Преобразуване на водород в хелий. От какво е направено слънцето
Първите опити да отговорят на тези въпроси са направени от астрономите в средата на 19 век, след като физиците формулират закона за запазване на енергията.
Робърт Майер предполага, че слънцето грее, като постоянно бомбардира повърхността с метеорити и метеоритни частици. Тази хипотеза беше отхвърлена, тъй като едно просто изчисление показва, че за да се поддържа светимостта на Слънцето при модерно нивонеобходимо е за всяка секунда върху него да падат 2 * 1015 кг метеоритна материя. За една година това ще възлиза на 6 * 1022 кг, а по време на съществуването на Слънцето, за 5 милиарда години - 3 * 1032 кг. Масата на Слънцето е M = 2 * 1030 кг, следователно за пет милиарда години материята 150 пъти повече от масата на Слънцето е трябвало да падне върху Слънцето.
Втората хипотеза е изложена от Хелмхолц и Келвин също в средата на 19 век. Те предположиха, че слънцето излъчва, като компресира 60–70 метра годишно. Причината за свиването е взаимното привличане на слънчевите частици, поради което тази хипотеза се нарича свиване. Ако направим изчисление според тази хипотеза, тогава възрастта на Слънцето няма да бъде повече от 20 милиона години, което противоречи на съвременните данни, получени от анализа на радиоактивното разпадане на елементи в геоложки проби от земната почва и почвата на Луната.
Третата хипотеза за възможните източници на слънчева енергия е изразена от Джеймс Джинс в началото на ХХ век. Той предположи, че дълбочините на Слънцето съдържат тежки радиоактивни елементи, които спонтанно се разпадат, докато се излъчва енергия. Например, превръщането на уран в торий и след това в олово е придружено от освобождаване на енергия. Последващият анализ на тази хипотеза също показа нейната непоследователност; звезда, направена само от уран, не би отделяла достатъчно енергия, за да осигури наблюдаваната светимост на слънцето. Освен това има звезди, чиято светимост е в пъти по -голяма от светимостта на нашата звезда. Малко вероятно е тези звезди да съдържат и повече радиоактивни материали.
Най -вероятната хипотеза се оказа хипотезата за синтеза на елементи в резултат на ядрени реакции във вътрешността на звездите.
През 1935 г. Ханс Бете предположи, че източникът на слънчева енергия може да бъде термоядрена реакция, която превръща водорода в хелий. Именно за това Бете получава Нобелова награда през 1967 г.
Химическият състав на слънцето е почти същият като този на повечето други звезди. Около 75% е водород, 25% е хелий и по -малко от 1% са всички останали химични елементи(главно въглерод, кислород, азот и др.). Веднага след раждането на Вселената изобщо нямаше "тежки" елементи. Всички те, т.е. елементи, по -тежки от хелия, и дори много алфа частици, са се образували по време на "изгарянето" на водород в звездите по време на термоядрен синтез. Характерният живот на звезда като Слънцето е десет милиарда години.
Основният източник на енергия - цикълът протон -протон - е много бавна реакция (характерно време 7,9 * 109 години), тъй като е причинена от слабо взаимодействие. Същността му се крие във факта, че ядрото на хелий се получава от четири протона. В този случай се отделят двойка позитрони и двойка неутрино, както и енергия от 26,7 MeV. Броят на неутрино, излъчвани от Слънцето в секунда, се определя само от светимостта на Слънцето. Тъй като освобождаването от 26,7 MeV произвежда 2 неутрино, скоростта на емисиите на неутрино е 1,8 * 1038 неутрино / сек.
Директен тест на тази теория е наблюдението на слънчеви неутрино. Високоенергийните неутрино (бор) се записват в експерименти с хлор-аргон (експерименти на Дейвис) и последователно показват липса на неутрино в сравнение с теоретичната стойност за стандартен моделСлънцето. Нитроенергийните неутрино, които възникват директно в рР реакцията, се записват в експерименти с галий -германий (GALLEX в Gran Sasso (Италия - Германия) и SAGE в Baksan (Русия - САЩ)); те също са „недостатъчни“.
Според някои предположения, ако неутрино имат маса, различна от нула, са възможни трептения (трансформации) на различни видове неутрино (ефектът Михеев - Смирнов - Волфенщайн) (има три вида неутрино: електронни, мюонни и тауонни неутрино). Защото други неутрино имат много по -малки сечения за взаимодействие с материята от електронните неутрино, наблюдаваният дефицит може да се обясни без промяна на стандартния модел на слънцето, изграден на базата на целия набор от астрономически данни.
Слънцето обработва около 600 милиона тона водород всяка секунда. Запасите от ядрено гориво ще продължат още пет милиарда години, след което постепенно ще се превърнат в бяло джудже.
Централните части на Слънцето ще се свият, затопляйки се, а топлината, пренесена с тази външна обвивка, ще доведе до разширяването му до чудовищен размер в сравнение със съвременните: Слънцето ще се разшири толкова много, че ще погълне Меркурий, Венера и ще похарчи "гориво" сто пъти по -бързо, отколкото в момента. Това ще увеличи размера на слънцето; нашата звезда ще се превърне в червен гигант, чийто размер е съпоставим с разстоянието от Земята до Слънцето! Животът на Земята ще изчезне или ще намери убежище на външните планети.
Разбира се, ние ще бъдем уведомени предварително за такова събитие, тъй като преходът към нов етап ще отнеме приблизително 100-200 милиона години. Когато температурата на централната част на Слънцето достигне 100 000 000 К, хелият ще започне да гори, превръщайки се в тежки елементи и Слънцето ще навлезе в стадия на сложни цикли на свиване и разширяване. На последния етап нашата звезда ще загуби външната си обвивка, централното ядро ще има невероятно висока плътност и размер, като тази на Земята. Ще минат още няколко милиарда години и Слънцето ще се охлади, превръщайки се в бяло джудже.
Източник на слънчева енергия
Знанието е сила
Въглероден цикъл
Как водородът се превръща в хелий в интериора на звездите?Първият отговор на този въпрос беше открит независимо от Ханс Бете в САЩ и Карл-Фридрих фон Вайцзекер през Германия... През 1938 г. те откриват първата реакция, която превръща водорода в хелий и може да осигури необходимата енергия, за да поддържа звездите живи. Времето за това е дошло: на 11 юли 1938 г. ръкописът на Weizsacker е получен от редакционната колегия на списанието „Zeitschrift für Physik“, а на 7 септември същата година ръкописът на Bete е получен от редакцията на списанието. "Физически преглед". И двата документа представят откритието на въглеродния цикъл. Бете и Кричфийлд вече изпратиха документ на 23 юни, съдържащ най-важната част от цикъла протон-протон.
Този процес е доста сложен. За неговото протичане е необходимо освен водородните атоми в звездите да присъстват и други елементи, като въглерод. Ядрата на въглеродните атоми действат като катализатори. Ние знаем добре за катализаторите от химията. Протоните се прикрепят към въглеродни ядра и там се образуват хелиеви атоми. Тогава въглеродното ядро изтласква ядрата на хелия, образувани от протоните, и самото остава непроменено в резултат на този процес.
Фигурата показва диаграма на тази реакция, която прилича на затворен цикъл. Помислете за тази реакциязапочвайки от горната част на фигурата. Процесът започва с факта, че ядрото на водороден атом се сблъсква с въглеродно ядро с огромен брой 12. Ние го наричаме C 12. Поради тунелния ефект, протонът може да преодолее силите на електрическо отблъскване на въглеродното ядро и да се комбинира с него.
Трансформацията на водород в хелий в въглеродния цикъл на реакциите на Бете в интериора на звездите. Червените вълнообразни стрелки показват, че атом излъчва квант. електромагнитно излъчване.
Новото ядро вече се състои от тринадесет тежки елементарни частици... Поради положителния заряд на протона, зарядът на първоначалното въглеродно ядро се увеличава. Така се получава азотно ядро с масово число 13. Означава се като N 13. Този азотен изотоп е радиоактивен и след известно време излъчва две леки частици: позитрон и неутрино - елементарна частица, за която ще чуем по -късно. Така азотното ядро се превръща в въглеродно ядро с масово число 13, т.е. в C 13. Това ядро отново има същия заряд като въглеродното ядро в началото на цикъла, но масовото му число вече е още едно. Сега имаме ядрото на друг изотоп на въглерода. Ако друг протон се сблъска с това ядро, азотното ядро се появява отново. Сега обаче той има масово число 14, което е N 14. Ако нов азотен атом се сблъска с друг протон, той преминава в О 15, т.е. в кислородно ядро с масово число 15. Това ядро също е радиоактивно, отново излъчва позитрон и неутрино и преминава в N 15 - азот с масово число 15. Виждаме, че процесът е започнал с въглерод с масово число 12 и доведе до появата на азот с масово число 15. Така, серийна връзкапротоните води до появата на все по -тежки ядра. Нека още един протон се присъедини към ядрото N 15, след това от образуваното ядро два протона и два неутрона излитат заедно, които образуват хелиево ядро. Тежкото ядро се превръща обратно в първоначалното въглеродно ядро. Кръгът е завършен.
