Доклад на конференции «Science & our future», Москва, 15-19 мая 2005 года.
РУССКАЯ ТОРОИДАЛЬНАЯ МАТРЁШКА:
ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯИ.Ю. Горелик, darkenergy@yandex.ru
г. Феодосия.
Год назад на этой конференции я представлял стендовый доклад «Русская Тороидальная Матрешка – двигатель нового типа на теплом синтезе легких ядер». К сожалению, этим предметом пока никто не заинтересовался. Вероятно, причиной тому являлось отсутствие описания её перспектив и принципа действия.
Перспективы внедрения РТМ.РТМ представляет собой компактный силовой агрегат, работающий на ядерном топливе. В будущем РТМ может быть установлена под капотом автомобиля вместо обычного двигателя внутреннего сгорания. Топливного бака в автомобиле нет. Выхлопной трубы нет. Автомобиль экологически чист и работает, к примеру, пять лет без остановки на экологически чистом ядерном топливе, заранее заложенном в двигатель. Ядерный взрыв двигателя исключается, поскольку топливо постоянно воспроизводится катализатором, а реакция идет в два этапа при участии катализатора.
А вот так может выглядеть кухня и балкон в будущем (простенок мы мысленно убрали).
Энергетическая установка стоит на балконе. Энергия, выделяемая в ней, питает всё домашнее оборудование. А, значит, мы можем отключиться и от централизованного отопления. Во время малого потребления электроэнергии, в большом резервном баке прогревается вода. Следовательно, мы можем отключиться и от централизованной подачи горячей воды. Избыток энергии может направляться в теплицы, в городскую сеть, на предприятия.
Принцип действия РТМ.
В основу работы РТМ положены следующие идеи: 1) создание высокого давления с помощью вращающейся гравитепловой катушки; 2) увеличение прочности, осуществляемое по принципу матрешки; 3) дальнейший рост давления уже в тепловыделяющем элементе за счет Эффекта Арки; 4) пресс-ядерные реакции с катализатором. Первые два пункта позволяют создавать давление порядка 1000ГПа при габаритных размерах порядка одного метра. Этого давления уже достаточно для создания искусственных алмазов, но для реакций обычного термоядерного синтеза не хватает еще пару-тройку нулей. Хватит ли этого давления для пресс-ядерного синтеза, и приведут ли третий и четвертый пункты к успеху, должен показать эксперимент.
1) Гравитепловая катушка.
Ниже мы видим три катушки, состоящие соответственно из 1, 2 и 5 витков. Синим цветом показана холодная сторона катушки, а красным - горячая. Газ или жидкость обычно имеют меньшую плотность при более высокой температуре. Поэтому уровень жидкости в U-образной трубке будет выше с той стороны, где температура жидкости выше. Заменяя U-образную трубку на катушку, мы можем преумножить этот эффект.
Если давление на холодном конце катушки поддерживается на уровне внешнего давления, то на заглушенном горячем конце катушки будет создаваться повышенное давление. Рост давления пропорционален количеству витков катушки, её высоте, разности температур на сторонах катушки. Но гравитация слаба, и для создания высоких давлений, катушка должна иметь громадные размеры. Вспоминая о принципе эквивалентности между гравитацией и инерцией, мы можем привести гравитепловую катушку (ГТК) во вращение.
Разрезая трубку, и устанавливая в месте разреза манометры, мы увидим, что создаваемое давление будет пропорционально центростремительному ускорению катушки.
В статичной ГТК одна сторона, поддерживалась при высокой температуре, а другая сторона - при низкой температуре. Во вращающейся ГТК верхняя часть поддерживается при высокой температуре, а нижняя - при низкой температуре. Можно, конечно, и наоборот. В статичной ГТК разность давлений создавалась благодаря наличию ускорения g. Во вращающейся ГТК разность давлений создается благодаря наличию центростремительного ускорения a, направленного к центру. Реалистично мы можем создать ускорение a, превосходящее g в 10000 раз.
