Туннелирование. Модель реактора синтеза.

on 18 July 2012.

Писатели-фантасты, ученые, футурологи создают в своих произведениях модели будущего. Ценность они, по мнению автора, представляют, лишь обыгрывая жизненные ситуации в свете новых достижений. Как будет решаться проблема, например, лечения различных заболеваний, например, продовольственная проблема, проблема безудержного размножения человечества, влияние транспорта на жизнь, или конкретно - как решим проблему любви и воспитания детей, если станет один из факторов главенствующим… И, что интересно, самые невероятные прогнозы, составленные даже неспециалистами, полными профанами сбываются с такой большой вероятностью, что диву даешься.

Автор рискнет построить свою модель реактора синтеза. С большой долей вероятности и его прогноз сбудется.

Итак, как, по мнению автора, должен выглядеть реактор.

Во-первых он должен быть как компактным, так и любых, заранее заданных размеров. Буквально: от ранца, до девятиэтажного дома. Причем в целях безопасности, хотя большие реакторы будут демонстрировать лучшие технические параметры, предпочтительно использовать малые реакторы.

В-вторых, он должен работать непрерывно, или импульсы работы должны идти с очень большой частотой (пусть будут килогерцы).

В- третьих, он не должен использовать экзотические источники полей, например, сверхпроводники.

В-четвертых, реакторы должны быть исключительно просты.

В-пятых, реактор должен по возможности меньше фонить, выдавать нежелательные виды радиации.

Все современные термоядерные реакторы не подходят к предъявленным ожиданиям. Лучше будет сказать: ни один не подходит. Ни стеллараторы, ни «Токамаки», ни плазменный фокус, ни магнитные бутылки с множеством пробок – ни один!

Предположим, что идея магнитного удержания ошибочна. Скажем так: очень далека от реализации, страшно далека в данных земных условиях.

Следовательно, надо вернуться в начало лабиринта, посмотреть, не пропустили ли нужный выход.

Установлено, что реакции синтеза идут при очень большой температуре. Например, реакция трития с дейтерием требует нагрев до 50 000 000  К.

Ускоренные до 1 эВ заряженные частицы – это частицы, нагретые до 11 000  К. Тогда и 5 киловольт хватило бы, чтобы началась реакция, если бомбардировать мишень. И реакция идет, но с таким ничтожным выходом, что затраты на ускорение многократно превышают получаемый эффект. Для данной реакции лишь при 100-150 кэВ энергии налетающей частицы сечение реакции приемлемо.

Но когда ускоренное ядро налетает на мишень, в ней происходят не только реакции синтеза, но и множество других. Ионизация – основная неприятность. Вероятность ионизации в сто миллионов раз выше, чем вероятность ядерной реакции. На каждый акт ионизации затрачивается около 40 эВ. На сто миллионов, следовательно, 4 ГэВ. Чтобы получить, например, 20 МэВ энергии (один акт синтеза) придется затратить 4 ГэВ бесполезной энергии. Разница в 200 раз.

И логически было заключено в прошлом веке, что надо убрать ионизацию. Бомбардировать уже ионизованные мишени. А так как и это оказалось невыгодно – слишком много пустых соударений между налетающими ядрами и холодными электронами и ядрами мишени – то последовали два логических шага: нагреть и электроны и ядра мишени до энергии налетающих частиц. Результат: горячая плазма исходных веществ (и мишени и налетающие частицы варятся, как говорится, в собственном соку при фантастической температуре).

Дальнейший путь уже известен. Плазма разлетается, ее необходимо удержать, создаются сложнейшие магнитные ловушки, затем ловушки замкнутые, происходит множество неустойчивостей, размеры камеры все увеличиваются…

Ни лазерный синтез, ни ионные обстрелы мишеней не изменили ситуацию. Решение не найдено. Точнее будет сказать так: найденные решения не есть решение проблемы. Нет даровой энергии!

Где-то в лабиринте был проход.