В резултат на това четири протона се комбинират и образуват хелиево ядро: водородът се превръща в хелий. По време на този процес се отделя енергия, която е достатъчна, за да блестят звездите милиарди години.
Нагряването на звездната материя не се случва на всички етапи от разглежданата от нас верига от реакции. Звездната материя се нагрява отчасти от кванти електромагнитно излъчване, които пренасят енергията си към звездния газ, и отчасти от позитрони, които почти веднага се унищожават със свободните електрони на звездния газ. По време на унищожаването на позитрони и електрони също се образуват кванти на електромагнитно излъчване. Енергията на тези кванти се пренася в звездната материя. Малка част от освободената енергия се пренася от звездата заедно с излъчваните неутрино. По -късно ще разгледаме някои неразбираеми въпроси, свързани с неутрино.
През 1967 г. бе връчена бета Нобелова наградавъв физиката за откриването на въглеродния цикъл, което той прави през 1938 г. заедно с фон Вайцакер. В този случай Нобеловият комитет очевидно е забравил, че честта на това откритие принадлежи на повече от една Бет.
Знаем, че цикличната трансформация протича в присъствието на катализаторни елементи: въглерод и азот. Но в звездните дълбини и трите елемента не трябва да присъстват. Един от тях е напълно достатъчен. Ако поне една реакция от цикъла започне, елементите-катализатори ще се появят в резултат на следващите етапи на реакциите. Нещо повече, напредъкът на циклична реакция води до факта, че възниква добре определено количествено съотношение между неохотни изотопи. Тази пропорция зависи от температурата, при която протича цикълът. Сега астрофизиците могат, използвайки своите спектроскопски методи, да извършат доста точен количествен анализ на космическата материя. Чрез съотношението между броя на изотопите C 12, C 13, N 14 и N 15 често е възможно не само да се установи, че в звездните дълбочини има трансформация на материята по време на въглеродния цикъл, но и при каква температура тези възникват реакции. Въпреки това, водородът може да се превърне в хелий не само чрез въглеродния цикъл. Заедно с реакциите на въглеродния цикъл се случват и други, по -прости трансформации. Те са тези, които дават основния принос (поне на Слънцето) за освобождаването на енергия. След това ще преминем към разглеждане на тези реакции.
Бдителността в американското общество към ядрената енергия, основана на ядрено делене, доведе до увеличаване на интереса към синтеза на водород (термоядрена реакция). Тази технология е предложена като алтернативен начин за използване на свойствата на атома за генериране на електричество. Това е страхотна идея на теория. Сливането на водород превръща материята в енергия по -ефективно от ядреното делене и този процес не е придружен от образуването на радиоактивни отпадъци. Все още обаче трябва да бъде създаден работещ термоядрен реактор.
Термоядрен синтез на слънце
Физиците смятат, че слънцето превръща водорода в хелий чрез реакция на термоядрен синтез. Терминът "синтез" означава "комбиниране". Синтезът на водород изисква най -високите температури. Мощната гравитация, създадена от огромната маса на Слънцето, постоянно поддържа ядрото си в компресирано състояние. Това компресиране осигурява температура на сърцевината, достатъчно висока, за да настъпи синтез на водород.
Сливането на слънчевия водород е многоетапен процес. Първо, две водородни ядра (два протона) са силно компресирани, излъчвайки позитрон, известен също като антиелектрон. Позитронът има същата маса като електрона, но носи положителен, а не отрицателен единичен заряд. В допълнение към позитрона, когато водородните атоми се компресират, се отделя неутрино - частица, която прилича на електрон, но няма електрически заряд и е способна да проникне в материята в огромни граници (С други думи, неутрино (ниско енергийни неутрино) взаимодействат изключително слабо с материята. Средната свободна пътека на някои видове неутрино е около сто светлинни години във вода, а също така е известно, че около 10 неутрино, излъчвани от слънцето, преминават през зоната на всеки човек на Земята всяка секунда без видими последици.).
Синтезът на два протона е придружен от загуба на един положителен заряд. В резултат на това един от протоните се превръща в неутрон. Така се получава ядрото на деутерий (обозначен като 2Н или D), тежък изотоп на водород, състоящ се от един протон и един неутрон.
Деутерият е известен също като тежък водород. Ядрото на деутерия се комбинира с друг протон и образува ядрото на хелий-3 (He-3), състоящо се от два протона и един неутрон. Това излъчва гама лъч. Освен това, две ядра на хелий-3, образувани в резултат на две независими повторения на описания по-горе процес, се комбинират, за да образуват ядро от хелий-4 (He-4), състоящо се от два протона и два неутрона. Този изотоп на хелий се използва за пълнене на балони, по -леки от въздуха. На последния етап се отделят два протона, които могат да провокират по -нататъшно развитие на реакцията на синтез.
В процеса на "слънчев синтез" общата маса на създадената материя леко надвишава общата маса на първоначалните съставки. "Липсващото парче" се превръща в енергия, според известната формула на Айнщайн:
където E е енергията в джаули, m е "липсващата маса" в килограми, а c е скоростта на светлината, равна (във вакуум) на 299 792 458 m / s. По този начин Слънцето произвежда огромно количество енергия, тъй като водородните ядра се превръщат в хелиеви ядра непрекъснато и в огромни количества. В Слънцето има достатъчно материя, за да може процесът на синтез на водород да продължи милиони хилядолетия. С течение на времето доставките на водород ще приключат, но това няма да се случи през целия ни живот.
2002-01-18T16: 42 + 0300
2008-06-04T19: 55 + 0400
https: //site/20020118/54771.html
https: //cdn22.img..png
Новини от АПИ
https: //cdn22.img..png
Новини от АПИ
https: //cdn22.img..png
Термоядрени реакции, протичащи на слънце
(Ter.Ink. N03-02, 18/01/2002) Вадим Прибитков, физик теоретик, постоянен кореспондент на Terra Incognita. Учените са добре наясно, че термоядрените реакции, протичащи на Слънцето, като цяло се състоят в превръщането на водорода в хелий и в по -тежки елементи. Но как се случват тези трансформации, няма абсолютна яснота, по -точно преобладава пълната неяснота: липсва най -важната първоначална връзка. Затова беше измислена фантастична реакция за комбинирането на два протона в деутерий с освобождаването на позитрон и неутрино. Подобна реакция обаче всъщност е невъзможна, тъй като между протоните действат мощни отблъскващи сили. ---- Какво наистина се случва на слънцето? Първата реакция се състои в създаването на деутерий, чието образуване се случва при високо налягане в нискотемпературна плазма, когато два водородни атома са тясно свързани. В този случай две водородни ядра за кратък период се оказват почти едно до друго, докато те са в състояние да уловят едно от ...
(Ter.Ink. N03-02, 18/01/2002)
Вадим Прибитков, теоретичен физик, постоянен кореспондент на Terra Incognita.
Учените са добре наясно, че термоядрените реакции, протичащи на Слънцето, като цяло се състоят в превръщането на водорода в хелий и в по -тежки елементи. Но как се случват тези трансформации, няма абсолютна яснота, по -точно цари пълна неяснота: липсва най -важната първоначална връзка. Затова беше измислена фантастична реакция за комбинирането на два протона в деутерий с освобождаването на позитрон и неутрино. Подобна реакция обаче всъщност е невъзможна, тъй като между протоните действат мощни отблъскващи сили.
Какво всъщност се случва на слънцето?
Първата реакция се състои в създаването на деутерий, чието образуване се случва при високо налягане в нискотемпературна плазма, когато два водородни атома са тясно свързани. В този случай две водородни ядра за кратък период са почти близки, докато те са в състояние да уловят един от орбиталните електрони, който образува неутрон с един от протоните.
Подобна реакция може да възникне при други условия, когато протон е включен във водороден атом. В този случай се случва и улавяне на орбитален електрон (K-улавяне).
И накрая, може да има такава реакция, когато за кратък период от време два протона се приближат един към друг, техните съвместни сили са достатъчни, за да уловят преминаващ електрон и да образуват деутерий. Всичко зависи от температурата на плазмата или газа, в които протичат тези реакции. В този случай се освобождава 1,4 MeV енергия.
