Přeměna vodíku na helium. Z čeho je vyrobeno slunce
První pokusy odpovědět na tyto otázky učinili astronomové v polovině 19. století poté, co fyzici zformulovali zákon zachování energie.
Robert Mayer navrhl, že slunce svítí neustálým bombardováním povrchu meteority a meteorickými částicemi. Tato hypotéza byla zamítnuta, protože jednoduchý výpočet ukazuje, že k udržení svítivosti Slunce při moderní úroveň je nutné, aby na něj každou sekundu dopadalo 2 * 1015 kg meteorické hmoty. Za rok to bude 6 * 1022 kg a během existence Slunce po dobu 5 miliard let - 3 * 1032 kg. Hmotnost Slunce je M = 2 * 1030 kg, takže za pět miliard let by na Slunce mělo dopadnout hmoty 150krát více, než by měla hmotnost Slunce.
Druhou hypotézu vyslovili Helmholtz a Kelvin také v polovině 19. století. Předpokládali, že slunce vyzařuje stlačením 60–70 metrů ročně. Důvodem kontrakce je vzájemná přitažlivost částic Slunce, proto se tato hypotéza nazývá kontrakce. Pokud provedeme výpočet podle této hypotézy, pak stáří Slunce nebude více než 20 milionů let, což je v rozporu s moderními údaji získanými z analýzy radioaktivního rozpadu prvků v geologických vzorcích zemské půdy a půdy měsíc.
Třetí hypotézu o možných zdrojích sluneční energie vyslovil James Jeans na počátku dvacátého století. Navrhl, že hlubiny slunce obsahují těžké radioaktivní prvky, které se spontánně rozkládají, zatímco je vyzařována energie. Například přeměna uranu na thorium a následně na olovo je doprovázena uvolňováním energie. Následná analýza této hypotézy také ukázala její nekonzistentnost; hvězda vyrobená pouze z uranu by nevyzařovala dostatek energie, aby poskytla pozorovanou svítivost slunce. Navíc existují hvězdy, jejichž svítivost je mnohonásobně větší než svítivost naší hvězdy. Je nepravděpodobné, že tyto hvězdy budou obsahovat více radioaktivního materiálu.
Nejpravděpodobnější hypotézou se ukázala být hypotéza syntézy prvků v důsledku jaderných reakcí v nitru hvězd.
V roce 1935 Hans Bethe vyslovil hypotézu, že zdrojem sluneční energie by mohla být termonukleární reakce, která přeměňuje vodík na helium. Právě za to Bethe obdržela v roce 1967 Nobelovu cenu.
Chemické složení Slunce je přibližně stejné jako u většiny ostatních hvězd. Asi 75 % tvoří vodík, 25 % helium a méně než 1 % všechny ostatní chemické prvky(hlavně uhlík, kyslík, dusík atd.). Bezprostředně po zrození Vesmíru neexistovaly vůbec žádné „těžké“ prvky. Všechny, tzn. prvky těžší než helium, a dokonce i mnoho alfa částic, vznikly při „spalování“ vodíku ve hvězdách při termojaderné fúzi. Charakteristická doba života hvězdy jako je Slunce je deset miliard let.
Hlavní zdroj energie - proton-protonový cyklus - je velmi pomalá reakce (charakteristická doba 7,9 * 109 let), protože je způsobena slabou interakcí. Jeho podstata spočívá v tom, že ze čtyř protonů se získá jádro helia. V tomto případě se uvolní dvojice pozitronů a dvojice neutrin a také energie 26,7 MeV. Počet neutrin emitovaných Sluncem za sekundu je určen pouze svítivostí Slunce. Protože uvolnění 26,7 MeV produkuje 2 neutrina, rychlost emise neutrin je 1,8 * 1038 neutrin/s.
Přímým testem této teorie je pozorování slunečních neutrin. Vysokoenergetická neutrina (bór) jsou zaznamenána v experimentech chlor-argon (Davisovy experimenty) a konzistentně vykazují nedostatek neutrin ve srovnání s teoretickou hodnotou pro standardní model Slunce. Nízkoenergetická neutrina, která vznikají přímo v reakci pp, jsou zaznamenána v experimentech gallium-germanium (GALLEX v Gran Sasso (Itálie - Německo) a SAGE v Baksanu (Rusko - USA)); také „nestačí“.
Podle některých předpokladů, pokud mají neutrina nenulovou klidovou hmotnost, jsou možné oscilace (transformace) různých typů neutrin (efekt Mikheev - Smirnov - Wolfenstein) (existují tři typy neutrin: elektronová, mionová a tauonová neutrina). Protože jiná neutrina mají mnohem menší průřezy pro interakci s hmotou než elektronová neutrina, pozorovaný deficit lze vysvětlit beze změny standardního modelu slunce, postaveného na základě celého souboru astronomických dat.
Slunce zpracovává každou sekundu asi 600 milionů tun vodíku. Zásoby jaderného paliva vydrží na dalších pět miliard let, poté se postupně promění v bílého trpaslíka.
Centrální části Slunce se budou smršťovat, ohřívat a teplo přenášené tímto vnějším obalem povede k jeho expanzi do monstrózní velikosti ve srovnání s moderními: Slunce se roztáhne natolik, že pohltí Merkur, Venuši a utratí "palivo" stokrát rychleji než dosud. Tím se zvětší velikost slunce; z naší hvězdy se stane červený obr, jehož velikost je srovnatelná se vzdáleností Země ke Slunci! Život na Zemi zmizí nebo najde útočiště na vnějších planetách.
O takové události budeme samozřejmě předem informováni, protože přechod do nové fáze bude trvat přibližně 100–200 milionů let. Když teplota centrální části Slunce dosáhne 100 000 000 K, helium začne hořet, mění se v těžké prvky a Slunce vstoupí do stádia složitých cyklů kontrakce a expanze. V poslední fázi naše hvězda ztratí svůj vnější obal, centrální jádro bude mít neuvěřitelně vysokou hustotu a velikost, jako má Země. Uplyne ještě několik miliard let a Slunce se ochladí a změní se v bílého trpaslíka.
Zdroj sluneční energie
Vědění je moc
Uhlíkový cyklus
Jak se vodík mění v helium v nitru hvězd? První odpověď na tuto otázku nalezli nezávisle Hans Bethe v USA a Karl-Friedrich von Weizsacker v r. z Německa... V roce 1938 objevili první reakci, která přeměňuje vodík na helium a může poskytnout potřebnou energii k udržení hvězd při životě. Nastal k tomu čas: 11. července 1938 obdržela Weizsackerův rukopis redakční rada časopisu „Zeitschrift für Physik“ a 7. září téhož roku obdržela Beteův rukopis redakce časopisu. "Fyzický přehled". Oba příspěvky prezentovaly objev uhlíkového cyklu. Bethe a Crichfield již 23. června zaslali příspěvek obsahující nejdůležitější část proton-protonového cyklu.
Tento proces je poměrně složitý. Pro jeho proudění je nutné, aby ve hvězdách byly kromě vodíkových atomů i další prvky, např. uhlík. Jádra atomů uhlíku fungují jako katalyzátory. O katalyzátorech dobře víme z chemie. Protony se vážou na uhlíková jádra a tam se tvoří atomy helia. Pak uhlíkové jádro vytlačí jádra helia vytvořená z protonů a samo zůstane v důsledku tohoto procesu nezměněno.
Obrázek ukazuje schéma této reakce, která vypadá jako uzavřený cyklus. Zvažte tuto reakci začínající v horní části obrázku. Proces začíná tím, že se jádro atomu vodíku srazí s jádrem uhlíku s masivní číslo 12. Označujeme ho jako C 12. V důsledku tunelovacího efektu může proton překonat síly elektrického odpuzování uhlíkového jádra a spojit se s ním.
Přeměna vodíku na helium v uhlíkovém cyklu Betheho reakcí v nitru hvězd. Červené vlnité šipky označují, že atom emituje kvantum. elektromagnetická radiace.
Nové jádro již tvoří třináct těžkých elementární částice... Vlivem kladného náboje protonu se zvyšuje náboj původního uhlíkového jádra. Vznikne tak dusíkové jádro s hmotnostním číslem 13. Označuje se jako N 13. Tento izotop dusíku je radioaktivní a po chvíli vyzařuje dvě světelné částice: pozitron a neutrino - elementární částici, o které ještě uslyšíme. Dusíkové jádro se tedy přemění na uhlíkové jádro s hmotnostním číslem 13, tzn. v C 13. Toto jádro má opět stejný náboj jako uhlíkové jádro na začátku cyklu, ale jeho hmotnostní číslo je již o jedno více. Nyní máme jádro dalšího izotopu uhlíku. Pokud se s tímto jádrem srazí další proton, objeví se znovu jádro dusíku. Nyní má však hmotnostní číslo 14, což je N 14. Pokud se nový atom dusíku srazí s jiným protonem, přejde do O 15, tj. do kyslíkového jádra s hmotnostním číslem 15. Toto jádro je rovněž radioaktivní, opět emituje pozitron a neutrina a přechází na N 15 - dusík s hmotnostním číslem 15. Vidíme, že proces začal u uhlíku s hmotnostním číslem 12 a vedl k objevení se dusíku s hmotnostním číslem 15. sériové připojení protony vede ke vzniku stále těžších jader. Nechť se k jádru N 15 připojí ještě jeden proton, pak ze vzniklého jádra vyletí společně dva protony a dva neutrony, které vytvoří jádro helia. Těžké jádro se přemění zpět na původní uhlíkové jádro. Kruh je kompletní.
