Ядерный синтезна страницах сайта www.electrosad.ru | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Это
научно-популярная статья, в которой я хочу рассказать интересующимся
ядерным синтезом о его принципах. Это "холодный" и "горячий" термояд,
радиоактивный распад, ядерная реакция расщепления и имеющиеся данные
о синтезе широкого спектра веществ в так называемом процессе
трансмутации. Что такое ядерный синтез?В литературе мы часто находим термин «Термоядерный синтез». Термоядерная реакция, термоядерный синтез (синоним: ядерная реакция синтеза) — разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые ядра. http://ru.wikipedia.org/wiki/ введите для поиска - Термоядерный синтез Точнее, под термином «Термоядерный синтез» принято считать «Ядерный синтез» с выделением энергии (тепла).
В то же время, понятие «Ядерный синтез» включает:
Для этого процесса существует особое понятие Нуклеосинтез — процесс образования ядер химических элементов тяжелее водорода в ходе реакции ядерного синтеза (слияния). В процессе первичного нуклеосинтеза образуются элементы не тяжелее лития, теоретическая модель Большого Взрыва предполагает следующее соотношение элементов: H — 75%, 4He — 25%, D — 3·10−5, 3He — 2·10−5, 7Li — 10−9,
что хорошо согласуется с экспериментальными данными определения состава вещества в объектах с большим красным смещением (по линиям в спектрах квазаров. Звёздный нуклеосинтез — собирательное понятие для ядерных реакций образования элементов тяжелее водорода, внутри звёзд, а также, в незначительной степени, на их поверхности.
В том и другом случае, скажу возможно кощунственную для некоторых фразу, синтез может проходить как при выделении избыточной энергии связи, так и при поглощении недостающей. Поэтому корректнее говорить не о термоядерном синтезе, а о более общем процессе — ядерном синтезе.
Условия существования ядерного синтезаОбщеизвестны критерии существования термоядерного синтеза (для реакции D-T), который возможен при одновременном выполнении двух условий:
где n — плотность высокотемпературной плазмы, τ — время удержания плазмы в системе. От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции. В настоящее время (2012) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) находится в начальной стадии. И срок его пуска уже не первый раз откладывается. или Практически те же критерии, но более общие, для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10−15 м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания.
Условия преобразованияУсловия преобразования известны, это сближение ядер до расстояний когда начинают действовать внутриядерные силы. Но это простое условие, не так-то просто выполнить. Существуют кулоновские силы положительно, одноименно заряженных ядер, участвующих в ядерной реакции, которые необходимо преодолеть чтобы сблизить ядра на то расстояние когда начинают действовать внутриядерные силы и ядра объединяются. Что надо для преодоления кулоновских сил?
Если абстрагироваться от необходимых энергетических затрат на это, то совершенно определенно можно сказать, что сблизив любые два и более ядер на расстояние меньшее 1/2 диаметра ядра мы приведем их к состоянию когда внутриядерные силы приведут к их слиянию. В результате слияния образуется новое ядро, масса которого будет определяться суммой нуклонов в исходных ядрах. Образовавшееся ядро, в случае его неустойчивости, в результате того или иного распада придет через некоторое время в некоторое стабильное состояние. Обычно ядра участвующие в процессе синтеза существуют в виде ионов, частично или полностью потерявшие электроны.
Сближение ядер достигается несколькими путями:
Оставив пока для сохранения пока терминологию, посмотрим что такое термоядерный синтез.
Последнее время мы редко слышим об исследованиях «горячего» термоядерного синтеза. Нас одолевают свои проблемы, более жизненные для нас, чем для всего человечества. Да это и понятно кризис продолжается и мы стремимся выжить. Но исследования и работы в области термоядерного синтеза продолжаются. Существует два направления работ:
Причем их отличие горячий — холодный только описывает условия, которые необходимо создать для протекания данных реакций. Имеется в виду что в «горячем» ядерном синтезе продукты участвующие в термоядерной реакции надо разогреть, чтобы придать их ядрам определенную скорость (энергию) для преодоления кулоновского барьера, чем создать условия для протекания реакции ядерного синтеза.
В случае «холодного» ядерного синтеза — синтез протекает при внешних нормальных условиях (усредненных по объему установки, а температура а зоне синтеза (в микро объеме) полностью соответствует выделяемой энергии), но поскольку существует сам факт ядерного синтеза, условия необходимые для слияния ядер так же выполняются. Как Вы понимаете требуются определенные оговорки и уточнения, когда говорят о «холодном» ядерном синтезе. Поэтому едва ли применим для этого термина «холодный», скорее подходит обозначение, LENR (низко энергетические ядерные реакции).