Деутерият е основата за последващия цикъл от реакции, когато две деутериеви ядра образуват тритий с изтласкване на протон или хелий-3 с изтласкване на неутрон. И двете реакции са еднакво вероятни и добре известни.
Следват реакциите на комбинацията от тритий с деутерий, тритий с тритий, хелий-3 с деутерий, хелий-3 с тритий, хелий-3 с хелий-3 с образуването на хелий-4. В този случай се освобождават повече протони и неутрони. Неутроните се улавят от ядра хелий-3 и всички елементи, които имат снопове деутерий.
Тези реакции се потвърждават от факта, че огромен брой протони с висока енергия се изхвърлят от Слънцето като част от слънчевия вятър. Най -забележителното във всички тези реакции е, че по време на тях не се произвеждат нито позитрони, нито неутрино. Енергията се отделя по време на всички реакции.
В природата всичко се случва много по -лесно.
Освен това от ядрата на деутерий, тритий, хелий-3, хелий-4 започват да се образуват по-сложни елементи. В този случай цялата тайна се крие във факта, че ядрата на хелий-4 не могат да се свързват директно помежду си, защото те взаимно се отблъскват. Тяхната връзка се осъществява чрез снопове деутерий и тритий. Официалната наука също напълно игнорира този момент и изхвърля ядрата на хелий-4 в една купчина, което е невъзможно.
Точно толкова фантастичен, колкото официалния водороден цикъл, е така нареченият въглероден цикъл, изобретен от Бете през 1939 г., по време на който хелий-4 се образува от четири протона и се предполага, че се излъчват и позитрони и неутрино.
В природата всичко се случва много по -лесно. Природата не изобретява като теоретици нови частици, а използва само тези, които има. Както виждаме, образуването на елементи започва със свързването на един електрон с два протона (т. Нар. K-улавяне), в резултат на което се получава деутерий. K-улавянето е единственият метод за създаване на неутрони и е широко практикуван от всички други по-сложни ядра. Квантовата механика отрича присъствието на електрони в ядрото, но без електрони е невъзможно изграждането на ядра.
За да се разбере процесът на раждане и развитие на идеи за термоядрен синтез в Слънцето, е необходимо да се знае историята на човешките представи за разбирането на този процес. Има много неразрешими теоретични и технологични проблеми при създаването на контролиран термоядрен реактор, в който протича процесът на контролиране на термоядрения синтез. Много учени, да не говорим за научни служители, не са запознати с историята на този въпрос.
Именно непознаването на историята на разбирането и представянето от човечеството на термоядрения синтез на Слънцето е довело до грешни действия на създателите на термоядрени реактори. Това се доказва от шестдесетгодишния провал на работата по създаването на контролиран термоядрен реактор, прахосването на огромни суми пари от много развити страни. Най -важното и неопровержимо доказателство: контролиран термоядрен реактор не е създаван от 60 години. Нещо повече, известни научни авторитети в медиите обещават създаването на контролиран термоядрен реактор (UTNR) след 30 ... 40 години.
2. "Бритва на Окам"
Бритвата на Окам е методологически принцип, кръстен на английския францискански монах, номинален философ Уилям. В опростена форма той гласи: „Не трябва да умножавате ненужно съществуващите неща“ (или „Не трябва да привличате нови обекти, освен ако не е абсолютно необходимо“). Този принцип формира основата на методологическия редукционизъм, наричан още принцип на пестеливостта, или законът за пестеливостта. Понякога принципът се изразява с думи: „Това, което може да се обясни с по -малко, не трябва да се изразява с повече“.
V съвременната наукаБръсначът на Окам обикновено се разбира като по -общ принцип, който гласи, че ако има няколко логически последователни дефиниции или обяснения на явление, тогава най -простият от тях трябва да се счита за правилен.
Съдържанието на принципа може да бъде опростено до следното: не е необходимо да се въвеждат сложни закони, за да се обясни някакво явление, ако това явление може да се обясни с прости закони. Този принцип сега е мощен инструмент на научната критическа мисъл. Самият Окъм формулира този принцип като потвърждение за съществуването на Бог. Според тях определено е възможно да се обясни всичко, без да се въвежда нищо ново.
Преформулиран на езика на теорията на информацията, принципът на Бритвата на Окам заявява, че най -точното съобщение е съобщението с минимална дължина.
Алберт Айнщайн преформулира принципа на бръснача на Окам по следния начин: „Всичко трябва да бъде опростено възможно най -дълго, но не повече“.
3. За началото на човешкото разбиране и представяне на термоядрения синтез в Слънцето
Всички жители на Земята дълго време разбираха факта, че Слънцето затопля Земята, но източниците на слънчева енергия останаха неразбираеми за всички. През 1848 г. Робърт Майер изложи хипотезата за метеорита, че слънцето се нагрява от бомбардировката с метеорит. При такъв необходим брой метеорити обаче Земята също би била много гореща; освен това геоложките слоеве на Земята ще се състоят главно от метеорити; накрая, масата на слънцето трябваше да се увеличи и това би повлияло на движението на планетите.
Следователно, през втората половина на 19 век много изследователи считат за най-правдоподобната теория, разработена от Хелмхолц (1853) и лорд Келвин, които предполагат, че Слънцето се нагрява поради бавно гравитационно компресиране („механизмът на Келвин-Хелмхолц“). Изчисленията, базирани на този механизъм, изчисляват максималната възраст на Слънцето на 20 милиона години, а времето, след което Слънцето ще излезе - не повече от 15 млн. Тази хипотеза обаче противоречи на геоложките данни за възрастта скаликоето показва много по -големи числа. Например Чарлз Дарвин отбелязва, че ерозията на вендийските находища е продължила поне 300 милиона години. Независимо от това, енциклопедията на Брокхаус и Ефрон смята, че гравитационният модел е единственият валиден.
Едва през 20 век е намерено „правилното“ решение на този проблем. Първоначално Ръдърфорд предположи, че източникът на вътрешната енергия на Слънцето е радиоактивен разпад. През 1920 г. Артър Едингтън предполага, че налягането и температурата във вътрешността на Слънцето са толкова високи, че там могат да протичат термоядрени реакции, при които водородните ядра (протони) се сливат в ядро хелий-4. Тъй като масата на последния е по -малка от сумата от масите на четири свободни протона, тогава част от масата в тази реакция, съгласно формулата на Айнщайн E = mc 2 се превръща в енергия. Фактът, че водородът преобладава в състава на слънцето, е потвърден през 1925 г. от Сесилия Пейн.
Теорията за термоядрения синтез е разработена през 30 -те години на миналия век от астрофизиците Чандрасехар и Ханс Бете. Бете изчисли подробно двете основни термоядрени реакции, които са източниците на слънчева енергия. Накрая, през 1957 г. се появява работата на Маргарет Бърбридж „Синтез на елементите в звездите“, в която е показано и се предполага, че повечето от елементите във Вселената са възникнали в резултат на нуклеосинтеза в звездите.
4. Космическо изследване на Слънцето
Първата работа на Едингтън като астроном е свързана с изучаването на движението на звездите и структурата на звездните системи. Но основната му заслуга е, че е създал теория за вътрешната структура на звездите. Дълбокото навлизане във физическата същност на явленията и овладяването на методите на сложни математически изчисления позволиха на Едингтън да получи редица фундаментални резултати в такива области на астрофизиката като вътрешната структура на звездите, състоянието на междузвездната материя, движението и разпределението на звездите в Галактиката.
Едингтън изчисли диаметрите на някои червени гигантски звезди, определи плътността на спътника на джуджето на звездата Сириус - тя се оказа необичайно висока. Работата на Едингтън за определяне на плътността на звездата беше тласък за развитието на физиката на свръх плътен (дегенериран) газ. Едингтън беше добър интерпретатор на теорията на Айнщайн за общата относителност. Той извърши първия експериментален тест на един от ефектите, предвидени от тази теория: отклонението на светлинните лъчи в гравитационното поле на масивна звезда. Той успява да направи това по време на пълно затъмнение на Слънцето през 1919 г. Заедно с други учени Едингтън полага основите съвременни знанияза структурата на звездите.
5. Fusion - Горене!?
Какво е визуално термоядрен синтез? По принцип това е изгаряне. Но е ясно, че това е изгаряне на много висока мощност на единица обем пространство. И е ясно, че това не е процес на окисляване. Тук в процеса на горене участват и други елементи, които също изгарят, но при специални физически условия.
Помислете за изгаряне.
Химическото изгаряне е сложен физико -химичен процес на превръщане на компоненти на горима смес в продукти на горенето с отделяне на топлинна радиация, светлина и лъчиста енергия.
Химическото горене е разделено на няколко вида горене.