Výsledkem je, že se čtyři protony spojí a vytvoří jádro helia: vodík se změní na helium. Při tomto procesu se uvolňuje energie, která hvězdám stačí na to, aby svítily miliardy let.
K zahřívání hvězdné hmoty nedochází ve všech fázích námi uvažovaného řetězce reakcí. Hvězdná hmota se ohřívá jednak díky kvantům elektromagnetického záření, která předávají svou energii hvězdnému plynu, a jednak díky pozitronům, které téměř okamžitě anihilují s volnými elektrony hvězdného plynu. Při anihilaci pozitronů a elektronů vznikají i kvanta elektromagnetického záření. Energie těchto kvant se přenáší do hvězdné hmoty. Malá část uvolněné energie je odnesena pryč z hvězdy spolu s emitovanými neutriny. Některé nepochopitelné otázky související s neutriny zvážíme později.
V roce 1967 byla oceněna Beta Nobelova cena ve fyzice za objev uhlíkového cyklu, který provedl v roce 1938 spolu s von Weizsackerem. V tomto případě Nobelova komise zjevně zapomněla, že čest tohoto objevu patří více než jedné Beth.
Víme, že k cyklické transformaci dochází v přítomnosti prvků katalyzátoru: uhlíku a dusíku. Ale ve hvězdných hlubinách nemusí být přítomny všechny tři prvky. Jeden z nich je docela dost. Pokud začne alespoň jedna reakce cyklu, pak se prvky-katalyzátory objeví jako výsledek následujících fází reakcí. Navíc postup cyklické reakce vede k tomu, že mezi váhavými izotopy vzniká zcela jednoznačný kvantitativní poměr. Tento podíl závisí na teplotě, při které cyklus probíhá. Astrofyzici nyní mohou pomocí svých spektroskopických metod provádět poměrně přesnou kvantitativní analýzu kosmické hmoty. Poměrem mezi počtem izotopů C 12, C 13, N 14 a N 15 je často možné nejen stanovit, že ve hvězdných hlubinách dochází k přeměně hmoty podél uhlíkového cyklu, ale také při jaké teplotě dochází k reakcím. Vodík však může být přeměněn na helium nejen prostřednictvím uhlíkového cyklu. Spolu s reakcemi uhlíkového cyklu dochází i k dalším, jednodušším přeměnám. Právě oni mají hlavní podíl (alespoň na Slunci) k uvolňování energie. Dále přejdeme ke zvážení těchto reakcí.
Ostražitost americké společnosti vůči jaderné energii založené na jaderném štěpení vedla ke zvýšení zájmu o vodíkovou fúzi (termonukleární reakci). Tato technologie byla navržena jako alternativní způsob využití vlastností atomu k výrobě elektřiny. To je teoreticky skvělý nápad. Vodíková fúze přeměňuje hmotu na energii efektivněji než jaderné štěpení a tento proces není doprovázen tvorbou radioaktivního odpadu. Funkční termonukleární reaktor však zatím nebyl vytvořen.
Termonukleární fúze na slunci
Fyzici se domnívají, že slunce přeměňuje vodík na helium prostřednictvím termonukleární fúzní reakce. Termín "syntéza" znamená "kombinování". Syntéza vodíku vyžaduje nejvyšší teploty. Silná gravitace vytvářená obrovskou hmotou Slunce neustále udržuje jeho jádro ve stlačeném stavu. Tato komprese poskytuje teplotu jádra dostatečně vysokou na to, aby došlo k fúzi vodíku.
Solární vodíková fúze je vícestupňový proces. Nejprve jsou dvě jádra vodíku (dva protony) silně stlačena a emitují pozitron, také známý jako antielektron. Pozitron má stejnou hmotnost jako elektron, ale nese kladný, nikoli záporný jednotkový náboj. Kromě pozitronu se při stlačování atomů vodíku uvolňuje neutrino - částice, která se podobá elektronu, ale nemá elektrický náboj a je schopná pronikat hmotou v obrovských mezích (Jinými slovy, neutrina (nízkoenergetická neutrina) interagují extrémně slabě s hmotou. Střední volná dráha některých typů neutrin je ve vodě asi sto světelných let a je také známo, že kolem 10 neutrin emitovaných Sluncem prochází oblastí každého člověka na Země každou sekundu bez viditelných následků.).
Syntéza dvou protonů je doprovázena ztrátou jediného kladného náboje. V důsledku toho se jeden z protonů stane neutronem. Tak se získá jádro deuteria (označené 2H nebo D), těžkého izotopu vodíku, skládajícího se z jednoho protonu a jednoho neutronu.
Deuterium je také známé jako těžký vodík. Jádro deuteria se spojí s dalším protonem a vytvoří jádro helia-3 (He-3), které se skládá ze dvou protonů a jednoho neutronu. To vysílá paprsek gama paprsků. Dále, dvě jádra helia-3, vytvořená jako výsledek dvou nezávislých opakování výše popsaného procesu, se spojí a vytvoří jádro helia-4 (He-4), sestávající ze dvou protonů a dvou neutronů. Tento izotop helia se používá k plnění balónků lehčích než vzduch. V konečné fázi jsou emitovány dva protony, které mohou vyvolat další vývoj fúzní reakce.
V procesu "solární syntézy" celková hmotnost vytvořené hmoty mírně převyšuje celkovou hmotnost původních složek. „Chybějící kousek“ se přemění na energii podle slavného Einsteinova vzorce:
kde E je energie v joulech, m je „chybějící hmotnost“ v kilogramech a c je rychlost světla rovna (ve vakuu) 299 792 458 m/s. Slunce tak produkuje obrovské množství energie, protože jádra vodíku se nepřetržitě a v obrovském množství přeměňují na jádra helia. Na Slunci je dostatek hmoty na to, aby proces vodíkové fúze mohl pokračovat po miliony tisíciletí. Časem dojde k ukončení dodávek vodíku, ale během našeho života k tomu nedojde.
2002-01-18T16: 42 + 0300
2008-06-04T19: 55 + 0400
https: //site/20020118/54771.html
https: //cdn22.img..png
Zprávy RIA
https: //cdn22.img..png
Zprávy RIA
https: //cdn22.img..png
Termonukleární reakce probíhající na slunci
(Ter.Ink. N03-02, 18.1.2002) Vadim Pribytkov, teoretický fyzik, stálý dopisovatel Terra Incognita. Vědci si dobře uvědomují, že termonukleární reakce probíhající na Slunci obecně spočívají v přeměně vodíku na helium a na těžší prvky. Jak ale tyto proměny probíhají, není absolutně jasné, přesněji vládne naprostá nejednoznačnost: chybí nejdůležitější počáteční článek. Proto byla vynalezena fantastická reakce na spojení dvou protonů na deuterium s uvolněním pozitronu a neutrina. Taková reakce je však ve skutečnosti nemožná, protože mezi protony působí mocné odpudivé síly. ---- Co se skutečně děje na slunci? První reakce spočívá ve vzniku deuteria, k jehož vzniku dochází za vysokého tlaku v nízkoteplotním plazmatu při těsném spojení dvou atomů vodíku. V tomto případě se dvě vodíková jádra na krátkou dobu ukáží jako téměř blízko, přičemž jsou schopna zachytit jedno z ...
(Ter.Ink. N03-02, 18/01/2002)
Vadim Pribytkov, teoretický fyzik, stálý dopisovatel Terra Incognita.
Vědci si dobře uvědomují, že termonukleární reakce probíhající na Slunci obecně spočívají v přeměně vodíku na helium a na těžší prvky. Jak ale tyto proměny probíhají, není absolutně jasné, přesněji řečeno, převládá úplná nejasnost: chybí nejdůležitější počáteční článek. Proto byla vynalezena fantastická reakce na spojení dvou protonů na deuterium s uvolněním pozitronu a neutrina. Taková reakce je však ve skutečnosti nemožná, protože mezi protony působí mocné odpudivé síly.
Co se vlastně děje na slunci?
První reakce spočívá ve vzniku deuteria, k jehož vzniku dochází za vysokého tlaku v nízkoteplotním plazmatu při těsném spojení dvou atomů vodíku. V tomto případě jsou dvě jádra vodíku na krátkou dobu téměř blízko, přičemž jsou schopna zachytit jeden z orbitálních elektronů, který tvoří neutron s jedním z protonů.
K podobné reakci může dojít i za jiných podmínek, kdy je proton zabudován do atomu vodíku. V tomto případě také dochází k záchytu orbitálního elektronu (K-záchyt).
Nakonec může dojít k takové reakci, kdy se k sobě na krátkou dobu přiblíží dva protony, jejich společné síly stačí k zachycení procházejícího elektronu a vzniku deuteria. Vše závisí na teplotě plazmatu nebo plynu, ve kterém tyto reakce probíhají. V tomto případě se uvolní 1,4 MeV energie.