Но, думаю Вы понимаете, что термоядерная реакция идет с выделением энергии и в обоих случаях ее результат «горячий» - это выделение тепла. Так например при «холодном» ядерном синтезе, как только количество фактов синтеза станет достаточно большим температура активной среды начнет повышаться. Не боясь быть нудным повторю, суть ядерного синтеза заключается в сближении ядер вещества участвующего в реакции на расстояние когда на участвующие в ядерном синтезе атома начинают действовать (преобладать) внутриядерные силы под действием которых ядра сольются.
«Горячий» ядерный синтезЭксперименты с «Горячим» ядерным синтезом проводятся на сложных и дорогих установках использующих самые передовые технологии и позволяющих разогревать плазму до температур более 108К и удерживать ее в вакуумной камере с помощь сверх сильных магнитных полей достаточно длительное время (в промышленной установке это должно выполняться в непрерывном режиме - это все время ее работы, в исследовательских это может быть режим одиночных импульсов и на время необходимое для протекания термоядерной реакции, в соответствии с критерием Лоусона (если интересно, см. http://ru.wikipedia.org/wiki/ введите для поиска - Критерий Лоусона). Существует несколько типов таких установок, но наиболее перспективной считается установка типа «ТОКАМАК» - ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками.
В настоящее время (2011) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) находится в начальной стадии. (Закончено проектирование)
«Холодный» ядерный синтезТак называемый «холодный» ядерный синтез (как я уже говорил, он холодный пока число событий синтеза — слияния мало), не смотря на отношение официальной науки, тоже имеет место быть.
Логика подсказывает, что условия для сближения ядер могут быть достигнуты и другими способами. Пока мы просто не можем понять физику процессов происходящих в микромире, объяснить их, а поэтому получить повторяемость эксперимента и в результате практического применения. Инструментальные подтверждения протекания ядерных реакций есть.
В множестве экспериментов зарегистрированы признаки присущие ядерному синтезу (как отдельные так и в совокупности): выделения нейтронов, выделение тепла, побочные излучения, продукты ядерного синтеза. Логика подсказывает возможность существования ЯС без выделения нейтронов, побочных излучений и даже с поглощением энергии. Но всегда имеет место появление новых химических элементов в продуктах ядерного синтеза. Например может иметь место ядерная реакция без нейтронов и других излучений
D + 6Li → 2[4He] + 22,4 MeV
Больше того в природе зафиксированы подобные явления.
Ядерный синтез при расщепление веществаРадиоактивный распад. В природе известен синтез новых химических элементов в процессе радиоактивного распада. Радиоактивный распад (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра. Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны). Виды радиоактивного распада
Расщепление вещества, 238UЯдерную реакцию расщепления ядра Урана 238U можно тоже отнести к реакциям ядерного синтеза, с тем отличием, что происходит синтез более легких ядер при том или ином расщеплении тяжелого ядра 238U. При этом выделяется энергия которую и используют в ядерной энергетике. Но не буду здесь рассказывать о цепной реакции, ядерном реакторе... Сказанного уже хватит чтобы отнести реакцию расщепления ядра к категории реакций ядерного синтеза.
Трансмутации веществаСлово трансмутации, так не любимое официальной наукой, возможно за то что им, в былые времена, (когда ученых званий еще и не было) активно пользовались алхимики, все таки наиболее полно отражает процесс преобразования вещества.
Трансмутация (от лат. trans — сквозь, через, за; лат. mutatio — изменение, перемена) — превращение одного объекта в другой. Термин имеет несколько значений, но мы опустим значения не относящиеся к нашей теме:
А возможно слово «превращение» им кажется сродни слову «волшебство», но ведь имеет место быть всем понятное естественное «превращение» изотопов одних химических элементов в другие химические элементы. Среди тяжелых естественных радиоактивных элементов известно 3 семейства 23892U, 23592U, 23290U после ряда последовательных α и β распадов превращаются в стабильные 20682Pb, 20782Pb, 20882Pb.
И ряд других [Л. 5]:
И слово превращение здесь весьма кстати.
Конечно, кому это ближе, могут с полным правом применить термин синтез.
Здесь нельзя не упомянуть работы по очистке промышленных стоков, проводившиеся Вачаевым А.В.[Л.7], которые привели к обнаружению совершенно новых эффектов ядерного синтеза, эксперимент Уруцкоева Л.И.[Л.6], подтвердивший возможность ядерного преобразования (трансмутации) и исследования проведенные Паньковым В.А., Кузьминым Б.П.[Л.10], полностью подтвердившие результаты Вачаева А.Л по преобразование вещества в электрическом разряде. Но подробно Вы можете посмотреть их работы по ссылкам. Экспериментаторами обсуждается возможность преобразования вещества в растениях. Термином "Трансмутация" можно обозначить и синтез сверхтяжелых элементов.