Дозвуковото горене (дефлаграция), за разлика от експлозията и детонацията, протича с ниски скорости и не е свързано с образуването на ударна вълна. Дозвуковото изгаряне включва нормално ламинарно и турбулентно разпространение на пламъка, свръхзвуково - детонация.
Изгарянето се подразделя на топлинно и верижно. Термичното изгаряне се основава на химическа реакция, способни да продължат с прогресивно самоускоряване поради натрупването на освободената топлина. Изгарянето на веригата възниква в случаи на някои газофазни реакции при ниско налягане.
Условия за термично самоускорение могат да бъдат осигурени за всички реакции с достатъчно големи топлинни ефекти и енергии на активиране.
Изгарянето може да започне спонтанно в резултат на спонтанно запалване или да се инициира чрез запалване. При фиксирани външни условия непрекъснатото горене може да продължи в стационарен режим, когато основните характеристики на процеса - скоростта на реакцията, скоростта на отделяне на топлина, температурата и състава на продуктите - не се променят с течение на времето или в периодичен режим, когато тези характеристики се колебаят около техните средни стойности. Поради силната нелинейна зависимост на скоростта на реакцията от температурата, горенето е силно чувствително към външни условия. Същото свойство на горене определя съществуването на няколко стационарни режима при едни и същи условия (ефект на хистерезис).
Има обемно изгаряне, то е известно на всички и често се използва в ежедневието.
Дифузно изгаряне.Характеризира се с отделно подаване на гориво и окислител към зоната на горене. Смесването на компонентите се извършва в зоната на горене. Пример: изгаряне на водород и кислород в ракетен двигател.
Изгаряне на предварително смесена среда.Както подсказва името, горенето се случва в смес, която съдържа както гориво, така и окислител. Пример: изгаряне в цилиндъра на двигател с вътрешно горене на бензиново-въздушна смес след иницииране на процеса със свещ.
Пламъчно изгаряне.За разлика от конвенционалното изгаряне, когато се наблюдават зони на окисляващ пламък и редуциращ пламък, е възможно да се създадат условия за пламъчно изгаряне. Пример за това е каталитичното окисляване органична материявърху повърхността на подходящ катализатор, например, окисляване на етанол върху платинено черно.
Тлеещ.Вид изгаряне, при което не се образува пламък и зоната на горене бавно се разпространява през материала. Обикновено се наблюдава тлеене в порести или влакнести материали с високо съдържание на въздух или импрегнирани с окислители.
Автогенно изгаряне.Самостоятелно изгаряне. Терминът се използва в технологиите за изгаряне на отпадъци. Възможността за автогенно (самоподдържащо се) изгаряне на отпадъци се определя от ограничаващото съдържание на баластиращи компоненти: влага и пепел.
Пламъкът е област от пространството, в която възниква изгаряне в газовата фаза, придружено от видимо и / или инфрачервено излъчване.
Обичайният пламък, който наблюдаваме при изгаряне на свещ, пламъкът на запалка или кибрит, е поток от нажежаеми газове, опънати вертикално поради силата на гравитацията на Земята (горещите газове са склонни да се издигат нагоре).
6. Съвременни физически и химични концепции за Слънцето
Основни характеристики:
Състав на фотосферата:
Слънцето е централната и единствена звезда на нашата Слънчева система, около която се въртят други обекти на тази система: планети и техните спътници, планети джуджетаи техните луни, астероиди, метеороиди, комети и космически прах. Масата на Слънцето (теоретично) е 99,8% от общата маса на цялата Слънчева система. Слънчевата радиация поддържа живота на Земята (фотоните са необходими за началните етапи на процеса на фотосинтеза), определя климата.
Според спектралната класификация Слънцето принадлежи към типа G2V ("жълто джудже"). Температурата на повърхността на Слънцето достига 6000 K, така че Слънцето грее с почти бяла светлина, но поради по-силното разсейване и поглъщане на късо вълновата част от спектъра от земната атмосфера, директната светлина на Слънцето при повърхността на нашата планета придобива определен жълт оттенък.
Слънчевият спектър съдържа линии от йонизирани и неутрални метали, както и йонизиран водород. В нашата галактика Млечен път има приблизително 100 милиона G2 звезди. Освен това 85% от звездите в нашата галактика са звезди, които са по -малко ярки от Слънцето (повечето от тях са червени джуджета в края на своя еволюционен цикъл). Подобно на всички звезди от главната последователност, Слънцето генерира енергия чрез термоядрен синтез.
Излъчването от Слънцето е основният източник на енергия на Земята. Неговата мощност се характеризира със слънчевата константа - количеството енергия, преминаващо през площ от единица площ, перпендикулярна на слънчевите лъчи. На разстояние от една астрономическа единица (тоест в орбитата на Земята) тази константа е приблизително 1370 W / m 2.
Преминавайки през земната атмосфера, слънчевата радиация губи около 370 W / m2 енергия и до земната повърхностдостига само 1000 W / m 2 (при ясно време и когато Слънцето е в своя зенит). Тази енергия може да се използва в различни естествени и изкуствени процеси. Така растенията, използвайки фотосинтеза, я преработват в химическа форма (кислород и органични съединения). Директното слънчево отопление или преобразуването на слънчева енергия може да се използва за генериране на електричество (слънчеви електроцентрали) или за извършване на друга полезна работа. В далечното минало енергията, съхранявана в петрола и други видове изкопаеми горива, също се получава чрез фотосинтеза.
Слънцето е магнитно активна звезда. Той има силно магнитно поле, чиято сила се променя с течение на времето и което променя посоката приблизително на всеки 11 години, по време на слънчевия максимум. Вариации магнитно полеСлънцето предизвиква различни ефекти, комбинацията от които се нарича слънчева активност и включва такива явления като слънчеви петна, слънчеви изблици, вариации на слънчевия вятър и т.н., а на Земята предизвиква полярно сияние във високи и средни ширини и геомагнитни бури, които оказват негативно влияние върху работата, комуникациите, съоръженията за пренос на енергия, а също така влияят негативно върху живите организми, причинявайки на хората главоболие и неразположение (при хора, чувствителни към магнитни бури). Слънцето е млада звезда от трето поколение (популация I) с високо съдържание на метал, тоест е образувано от останките от звезди от първо и второ поколение (популации III и II съответно).
Настоящата възраст на Слънцето (по -точно времето на съществуването му върху основната последователност), изчислена с помощта на компютърни модели на звездната еволюция, е приблизително 4,57 милиарда години.
Жизненият цикъл на слънцето.Смята се, че Слънцето се е образувало преди около 4,59 милиарда години, когато бързото компресиране на облак от молекулен водород под въздействието на гравитацията е довело до образуването на звезда от първия тип звездна популация T Tauri в нашия регион на Галактиката .
Звезда, толкова масивна, колкото Слънцето, е трябвало да съществува на основната последователност общо за около 10 милиарда години. По този начин Слънцето вече е приблизително в средата на своя жизнен цикъл. На настоящия етапВ слънчевото ядро протичат термоядрени реакции на превръщане на водорода в хелий. Всяка секунда в ядрото на Слънцето около 4 милиона тона материя се превръщат в лъчиста енергия, което води до генериране на слънчева радиация и поток от слънчеви неутрино.
7. Теоретични представи на човечеството за вътрешната и външната структура на Слънцето
В центъра на слънцето е слънчевото ядро. Фотосферата е видимата повърхност на Слънцето, което е основният източник на радиация. Слънцето е заобиколено от слънчевата корона, която има много висока температура, но е изключително разредена, поради което е видима с невъоръжено око само по време на периоди на пълно слънчево затъмнение.
Централната част на Слънцето, с радиус от около 150 000 километра, в която протичат термоядрени реакции, се нарича слънчево ядро. Плътността на материята в ядрото е около 150 000 kg / m 3 (150 пъти по -висока от плътността на водата и ≈6,6 пъти по -висока от плътността на най -тежкия метал на Земята - осмия), а температурата в центъра на ядрото е повече от 14 милиона градуса. Теоретичен анализ на данните, извършени от мисията SOHO, показа, че в ядрото скоростта на въртене на Слънцето около оста му е много по -висока, отколкото на повърхността. В ядрото протича протон-протонна термоядрена реакция, в резултат на която от четири протона се образува хелий-4. В същото време 4,26 милиона тона материя се превръщат в енергия всяка секунда, но тази стойност е незначителна в сравнение с масата на Слънцето - 2 · 10 27 тона.
Над ядрото, на разстояние около 0,2 ... 0,7 от радиуса на Слънцето от центъра му, има зона на лъчисто пренасяне, в която няма макроскопични движения, енергията се пренася с помощта на „повторното излъчване“ на фотоните .