Deuterium je základem pro následný cyklus reakcí, kdy dvě jádra deuteria tvoří tritium s ejekcí protonu, nebo helium-3 s ejekcí neutronu. Obě reakce jsou stejně pravděpodobné a dobře známé.
Následují reakce kombinace tritia s deuteriem, tritia s tritiem, helia-3 s deuteriem, helia-3 s tritiem, helia-3 s heliem-3 za vzniku helia-4. V tomto případě se uvolní více protonů a neutronů. Neutrony jsou zachycovány jádry helia-3 a všemi prvky, které mají svazky deuteria.
Tyto reakce potvrzuje fakt, že ze Slunce je v rámci slunečního větru vyvrženo obrovské množství vysokoenergetických protonů. Nejpozoruhodnější na všech těchto reakcích je, že při nich nevznikají pozitrony ani neutrina. Energie se uvolňuje během všech reakcí.
V přírodě se všechno děje mnohem snadněji.
Dále se začnou tvořit složitější prvky z jader deuteria, tritia, helia-3, helia-4. V tomto případě spočívá celé tajemství v tom, že jádra helia-4 se nemohou přímo navzájem spojit, protože se vzájemně odpuzují. K jejich spojení dochází prostřednictvím svazků deuteria a tritia. Oficiální věda tento moment také zcela ignoruje a hází jádra helia-4 na jednu hromadu, což je nemožné.
Stejně fantastický jako oficiální vodíkový cyklus je takzvaný uhlíkový cyklus, vynalezený Bethem v roce 1939, při kterém se ze čtyř protonů tvoří helium-4 a údajně se uvolňují i pozitrony a neutrina.
V přírodě se všechno děje mnohem snadněji. Příroda nevymýšlí jako teoretici nové částice, ale používá jen ty, které má. Jak vidíme, tvorba prvků začíná připojením jednoho elektronu dvěma protony (tzv. K-záchyt), v důsledku čehož vzniká deuterium. K-záchyt je jediná metoda pro vytváření neutronů a je široce praktikována všemi ostatními složitějšími jádry. Kvantová mechanika popírá přítomnost elektronů v jádře, ale bez elektronů není možné jádra postavit.
Pro pochopení procesu zrodu a vývoje představ o termojaderné fúzi na Slunci je nutné znát historii lidských představ o pochopení tohoto procesu. Při vytváření řízeného termojaderného reaktoru, ve kterém probíhá proces řízení termojaderné fúze, existuje mnoho neřešitelných teoretických a technologických problémů. Mnoho vědců, natož vědeckých úředníků, není obeznámeno s historií této problematiky.
Je to právě neznalost historie chápání a reprezentace termojaderné fúze na Slunci lidstvem, která vedla k nesprávnému jednání tvůrců termonukleárních reaktorů. Dokazuje to šedesátiletý neúspěch prací na vytvoření řízeného termonukleárního reaktoru, plýtvání obrovskými finančními prostředky mnoha vyspělými zeměmi. Nejdůležitější a nezvratný důkaz: řízený termonukleární reaktor nevznikl 60 let. Mediálně známé vědecké autority navíc slibují vytvoření řízeného termonukleárního reaktoru (UTNR) za 30 ... 40 let.
2. "Occamova břitva"
Occamova břitva je metodologický princip pojmenovaný po anglickém františkánském mnichovi, nominálním filozofovi Williamovi. Ve zjednodušené podobě zní: „Neměli byste zbytečně rozmnožovat existující věci“ (nebo „Neměli byste přitahovat nové entity, pokud to není nezbytně nutné“). Tento princip tvoří základ metodologického redukcionismu, nazývaného také principem šetrnosti nebo zákonem šetrnosti. Někdy je zásada vyjádřena slovy: "Co lze vysvětlit méně, nemělo by být vyjádřeno více."
PROTI moderní věda Occamova břitva je obvykle chápána jako obecnější princip, který uvádí, že pokud existuje několik logicky konzistentních definic nebo vysvětlení nějakého jevu, pak by za správnou měla být považována ta nejjednodušší z nich.
Obsah principu lze zjednodušit na následující: k vysvětlení nějakého jevu není nutné zavádět složité zákony, lze-li tento jev vysvětlit jednoduchými zákony. Tento princip je nyní mocným nástrojem vědeckého kritického myšlení. Sám Ockham formuloval tento princip jako potvrzení existence Boha. Těm je podle jeho názoru rozhodně možné vše vysvětlit, aniž bychom zaváděli něco nového.
Princip Occamovy břitvy, přeformulovaný v jazyce teorie informace, říká, že nejpřesnější zpráva je zpráva o minimální délce.
Albert Einstein přeformuloval princip Occamovy břitvy takto: „Vše by se mělo zjednodušit, dokud je to možné, ale ne více.“
3. O počátku lidského chápání a prezentace termojaderné fúze na Slunci
Všichni obyvatelé Země po dlouhou dobu chápali skutečnost, že Slunce ohřívá Zemi, ale zdroje sluneční energie zůstaly pro všechny nepochopitelné. V roce 1848 předložil Robert Meyer hypotézu meteoritu, podle níž je Slunce zahříváno bombardováním meteoritů. S takovým nezbytným počtem meteoritů by však Země byla také velmi horká; kromě toho by zemské geologické vrstvy sestávaly hlavně z meteoritů; konečně se měla zvětšit hmotnost Slunce a to by ovlivnilo pohyb planet.
Mnoho badatelů proto ve druhé polovině 19. století považovalo za nejvěrohodnější teorii vyvinutou Helmholtzem (1853) a lordem Kelvinem, kteří navrhli, že Slunce se zahřívá kvůli pomalé gravitační kompresi ("Kelvin-Helmholtzův mechanismus"). Výpočty založené na tomto mechanismu odhadovaly maximální stáří Slunce na 20 milionů let a dobu, po které Slunce zhasne - ne více než 15 milionů. Tato hypotéza však odporovala geologickým údajům o stáří skály což naznačovalo mnohem větší čísla. Například Charles Darwin poznamenal, že eroze vendských ložisek trvala nejméně 300 milionů let. Přesto Brockhaus a Efron Encyclopedia považuje gravitační model za jediný platný.
Teprve ve 20. století bylo nalezeno „správné“ řešení tohoto problému. Zpočátku Rutherford předpokládal, že zdrojem vnitřní energie Slunce je radioaktivní rozpad. V roce 1920 Arthur Eddington navrhl, že tlak a teplota v nitru Slunce jsou tak vysoké, že zde mohou probíhat termonukleární reakce, při kterých se jádra vodíku (protony) spojují v jádro helia-4. Protože hmotnost posledně jmenovaného je menší než součet hmotností čtyř volných protonů, pak část hmotnosti v této reakci podle Einsteinova vzorce E = mc 2 se přeměňuje na energii. Skutečnost, že ve složení slunce převažuje vodík, potvrdila v roce 1925 Cecilia Payne.
Teorii termonukleární fúze vyvinuli ve 30. letech 20. století astrofyzikové Chandrasekhar a Hans Bethe. Bethe podrobně vypočítal dvě hlavní termonukleární reakce, které jsou zdrojem sluneční energie. Nakonec se v roce 1957 objevila práce Margaret Burbridgeové „Synthesis of Elements in Stars“, ve které bylo ukázáno a navrženo, že většina prvků ve vesmíru vznikla jako výsledek nukleosyntézy ve hvězdách.
4. Vesmírný průzkum Slunce
První práce Eddingtona jako astronoma souvisela se studiem pohybu hvězd a struktury hvězdných systémů. Jeho hlavní zásluhou je však to, že vytvořil teorii vnitřní struktury hvězd. Hluboký průnik do fyzikální podstaty jevů a zvládnutí metod složitých matematických výpočtů umožnilo Eddingtonovi získat řadu zásadních výsledků v takových oblastech astrofyziky, jako je vnitřní stavba hvězd, stav mezihvězdné hmoty, pohyb a rozložení hvězd v Galaxii.
Eddington spočítal průměry některých hvězd červených obrů, určil hustotu trpasličího společníka hvězdy Sirius – ta se ukázala být neobvykle vysoká. Eddingtonova práce na určení hustoty hvězdy byla impulsem pro vývoj fyziky superhustého (degenerovaného) plynu. Eddington byl dobrým interpretem Einsteinovy obecné teorie relativity. Provedl první experimentální test jednoho z efektů předpovídaných touto teorií: odklonu paprsků světla v gravitačním poli hmotné hvězdy. To se mu podařilo při úplném zatmění Slunce v roce 1919. Spolu s dalšími vědci položil Eddington základy moderní znalosti o struktuře hvězd.
5. Fusion - Spalování!?
Co je to vizuálně termonukleární fúze? V principu se jedná o spalování. Je ale jasné, že se jedná o spalování velmi vysokého výkonu na jednotku objemu prostoru. A je jasné, že se nejedná o oxidační proces. Zde se do procesu spalování zapojují další prvky, které také hoří, ale za zvláštních fyzikálních podmínek.