Поскольку давления, необходимые для осуществления ядерных реакций, огромны, и исчисляются многими ГПа, заключаем, что никакая монолитная труба не сможет выдержать требуемого давления. Даже если сделать трубу с внутренним диаметром 1 миллиметр, и толщиной стенки 1 метр, она все равно будет не прочной, так как внутренность трубы расширится, растрескается, и условный внутренний диаметр, определяемый глубиной проникновения трещин, начнет расти.
2) Принцип матрёшки.
Положим тороидальную катушку горизонтально на стол. Рассечем её вертикальной плоскостью напополам. В сечениях получим два круга. Мысленно уберем простенки между витками, но оставим простенки между слоями катушки, - получаем нечто подобное матрешке, серию торов, вложенных друг в друга. Чтобы понять, как увеличивается при этом прочность многостенной трубы, перейдем к задаче о сферической матрешке.
Предположим, что воздушный шарик с вольфрамовой стенкой может выдержать давление 2 ГПа. Как внутри него создать давление 100ГПа? Накачиваем его до давления 1ГПа. Предположим, что внутри этого шарика есть еще один шарик, и некий демон, как в идее Максвелла. Демон накачивает внутренний шарик, и внутри внутреннего шарика получаем давление 2ГПа. Во втором шарике есть еще один шарик, и еще один демон. Он накачивает свой шарик относительно себя до 1ГПа, а относительно нас до 3ГПа. В 99 шарике есть сотый шарик и сотый демон. Он накачивает сотый шарик до давления 100ГПа. Шарик выдерживает это давление, поскольку снаружи сотого шарика давление 99ГПа.
При давлении порядка нескольких ГПа газы превращаются в жидкости, а жидкости превращаются в твердые тела. Но это происходит при нормальных температурах. Значит, двигаясь вглубь от шарика к шарику, прибавляем им температуру по сто градусов. Чтобы жидкое тело сжатия (ртуть, вода) не стало твердым, температура в центральном шарике должна быть равна нескольким тысячам градусов.
Будет ли перетекать материал оболочки внутреннего шарика в оболочку внешнего шарика? Нет, - они разделены, рабочим телом сжатия. Следовательно, воздушный шарик с толщиной стенки 99 см и внутренним диаметром 1 см оказывается значительно слабее, чем 99 тонких шарика, вложенных друг в друга, но примерно с одинаковым перепадом давления. Таким образом, матрешка оказывается значительно прочнее монолитной емкости таких же размеров.
3) Эффект Арки.
Как распределяется давление вдоль радиуса в тепловыделяющей среде? Предположим, что тепловыделяющая среда заключена в сферическую емкость. Анализ показывает, что температура этой среды будет максимальна в центре, а давление будет определяться статичной частью, и частью, переносящей тепловой поток. При этом область максимума давления может не совпадать с центром шара. Задавая импульсный режим работы, к примеру, с помощью переменного магнитного поля, можно добиться периодического смещения максимума давления. Предварительный анализ показывает, что давление вещества будет монотонно расти от значения p0 около оболочки, до некоторого значения pmax, а затем монотонно убывает до значения pcenter в центре шара. Вывод о максимуме давления на некотором расстояния от центра шара следует из Эффекта Арки, который был получен раннее(4) для гравитирующей среды. Система дифференциальных уравнений для тепловыделяющей среды подобна, но сложнее, поскольку распределение частиц не является максвелловским. Аналогичная ситуация будет наблюдаться и в торообразной емкости.
Значение максимума давления также зависит от того, как далеко разносят свою энергию частицы, принимающие участие в ядерных реакциях. В области реакции образуется множество ионов и свободных электронов. Воздействуя на эти частицы мощным магнитным полем, мы можем повлиять на пространственно-временное распределение давления в рабочей области тора.
4) Пресс-ядерные реакции с катализатором.
К настоящему времени известны следующие основные типы ядерных реакций:
1. Спонтанный распад ядер;
2. Распад тяжелых ядер под действием нейтронов;
3. Синтез легких ядер, или термоядерные реакции;
4. α-распад;
5. β--распад;
6. β+-распад;
6а. захват электрона;
7. Изомерный переход;
8. Двойной β-распад;
9. Единичные ядерные реакции, осуществляемые на ускорителях.Распад тяжелых ядер реализован промышленно на атомных электростанциях. Его спутниками стали серии бета-распадов осколков деления. Синтез легких ядер реализован во взрывной неуправляемой форме. Существуют указания, что недавно удалось осуществить двойной β-распад.