Синтез сверхтяжелых элементов тоже ядерный синтезПервые Трансурановые элементы (ТЭ) были синтезированы в начале 40-х гг. 20 в. в Беркли (США) группой учёных под руководством Э. Макмиллана и Г. Сиборга, удостоенных Нобелевской премии за открытие и изучение этих элементов. Известно несколько способов синтеза ТЭ. Они сводятся к облучению мишени потоками нейтронов или заряженных частиц. Если в качестве мишени используется U, то с помощью мощных нейтронных потоков, образующихся в ядерных реакторах или при взрыве ядерных устройств, можно получить все ТЭ до Fm (Z = 100) включительно. Процесс синтеза состоит либо в последовательном захвате нейтронов, причём каждый акт захвата сопровождается увеличением массового числа А, приводящим к β - распаду и увеличению заряда ядра Z, либо в мгновенном захвате большого числа нейтронов (взрыв) с длинной цепочкой β - распадов. Возможности этого метода ограничены, он не позволяет получать ядра с Z > 100. Причины - недостаточная плотность нейтронных потоков, малая вероятность захвата большого числа нейтронов и (что наиболее важно) очень быстрый радиоактивный распад ядер с Z > 100.
Для
синтеза далёких
ТЭ
используется два типа ядерных реакций - слияния и деления. В
первом случае ядра мишени и ускоренного иона полностью
сливаются, а избыточная энергия образовавшегося возбуждённого
составного ядра снимается путём «испарения»
(выделения)
нейтронов. При использовании ионов С, О, Ne и мишеней из Pu, Cm,
Cf образуется сильно возбуждённое составное ядро (энергия
возбуждения ~ 40-60 Мэв). Каждый испаряемый нейтрон способен
унести из ядра энергию в среднем порядка 10-12 Мэв, поэтому для
«остывания» составного ядра должно вылететь до 5 нейтронов. С
испарением нейтронов конкурирует процесс деления возбуждённого
ядра. Для элементов с Z = 104-105 вероятность испарения одного
нейтрона в 500-100 раз меньше вероятности деления. Это объясняет
малый выход новых элементов: доля ядер, которые «выживают» в
результате снятия возбуждения, составляет всего 10-8-10-10 от
полного числа ядер мишени, слившихся с частицами. В этом кроется
причина того, что за последние 20 лет синтезировано всего 5
новых элементов (Z = 102-106). В 1965 Флёров предложил использовать для синтеза ТЭ вынужденное деление ядер под действием тяжёлых ионов. Осколки деления ядер под действием тяжёлых ионов имеют симметричное распределение по массе и заряду с большой дисперсией (следовательно, в продуктах деления можно обнаружить элементы с Z значительно, большим, чем половина суммы Z мишени и Z бомбардирующего иона). Экспериментально было установлено, что распределение осколков деления становится шире по мере использования всё более тяжёлых частиц. Применение ускоренных ионов Xe или U позволило бы получить новые ТЭ в качестве тяжёлых осколков деления при облучении урановых мишеней. В 1971 в ОИЯИ были ускорены ионы Xe с помощью 2 циклотронов, которыми облучалась урановая мишень. Результаты показали, что новый метод пригоден для синтеза тяжёлых ТЭ.
Для синтеза ТЭ делают попытки использовать реакция (слияние) ядер титана-50 и калифорния-249. По расчетам, там вероятность образования ядер 120-го элемента несколько выше.
Устойчивые состояния ядерСамо наличие короткоживущих и долгоживущих изотопов, стабильных ядер и современное знания об их строении говорят об определенных зависимостях и сочетаниях количества нуклонов в ядре, которые придают им способность существовать в указанные выше сроки.
Это же подтверждает и отсутствие других химических элементов. Логика подсказывают существования законов определяющих определенный нуклонный состав ядра (подобно его электронным оболочкам). Или другими словами формирование ядра происходит по определенным квантованным зависимостям, которые подобны электронным оболочкам. Других устойчивых (долгоживущих) ядер (атомов) химических элементов просто не может быть.
В то же время это не отрицает возможность существования других сочетаний нуклонов и их количества в ядре. Но время жизни такого ядра существенно ограничено. Что касается неустойчивых (короткоживущих) ядер (атомов), то там могут, в определенных условиях, существовать ядра имеющие другие сочетания нуклонов и их количества в ядре, по сравнению со стабильными ядрами и во множестве их сочетаний.