Myslete na spálení.
Chemické spalování je složitý fyzikálně-chemický proces přeměny složek hořlavé směsi na produkty spalování za uvolňování tepelného záření, světla a sálavé energie.
Chemické spalování se dělí na několik typů spalování.
Podzvukové hoření (deflagrace) na rozdíl od výbuchu a detonace probíhá nízkou rychlostí a není spojeno se vznikem rázové vlny. Podzvukové spalování zahrnuje normální laminární a turbulentní šíření plamene, nadzvukové - detonace.
Spalování se dělí na tepelné a řetězové spalování. Tepelné spalování je založeno na chemická reakce, schopný postupovat s progresivním samourychlováním v důsledku akumulace uvolněného tepla. Řetězové spalování nastává v případech některých reakcí v plynné fázi při nízkých tlacích.
Podmínky tepelného samourychlení lze zajistit pro všechny reakce s dostatečně velkými tepelnými účinky a aktivačními energiemi.
Spalování může začít samovolně v důsledku samovznícení nebo může být iniciováno zapálením. Za pevných vnějších podmínek může kontinuální spalování probíhat ve stacionárním režimu, kdy se hlavní charakteristiky procesu - rychlost reakce, rychlost uvolňování tepla, teplota a složení produktů - nemění v čase, nebo v periodickém režimu, kdy tyto charakteristiky kolísají kolem svých průměrných hodnot. Vzhledem k silné nelineární závislosti rychlosti reakce na teplotě je spalování vysoce citlivé na vnější podmínky. Stejná vlastnost spalování určuje existenci několika stacionárních režimů za stejných podmínek (hysterezní efekt).
Existuje objemové spalování, je známé všem a často se používá v každodenním životě.
Difúzní spalování. Vyznačuje se odděleným přívodem paliva a okysličovadla do spalovací zóny. Míchání složek probíhá ve spalovací zóně. Příklad: spalování vodíku a kyslíku v raketovém motoru.
Spalování předem smíchaného média. Jak název napovídá, ke spalování dochází ve směsi, která obsahuje palivo i oxidační činidlo. Příklad: spalování směsi benzín-vzduch ve válci spalovacího motoru po inicializaci procesu zapalovací svíčkou.
Bezplamenné spalování. Na rozdíl od klasického spalování, kdy jsou pozorovány zóny oxidačního plamene a redukčního plamene, je možné vytvořit podmínky pro bezplamenné spalování. Příkladem je katalytická oxidace organická hmota na povrchu vhodného katalyzátoru, například oxidace ethanolu na platinové černi.
Doutnající. Typ spalování, při kterém nevzniká žádný plamen a spalovací zóna se pomalu šíří materiálem. Doutnání je obvykle pozorováno u porézních nebo vláknitých materiálů s vysokým obsahem vzduchu nebo impregnovaných oxidačními činidly.
Autogenní spalování. Samostatné spalování. Termín se používá v technologiích spalování odpadů. Možnost autogenního (samonosného) spalování odpadu je dána limitujícím obsahem balastních složek: vlhkosti a popela.
Plamen je prostorová oblast, ve které dochází ke spalování v plynné fázi, doprovázené viditelným a/nebo infračerveným zářením.
Obvyklý plamen, který pozorujeme při hoření svíčky, plamen zapalovače nebo zápalky, je proud žhavých plynů natažený vertikálně vlivem gravitační síly Země (horké plyny mají tendenci stoupat vzhůru).
6. Moderní fyzikálně-chemické koncepty Slunce
Hlavní vlastnosti:
Složení fotosféry:
Slunce je ústřední a jedinou hvězdou naší sluneční soustavy, kolem které obíhají další objekty této soustavy: planety a jejich satelity, trpasličí planety a jejich měsíce, asteroidy, meteoroidy, komety a kosmický prach. Hmotnost Slunce (teoreticky) je 99,8 % celkové hmotnosti celé sluneční soustavy. Sluneční záření podporuje život na Zemi (fotony jsou nezbytné pro počáteční fáze procesu fotosyntézy), určuje klima.
Podle spektrální klasifikace patří Slunce k typu G2V („žlutý trpaslík“). Teplota povrchu Slunce dosahuje 6000 K, Slunce tedy svítí téměř bílým světlem, ale vlivem silnějšího rozptylu a pohlcování krátkovlnné části spektra zemskou atmosférou je přímé světlo Slunce na povrch naší planety získává určitý žlutý nádech.
Sluneční spektrum obsahuje linie ionizovaných a neutrálních kovů a také ionizovaný vodík. V naší galaxii Mléčná dráha je přibližně 100 milionů hvězd G2. Navíc 85 % hvězd v naší galaxii jsou hvězdy méně jasné než Slunce (většina z nich jsou červení trpaslíci na konci svého evolučního cyklu). Stejně jako všechny hvězdy hlavní posloupnosti i Slunce generuje energii termonukleární fúzí.
Záření ze Slunce je hlavním zdrojem energie na Zemi. Jeho výkon je charakterizován sluneční konstantou - množstvím energie procházející plochou jednotky plochy kolmé na sluneční paprsky. Ve vzdálenosti jedné astronomické jednotky (tedy na oběžné dráze Země) je tato konstanta přibližně 1370 W/m 2 .
Sluneční záření při průchodu zemskou atmosférou ztrácí energii asi 370 W/m2 a až zemský povrch dosahuje pouze 1000 W / m 2 (za jasného počasí a když je Slunce za zenitem). Tuto energii lze využít v různých přírodních i umělých procesech. Rostliny jej tedy pomocí fotosyntézy zpracovávají do chemické formy (kyslík a organické sloučeniny). Přímý solární ohřev nebo přeměna solární energie lze využít k výrobě elektřiny (solární elektrárny) nebo k provádění jiné užitečné práce. V dávné minulosti se energie uložená v ropě a dalších typech fosilních paliv získávala také fotosyntézou.
Slunce je magneticky aktivní hvězda. Má silné magnetické pole, jehož síla se v čase mění, a které mění směr přibližně každých 11 let, během slunečního maxima. Variace magnetické pole Slunce působí různé efekty, jejichž kombinace se nazývá sluneční aktivita a zahrnuje takové jevy, jako jsou sluneční skvrny, sluneční erupce, změny slunečního větru atd. při práci, komunikaci, zařízeních pro přenos energie a také negativně ovlivňuje živé organismy, způsobuje lidem bolesti hlavy a necítí se dobře (u lidí citlivých na magnetické bouře). Slunce je mladá hvězda třetí generace (populace I) s vysokým obsahem kovů, to znamená, že vznikla z pozůstatků hvězd první a druhé generace (populace III a II).
Současné stáří Slunce (přesněji doba jeho existence na hlavní posloupnosti), odhadované pomocí počítačových modelů vývoje hvězd, je přibližně 4,57 miliardy let.
Životní cyklus slunce. Předpokládá se, že Slunce vzniklo asi před 4,59 miliardami let, kdy rychlé stlačení oblaku molekulárního vodíku pod vlivem gravitace vedlo ke vzniku hvězdy prvního typu hvězdné populace T Tauri v naší oblasti Galaxie. .
Hvězda tak hmotná jako Slunce měla v hlavní posloupnosti existovat celkem asi 10 miliard let. Slunce je tedy nyní přibližně uprostřed svého životního cyklu. Na současné fázi Ve slunečním jádru probíhají termonukleární reakce přeměny vodíku na helium. Každou sekundu se v jádru Slunce přemění asi 4 miliony tun hmoty na zářivou energii, což má za následek vznik slunečního záření a proudu slunečních neutrin.
7. Teoretické představy lidstva o vnitřní a vnější stavbě Slunce
Ve středu Slunce je sluneční jádro. Fotosféra je viditelný povrch Slunce, které je hlavním zdrojem záření. Slunce je obklopeno sluneční korónou, která má velmi vysokou teplotu, ale je extrémně vzácná, a proto je viditelná pouhým okem pouze v obdobích úplného zatmění Slunce.
Centrální část Slunce o poloměru asi 150 000 kilometrů, ve které probíhají termonukleární reakce, se nazývá sluneční jádro. Hustota hmoty v jádře je asi 150 000 kg/m 3 (150krát vyšší než hustota vody a ≈6,6krát vyšší než hustota nejtěžšího kovu na Zemi - osmia) a teplota ve středu jádra je více než 14 milionů stupňů. Teoretická analýza dat provedená misí SOHO ukázala, že v jádře je rychlost rotace Slunce kolem své osy mnohem vyšší než na povrchu. V jádře probíhá proton-protonová termonukleární reakce, v jejímž důsledku ze čtyř protonů vzniká helium-4. Každou sekundu se přitom na energii přemění 4,26 milionů tun hmoty, ale tato hodnota je ve srovnání s hmotností Slunce - 2 · 10 27 tun - zanedbatelná.
Nad jádrem se ve vzdálenosti asi 0,2 ... 0,7 poloměru Slunce od jeho středu nachází zóna přenosu záření, ve které nedochází k makroskopickým pohybům, energie se přenáší pomocí „reemise“ fotonů .