Мысленно изучая работу РТМ, я наткнулся на новый тип реакций, которые сначала хотел назвать двойной безнейтринный β-распад. Но, во-первых, этот термин уже существует и отражает несколько другие реакции; во-вторых, в выходных каналах реакций, которые будут предложены ниже, могут отсутствовать не только нейтрино, но и β-частицы. Поскольку для осуществления этих реакций нужны высокие давления и высокие угловые скорости, то эти реакции лучше именовать «пресс-ядерными реакциями».
Топливом в этом случае могут быть калий или ванадий. Что особенного в этих элементах? Если построить диаграммы для дефектов масс ядер разных химических элементов, но содержащих одинаковое число нуклонов, то можно заметить следующую закономерность. Такие группы изотопов образуют нечто подобное потенциальным ямам, посредине которых находится стабильный изотоп. Элементы, находящиеся с одной стороны стабильного изотопа, являются нестабильными и распадаются путем серии β--распадов, пока не превратятся в стабильный изотоп. А элементы, стоящие с другой стороны, распадаются путем серии β+-распадов, или электронных захватов. Иногда в потенциальной яме находятся два стабильных изотопа, а между ними на потенциальном бугорке находится нестабильный изотоп, который испытывает либо β--распад, либо β+-распад. Если период полураспада для такого изотопа оказывается не слишком большим, то такого изотопа в природе уже не существует, а если период полураспада большой, то такой изотоп еще существует в смеси данного элемента. Такими изотопами являются 40K и 50V, 138La, 176Lu. Лантана и лютеция в земной коре мало, и мы их не рассматриваем. Массовое содержание калия в земной коре составляет(3) 2,35%, а ванадия - 0,02%. В природе калий представлен в виде трех изотопов: 39K-93,26%, 40K-0,01%, 41K-6,73%. Ванадий представлен в виде двух изотопов: 50V-0,25%, 51V-99,75%. Поскольку нас интересует промышленная применимость изотопа, вычислим массовое содержание 40K и 50V в земной коре: 40K-0,000235%, 50V-0,00005%. Сравнивая эти величины с содержанием урана, U-0,0004%, заключаем, что эти изотопы могут быть промышленно применимы в энергетике будущего, если нам удастся каким-то образом заменить их медленный спонтанный бета-распад, на нечто более быстрое и управляемое.
Известно, что раннее неоднократно проводились попытки ускорить процесс радиоактивного распада нестабильных изотопов. Их нагревали до высокой температуры, сжимали до огромных давлений, вращали с огромной скоростью в центрифуге, но постоянная радиоактивного распада почти не менялась. Но мы сейчас можем построить новый прибор, РТМ, внутри которой одновременно создается и высокое давление, и огромные центростремительные ускорения.
Гипотеза: если два ядра, находящиеся в состоянии неустойчивого равновесия, то есть, способные одновременно и к β-, и к β+-распаду, размещены очень близко друг к другу; если существует решетка, способная принять вращающий момент, то возможна реакция парного безлептонного превращения. Например:
40K19 + 40K19 → 40Ar18 + 40Ca20 + Q + L,
где: Q- тепловая энергия, освобождаемая в форме кинетической энергии образовавшихся ядер, или в виде γ-квантов; L- угловой момент, передаваемый решетке атомов тора. Момент передается по ходу вращения тора и увеличивает вращательную энергию тора, - в противном случае, законы сохранения не работают. Увеличение углового момента тора снимает электрогенератор, уменьшающий угловой момент тора.Но без катализатора такая реакция вероятно не пойдет. Роль катализатора может выполнить ядро атома водорода:
40K19 + 40K19 + 1H1→ 40Ar18 + 40Ca20 + 1H1+ Q + L.Рассмотрим эту реакцию более детально. Природный 40K19 спонтанно скатывается с энергетического бугорка: либо влево, с образованием стабильного изотопа 40Ar18, либо вправо, с образованием стабильного изотопа 40Ca20:
40K19 → 40Ca20 + e-1 + ν~ + Q; (β- распад, 89%),
40K19 → 40Ar18 + e+1 + ν + Q; (β+ распад, 0,001%),
40K19 + e-1 → 40Ar18 + ν + Q; (захват электрона, 11%).Образовавшиеся стабильные изотопы и электроны уносят тепловую энергию Q; образовавшиеся позитроны аннигилируют с электронами, и эта энергия тоже выделится в виде тепла локально.