Вернемся к бомбардировке ускоренными ядрами мишени.

Необходимо

а) увеличить энергетический выход реакции. Добиться, чтобы максимально возможное число частиц вступило именно в ядерную реакцию.

б) добиться уменьшения ионизационных потерь.

Атом мишени можно рассматривать как энергетический барьер для налетающей заряженной частицы. И этот барьер тормозящий! Ускоренная частица пронизывает атом, отталкиваясь от ядра – ведь не все удары центральные. Электроны отрываются электрическим полем летящей частицы от атомов мишени, и в конечном итоге тоже тормозят частицу, отбирают у нее по 30-40 эВ.

Это есть известная задача о прохождении частицей энергетического барьера.

Факт, что вероятностно протон (дейтрон, тритон) могут преодолеть энергетический барьер сил электрического отталкивания (0,15 МэВ), сблизиться с другим протоном до 10-14 м и слиться в новое ядро. Причем это может произойти при энергиях, значительно меньших 150 кэВ. Но как произойдет этот же процесс (по сути, туннелирование), если налетающая частица «почувствует» за мишенью ускоряющее поле?

Вероятность пролета через барьер резко возрастет.

Тогда! За барьером должно быть ускоряющее поле!

Еще раз. Бомбардируем мишень заряженными частицами. Имеем какой-то эффект (пусть это будет преодоление кулоновского барьера ядра). Вероятность реакции пусть одна стомиллионная.  При тех же параметрах налетающих частиц, но с ускоряющим полем за мишенью вероятность реакции увеличивается во много раз.

Как получают и используют ускоренные ионы?

Ионизируют каким либо способом газ и вытягивают из него ионы. Затем, после прохождения ускоряющих ступеней (неважно, каких: электростатических, электромагнитных, в дуантах циклотрона) направляют на мишень. Столкновения с мишенью происходят вне действия полей! И все данные, все сечения реакций приведены именно для этого случая. И ни для какого другого!

Но для частицы небезразлично, какое поле за барьером! Вероятность, что она протуннелирует через барьер тем больше, чем больший ускоряющий потенциал будет за мишенью-барьером. Поэтому чем меньше расстояние между ускоряющими электродами, тем лучше. Откройте хороший учебник по физике, поинтересуйтесь волновой функцией, прохождением частицей энергетического барьера (вероятностью!).

Мы должны изменить условия бомбардировки мишени: она должна находиться в ускоряющем заряды поле с большим градиентом! И за мишенью должно быть поле больше, чем перед ней (должен быть градиент поля).

Можно подать на подложку под мишенью отрицательный потенциал, а положительный электрод (сетчатый или трубчатый) разместить в непосредственной близости от мишени на грани пробоя. Подавать напряжение импульсно. Пройдя сетку, заряды начнут ускоряться, мишень лежит в ускоряющем потенциале.

Как можно еще получить электрическое поле?

Можно в непосредственной близости от «рабочего» луча частиц пустить ускоряющий луч заряженных релятивистских частиц (см. Авторскую статью «Трансформатор постоянного тока»).

Организовать градиент поля можно разницей форм и площадей электродов.

Что тогда будет наблюдаться, какие эффекты следует ожидать?

Заряженная частица при туннелировании перестает «замечать» электронные оболочки мишени и поля ядер. Она находится в квантовом переходе. Ее заряд будто отсутствует. Если она пролетела один атом и не встретилась с ядром - ничего страшного. Размер атома 10-8см, на одном сантиметре пролета она встретит 100 000 000 атомов мишени. Даже в вакууме можно организовать 20-30 кВ ускоряющий потенциал без пробоя и автоэмиссии на  расстояниях в сантиметры.

Число частиц, вступивших в реакцию, должно резко возрасти. Потери на ионизацию снизятся.

А есть ли какие либо эффекты, подтверждающие гипотезу автора?

Отражение от барьера, просачивание, коэффициенты преломления - это задачи, которые являются базовыми в электронной и ионной оптике. Это есть, это проверено, это используется и в электронных и в протонных микроскопах.