Konvektivní zóna Slunce. Blíže k povrchu Slunce dochází k vířivému promíchávání plazmatu a přenos energie na povrch se uskutečňuje především pohyby samotné látky. Tento způsob přenosu energie se nazývá konvekce a podpovrchová vrstva Slunce o tloušťce asi 200 000 km, kde se vyskytuje, se nazývá konvektivní zóna. Podle moderních údajů je jeho role ve fyzice slunečních procesů mimořádně velká, protože právě v ní vznikají různé pohyby sluneční hmoty a magnetická pole.
Atmosféra Slunce Fotosféra (vrstva, vyzařující světlo) dosahuje tloušťky ≈320 km a tvoří viditelný povrch Slunce. Hlavní část optického (viditelného) záření Slunce vychází z fotosféry, zatímco záření z hlubších vrstev už k ní nedosahuje. Teplota ve fotosféře dosahuje v průměru 5800 K. Zde je průměrná hustota plynu menší než 1/1000 hustoty zemského vzduchu a teplota, jak se přibližuje k vnějšímu okraji fotosféry, klesá na 4800 K Za těchto podmínek zůstává vodík téměř úplně v neutrálním stavu. Fotosféra tvoří viditelný povrch Slunce, ze kterého se určují rozměry Slunce, vzdálenost od povrchu Slunce atd. Chromosféra - vnější schránka Slunce má tloušťku asi 10 000 km a obklopuje fotosféru. Původ názvu této části sluneční atmosféra spojené s jeho načervenalou barvou, způsobenou tím, že v jeho viditelném spektru dominuje červená emisní čára H-alfa vodíku. Horní hranice chromosféra nemá výrazný hladký povrch, neustále z ní vycházejí horké emise, zvané spikuly (kvůli tomu konec XIX století italský astronom Secchi, pozorující chromosféru dalekohledem, srovnával ji s hořícími prériemi). Teplota chromosféry se zvyšuje s výškou od 4000 do 15000 stupňů.
Hustota chromosféry je nízká, takže její jasnost je nedostatečná pro její pozorování za normálních podmínek. Ale při úplném zatmění Slunce, kdy Měsíc pokryje jasnou fotosféru, se chromosféra umístěná nad ním stane viditelnou a září červeně. Lze jej také kdykoli pozorovat pomocí speciálních úzkopásmových optických filtrů.
Koruna je poslední vnější slupka slunce. Navzdory své velmi vysoké teplotě, od 600 000 do 2 000 000 stupňů, je viditelná pouhým okem pouze během úplného zatmění Slunce, protože hustota hmoty v koróně je nízká, a proto je její jasnost nízká. Neobvykle intenzivní ohřev této vrstvy je zřejmě způsoben magnetickým efektem a dopadem rázových vln. Tvar koróny se mění v závislosti na fázi cyklu sluneční aktivity: v obdobích maximální aktivity má zaoblený tvar a minimálně se prodlužuje podél slunečního rovníku. Vzhledem k tomu, že teplota koróny je velmi vysoká, vyzařuje intenzivně v ultrafialovém a rentgenovém rozsahu. Tato záření neprocházejí zemskou atmosférou, ale v poslední době je možné je studovat pomocí kosmických lodí. Záření v různých oblastech koróny je nerovnoměrné. Existují horké aktivní a tiché oblasti a také koronální díry s relativně nízkou teplotou 600 000 stupňů, z nichž do vesmíru vystupují magnetické siločáry. Tato („otevřená“) magnetická konfigurace umožňuje částicím unikat ze Slunce bez překážek, takže sluneční vítr je vyzařován „hlavně“ z koronálních děr.
Z vnější části sluneční koróny proudí sluneční vítr - proud ionizovaných částic (hlavně protonů, elektronů a α-částic), o rychlosti 300 ... 1200 km/sa šířících se s postupným snižováním jeho hustota, k hranicím heliosféry.
Protože sluneční plazma má dostatečně vysokou elektrickou vodivost, mohou v ní vznikat elektrické proudy a v důsledku toho i magnetická pole.
8. Teoretické problémy termojaderné fúze na Slunci
Problém slunečních neutrin. Jaderné reakce probíhající v jádru Slunce vedou ke vzniku velkého množství elektronových neutrin. Zároveň měření toku neutrin na Zemi, která se neustále provádějí od konce 60. let 20. století, ukázala, že počet tam zaznamenaných slunečních elektronových neutrin je přibližně dvakrát až třikrát menší, než předpovídá standardní solární model popisující procesy na slunci. Tento rozpor mezi experimentem a teorií se nazývá „problém slunečních neutrin“ a je jednou ze záhad sluneční fyziky již více než 30 let. Situaci komplikoval fakt, že neutrino interaguje s hmotou extrémně slabě a vytvoření detektoru neutrin, který je schopen přesně měřit tok neutrin i takové síly, jakou přicházejí ze Slunce, je poměrně obtížný vědecký úkol.
Byly navrženy dva hlavní způsoby řešení problému slunečních neutrin. Nejprve bylo možné upravit model Slunce tak, aby se snížila předpokládaná teplota v jeho jádru a následně tok neutrin emitovaných Sluncem. Za druhé by se dalo předpokládat, že část elektronových neutrin emitovaných jádrem Slunce se při pohybu k Zemi mění v neutrina dalších generací nezaznamenaná konvenčními detektory (mionová a tau neutrina). Dnes se vědci přiklánějí k tomu, že ten druhý způsob je s největší pravděpodobností správný. Aby došlo k přechodu jednoho druhu neutrin v jiném – tzv. „kmitání neutrin“ – musí mít neutrino nenulovou hmotnost. Nyní se zjistilo, že tomu tak zřejmě je. V roce 2001 byly všechny tři typy slunečních neutrin přímo detekovány na observatoři Sudbury Neutrino Observatory a ukázalo se, že jejich celkový tok je v souladu se standardním solárním modelem. V tomto případě je pouze asi třetina neutrin dopadajících na Zemi elektronická. Toto množství je v souladu s teorií, která předpovídá přechod elektronových neutrin na neutrina jiné generace jak ve vakuu (správné „oscilace neutrin“), tak ve sluneční hmotě („efekt Mikheev-Smirnov-Wolfenstein“). V současnosti se tedy zdá, že problém slunečních neutrin byl vyřešen.
Problém s ohřevem korony. Nad viditelným povrchem Slunce (fotosféra), které má teplotu asi 6 000 K, se nachází sluneční koróna s teplotou více než 1 000 000 K. Lze prokázat, že přímý tepelný tok z fotosféry je nedostatečný k tomu, aby na tak vysokou teplotu korony.
Předpokládá se, že energie pro ohřev koróny je dodávána turbulentními pohyby subfotosférické konvektivní zóny. V tomto případě byly navrženy dva mechanismy pro přenos energie do koróny. Jednak se jedná o ohřev vln - zvukové a magnetohydrodynamické vlny vznikající v turbulentní konvektivní zóně se šíří do koróny a tam se rozptylují, přičemž se jejich energie přeměňuje na tepelnou energii koronálního plazmatu. Alternativním mechanismem je magnetické zahřívání, při kterém se magnetická energie, plynule generovaná fotosférickými pohyby, uvolňuje opětovným připojením magnetického pole ve formě velkých sluneční erupce nebo velké množství malých světlic.
V tuto chvíli není jasné, jaký typ vln poskytuje účinný mechanismus pro ohřev koróny. Lze ukázat, že všechny vlny, kromě magnetohydrodynamických Alfvénových vln, jsou rozptýleny nebo odraženy dříve, než dosáhnou koróny, zatímco rozptylu Alfvénových vln v koróně je bráněno. Moderní výzkumníci se proto zaměřili na mechanismus ohřevu slunečními erupcemi. Jedním z možných kandidátů na zdroje korónového ohřevu jsou neustále se vyskytující vzplanutí malého rozsahu, i když v této otázce ještě nebylo dosaženo konečného vyjasnění.
P.S. Po přečtení o "Teoretických problémech termojaderné fúze na Slunci" je nutné připomenout "Occamovu břitvu". Vysvětlení teoretických problémů zde jasně využívá vykonstruovaná, nelogická teoretická vysvětlení.
9. Druhy termojaderného paliva. Termonukleární palivo
Řízená termonukleární fúze (CTF) je syntéza těžších atomových jader z lehčích za účelem získání energie, která má na rozdíl od výbušné termonukleární fúze (využívané v termonukleárních zbraních) řízený charakter. Řízená termojaderná fúze se od tradiční jaderné energie liší tím, že ta využívá rozpadovou reakci, při které se z těžkých jader získávají lehčí jádra. Deuterium (2 H) a tritium (3 H) budou použity v hlavních jaderných reakcích, které se plánují využít k provádění řízené termonukleární fúze, a v dlouhodobém horizontu helium-3 (3 He) a bor- 11 (11 B)
Typy reakcí. Fúzní reakce je následující: dvě nebo více atomových jader se vezmou a za použití určité síly se k sobě přiblíží natolik, že síly působící na takové vzdálenosti převažují nad silami Coulombova odpuzování mezi stejně nabitými jádry. z nichž se tvoří nové jádro. Bude mít o něco nižší hmotnost než součet hmotností počátečních jader a rozdíl se stane energií, která se uvolní během reakce. Množství uvolněné energie popisuje známý vzorec E = mc 2. Lehčí atomová jádra se snadněji dostanou do požadované vzdálenosti, takže vodík – nejhojnější prvek ve vesmíru – je nejlepším palivem pro fúzní reakci.