Гипотеза: нейтрино уносит угловой момент и вращательную энергию, которая становится достоянием всей Вселенной, т.е. эта энергия выделяется не локально. Чтобы нейтрино и антинейтрино не уносили вращательную энергию, реакцию необходимо осуществлять во вращающемся объекте, а чтобы при этом соблюдался закон сохранения лептонного числа, реакции должны осуществляться попарно.
В области каждого спонтанного распада 40K выделяется энергия порядка 1 МэВ. Некоторые атомы водорода, находящиеся на пути β-частицы, ионизируются (13,6 эВ), и их ядра (протоны) приобретают энергию, достаточную для того, чтобы влететь на мгновение под электронную оболочку атома 40K. Ядро 40K нестабильно относительно противоположных распадов, и, следовательно, мы можем заключить, что вокруг него существует и W--шуба, и W+-шуба. Протон окружен только шубой W+. Потеряв её, он бы превратился в нейтрон, окутанный шубой W-. Известно, что нейтрон распадается по схеме:
n → p + e-1 + ν~ + Q.
С учетом шубы эту реакцию можно записать в два этапа:
n → p + W- → p + e-1 + ν~ + Q.
А протон вне ядра стабилен, и для образования нейтрона, позитрона и нейтрино ему не хватает энергии. Поэтому свободный протон может лишь на мгновение превратиться в нейтрон:
p → n + W+ → p.
Но если это происходит в момент его пролета около ядра 40K19, то становится вероятной парная реакция:
p → n + W+; 40K19 → 40Ca20 + W-,
в результате которой, образовавшиеся промежуточные бозоны мгновенно аннигилируют, отдавая энергию и угловой момент решетке:
W+ + W- → Q + L.
Аналогично, мы можем записать следующую пару реакций, возвращающую водород (протон) в систему.
n → p + W-;
40K19 → 40Ar18 + W+;
W- + W+ → Q + L.Последняя пара тоже оказывается энергетически выгодной, но вероятность её протекания будет маленькой, поскольку нейтрон гораздо быстрее будет захвачен каким-нибудь ядром.
Приведенные реакции имеют не слишком большой энергетический выход и при этом установка должна быть заправлена водородом и максимально чистым изотопом 40K. Здесь мы следовали симметрии, - один изотоп 40K толкнули протоном вправо, а второй изотоп 40K толкнули нейтроном влево, возвращая в смесь протон.
Если в установке осуществляются асимметричные реакции, то она может быть заправлена водородом и естественной смесью изотопов калия, обогащенную изотопом 40K. При этом осуществляется первая реакция:
40K19 + p → 40Ca20 + n + 0,529 МэВ.Вместо второй симметричной, осуществляется один из наиболее вероятных радиационных захватов образовавшегося нейтрона:
39K19 + n → 40K19 + 7,8 МэВ.
40K19 + n → 41K19 + 10 МэВ.
41K19 + n → 42K19 + 7,5 МэВ → 42Ca20 + e-1 + ν~ + 0.521МэВ.Захват нейтрона изотопом 39K пополняет запас изотопа 40K.
Захват нейтрона изотопом 40K уменьшает его содержание в смеси.
Сечения радиационного захвата тепловых нейтронов на изотопах калия имеют следующие значения(3):
39K: σ = 2,1·10-28м2;
40K: σ = 30·10-28м2;
41K: σ = 1,46·10-28м2.Как видим, вероятность захвата нейтрона изотопом 40K почти в 15 раз больше, чем изотопом 39K, но в естественной смеси на одно ядро 40K приходится порядка 10000 ядер 39K. С учетом этого естественную смесь калия следует обогащать до отношения:
39K / 40K ~ 100, а содержание 41K - свести к минимуму. При этом, в процессе работы установки количество исчезнувших ядер 40K будет примерно равно количеству ядер, восстановленных из изотопа 39K.