Конвективна зона на Слънцето. По -близо до повърхността на Слънцето се получава вихрово смесване на плазмата и прехвърлянето на енергия към повърхността се осъществява главно от движенията на самото вещество. Този метод за прехвърляне на енергия се нарича конвекция, а подземният слой на Слънцето с дебелина около 200 000 км, където се среща, се нарича конвективна зона. Според съвременните данни ролята му във физиката на слънчевите процеси е изключително голяма, тъй като именно в него възникват различни движения на слънчевата материя и магнитните полета.
Атмосфера на слънцето Фотосфера (слой, излъчваща светлина) достига дебелина от ≈320 км и образува видимата повърхност на Слънцето. Основната част от оптичното (видимо) излъчване на Слънцето се излъчва от фотосферата, докато радиацията от по -дълбоките слоеве вече не достига до нея. Температурата във фотосферата достига средно 5800 К. Тук средната плътност на газа е по -малка от 1/1000 от плътността на земния въздух, а температурата, когато се доближи до външния ръб на фотосферата, намалява до 4800 K При тези условия водородът остава почти напълно в неутрално състояние. Фотосферата образува видимата повърхност на Слънцето, от която се определят размерите на Слънцето, разстоянието от повърхността на Слънцето и т.н. Хромосфера - външна обвивкаСлънцето е с дебелина около 10 000 км, обграждащо фотосферата. Произходът на името на тази част слънчева атмосферасвързан с червеникавия му цвят, причинен от факта, че червената емисионна линия на H-алфа на водорода доминира във видимия му спектър. Горна границахромосферата няма ясно изразена гладка повърхност; от нея постоянно се появяват горещи изхвърляния, наречени спикули (поради това в края на XIXвек италианският астроном Секи, наблюдавайки хромосферата през телескоп, я сравнява с горящи прерии). Температурата на хромосферата се увеличава с надморска височина от 4000 до 15000 градуса.
Плътността на хромосферата е ниска, така че яркостта й е недостатъчна, за да се наблюдава при нормални условия. Но по време на пълно слънчево затъмнение, когато Луната покрива ярката фотосфера, хромосферата, разположена над нея, става видима и свети в червено. Може да се наблюдава по всяко време и със специални теснолентови оптични филтри.
Короната е последната външна обвивка на слънцето. Въпреки много високата си температура, от 600 000 до 2 000 000 градуса, тя се вижда с просто око само по време на пълно слънчево затъмнение, тъй като плътността на материята в короната е ниска и следователно яркостта й е ниска. Необичайно интензивното нагряване на този слой очевидно е причинено от магнитния ефект и въздействието на ударните вълни. Формата на короната се променя в зависимост от фазата на цикъла на слънчевата активност: по време на периоди на максимална активност тя има закръглена форма и най -малко се удължава по слънчевия екватор. Тъй като температурата на короната е много висока, тя излъчва интензивно в ултравиолетовия и рентгеновия диапазон. Тези излъчвания не преминават през земната атмосфера, но напоследък стана възможно да се изследват с помощта на космически кораби. Радиацията в различните области на короната е неравномерна. Има горещи активни и тихи райони, както и коронални дупки със сравнително ниска температура от 600 000 градуса, от които в космоса излизат магнитни силови линии. Тази ("отворена") магнитна конфигурация позволява на частиците да избягат безпрепятствено от Слънцето, така че слънчевият вятър се излъчва "главно" от коронарните дупки.
От външната част на слънчевата корона тече слънчевият вятър - поток от йонизирани частици (главно протони, електрони и α -частици), имащи скорост 300 ... 1200 km / s и се разпространяват, с постепенно намаляване на плътността му, до границите на хелиосферата.
Тъй като слънчевата плазма има достатъчно висока електрическа проводимост, в нея могат да възникнат електрически токове и в резултат на това магнитни полета.
8. Теоретични проблеми на термоядрения синтез в Слънцето
Проблемът със слънчевото неутрино.Ядрените реакции, протичащи в ядрото на Слънцето, водят до образуването на голям брой електронни неутрино. В същото време измерванията на потока неутрино на Земята, които се извършват постоянно от края на 60 -те години на миналия век, показват, че броят на записаните там неутрино от слънчеви електрони е приблизително два до три пъти по -малък от предвидения от стандартния слънчев модел, описващ процесите на слънце. Това разминаване между експеримента и теорията се нарича „проблем на слънчевото неутрино“ и е една от загадките на слънчевата физика повече от 30 години. Ситуацията се усложняваше от факта, че неутриното взаимодейства изключително слабо с материята и създаването на детектор за неутрино, който е в състояние точно да измерва потока на неутрино дори с такава мощност, каквато идва от Слънцето, е доста трудна научна задача.
Предложени са два основни начина за решаване на проблема със слънчевото неутрино. Първо, беше възможно да се модифицира моделът на Слънцето по такъв начин, че да се намали приетата температура в ядрото му и следователно потокът от неутрино, излъчвани от Слънцето. Второ, може да се предположи, че част от електронните неутрино, излъчвани от ядрото на Слънцето, когато се движат към Земята, се превръщат в неутрино от други поколения, незаписани от конвенционалните детектори (мюонни и тау неутрино). Днес учените са склонни, че вторият начин най -вероятно е правилният. За да може преходът на един вид неутрино да се осъществи в друг - така наречените „неутринни трептения“ - неутриното трябва да има ненулева маса. Сега е установено, че изглежда така. През 2001 г. и трите вида слънчеви неутрино бяха открити директно в обсерваторията на Неутрино в Съдбъри и общият им поток беше в съответствие със стандартния слънчев модел. В този случай само около една трета от неутрино, достигащи до Земята, са електронни. Това количество е в съответствие с теорията, която предсказва прехода на електронни неутрино в неутрино от различно поколение както във вакуум ("собствени" неутринни трептения "), така и в слънчева материя (" ефект на Михеев-Смирнов-Волфенщайн "). По този начин в момента проблемът със слънчевите неутрино изглежда е решен.
Проблем с отоплението на короната.Над видимата повърхност на Слънцето (фотосферата), която има температура около 6000 К, има слънчева корона с температура над 1 000 000 К. Може да се покаже, че директният топлинен поток от фотосферата е недостатъчен за олово до такава висока температура на короната.
Предполага се, че енергията за нагряване на короната се доставя от турбулентни движения на подфосферната конвективна зона. В същото време са предложени два механизма за прехвърляне на енергия към короната. Първо, това е вълново нагряване - звуковите и магнитохидродинамичните вълни, генерирани в турбулентната конвективна зона, се разпространяват в короната и се разпръскват там, докато тяхната енергия се превръща в топлинна енергия на короналната плазма. Алтернативен механизъм е магнитното нагряване, при което магнитната енергия, непрекъснато генерирана от фотосферни движения, се освобождава чрез повторно свързване на магнитното поле под формата на големи слънчеви светкавициили голям брой малки ракети.
Понастоящем не е ясно какъв тип вълни осигурява ефективен механизъм за нагряване на короната. Може да се покаже, че всички вълни, с изключение на магнитохидродинамичните вълни на Алфвен, са разпръснати или отразени преди да достигнат короната, докато разсейването на вълните на Алфвен в короната е възпрепятствано. Следователно съвременните изследователи са се съсредоточили върху механизма на нагряване чрез слънчеви изригвания. Един от възможните кандидати за източници на отопление с корона непрекъснато се появяват малки мащаби, въпреки че окончателната яснота по този въпрос все още не е постигната.
P.S. След като прочетете за "Теоретични проблеми на термоядрения синтез в Слънцето", е необходимо да си припомните "Бритвата на Окам". Тук обясненията на теоретичните проблеми ясно използват измислени, нелогични теоретични обяснения.
9. Видове термоядрено гориво. Термоядрено гориво
Контролираният термоядрен синтез (CTF) е синтез на по -тежки атомни ядра от по -леки с цел получаване на енергия, която за разлика от експлозивния термоядрен синтез (използван в термоядрени оръжия) е с контролиран характер. Контролираният термоядрен синтез се различава от традиционната ядрена енергия по това, че последната използва реакция на разпад, по време на която се получават по -леки ядра от тежки ядра. Деутерий (2 Н) и тритий (3 Н) ще бъдат използвани в основните ядрени реакции, които се планират да се използват за извършване на контролиран термоядрен синтез, а в дългосрочен план-хелий-3 (3 Не) и бор- 11 (11 Б)
Видове реакции.Реакцията на сливане е следната: вземат се две или повече атомни ядра и с помощта на известна сила се доближават толкова много, че силите, действащи на такива разстояния, надделяват над силите на кулоновско отблъскване между еднакво заредени ядра, в резултат на което от което се образува ново ядро. Тя ще има малко по -ниска маса от сумата от масите на първоначалните ядра и разликата става енергия, която се отделя по време на реакцията. Количеството освободена енергия се описва с добре познатата формула E = mc 2. По -леките атомни ядра се довеждат по -лесно до желаното разстояние, така че водородът - най -разпространеният елемент във Вселената - е най -доброто гориво за реакцията на синтез.