Bylo zjištěno, že směs dvou izotopů vodíku, deuteria a tritia, vyžaduje pro fúzní reakci nejmenší energii ve srovnání s energií uvolněnou během reakce. I když je však směs deuteria a tritia (D-T) předmětem většiny výzkumů v oblasti fúze, v žádném případě nejde o jediné potenciální palivo. Jiné směsi mohou být jednodušší na výrobu; jejich odezva může být řízena spolehlivěji, nebo, což je důležitější, může být produkováno méně neutronů. Zvláště zajímavé jsou takzvané „bezutronové“ reakce, protože úspěšné průmyslové využití takového paliva bude znamenat absenci dlouhodobé radioaktivní kontaminace materiálů a konstrukce reaktoru, což by zase mohlo pozitivně ovlivnit ovlivnit veřejné mínění a celkové náklady na provoz reaktoru, výrazně snížit náklady na jeho vyřazení z provozu. Problémem zůstává, že fúzní reakce využívající alternativní paliva je mnohem náročnější na údržbu, takže D-T reakce je považována pouze za nezbytný první krok.
Schéma reakce deuterium-tritium.Řízenou termonukleární fúzi lze použít různé druhy termonukleární reakce v závislosti na druhu použitého paliva.
Nejsnáze proveditelná reakce je deuterium + tritium:
2 H + 3 H = 4 He + n s energetickým výkonem 17,6 MeV.
Takováto reakce je z hlediska moderních technologií nejsnáze proveditelná, poskytuje významnou energetickou výtěžnost a komponenty paliva jsou levné. Jeho nevýhodou je uvolňování nežádoucího neutronového záření.
Dvě jádra, deuterium a tritium, se spojí a vytvoří jádro helia (částice alfa) a vysokoenergetický neutron.
Reakce - deuterium + helium-3 je mnohem obtížnější, na hranici možného, provést reakci deuterium + helium-3:
2 H + 3 He = 4 He + p s energetickým výkonem 18,3 MeV.
Podmínky pro jeho dosažení jsou mnohem složitější. Helium-3 je také vzácný a extrémně drahý izotop. V současné době se nevyrábí v průmyslovém měřítku.
Reakce mezi jádry deuteria (D-D, monofuel).
Možné jsou i reakce mezi jádry deuteria, jsou o něco obtížnější než reakce za účasti helia-3.
Tyto reakce probíhají pomalu souběžně s reakcí deuteria + helia-3 a při nich vzniklé tritium a helium-3 pravděpodobně okamžitě reagují s deuteriem.
Jiné typy reakcí. Možné jsou i některé další typy reakcí. Výběr paliva závisí na mnoha faktorech - jeho dostupnosti a levnosti, energetické výtěžnosti, snadnosti dosažení podmínek potřebných pro reakci termojaderné fúze (především teplotě), požadovaných konstrukčních vlastnostech reaktoru atd.
"Bezutronové" reakce. Nejslibnější jsou tzv. Reakce „bez neutronů“, protože tok neutronů generovaný termonukleární fúzí (například při reakci deuterium-tritium) odnáší významnou část energie a vytváří indukovanou radioaktivitu ve struktuře reaktoru. Reakce deuterium - helium-3 je slibná i z důvodu nedostatečného výtěžku neutronů.
10. Klasické představy o podmínkách realizace. termonukleární fúze a řízené termonukleární reaktory
TOKAMAK (TOroidal CAMERA with Magnetic Coils) je toroidní zařízení pro magnetické zadržení plazmatu. Plazma je drženo nikoli stěnami komory, které nevydrží její teplotu, ale speciálně vytvořeným magnetickým polem. Charakteristickým rysem TOKAMAKu je použití elektrického proudu protékajícího plazmatem k vytvoření poloidního pole nezbytného pro rovnováhu plazmatu.
TCB je možné, pokud jsou současně splněna dvě kritéria:
- teplota plazmatu musí být vyšší než 100 000 000 K;
- splnění kritéria Lawson: n · t> 5 · 10 19 cm –3 s (pro D-T reakci),
kde n- hustota vysokoteplotního plazmatu, t- doba zadržení plazmy v systému.
Teoreticky se má za to, že rychlost jedné nebo druhé termonukleární reakce závisí hlavně na hodnotě těchto dvou kritérií.
V současné době není řízená termojaderná fúze v průmyslovém měřítku dosud realizována. Ačkoli rozvinuté země postavily obecně několik desítek řízených termonukleárních reaktorů, nemohou zajistit řízenou termojadernou fúzi. Výstavba mezinárodního výzkumného reaktoru ITER je v rané fázi.
Jsou uvažována dvě základní schémata pro realizaci řízené termonukleární fúze.
Kvazistacionární systémy. Plazma se zahřívá a omezuje magnetickým polem při relativně nízkém tlaku a vysoké teplotě. K tomu se používají reaktory ve formě TOKAMAK, stelarátory, zrcadlové pasti a torsatrony, které se liší konfigurací magnetického pole. Reaktor ITER má konfiguraci TOKAMAK.
Impulzní systémy. V takových systémech se CNF provádí krátkodobým zahříváním malých terčů obsahujících deuterium a tritium ultravýkonným laserem nebo iontovými pulzy. Takové ozáření způsobí sled termonukleárních mikrovýbuchů.
Výzkum prvního typu termonukleárních reaktorů je mnohem pokročilejší než druhý. V jaderné fyzice se při výzkumu termojaderné fúze používá magnetická past k omezení plazmatu v určitém objemu. Magnetická past je navržena tak, aby zabránila kontaktu plazmatu s prvky termonukleárního reaktoru, tzn. používá se především jako tepelný izolant. Princip zadržení je založen na interakci nabitých částic s magnetickým polem, konkrétně na rotaci nabitých částic kolem siločar magnetického pole. Bohužel zmagnetizované plazma je velmi nestabilní a má tendenci opouštět magnetické pole. K vytvoření účinné magnetické pasti se proto používají ty nejsupervýkonné elektromagnety, které spotřebují obrovské množství energie.
Velikost termojaderného reaktoru je možné zmenšit, pokud se v něm současně použijí tři způsoby vytvoření termojaderné reakce.
Inerciální syntéza. Ozařte malé kapsle deuterium-tritiumového paliva laserem o výkonu 500 bilionů (5 x 1014) wattů. Tento obří, velmi krátký laserový puls o délce 10–8 s způsobí explozi palivových kapslí, což má za následek vznik minihvězdy na zlomek sekundy. Nelze na něm ale dosáhnout termonukleární reakce.
Současně používejte Z-machine s TOKAMAK. Z Machine funguje jinak než laser. Prochází sítí nejtenčích drátů, které obklopují palivovou kapsli, náboj s výkonem půl bilionu wattů 5 · 10 11 wattů.
Reaktory první generace budou s největší pravděpodobností pracovat na směsi deuteria a tritia. Neutrony, které se objeví během reakce, budou pohlceny štítem reaktoru a uvolněné teplo bude použito k ohřevu chladiva ve výměníku tepla a tato energie bude zase využita k otáčení generátoru.
Teoreticky existují alternativní paliva, která tyto nevýhody nemají. Jejich použití ale brání zásadní fyzické omezení. Pro získání dostatečného množství energie z fúzní reakce je nutné po určitou dobu udržet dostatečně husté plazma na fúzní teplotě (108 K).
Tento základní aspekt fúze je popsán součinem hustoty plazmatu n po dobu obsahu zahřátého plazmatu τ, který je nutný k dosažení rovnovážného bodu. Práce nτ závisí na druhu paliva a je funkcí teploty plazmatu. Směs deuterium-tritium vyžaduje ze všech paliv nejnižší hodnotu nτ alespoň o řád a nejnižší reakční teplotu alespoň 5krát. Tím pádem, D-T reakce je nezbytným prvním krokem, ale použití jiných paliv zůstává důležitý cíl výzkum.
11. Fúzní reakce jako průmyslový zdroj elektřiny
Energie z jaderné syntézy je mnohými výzkumníky považována za „přirozený“ zdroj energie z dlouhodobého hlediska. Zastánci komerčního využití fúzních reaktorů pro výrobu energie poskytují následující argumenty ve prospěch:
- prakticky nevyčerpatelné zásoby paliva (vodík);
- palivo lze získat z mořské vody na jakémkoli pobřeží světa, což znemožňuje monopolizaci paliva jednou nebo skupinou zemí;
- nemožnost nekontrolované syntézní reakce;
- nedostatek produktů spalování;
- není třeba používat materiály, které lze použít pro výrobu nukleární zbraně tím jsou vyloučeny případy sabotáže a terorismu;
- ve srovnání s jaderné reaktory, vzniká malé množství radioaktivního odpadu s krátkým poločasem rozpadu.