Самое поразительное, что практически, как предлагает автор, опыты уже были, причем с великолепным результатом! В простейшей установке (колба, два электрода, разряд) получали самосжимающийся разряд и фиксировали  выход нейтронов! Однако нейтроны возникали не от термоядерной реакции, а от ускоренных до больших энергий ядер. И было их маловато.

Причина этого непонятного (тогда) ускорения заключалась в том, что в ходе разряда возникали неустойчивости, в частности перетяжки. То есть в некоторых местах разрядного шнура в ходе случайных процессов возникало утоньшение луча, которое затем как процесс с положительной обратной связью, подхватывалось, магнитное поле в месте перетяжки резко возрастало, и шнур разрывался. А разрыв тока по законам самоиндукции вызывал всплеск сильного электрического поля. В этом поле происходило ускорение дейтерия и электронов.

Итак, электрическое поле, мишень (это сами ионы и молекулы газа наполнителя) в зоне ускорения, реакция, разрыв шнура. Именно так и надо делать!

Итак: шнур разряда надо рвать самим! То есть, если в центре разрядной трубки установить магнитную катушку, подавать на нее ток заданной частоты, то и рваться шнур будет именно в этом месте, и с заданной нами частотой. Разрыв шнура вызовет резкий всплеск напряжения (ЭДС), ускорение ионов, частично реакции от ускоренных ионов, частично от туннелирования. Раз мал выход реакции от одного разрыва, то число разрывов должно быть большим 100 -10 000 раз в секунду. В зоне разрыва шнура градиент поля огромен.

Возражали, что это не те нейтроны, нет термоядерной реакции, не так, как хотелось…Вот беда-то какая! Идет реакция, есть выход нейтронов, есть энергия…Мала энергия? Так увеличьте частоту! Но не так, как хотелось…. Трудно угодить всем!

Должно работать, потому что работает.

Каков там был энергетический баланс? 20 МэВ получили, потратили 4 ГэВ.

В 200 раз траты больше, чем эффект?

Но ведь энергия, потраченная на ионизацию, может быть затем утилизирована! Если реактор рассчитан на производство тепла, то утилизируется 100% энергии.

Итак, эффект тепловой 4,02 ГэВ, траты 4 ГэВ. При самом плохом приборе и самой плохой организации реакции!

Как демонстрационный прибор такой ускоритель уже может давать тепло. Как нагревательный элемент он производит тепла больше, чем подводится электроэнергии. Увеличить число частиц, и регулируй мощность по желанию. (А лучше стягивай и разрывай  разряд внешним полем с любой частотой!).

Если извлекать электрическую энергию, то получается плоховато. КПД тепловых машин (турбина плюс генератор) от силы 40%. Поэтому надо иметь 10 ГэВ выход (а не 20 МэВ), чтобы замкнуть систему, тогда она хотя бы будет работать сама на себя без потребления энергии.  Тогда необходимо 500 актов синтеза при данных параметрах. Всего-то 500!

Но даже если и не удастся получить столько  то как нагревательный элемент установка может работать очень эффективно.

(Автор бы взял простенькую установку: разрядный шнур в среде дейтерия, лития, бериллия, водорода, гелия (именно смеси!) при напряжении 10-20 кВ, рвал в заданном месте шнур нарастающим магнитным полем с частотой, какая  именно автору и именно сегодня больше нравится, и наблюдал бы за энергетическим выходом. Не нужен собственный громадный ток для стягивания разрядного шнура, нет жестких требований к плотности частиц. Добиваться максимальной плотности! Экспериментировать с составом смеси и давлением можно годами! А оплата труда идет, умные отчеты пишутся, результаты очевидны - вот где счастье-то могло быть! А потом  заработал бы закон Паркинсона, штат сотрудников раздулся и разогнать нашу теплую компанию было бы просто невозможно - результатов был бы вагон!).