Установено е, че смес от два изотопа водород, деутерий и тритий, изисква най -малко енергия за реакцията на синтез в сравнение с енергията, отделена по време на реакцията. Въпреки това, докато смес от деутерий и тритий (D-T) е обект на повечето изследвания на синтеза, това в никакъв случай не е единственото потенциално гориво. Други смеси могат да бъдат по -лесни за производство; реакцията им може да бъде по -надеждно контролирана или, което е по -важно, те могат да произвеждат по -малко неутрони. Особен интерес представляват така наречените реакции "без неутрони", тъй като успешното промишлено използване на такова гориво ще означава липсата на дългосрочно радиоактивно замърсяване на материалите и конструкцията на реактора, което от своя страна би могло положително оказват влияние върху общественото мнение и общите разходи за експлоатация на реактора, намалявайки значително разходите за неговото извеждане от експлоатация. Проблемът остава, че реакцията на синтез с използване на алтернативни горива е много по-трудна за поддържане, така че D-T реакцията се счита само за необходима първа стъпка.
Реакционна схема на деутерий-тритий.Може да се използва контролиран термоядрен синтез различни видоветермоядрени реакции в зависимост от вида на използваното гориво.
Най -лесно осъществимата реакция е деутерий + тритий:
2 H + 3 H = 4 He + нс изходна енергия 17,6 MeV.
Подобна реакция е най -лесно осъществимата от гледна точка на съвременните технологии, дава значителен добив на енергия, а горивните компоненти са евтини. Неговият недостатък е освобождаването на нежелана неутронна радиация.
Две ядра, деутерий и тритий, се сливат, за да образуват хелиево ядро (алфа частица) и високоенергиен неутрон.
Реакцията-деутерий + хелий-3 е много по-трудна, на границата на възможното, да се проведе реакцията деутерий + хелий-3:
2 H + 3 He = 4 He + стрс изходна енергия 18,3 MeV.
Условията за постигането му са много по -сложни. Хелий-3 също е рядък и изключително скъп изотоп. В момента не се произвежда в промишлен мащаб.
Реакция между ядра на деутерий (D-D, моногориво).
Възможни са и реакции между ядрата на деутерий, те са малко по-трудни от реакцията с участието на хелий-3.
Тези реакции протичат бавно успоредно с реакцията на деутерий + хелий-3 и образуваните по време на тях тритий и хелий-3 най-вероятно реагират незабавно с деутерий.
Други видове реакции.Възможни са и някои други видове реакции. Изборът на гориво зависи от много фактори - неговата наличност и евтиност, енергиен добив, лекота на постигане на условията, необходими за реакцията на термоядрен синтез (на първо място, температура), необходимите конструктивни характеристики на реактора и др.
"Неутронни" реакции.Най-обещаващи са т.нар. Реакции "без неутрони", тъй като неутронният поток, генериран от термоядрен синтез (например в реакция деутерий-тритий) отнема значителна част от мощността и генерира индуцирана радиоактивност в структурата на реактора. Реакцията деутерий -хелий -3 е обещаваща и поради липсата на добив на неутрони.
10. Класически идеи за условията на изпълнение. термоядрен синтез и контролирани термоядрени реактори
TOKAMAK (ТОРОИДАЛНА КАМЕРА с магнитни намотки) е тороидално устройство за задържане на магнитна плазма. Плазмата се задържа не от стените на камерата, която не издържа на нейната температура, а от специално създадено магнитно поле. Характеристика на TOKAMAK е използването на електрически ток, протичащ през плазмата за създаване на полоидално поле, необходимо за равновесието на плазмата.
TCB е възможен, ако два критерия са изпълнени едновременно:
- плазмената температура трябва да бъде повече от 100 000 000 K;
- спазване на критерия на Lawson: н · T> 5 · 10 19 cm –3 s (за D-T реакцията),
където н- плътност на високотемпературна плазма, T- време на задържане на плазмата в системата.
Теоретично се смята, че скоростта на една или друга термоядрена реакция зависи главно от стойността на тези два критерия.
Понастоящем контролираният термоядрен синтез все още не е внедрен в промишлен мащаб. Въпреки че като цяло развитите страни са изградили няколко десетки контролирани термоядрени реактора, те не могат да осигурят контролиран термоядрен синтез. Изграждането на международния изследователски реактор ITER е в начален етап.
Разглеждат се две основни схеми за прилагане на контролиран термоядрен синтез.
Квазистационарни системи.Плазмата се нагрява и ограничава от магнитно поле при относително ниско налягане и висока температура. За тази цел се използват реактори под формата на ТОКАМАК, звезди, огледални капани и торсатрони, които се различават по конфигурацията на магнитното поле. Реакторът ITER има конфигурация TOKAMAK.
Импулсни системи.В такива системи CNF се осъществява чрез краткотрайно нагряване на малки цели, съдържащи деутерий и тритий чрез свръхмощни лазерни или йонни импулси. Такова облъчване причинява последователност от термоядрени микроексплозии.
Изследванията на първия тип термоядрени реактори са много по -напреднали от втория. В ядрената физика при изследване на термоядрен синтез се използва магнитен капан за ограничаване на плазмата в определен обем. Магнитният капан е проектиран да предпазва плазмата от контакт с елементите на термоядрен реактор, т.е. използва се предимно като топлоизолатор. Принципът на ограничаване се основава на взаимодействието на заредени частици с магнитно поле, а именно на въртенето на заредени частици около силовите линии на магнитното поле. За съжаление, намагнетизираната плазма е много нестабилна и има тенденция да напуска магнитното поле. Ето защо, за да се създаде ефективен магнитен капан, се използват най-мощните електромагнити, които консумират огромно количество енергия.
Възможно е да се намали размерът на термоядрен реактор, ако в него се използват едновременно три метода за създаване на термоядрена реакция.
Инерционен синтез.Излъчете малки капсули гориво от деутерий-тритий с лазер с мощност 500 трилиона (5 x 10 14) вата. Този гигантски, много кратък лазерен импулс от 10 до 8 секунди предизвиква експлозия на горивните капсули, което води до раждането на минизвезда за част от секундата. Но термоядрена реакция не може да бъде постигната върху него.
Едновременно използвайте Z-машина с TOKAMAK. Z Machine работи по различен начин от лазер. Той преминава през мрежата от най -тънки проводници, които обграждат горивната капсула, заряд с мощност от половин трилион вата от 5 · 10 11 вата.
Реакторите от първо поколение най -вероятно ще работят на смес от деутерий и тритий. Неутроните, които се появяват по време на реакцията, ще бъдат погълнати от щита на реактора, а освободената топлина ще бъде използвана за загряване на охлаждащата течност в топлообменника, а тази енергия от своя страна ще бъде използвана за въртене на генератора.
На теория има алтернативни горива, които нямат тези недостатъци. Но използването им е възпрепятствано от фундаментални физически ограничения. За да се получи достатъчно количество енергия от реакцията на синтез, е необходимо да се поддържа достатъчно плътна плазма при температурата на синтез (108 K) за известно време.
Този основен аспект на синтеза е описан чрез продукта на плазмената плътност нза времето на нагрятото плазмено съдържание τ, което е необходимо за достигане на точката на равновесие. Работа нτ зависи от вида на горивото и е функция от плазмената температура. От всички горива сместа деутерий-тритий изисква най-ниската стойност нτ най -малко с порядък и най -ниската температура на реакцията, поне 5 пъти. Поради това, D-T реакцияе необходима първа стъпка, но използването на други горива остава важна целизследвания.
11. Реакцията на синтез като промишлен източник на електричество
Енергията на синтез се разглежда от много изследователи като „естествен“ източник на енергия в дългосрочен план. Привържениците на търговското използване на термоядрени реактори за производство на електроенергия дават следните аргументи в тяхна полза:
- практически неизчерпаеми запаси от гориво (водород);
- гориво може да бъде получено от морска вода на всяко крайбрежие на света, което прави невъзможно монополизирането на гориво от една или група държави;
- невъзможността за неконтролирана реакция на синтез;
- липса на продукти от горенето;
- няма нужда да се използват материали, които могат да се използват за производство ядрени оръжиякато по този начин се изключват случаите на саботаж и тероризъм;
- в сравнение с ядрени реакторисе генерира малко количество радиоактивни отпадъци с кратък период на полуразпад.