Odhaduje se, že náprstek naplněný deuteriem vyprodukuje energii odpovídající 20 tunám uhlí. Středně velké jezero může každé zemi poskytnout energii na stovky let. Je však třeba poznamenat, že stávající výzkumné reaktory jsou navrženy k dosažení přímé reakce deuterium-tritium (DT), jejíž palivový cyklus vyžaduje použití lithia k výrobě tritia, zatímco tvrzení o nevyčerpatelné energii se týkají použití deuteria. -deuteriová (DD) reakce ve druhé generaci reaktorů.
Stejně jako štěpná reakce ani fúzní reakce neprodukuje atmosférické emise oxidu uhličitého, který je hlavním přispěvatelem globálního oteplování. To je značná výhoda, protože využívání fosilních paliv pro výrobu elektřiny má za následek, že např. Spojené státy americké vyprodukují 29 kg CO 2 (jeden z hlavních plynů, které lze považovat za příčinu globálního oteplování) na osobu. ve Spojených státech za den.
12. Již existují pochybnosti
Země Evropského společenství vynakládají ročně na výzkum asi 200 milionů eur a předpokládá se, že bude trvat ještě několik desetiletí, než bude možné průmyslové využití jaderné fúze. Zastánci alternativních zdrojů elektřiny se domnívají, že by bylo účelnější tyto prostředky směřovat do zavádění obnovitelných zdrojů energie.
Bohužel i přes široce rozšířený optimismus (převládající od 50. let, kdy začaly první studie) se dosud nepodařilo překonat významné překážky mezi dnešním chápáním procesů jaderné fúze, technologickými možnostmi a praktickým využitím jaderné fúze, dokonce není jasné, do jaké míry je ekonomicky výhodné vyrábět elektřinu pomocí termojaderné fúze. Přestože pokrok ve výzkumu je neustálý, výzkumníci se tu a tam potýkají s novými výzvami. Úkolem je například vyvinout materiál, který vydrží ostřelování neutrony, které je podle odhadů 100krát intenzivnější než běžné jaderné reaktory.
13. Klasická představa nadcházejících etap vytváření řízeného termonukleárního reaktoru
Existují následující fáze výzkumu.
Rovnovážný nebo „průchodový“ režim: když se celková energie, která se uvolní během procesu syntézy, rovná celkové energii vynaložené na spuštění a podporu reakce. Tento poměr je označen symbolem Q... Rovnováha reakce byla prokázána na JET ve Velké Británii v roce 1997. Po vynaložení 52 MW elektřiny na její zahřátí získali vědci výkon, který byl o 0,2 MW vyšší než použitý. (Tyto údaje je nutné znovu zkontrolovat!)
Planoucí plazma: mezistupeň, ve kterém bude reakce podporována převážně alfa částicemi, které vznikají během reakce, a nikoli externím ohřevem.
Q≈ 5. Dosud nebylo dosaženo mezistupně.
Zapalování: stabilní odezva, která se sama udrží. Mělo by být dosaženo při vysokých hodnotách Q... Dosud toho nebylo dosaženo.
Dalším krokem ve výzkumu by měl být ITER, mezinárodní termonukleární experimentální reaktor. V tomto reaktoru je plánováno provedení studie chování vysokoteplotního plazmatu (hořícího plazmatu s Q≈ 30) a konstrukční materiály pro průmyslový reaktor.
Závěrečnou fází výzkumu bude DEMO: prototyp průmyslového reaktoru, který dosáhne zapálení a demonstruje praktičnost nových materiálů. Nejoptimističtější předpovědi pro dokončení DEMO fáze: 30 let. S přihlédnutím k přibližné době výstavby a zprovoznění průmyslového reaktoru nás od průmyslového využití termojaderné energie dělí asi 40 let.
14. To vše je potřeba zvážit
Ve světě byly postaveny desítky a možná stovky experimentálních termonukleárních reaktorů různých velikostí. Vědci přijdou do práce, zapnou reaktor, zdá se, že reakce proběhne rychle, vypnou jej, sedí a přemýšlejí. Jaký je důvod? Co dělat dál? A tak desítky let bezvýsledně.
Výše byla tedy historie lidského chápání termonukleární fúze na Slunci a historie lidských úspěchů při vytváření řízeného termonukleárního reaktoru.
Ušla se dlouhá cesta a hodně se udělalo pro dosažení konečného cíle. Ale výsledek je bohužel negativní. Nebyl vytvořen řízený termonukleární reaktor. Ještě 30 ... 40 let a sliby vědců se naplní. Budou tam? 60 let žádný výsledek. Proč by to mělo vyjít za 30 ... 40 let, a ne za tři roky?
Existuje další myšlenka o termonukleární fúzi na Slunci. Je to logické, jednoduché a skutečně vede k pozitivnímu výsledku. Tento objev V.F. Vlasov. Díky tomuto objevu mohou v blízké budoucnosti začít fungovat i TOKAMAKY.
15. Nový pohled na podstatu termojaderné fúze na Slunci a vynález "Metoda řízené termojaderné fúze a řízený termonukleární reaktor pro realizaci řízené termojaderné fúze"
Od autora. Tento objev a vynález je starý téměř 20 let. Dlouho jsem pochyboval, že jsem našel nový způsob, jak provést termonukleární fúzi a pro její realizaci nový termonukleární reaktor. Prozkoumal jsem a prostudoval jsem stovky prací v oblasti termonukleární fúze. Čas a přepracované informace mě přesvědčily, že jsem na správné cestě.
Vynález je na první pohled velmi jednoduchý a vůbec nevypadá jako experimentální termonukleární reaktor typu TOKAMAK. Podle moderních názorů autorit z vědy TOKAMAK je to jediné správné rozhodnutí a není předmětem diskuse. 60. výročí myšlenky fúzního reaktoru. Ale pozitivní výsledek - funkční termojaderný reaktor s řízenou termojadernou fúzí TOKAMAK je přislíben až za 30 ... 40 let. Pravděpodobně, pokud je 60 let, neexistuje žádný skutečný pozitivní výsledek, pak zvolená metoda technické řešení myšlenky - vytvoření řízeného termonukleárního reaktoru - mírně řečeno nesprávné nebo ne dost reálné. Pokusme se ukázat, že existuje jiné řešení této myšlenky založené na objevu termonukleární fúze na Slunci a liší se od obecně přijímaných představ.
Otevírací. Hlavní myšlenka objevu je velmi jednoduchá a logická, a je to tak ve sluneční koroně probíhají termonukleární reakce... Právě zde existují nezbytné fyzikální podmínky pro realizaci termonukleární reakce. Ze sluneční koróny, kde je teplota plazmatu přibližně 1 500 000 K, se povrch Slunce ohřeje až na 6 000 K, odtud se palivová směs odpařuje z vroucího povrchu Slunce do sluneční koróny.síla sluneční gravitace. To chrání povrch Slunce před přehřátím a udržuje teplotu jeho povrchu.
V blízkosti spalovací zóny – sluneční koróny, jsou fyzikální podmínky, za kterých by se měly měnit velikosti atomů a výrazně klesat Coulombovy síly. Při kontaktu se atomy palivové směsi spojují a syntetizují nové prvky s velkým uvolňováním tepla. Tato spalovací zóna vytváří sluneční korónu, ze které vstupuje energie ve formě záření a hmoty prostor... Fúzi deuteria a tritia napomáhá magnetické pole rotujícího slunce, kde se mísí a urychlují. Také z termonukleární reakční zóny ve sluneční koroně se objevují rychlé elektricky nabité částice a pohybují se s velkou energií směrem k vypařujícímu se palivu, stejně jako fotony - kvanta elektromagnetické pole, to vše vytváří nezbytné fyzikální podmínky pro termojadernou fúzi.
V klasických názorech fyziků se termonukleární fúze z nějakého důvodu neoznačuje jako spalovací proces (není zde myšlen oxidační proces). Fyzikální úřady přišli s myšlenkou, že termojaderná fúze na Slunci opakuje vulkanický proces na planetě, například na Zemi. Proto všechny úvahy, používá se metoda podobnosti. Neexistuje žádný důkaz, že jádro planety Země je v roztaveném kapalném stavu. Do takových hloubek se nemůže dostat ani geofyzika. Existenci sopek nelze považovat za důkaz tekutého jádra Země. V útrobách Země, zejména v mělkých hloubkách, probíhají fyzikální procesy, které jsou autoritativním fyzikům stále neznámé. Ve fyzice neexistuje jediný důkaz, že v nitru jakékoli hvězdy dochází k termonukleární fúzi. A v termonukleární bombě termojaderná fúze vůbec neopakuje model v nitru Slunce.
Při bližším vizuálním zkoumání vypadá Slunce jako kulový odměrný hořák a je velmi podobné spalování na velkém povrchu Země, kde mezi hranicí povrchu a spalovací zónou (prototyp sluneční koróny) je mezera. kterým se přenáší na povrch země. tepelné záření, který odpařuje např. rozlité palivo a tyto připravené páry se dostávají do spalovací zóny.