Да и с мишенью еще можно работать… В газообразном, жидком или кристаллическом виде она должна быть? Мессбауэр очень убедительно доказал, что при резонансном поглощении не только вмороженность в структуру обязательна, но даже и ничтожные скорости оказывают влияние. (Дейтрид лития, по-моему, соль, твердое вещество?). Возможно, будет найден такой тонкий резонансный пик энергии налетающих частиц (и по градиенту поля и по ускорению), что все просто ахнут! А раз в перетяжках шнура возникает мощное электрическое поле, то возможно использовать как инициирующие добавки к основному "бульону" и другие вещества - например, бериллий и гелий. И в месте перетяжки шнура размещать опытные образцы. При бомбардировке бериллия альфа частицами будут образовываться нейтроны, которые могут стать инициатором других реакций. Добавлять еще в смесь витамины других (тяжелых) веществ! Бульон так бульон! Борщ!

И сечение реакции синтеза, и вероятность проскочить через энергетический барьер не может не изменяться в ускоряющих полях!

Что ж тут уже думать…Потрачены годы труда, миллиарды средств. Есть великолепные находки... Но нет результата, задача не решена. Заменить органические энергоносители не сумели…

Надо пробовать – это не многого стоит…

А, может быть, и не надо?

Представьте себе, что 60-летняя история человечества от начала поиска пути синтеза пошла бы не так…

В малых ускорителях получают энергию, достаточную для потребления страны. Осваиваются непригодные земли. Продуктов, энергии, свободного времени – много! Войн нет.

Энергосберегающие технологии не развиваются.

Ветроэнергетика вызывает подшучивание (ветрогоны!).

Гелиоэнергетикам сочувствуют, когда они, запинаясь, волнуясь, докладывают, что у них уже не 10% выход энергии, а 15%! Когда их спрашивают о цене их установки, они называют цену и краснеют (сгорают!) от стыда. Мысль о том, что хорошее начинание может быть угроблено из-за неконкурентоспособности, их угнетает. Дают поработать в космосе. Надолго ли?

Гидроэлектростанции (наконец!) уничтожаются, рыба может пройти к традиционным местам нереста – исполнились её вековые мечты! После нереста можешь себе или собакам собирать рыбу на корм (но отбиваясь от медведей!)

Приливные станции возбуждают негодование по поводу порчи ландшафта.

Геотермальные станции снисходительно не замечаются – ну, что ж, конечно, нравится людям заниматься ерундой, так никто и не мешает.

Бактериальное сжигание биомассы настораживает по поводу возможных мутаций микроорганизмов. Достают проверками.

Нефтяные разливы приводят к взрыву негодования во всем мире и к крайне жестким санкциям. Замораживаются шахты, нефтедобывающие вышки, газоперекачивающие станции. Подсчитывается число погибших за все года эксплуатации, предъявляется счет с очень многими нулями добывающим компаниям. Оправдания и скулеж не слушаются, не принимаются во внимание. Квоты добычи и минимизация трат позволяют держать стабильные цены на нефть. Агония человечества от недостатка энергии  (для автомобилей, господа, только для автомобилей!) продлевается на неопределенный срок.

Гнев и справедливое возмущение высказывают граждане всех стран по поводу наглой эксплуатации атомных электростанций некоторыми (практически разорившимися) фирмами (деньги-то они взяли, а договора надо исполнять!).

 Находятся места захоронений ядерных отходов. Человечество ошеломлено! Многие впадины океанов загажены долгоживущими радиоизотопами! Ищут крайних, но находят лишь стрелочников. Каждому из них дают по шапке.

Автомобилестроение бензиновое и дизельное переживает глубокий кризис. Однако это инертная отрасль, она будет существовать еще не один десяток лет. Но мало найдется желающих платить огромные сборы за проезд  в мощной машине по улицам города. Да и с малых машин сборы, налоги, штрафы за плохую регулировку двигателя, за парковку, за аварийность, за неудобства соседям, за порчу среды, за необходимость утилизации металлолома, за поддержку вредного производства…Если наказывать за курение, то справедливо наказывать и за сжигание бензина и дизельного топлива, причем пропорционально вреду!

