутренней энергии газа на излучение. Можно еще уменьшить энергетические затраты на нагрев термоядерного горючего, если и излучение возвращать в активную зону реактора с помощью зеркальных стенок. Конфигурация же стенок должна быть такая, чтобы отражаемое излучение направлялось на термоядерное горючее в центре активной зоны. Реактор с такой конструкцией отнесем к пятому типу.
Так как очень проблематично удержать плазму в течение всего времени сгорания термоядерного горючего, то можно попытаться уменьшить длительность горения. Чем больше плотность, тем больше вероятность столкновения ядер, тем больше вероятность синтеза. Плотность же увеличивается при повышении давления. Быстрое сжатие порции изначально холодного термоядерного горючего можно осуществить теми же самыми лазерами, используя эффект светового давления. Только лазеров требуется не два, а порядка на два больше. Большое количество лазеров должно бить по порции горючего равномерно со всех сторон. Часть горючего испарится, но большая часть испариться не успеет и вынуждена будет сжиматься под действием светового давления. Импульсный реактор с такой конструкцией отнесем к шестому типу.
В импульсных реакторах седьмого типа сжатие порции горючего можно осуществлять пучками ускоряемых ускорителями ионов.
В импульсных реакторах восьмого типа должен образовываться плазменный шнуровой вихрь малого диаметра и высокой плотности, состоящий только из голых атомных ядер, удерживаемый магнитным полем и сжимаемый с помощью положительных импульсов высокого напряжения, подаваемых на стенки реактора. В данном случае нужен двумерный магнитный мешок, а не трехмерный, как в реакторах четвертого типа. Такой мешок технологически создать на порядок проще.
В экспериментальных стационарных реакторах непрерывного действия, называемых стеллараторами, трехмерный магнитный мешок выполнен в виде замкнутого двумерного магнитного мешка сложной пространственной конфигурации в ряде случаев похожей на восьмерку. Реакторы с подобной конструкцией отнесем к девятому типу.
Наибольших успехов экспериментаторы добились на экспериментальных реакторах непрерывного действия, называемых токамаками, в которых трехмерный магнитный мешок выполнен в виде замкнутого двумерного симметричного магнитного мешка тороидального вида. В такой тороидальной магнитной камере пытаются удержать плазменное шнуровое кольцо низкой плотности диаметром несколько метров. Время удержания плазмы достигло 1-2 секунд, а выходная мощность достигла размеров энергетических затрат. Однако темпы исследований остаются слишком медленными. Предполагается, что промышленный реактор диаметром около 15 метров будет построен лет через 20-30. Реакторы с подобной конструкцией отнесем к десятому типу.
Подытожим рассмотренные принципы работы. Синтез можно осуществлять либо столкновением легких ядер с нейтронами, либо столкновением легких ядер с легкими ядрами. Реализация первого способа связана с проблемами радиационной безопасности, поэтому ни одного экспериментального реактора пока не построено. Построено несколько сотен экспериментальных реакторов, в которых нарабатываются технологии осуществления второго способа. Все технологии направлены на преодоление кулоновского отталкивания между легкими ядрами во время лобового столкновения. Но заряженные частицы до сих пор являются «черным ящиком» для официальной науки. Известны лишь реакции заряженных частиц на те или иные воздействия. Но не известны ни внутренняя структура, ни причины возникновения кулоновских сил, поэтому все экспериментальные исследования ведутся вслепую, методом «научного тыка».
Попробуем рассмотреть процессы столкновения легких ядер с точки зрения вихревой теории элементарных частиц. В данной модели внутренность «черного ящика» раскрыта. Причиной проявления кулоновских сил является наличие джетов у заряженных элементарных частиц. Джеты (конусообразные вихревые трубки) распространяются в пространстве на расстояния, на несколько порядков большие, чем размеры самих частиц. Джеты ведут себя так же, как и любые другие воронки в любой гидродинамической среде. Каждый джет стремятся слиться в единую воронку с ближайшим джетом других элементарных частиц. Сливающиеся джеты, при этом, поворачиваются друг к другу, изгибаясь в пространстве. Так как у каждой элементарной частицы по два джета, то ближайшие друг к другу элементарные частицы будут связываться друг с другом сразу двумя вихревыми трубками. В атоме каждый протон ядра связан джетами с одним электроном в электронной оболочке. Поэтому атом всегда стремится сравнять количество электронов в электронной оболочке с количеством протонов в ядре. В этом случае не остается ни одного свободного джета, способного вырваться за границы нейтрального атома.