Изчислено е, че напълнената с деутерий накрайник произвежда енергия, еквивалентна на 20 тона въглища. Езерото със среден размер може да осигури енергия на всяка страна за стотици години. Трябва обаче да се отбележи, че съществуващите изследователски реактори са проектирани да постигнат директна реакция на деутерий-тритий (DT), чийто горивен цикъл изисква използването на литий за производство на тритий, докато твърденията за неизчерпаема енергия са свързани с използването на деутерий реакция на деутерий (DD) във второто поколение реактори.
Точно както реакцията на делене, реакцията на синтез не произвежда атмосферни емисии на въглероден диоксид, което е основен фактор за глобалното затопляне. Това е значително предимство, тъй като използването на изкопаеми горива за производство на електроенергия води до това, че например САЩ произвежда 29 кг CO 2 (един от основните газове, които могат да се считат за причина за глобалното затопляне) на човек в САЩ на ден.
12. Вече има съмнения
Страните от Европейската общност харчат около 200 милиона евро годишно за научни изследвания и се прогнозира, че ще са необходими още няколко десетилетия, преди промишленото използване на ядрен синтез да стане възможно. Привържениците на алтернативните източници на електроенергия смятат, че би било по -целесъобразно тези средства да се насочат към въвеждането на възобновяеми енергийни източници.
За съжаление, въпреки широко разпространения оптимизъм (преобладаващ от 50 -те години на миналия век, когато започнаха първите проучвания), значителни пречки между днешното разбиране за процесите на ядрен синтез, технологичните възможности и практическото използване на ядрения синтез все още не са преодолени, дори не е ясно колко много е икономически изгодно да се произвежда електроенергия чрез термоядрен синтез. Въпреки че напредъкът в изследванията е постоянен, изследователите се сблъскват от време на време с нови предизвикателства. Например, предизвикателството е да се разработи материал, който да издържи неутронна бомбардировка, който се оценява на 100 пъти по -интензивен от конвенционалните ядрени реактори.
13. Класическата представа за предстоящите етапи в създаването на контролиран термоядрен реактор
В изследването има следните етапи.
Режим на равновесие или „преминаване“:когато общата енергия, която се отделя по време на процеса на синтез, е равна на общата енергия, изразходвана за стартиране и поддържане на реакцията. Това съотношение е маркирано със символа В... Равновесието на реакцията беше демонстрирано в JET във Великобритания през 1997 г. След като изразходваха 52 MW електроенергия, за да я загреят, учените получиха мощност, която беше с 0,2 MW по -висока от изразходваната. (Необходимо е да проверите отново тези данни!)
Пламтяща плазма:междинен етап, в който реакцията ще се поддържа главно от алфа частици, които се получават по време на реакцията, а не чрез външно нагряване.
В≈ 5. Досега междинният етап не е достигнат.
Запалване:стабилен отговор, който се поддържа. Трябва да се постигне при големи стойности В... То все още не е постигнато.
Следващата стъпка в изследванията трябва да бъде ITER, Международният термоядрен експериментален реактор. В този реактор се планира да се проведе проучване на поведението на високотемпературна плазма (пламтяща плазма с В≈ 30) и конструктивни материали за промишлен реактор.
Последната фаза на изследването ще бъде DEMO: прототип на индустриален реактор, който ще постигне запалване и ще демонстрира практичността на новите материали. Най -оптимистичните прогнози за завършване на DEMO фазата: 30 години. Като се вземе предвид приблизителното време за изграждане и въвеждане в експлоатация на промишлен реактор, ние сме разделени с около 40 години от промишленото използване на термоядрена енергия.
14. Всичко това трябва да се има предвид
Десетки и може би стотици експериментални термоядрени реактори с различни размери са построени в света. Учените идват на работа, включват реактора, реакцията се случва бързо, изглежда, те го изключват и те седят и мислят. Каква е причината? Какво да правим по -нататък? И така в продължение на десетилетия, без резултат.
И така, по -горе беше историята на човешкото разбиране на термоядрения синтез в Слънцето и историята на човешките постижения при създаването на контролиран термоядрен реактор.
Изминат е дълъг път и е направено много за постигане на крайната цел. Но, за съжаление, резултатът е отрицателен. Не е създаден контролиран термоядрен реактор. Още 30 ... 40 години и обещанията на учените ще бъдат изпълнени. Ще има ли? 60 години без резултат. Защо трябва да излезе след 30 ... 40 години, а не след три години?
Има и друга идея за термоядрения синтез на Слънцето. Това е логично, просто и наистина води до положителен резултат. Това откритие на В.Ф. Власов. Благодарение на това откритие дори ТОКАМАК може да започне работа в близко бъдеще.
15. Нов поглед към природата на термоядрения синтез на Слънцето и изобретението „Метод на контролиран термоядрен синтез и контролиран термоядрен реактор за внедряване на контролиран термоядрен синтез“
От автора.Това откритие и изобретение са на почти 20 години. Дълго време се съмнявах, че съм намерил нов начин за извършване на термоядрен синтез и за неговото изпълнение нов термоядрен реактор. Проучих и проучих стотици творби в областта на термоядрения синтез. Времето и преработената информация ме убедиха, че съм на прав път.
На пръв поглед изобретението е много просто и изобщо не прилича на експериментален термоядрен реактор от типа TOKAMAK. В съвременните възгледи на властите от науката ТОКАМАК това е единственото правилно решение и не подлежи на обсъждане. 60 години от идеята за термоядрен реактор. Но положителен резултат - работещ термоядрен реактор с контролиран термоядрен синтез TOKAMAK се обещава едва след 30 ... 40 години. Вероятно, ако на 60 години няма реален положителен резултат, тогава избраният метод техническо решениеидеи - създаването на контролиран термоядрен реактор - меко казано неправилни или недостатъчно реални. Нека се опитаме да покажем, че има друго решение на тази идея, основано на откриването на термоядрен синтез в Слънцето, и то се различава от общоприетите идеи.
Отваряне.Основната идея зад откритието е много проста и логична и е това в слънчевата корона протичат термоядрени реакции... Тук съществуват необходимите физически условия за осъществяване на термоядрена реакция. От слънчевата корона, където плазмената температура е приблизително 1 500 000 K, слънчевата повърхност се нагрява до 6 000 K, оттук горивната смес се изпарява от кипящата слънчева повърхност в слънчевата корона. Гравитационната сила на слънцето. Това предпазва повърхността на Слънцето от прегряване и поддържа температурата на повърхността му.
В близост до зоната на горене - слънчевата корона, има физически условия, при които размерите на атомите трябва да се променят и кулоновите сили да намалят значително. При контакт атомите на горивната смес се сливат и синтезират нови елементи с голямо отделяне на топлина. Тази зона на горене създава слънчевата корона, от която навлиза енергия под формата на радиация и материя пространство... Сливането на деутерий и тритий се подпомага от магнитното поле на въртящото се слънце, където те се смесват и ускоряват. Също така от зоната на термоядрена реакция в слънчевата корона се появяват и се движат с голяма енергия, към изпаряващото се гориво, бързи електрически заредени частици, както и фотони - кванти електромагнитно поле, всичко това създава необходимите физически условия за термоядрен синтез.
В класическите възгледи на физиците термоядреният синтез по някаква причина не се нарича процес на изгаряне (тук не се има предвид окислителният процес). Физическите власти излязоха с идеята, че термоядреният синтез в Слънцето повтаря вулканичен процес на планета, например Земята. Следователно всички разсъждения, методът на сходство се използва. Няма доказателства, че ядрото на планетата Земя е в разтопено течно състояние. Дори геофизиката не може да стигне до такива дълбочини. Съществуването на вулкани не може да се счита за доказателство за течното ядро на Земята. В недрата на Земята, особено на плитки дълбочини, има физически процеси, които все още са непознати за авторитетни физици. Във физиката няма нито едно доказателство, че термоядрен синтез се случва във вътрешността на всяка звезда. А в термоядрена бомба термоядреният синтез изобщо не повтаря модела във вътрешността на Слънцето.
При внимателно визуално изследване Слънцето прилича на сферична обемна горелка и много напомня за изгарянето на голяма повърхност на земята, където между границата на повърхността и зоната на горене (прототипът на слънчевата корона) има пролука чрез които се предава на повърхността на земята. топлинна радиация, който се изпарява например разлятото гориво и тези подготвени пари навлизат в зоната на горене.
Ясно е, че на повърхността на Слънцето такъв процес протича при различни, различни физически условия. Подобни физически условия, доста близки по параметри, бяха заложени при разработването на конструкцията на контролиран термоядрен реактор, Кратко описаниеи схематична диаграма на която е посочена в заявката за патент, посочена по -долу.