Таким образом, в асимметричных реакциях выгорает самый распространенный изотоп калия, 39K (93%), а изотоп 40K сохраняется, и является катализатором реакции синтеза 39K и 1H, осуществляемой в два этапа.
Распад одного ядра урана дает порядка 200 МэВ. Сгорание одного ядра калия и ядра водорода дает порядка 10 МэВ. Масса ядра урана примерно в 6 раз больше массы ядра калия. Следовательно, полное сгорание одного килограмма урана дает энергии примерно в 3 раза больше, чем полное сгорание одного килограмма калия. Но калия на Земле в 6000 раз больше. Реакции с калием экологически значительно чище, - период полураспада 42K, образующегося при захвате нейтрона изотопом 41K сравнительно маленький: 12,36 часа. А с учетом того, что мы очищаем смесь от 41K, можно заключить, что установки, работающие на калии, не накапливают радиоактивных отходов.
Оценим количество топлива (калия) которое необходимо сжечь в установке для того, чтобы установка выдавала полную мощность 20 кВт в течение 5-ти лет (примерный срок от её производства до утилизации). Мощности 20 кВт вполне достаточно для энергетических и тепловых нужд средней семьи.
Симметричная реакция дает 2,817 МэВ (или 4,5·10-13 Дж), и при этом сгорают два атома 40K. Асимметричная реакция дает 7,8 МэВ (или 1,3·10-12 Дж), и при этом сгорает один атом 39K и один атом водорода.
Количество ядер калия, которые должны сгореть за 1 секунду для обеспечения мощности 20 кВт:
nсим = 20000Вт · 2 / 4,5·10-13 Дж = 8,9·1016с-1,
nасим = 20000Вт / 1,3·10-12 Дж = 1,6·1016с-1.Количество ядер калия, которые должны сгореть за 5 лет:
Nсим = 1,4·1025.
Nасим = 2,5·1024.Масса калия, которая должна сгореть за 5 лет:
mсим = 0,93 кг.
mасим = 0,15 кг.Итак, в установке с симметричными реакциями сгорает почти килограмм изотопа 40K. Для его производства необходимо переработать 10 тонн природного калия.
В установку с асимметричной реакцией нужно заложить порядка 300 грамм изотопа 39K и порядка 3 грамм изотопа 40K. Через пять лет установка утилизируется и из неё извлекается 150 грамм 39K и те же 3 грамма 40K. Добавляем в эту смесь 150 грамм 39K и закладываем в новую установку. Для получения трех грамм 40K нужно переработать 30 кг природного калия. С учетом того, что нейтроны иногда будут захватываться рабочим телом сжатия, и выходить из игры, реальный расход 40K будет в несколько раз выше.
Заключаем, что асимметричная реакция значительно более выгодна и энергетически, и экономически.
Похожие реакции можно записать для еще одного естественного радиоактивного изотопа 50V, но не в точности, поскольку у этого изотопа в природной смеси нет стабильного соседа 49V, который бы восполнял редкий изотоп 50V.
Возле уранового реактора можно искусственно приготовить сравнительно долгоживущий изотоп 36Cl, который образовал бы с природными изотопами 35Cl, 37Cl тройку, подобную калиевой. Но реакция 36Cl с протоном не пойдет, поскольку эта реакция оказывается эндотермической. Производя поиск среди других элементов, заключаем, что калий для этого типа реакций является исключительным элементом.
Исключительную роль изотопа 40K можно дополнить тем, что это самое легкое мёссбауэровское ядро. Эффект Мёссбауэра говорит о передаче импульса отдачи не самому ядру, а всей решетке, содержащей это ядро. А выше была высказана идея о передаче вращательного момента не Вселенной через нейтрино-антинейтрино, а тору.
Год назад на этой конференции был предложен доклад (1), где было сказано, что в некоторых экспериментах достигли уменьшения периода полураспада в 109 раз. Но там результат достигается путем полной ионизации атома, а в нашем случае предполагается обменная реакция в момент пролета протона около ядра калия-40.