Рис.4 Поведение кулоновских сил при лобовом столкновении ядер
При ионизации атома электроны покидают электронную оболочку, а связанные с ними джеты протонов ядра начинают распространяться далеко за пределы атома. Поэтому взаимодействие сталкивающихся ядер начинается уже на дальних расстояниях. Джеты протонов разных ядер находят друг друга в пространстве и сливаются так, чтобы совпадало кольцевое вращение воронок. Наличие в воронках поступательного движения со стороны протонов приводит к тому, что вокруг воронок образуется область пространства с повышенной плотностью эфира и, соответственно, с повышенным давлением. Повышенное давление эфира между протонами и является причиной возникновения сил кулоновского отталкивания. По мере приближения протонов эти силы возрастают. Но при достижении некой критической границы действие кулоновских сил исчезает. На этом граничном расстоянии между протонами изгиб слившихся воронок достигается критического значения, при котором связь разрывается, джеты противоположных протонов отделяются друг от друга и выпрямляются. Протоны начинают уже непосредственно взаимодействовать друг с другом, а не через джеты. И взаимодействие это благодаря кольцевому вращению вокруг собственной оси опять происходит по правилам взаимодействия вихрей. И чем ближе расстояние между протонами, тем сильнее взаимодействие. Кулоновские и ядерные силы, таким образом, имеют одну физическую природу, связанную с взаимодействием вихрей. Но создаются разными вихревыми составляющими.
Рис.5 Поведение кулоновских сил внутри ядра
Если экваторы протонов находятся в одной плоскости, то джеты разных протонов физически не способны изогнуться и слиться. Поэтому любое количество протонов в ядрах не отталкиваются кулоновскими силами, если находятся в одной плоскости и их спины перпендикулярны этой плоскости. Другое дело, если любые два протона повернуты друг к другу полюсами. В этом случае они сразу начнут отталкиваться, только не двумя, а одним джетом. В таком случае один из протонов, слабее связанный с ядром, выталкивается из ядра кулоновской силой. Но если между протонами находится экран из нейтронов, то вероятность подобного отталкивания исключается. При такой системе взаимодействия происходит автоматическое перераспределение протонов и нейтронов в ядре – нейтроны группируются внутри ядра, а протоны распределяются снаружи ядра. И распределение нуклонов в ядре не является хаотическим – все экваторы одинаково ориентированы в пространстве, то есть их плоскости параллельны.
Рис.6 Движение ядер в одном направлении
В экспериментальных реакторах столкновение легких ядер осуществляется в лобовом столкновении при хаотическом их движении. Изучение поведения протонов в ядре позволяет предложить более эффективную технологию синтеза – сближение ядер при длительном движении в одном направлении. При хаотическом движении в большинстве случаев происходит сближение только двух ядер. По мере сближения всегда наступает момент, когда сталкивающиеся ядра становятся друг к другу ближе, чем к любому другому ядру. Начиная с этого момента, все протонные джеты ядер изгибаются в пространстве, поворачиваются и сливаются с джетами летящего навстречу ядра. При преимущественном движении в одном направлении совсем другая ситуация. Здесь расстояния между ядрами изменяются крайне медленно. Конечно же, здесь тоже джеты связаны с протонными джетами соседних ядер. Но связанные ядра не сближаются друг с другом, а держатся друг от друга на расстоянии или удаляются. Любому джету гораздо проще не изгибаться для соединения с джетом самого ближнего протона, а соединиться с джетом по прямой линии, даже если формирующий его протон находится на порядок дальше. И в то время, когда все джеты протонов ядер связаны, ядра не защищены кулоновскими силами со стороны экваторов протонов. И ничто не мешает нескольким ядрам одновременно сближаться в плоскости экваторов. Исходя из данных рассуждений, можно сделать вывод, что не случайно самые большие успехи достигнуты на реакторах десятого типа. Именно в них легкие ядра преимущественно двигаются в одном направлении. Только для повышения вероятности слияния ядер важно не только температуру повышать. Гораздо важней уменьшать степень хаотичности, добиваться не лобового столкновения ядер, а массового движения ядер в одном направлении. Так как ядра движутся в тороидальном вихре, то параметрами стабилизации плазмы должны быть параметры стабилизации тороидального вихря, такие как скорость тороидального движения ядер, диаметр тора, соотношение диаметра тора к диаметру кольца тора.
Владимир Яковлев, lun1@list.ru , http://logicphysic.narod.ru , июнь 2009 года