Наблюдения показывают, что при увеличении количества нуклонов (протонов или нейтронов) в ядре существуют определённые числа, при которых энергия связи следующего нуклона в ядре намного меньше, чем последнего. Особой устойчивостью отличаются атомные ядра, содержащие магические числа 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126, 164 для протонов и 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184, 196, 228, 272, 318 для нейтронов. (Жирным выделены дважды магические числа, то есть магические и для протонов и для нейтронов)
Магические ядра являются наиболее устойчивыми. Это объясняется в рамках оболочечной модели: дело в том, что протонные и нейтронные оболочки в таких ядрах заполнены — как и электронные у атомов благородных газов. Согласно этой модели, каждый нуклон находится в ядре в определённом индивидуальном квантовом состоянии, характеризуемом энергией, моментом вращения (его абсолютной величиной j, а также проекцией m на одну из координатных осей) и орбитальным моментом вращения l.
Оболочечная модель ядра фактически является полуэмпирической схемой, позволяющей понять некоторые закономерности в структуре ядер, но не способной последовательно количественно описать свойства ядра. В частности, ввиду перечисленных трудностей непросто выяснить теоретически порядок заполнения оболочек, а следовательно, и «магические числа», которые служили бы аналогами периодов таблицы Менделеева для атомов. Порядок заполнения оболочек зависит, во-первых, от характера силового поля, которое определяет индивидуальные состояния квазичастиц, и, во-вторых, от смешивания конфигураций. Последнее обычно принимается во внимание лишь для незаполненных оболочек. Наблюдаемые на опыте магические числа общие для нейтронов и протонов (2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126) отвечают квантовым состояниям квазичастиц, движущихся в прямоугольной или осцилляторной потенциальной яме со спин-орбитальным взаимодействием (именно благодаря ему и возникают числа 28, 40, 82, 126)
Физика микромира и наносекундЗаконы физики едины везде и не зависят от размеров систем где они действуют. И нельзя говорить об аномальных явлениях. Любая аномальность говорит о нашем непонимании происходящих процессов и сути явлений. Только в каждом случае они могут проявляться по разному поскольку в каждой ситуации накладываются свои граничные условия.
Например:
Поэтому учитывая граничные условия можно наткнуться на совершенно необычные для нашего восприятия явления и процессы.
Как сказал кто-то из старых философов: «Бесконечно малое может быть бесконечно большим». Перефразируя, можно сказать и про вещество, «В бесконечно малом скрыта бесконечно большие ...» Вместо многоточия поставить : давление, температура, напряженность электрического или магнитного полей. И это подтверждают имеющиеся данные о величине энергии молекулярных связей, кулоновских, внутриядерных сил (энергии связи нуклонов в ядре).
Поэтому в микромире возможны сверхвысокие давления, сверх высокие напряженности электрического и магнитного поля и сверхвысокие температуры. Чем хорошо использование возможностей микро объемов (мира), то что на получение этих сверх значений, чаще всего, не нужны огромные энергетические затраты.
Некоторые примеры имеющие признаки ядерного синтеза:
ЗаключениеВ заключение можно сказать: Чем больше объем области где протекает ядерный синтез (при равной плотности исходного вещества), тем больше энергозатраты на его инициацию и соответственно больше энергетический выход. Не говоря уже о финансовых затратах, которые тоже пропорциональны размерам рабочей области. Это характерно для «Горячего» термояда. Разработчики планируют получать с его помощью сотни мегаватт мощности.
В то же время существует малозатратный (во всех перечисленных выше направлениях) путь. Его имя LERN.
Он использует возможности достижения необходимых для ядерного синтеза условий в микрообъемах и получение небольших, но достаточных для удовлетворения многих нужд мощностей (до мегаватта). В некоторых случаях возможно прямое преобразование энергии в электрическую. Правда, последнее время, такие мощности часто просто не интересуют энергетиков, градирни которых отправляют в атмосферу много большие мощности.
Пока нерешенной проблемой «горячего» и некоторых вариантов «холодного» ядерного синтеза остается проблема удаления продуктов распада из рабочей области. Что необходимо, поскольку они снижают концентрацию участвующих в ядерном синтезе исходных веществ. Что приводит к нарушению критерия Лоусона в «горячем» ядерном синтезе и «погасанию» реакции синтеза. В «холодном» ядерном синтезе, в случае циркуляции исходного вещества этого не происходит.
Литература:
* файлы формата pdf можно найти в Интернет введя их название в поисковую строку
А. Данилович, июль 2011 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:
/Неизвестный
процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Copyright © Sorokin A.D. |
|
2002 - 2020 |