Резюме на заявката за патент № 2005123095/06 (026016).
"Метод на контролиран термоядрен синтез и контролиран термоядрен реактор за осъществяване на контролиран термоядрен синтез."
Обяснявам метода и принципа на действие на заявения контролиран термоядрен реактор за осъществяване на контролиран термоядрен синтез.
Ориз. 1.Опростена схематична диаграма на UTYAR
На фиг. 1 показва схематична диаграма на UTYAR. Горивна смес, в масово съотношение 1:10, компресирана до 3000 kg / cm 2 и загрята до 3000 ° C, в зоната 1 се смесва и навлиза през гърлото на дюзата в разширителната зона 2 ... В зоната 3 горивната смес се запалва.
Температурата на запалителната искра може да бъде необходима за стартиране на термичния процес - от 109 ... 108 K и по -ниска, зависи от необходимата физически условия.
В зоната с висока температура 4 процесът на горене протича директно. Продуктите от горенето пренасят топлината под формата на радиация и конвекция към топлообменната система 5 и към входящата горивна смес. Устройство 6 в активната част на реактора от критичния участък на дюзата до края на зоната на горене спомага за промяна на стойността на кулоновите сили и увеличава ефективната секция на ядрата на горивната смес (създава необходимите физически условия).
Диаграмата показва, че реакторът прилича на газова горелка. Но термоядрен реактор трябва да бъде такъв и, разбира се, физическите параметри ще се различават стотици пъти в сравнение с физическите параметри на газовата горелка.
Повторението на физическите условия на термоядрения синтез на Слънцето при земни условия е същността на изобретението.
Всяко устройство за генериране на топлина, което използва изгаряне, трябва да създаде следните условия - цикли: подготовка на гориво, смесване, подаване към работната зона (зона на горене), запалване, горене (химическа или ядрена трансформация), отстраняване на топлина от горещи газове под формата на радиация и конвекция и отстраняване на продуктите от горенето. В случай на опасни отпадъци - тяхното изхвърляне. В декларирания патент всичко това е предвидено.
Основният аргумент на физиците за изпълнението на критерия на Lowsen е изпълнен - по време на запалване с електрическа искра или лазерен лъч, както и изпаряващо се гориво, отразено от зоната на горене, бързи електрически заредени частици, както и фотони - кванти на електромагнитно поле с енергии с висока плътност се достига температура 109 .. .108 K за определена минимална площ на горивото, освен това плътността на горивото ще бъде 10 14 cm –3. Това не е ли начин и метод за изпълнение на критерия на Lowsen. Но всички тези физични параметри могат да се променят, когато външни фактори влияят на някои други физически параметри. Това все още е ноу-хау.
Нека разгледаме причините за невъзможността да се осъществи термоядрен синтез в известни термоядрени реактори.
16. Недостатъци и проблеми на общоприетите понятия във физиката за термоядрена реакция на Слънцето
1. Знае се. Температурата на видимата повърхност на Слънцето - фотосферата - е 5800 К. Плътността на газа във фотосферата е хиляди пъти по -малка от плътността на въздуха на повърхността на Земята. Общоприето е, че температурата, плътността и налягането вътре в Слънцето се увеличават с дълбочина, достигайки съответно 16 милиона К в центъра (някои казват 100 милиона К), 160 г / см 3 и 3,5 · 10 11 бара. Под въздействието на високи температури в ядрото на Слънцето водородът се превръща в хелий с отделянето на голямо количество топлина. И така, смята се, че температурата вътре в Слънцето е от 16 до 100 милиона градуса, на повърхността е 5800 градуса, а в слънчевата корона от 1 до 2 милиона градуса? Защо такива глупости? Никой не може ясно и ясно да обясни това. Известните общоприети обяснения имат недостатъци и не дават ясно и достатъчно разбиране за причините за нарушаването на законите на термодинамиката на Слънцето.
2. Термоядрена бомба и термоядрен реактор работят на различни технологични принципи, т.е. различно сходни. Невъзможно е да се създаде термоядрен реактор по подобие на термоядрена бомба, което беше пренебрегнато при разработването на съвременни експериментални термоядрени реактори.
3. През 1920 г. авторитетният физик Едингтън предпазливо предполага естеството на термоядрената реакция на Слънцето, че налягането и температурата във вътрешността на Слънцето са толкова високи, че там могат да протичат термоядрени реакции, в които водородните ядра (протони) се сливат в ядро хелий-4. Понастоящем това е общоприетото виждане. Но оттогава няма доказателства, че термоядрени реакции се случват в ядрото на Слънцето при 16 милиона K (някои физици смятат, че 100 милиона K), плътност 160 g / cm3 и налягане 3,5 x 1011 бара, има само теоретични предположения ... Термоядрените реакции в слънчевата корона се основават на доказателства. Не е трудно да се открие и измери.
4. Проблемът със слънчевото неутрино. Ядрените реакции, протичащи в ядрото на Слънцето, водят до образуването на голям брой електронни неутрино. Според старите концепции образуването, трансформациите и броят на слънчевите неутрино не са обяснени ясно и това е достатъчно за няколко десетилетия. В новите концепции за термоядрен синтез на Слънцето тези теоретични трудности отсъстват.
5. Проблем с отоплението на короната. Над видимата повърхност на Слънцето (фотосфера), която има температура около 6000 K, има слънчева корона с температура над 1 500 000 K. Може да се покаже, че директният топлинен поток от фотосферата е недостатъчен, за да доведе до такава висока температура на короната. Ново разбиране за термоядрения синтез на Слънцето обяснява естеството на такава температура в слънчевата корона. Именно в него протичат термоядрени реакции.
6. Физиците забравят, че ТОКАМАК са необходими главно, за да съдържат високотемпературна плазма и нищо повече. Съществуващите и нововъзникващите ТОКАМАК не предвиждат създаването на необходимите, специални, физически условия за провеждане на термоядрен синтез. По някаква причина никой не разбира това. Всички упорито вярват, че деутерият и тритийът трябва да изгарят добре при многомилионни температури. Защо изведнъж? Ядрена цел просто експлодира бързо, вместо да гори. Погледнете внимателно как става ядреното изгаряне в ТОКАМАК. Такива ядрена експлозияможе да издържи само силно магнитно поле на много голям реактор (лесно се изчислява), но тогава ефективността е такъв реактор би бил неприемлив за технически приложения. В заявения патент проблемът с ограничаването на термоядрена плазма се решава лесно.
Обясненията на учените за процесите, които се случват във вътрешността на Слънцето, са недостатъчни за разбиране на термоядрения синтез в дълбочина. Никой не обмисля процесите на приготвяне на гориво, процесите на топло- и масообмен, на дълбочина, при много трудни критични условия. Например, как, при какви условия, се образува плазма на дълбочина, в която се осъществява термоядрен синтез? Как се държи и т.н. В крайна сметка точно така са подредени ТОКАМАКИТЕ.
Така че, новата концепция за термоядрен синтез решава всички съществуващи технически и теоретични проблемив тази област.
P.S.Трудно е да се предложат прости истини на хора, които от десетилетия вярват в мненията (предположенията) на научните авторитети. За да се разбере за какво е новото откритие, достатъчно е независимо да се преразгледа това, което е било догма за себе си в продължение на много години. Ако ново предложение за естеството на физическия ефект поражда съмнения относно верността на старите предположения, докажете истината преди всичко на себе си. Това трябва да направи всеки истински учен. Откритието на термоядрен синтез в слънчевата корона се доказва предимно визуално. Термоядреното изгаряне се случва не във вътрешността на Слънцето, а на повърхността му. Това е специално изгаряне. На много снимки и снимки на Слънцето може да се види как протича процесът на горене, как протича процесът на образуване на плазма.
1. Контролиран термоядрен синтез. Уикипедия.
2. Велихов Е.П., Мирнов С.В. Контролираният термоядрен синтез достига до домашния участък. Троицки институт за иновационни и термоядрени изследвания. Руски научен центърКурчатов институт, 2006.
3. Llewellyn-Smith K. Към термоядрена енергия. Материали от лекцията, дадена на 17 май 2009 г. във ФИАН.
4. Енциклопедия на Слънцето. Дипломна работа, 2006.
5. Слънцето. Астронет.
6. Слънцето и животът на Земята. Радио комуникация и радиовълни.
7. Слънце и Земя. Равномерни колебания.
8. Слънцето. Слънчева система. Обща астрономия. Проект "Астрогалактика".
9. Пътувайте от центъра на Слънцето. Популярна механика, 2008.
10. Слънцето. Физическа енциклопедия.
11. Астрономическа картина на деня.
12. Изгаряне. Уикипедия.
"Науката и технологиите"