3) Эффект Арки.
Как распределяется давление вдоль радиуса в тепловыделяющей среде? Предположим, что тепловыделяющая среда заключена в сферическую емкость. Анализ показывает, что температура этой среды будет максимальна в центре, а давление будет определяться статичной частью, и частью, переносящей тепловой поток. При этом область максимума давления может не совпадать с центром шара. Задавая импульсный режим работы, к примеру, с помощью переменного магнитного поля, можно добиться периодического смещения максимума давления. Предварительный анализ показывает, что давление вещества будет монотонно расти от значения p0 около оболочки, до некоторого значения pmax, а затем монотонно убывает до значения pcenter в центре шара. Вывод о максимуме давления на некотором расстояния от центра шара следует из Эффекта Арки, который был получен раннее(4) для гравитирующей среды. Система дифференциальных уравнений для тепловыделяющей среды подобна, но сложнее, поскольку распределение частиц не является максвелловским. Аналогичная ситуация будет наблюдаться и в торообразной емкости.
Значение максимума давления также зависит от того, как далеко разносят свою энергию частицы, принимающие участие в ядерных реакциях. В области реакции образуется множество ионов и свободных электронов. Воздействуя на эти частицы мощным магнитным полем, мы можем повлиять на пространственно-временное распределение давления в рабочей области тора.ЛИТЕРАТУРА
1. Лошак Ж., Уруцкоев Л.И., Филлипов Д.В. Влияние атомных электронов на условия стабильности ядер и процессы радиоактивного распада. // “Наука и будущее: идеи, которые изменят мир”, 14-16 апреля 2004 г. Тез. докл. М.: ГГМ им. В.И. Вернадского РАН, 2004, с. 119-121.
2. Горелик И.Ю. Русская Тороидальная Матрёшка – двигатель нового типа на теплом синтезе легких ядер // “Наука и будущее: идеи, которые изменят мир”, 14-16 апреля 2004 г. Тез. докл. М.: ГГМ им. В.И. Вернадского РАН, 2004. С. 66-67.
3. Физические Величины. Справочник. М., Энергоатомиздат, 1991.
4. Горелик И.Ю. http://darkenergy.narod.ru/ru.html.
Это был текст доклада на конференции «Science & our future», Москва, 15-19 мая 2005 года.
Вставка от 16 сентября 2010 г.
Новая упрощенная принципиальная схема калий- водородного синтеза.
Протоны циркулируют по кольцу с энергией порядка МэВ на протон.
На пути этого потока тонкая фольга из K40. Протон выбивают из K40 нейтрон, а сам захватывается ядром, которое превращается при этом в Ca40. Изотоп Ca40 улетает по дуге в ловушку для Ca40. Нейтрон движется по прямой, если необходимо, замедляется и входит в фольгу из K39. Изотоп K39, захватывая нейтрон, приобретает импульс и влетает в ловушку. Далее изотоп K40 извлекается из ловушки, раскатывается и поступает в виде фольги к кольцу протонов. Гамма излучение поглощается в тепловой машине, дающей электрическую энергию и подпитывающую ток протонов в кольце.
МэВ столкновения дадут практически неисчерпаемый источник энергии, - калия-39 на Земле каждое 10-е ведро.
В предложенной реакции выгорают K39 и Н1, которых на Земле предостаточно. Редкий изотоп K40 в предложенной реакции восстанавливается.
Обе реакции экзотермические, т.е. энергетически выгодные. Реакция предложена мной несколько лет назад.
0 - Фольга из K40. 1 – Протонный пучок. 2 - Траектория ионов кальция. 3 - Траектория нейтронов. 4 - Замедлитель нейтронов. 5 - Ловушка ионов кальция. 6 - Траектория ионов K40. 7 - Гамма кванты. 8 - Пластина из K39. 9. - Ловушка K40. 10 - Поглотитель гамма квантов. R - Приспособление для охлаждения фольги K40; для настройки резонанса (магнитный, акустический, оптический и т.п.).
darkenergy@yandex.ru Иван Горелик