Зато общественный электрический транспорт развивается бешенными темпами. Троллейбусы, трамваи, метро, транспорт на магнитной подвеске, автобусы, автомобили, мотоциклы, скутера…

Поднявшие голову зеленые озверели настолько, что закрывают любые химические предприятия, где используются хоть чуть вредные вещества. За электротранспорт они - за! Аккумуляторы, механические накопители, мой ИДЕАЛЬНЫЙ АККУМУЛЯТОР ЭНЕРГИИ! За!

Национально эгоистические интересы возобладали в развитых странах. Вредное производство вытесняется в периферийные страны. Химические, перерабатывающие, обогащающие, сталеплавильные предприятия переносятся в страны с меньшей оплатой труда и наплевательским отношением к экологии. Развиваются институты, колледжи, исследовательские лаборатории, киноиндустрия, электроника, все наукоемкие и интеллектуальные отрасли. Строятся парки, восстанавливаются заповедники и заказники, очищаются реки, улучшаются условия нереста рыб.

Площадь лесов увеличивается, вырубки на топливо запрещены.

Бешено, фантастическими темпами развивается медицина. Из необходимого атрибута жизнедеятельности она превращается в экспериментально исследовательскую отрасль. Не знать азов генетики или иммунологии становится неприлично.

Новые приоритеты - приобщение отсталых народов к благам цивилизации. Прогрессоры из цивилизованных стран хлынули к тем, к кому надо нести свет и цвет цивилизации (неужели опять бусы, зеркальца, кольца в носы?). Развиваются опреснительные станции, вводятся новые технологии обработки почвы, находятся подходящие и востребованные сорта растений для данного региона,   развиваются производство, переработка, строительство. Одновременно пытаются проводить агитационно или скрытно политику ограничения рождаемости. Ни одна страна не собирается тратить на развитие чужой экономики, чтобы затем еще кормить чужих граждан. Не такой графы в бюджете ни у одной страны!

Кроме большой и чистой любви и несанкционированных половых актов (неизбежно, господа, неизбежно!) «прогрессоры» и к ним, и к нам занесли тучу заразы. Причем многое ведь передается не половым путем.

Поэтому пытаются сдерживать (безуспешно!- демократия) перемещение людских масс. Норги могут гулять хоть до Камчатки, но нечего им делать в тропиках!

Совершенно не готовы удаленные территориально и исторически народности к нашим болезням и вирусам.

Многие вирусы вшивают себя в хромосомы!

Сообщества, воспринимающие достижения цивилизации, как манну небесную, то есть как телефоны, машины, спутники, мало заметили появление нового фактора. А те, кто был энергопоставщиком, еще, пожалуй, и обидятся за новый подарочек от прогресса. Жили себе спокойно, никого не трогали, а тут на тебе: добычу сократить, доход заморозить…

Так что Вы решаете, Читатель?

Есть туннелирование? Увеличится ли выход реакции, если сближать электроды при неизменном напряжении и прежнем токе? Надо ли помещать мишень в зону ускорения частиц? Обязателен ли градиент поля? Стоит ли использовать (имитировать) разрыв тока в  разрядном шнуре?

Стоит подумать о возможности, необходимости, неизбежности построения реактора синтеза. Неисповедимы, конечно, пути…Но как сегодня в школьных лабораториях пекут высокотемпературные сверхпроводники, так в тех же школьных лабораториях завтра будут демонстрационно творить синтез. Очень плохо, если без нас, а то ведь бусы и зеркальца могут достаться и нам…А кольцо в нос?..

Вот такая вот нарисовалась картина, когда Автор взялся моделировать реактор.

Детали уж лучше не дорисовывать… Умному, как говорится, достаточно.

Теперь подождем, когда исполнится прогноз.