Je jasné, že na povrchu Slunce k takovému procesu dochází za jiných, odlišných fyzikálních podmínek. Podobné fyzikální podmínky, parametry poměrně blízké, byly stanoveny při vývoji návrhu řízeného termonukleárního reaktoru, Stručný popis a jehož schematický diagram je uveden v níže uvedené patentové přihlášce.
Abstrakt patentové přihlášky č. 2005123095/06 (026016).
"Metoda řízené termojaderné fúze a řízený termojaderný reaktor pro realizaci řízené termojaderné fúze."
Vysvětluji způsob a princip činnosti nárokovaného řízeného termojaderného reaktoru pro realizaci řízené termojaderné fúze.
Rýže. 1. Zjednodušené schéma UTYAR
Na Obr. 1 ukazuje schematický diagram UTYAR. Palivová směs, v hmotnostním poměru 1:10, stlačená na 3000 kg/cm 2 a zahřátá na 3000 °C, v zóně 1 mísí a vstupuje přes hrdlo trysky do expanzní zóny 2 ... V zóně 3 palivová směs se vznítí.
Teplota zapalovací jiskry může být libovolná požadovaná pro zahájení tepelného procesu - od 109 ... 108 K a níže, záleží na potřebné fyzické podmínky.
V zóně vysokých teplot 4 proces spalování probíhá přímo. Produkty spalování předávají teplo ve formě sálání a konvekce do systému výměny tepla 5 a směrem ke vstupní palivové směsi. Zařízení 6 v aktivní části reaktoru od kritického úseku trysky po konec spalovací zóny napomáhá ke změně hodnoty Coulombových sil a zvyšuje efektivní úsek jader palivové směsi (vytváří potřebné fyzikální podmínky).
Diagram ukazuje, že reaktor vypadá jako plynový hořák. Takový by ale měl být termonukleární reaktor a fyzikální parametry se samozřejmě budou stonásobně lišit od například fyzikálních parametrů plynového hořáku.
Podstatou vynálezu je opakování fyzikálních podmínek termojaderné fúze na Slunci za pozemských podmínek.
Každé zařízení na výrobu tepla, které využívá spalování, musí vytvářet tyto podmínky - cykly: příprava paliva, míchání, přívod do pracovního prostoru (spalovací zóna), zapalování, spalování (chemická nebo jaderná přeměna), odvod tepla z horkých plynů ve formě záření a konvekce a odstraňování produktů spalování. V případě nebezpečných odpadů - jejich likvidace. V deklarovaném patentu je toto vše uvedeno.
Hlavní argument fyziků o splnění Lowsenova kritéria je splněn - při zážehu elektrickou jiskrou nebo laserovým paprskem, stejně jako vypařování paliva odraženého od spalovací zóny, rychlé elektrické nabité částice a také fotony - kvanta elektromagnetického pole s energiemi vysoké hustoty je dosaženo teploty 109 .. .108 K pro určitou minimální plochu paliva, navíc hustota paliva bude 10 14 cm –3. Není to způsob a metoda pro splnění Lowsenova kritéria? Ale všechny tyto fyzikální parametry se mohou změnit, když vnější faktory ovlivňují některé další fyzikální parametry. Toto je stále know-how.
Zamysleme se nad důvody nemožnosti realizace termojaderné fúze ve známých termojaderných reaktorech.
16. Nevýhody a problémy obecně přijímaných pojmů ve fyzice o termonukleární reakci na Slunci
1. Je známo. Teplota viditelného povrchu Slunce - fotosféry - 5800 K. Hustota plynu ve fotosféře je tisíckrát menší než hustota vzduchu na povrchu Země. Obecně se uznává, že teplota, hustota a tlak uvnitř Slunce rostou s hloubkou a dosahují 16 milionů K ve středu, respektive (někteří říkají 100 milionů K), 160 g/cm 3 a 3,5 · 10 11 bar. Vlivem vysokých teplot v jádře Slunce dochází k přeměně vodíku na helium za uvolnění velkého množství tepla. Takže se věří, že teplota uvnitř Slunce je od 16 do 100 milionů stupňů, na povrchu je 5800 stupňů a ve sluneční koroně od 1 do 2 milionů stupňů? Proč takový nesmysl? Nikdo to nedokáže jasně a srozumitelně vysvětlit. Známá obecně přijímaná vysvětlení mají nedostatky a nedávají jasné a dostatečné pochopení důvodů porušování zákonů termodynamiky na Slunci.
2. Termonukleární bomba a termonukleární reaktor fungují na odlišných technologických principech, tzn. různě podobné. Je nemožné vytvořit termonukleární reaktor podobný provozu termonukleární bomby, což bylo při vývoji moderních experimentálních termonukleárních reaktorů přehlíženo.
3. V roce 1920 autoritativní fyzik Eddington opatrně naznačil povahu termonukleární reakce na Slunci, že tlak a teplota v nitru Slunce jsou tak vysoké, že tam mohou probíhat termonukleární reakce, při kterých se jádra vodíku (protony) spojují do jednoho celku. jádro helia-4. Toto je v současnosti všeobecně přijímaný názor. Ale od té doby neexistuje žádný důkaz, že termonukleární reakce probíhají v jádru Slunce při teplotě 16 milionů K (někteří fyzici věří, že 100 milionů K), hustotě 160 g/cm3 a tlaku 3,5 x 1011 bar, existují pouze teoretické předpoklady... Termonukleární reakce ve sluneční koroně jsou založeny na důkazech. Není těžké to odhalit a změřit.
4. Problém slunečních neutrin. Jaderné reakce probíhající v jádru Slunce vedou ke vzniku velkého množství elektronových neutrin. Podle starých koncepcí není vznik, přeměny a počet slunečních neutrin jasně vysvětlen a stačí to na několik desetiletí. V nových koncepcích termonukleární fúze na Slunci tyto teoretické obtíže chybí.
5. Problém s ohřevem korony. Nad viditelným povrchem Slunce (fotosférou), které má teplotu asi 6 000 K, se nachází sluneční koróna o teplotě více než 1 500 000 K. Lze prokázat, že přímý tepelný tok z fotosféry je nedostatečný k tomu, aby vedl na tak vysokou teplotu korony. Nové chápání termonukleární fúze na Slunci vysvětluje povahu takové teploty ve sluneční koroně. Právě v něm probíhají termonukleární reakce.
6. Fyzici zapomínají, že TOKAMAK je potřeba hlavně k tomu, aby obsahoval vysokoteplotní plazma a nic víc. Stávající a vznikající TOKAMAKY nezajišťují vytvoření nezbytných speciálních fyzikálních podmínek pro provádění termojaderné fúze. Z nějakého důvodu tomu nikdo nerozumí. Všichni tvrdošíjně věří, že deuterium a tritium by měly dobře hořet při mnohamilionových teplotách. Proč by najednou? Jaderný cíl jen rychle exploduje, místo aby hořel. Podívejte se pozorně na to, jak probíhá jaderné spalování v TOKAMAKU. Takový jaderný výbuch může odolat pouze silnému magnetickému poli velmi velkého reaktoru (snadno vypočítat), ale pak je účinnost takový reaktor by byl pro technické aplikace nepřijatelný. V nárokovaném patentu je problém zadržování termonukleárního plazmatu snadno vyřešen.
Vysvětlení vědců o procesech, které probíhají v nitru Slunce, nestačí k pochopení termojaderné fúze do hloubky. Nikdo nezvažoval procesy přípravy paliva, procesy přenosu tepla a hmoty dostatečně hluboko, ve velmi obtížných kritických podmínkách. Například jak, za jakých podmínek, vzniká plazma v hloubce, ve které dochází k termojaderné fúzi? Jak se chová atd. Ostatně přesně takto jsou technicky uspořádány TOKAMAKY.
Takže nový koncept termojaderné fúze řeší všechny stávající technické a teoretické problémy v této oblasti.
P.S. Je těžké nabízet jednoduché pravdy lidem, kteří po desetiletí věří v názory (domněnky) vědeckých autorit. Abychom pochopili, o čem nový objev je, stačí samostatně revidovat to, co bylo po mnoho let samo o sobě dogmatem. Pokud nové tvrzení o povaze fyzikálního účinku vyvolává pochybnosti o pravdivosti starých předpokladů, dokažte pravdu především sami sobě. To by měl udělat každý skutečný vědec. Objev termonukleární fúze ve sluneční koroně je dokázán především vizuálně. Termonukleární spalování neprobíhá v nitru Slunce, ale na jeho povrchu. Jedná se o speciální pálení. Na mnoha fotografiích a fotografiích Slunce je vidět, jak probíhá proces spalování, jak probíhá proces tvorby plazmatu.
1. Řízená termonukleární fúze. Wikipedie.
2. Velikhov E.P., Mirnov S.V. Řízená termonukleární fúze se dostává do domácího prostředí. Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research. ruština vědecké centrum Kurchatovův institut, 2006.
3. Llewellyn-Smith K. K termonukleární energii. Materiály přednášky přednesené 17. května 2009 ve FIAN.
4. Encyklopedie Slunce. Diplomová práce, 2006.
5. Slunce. Astronet.
6. Slunce a život Země. Rádiová komunikace a rádiové vlny.
7. Slunce a Země. Rovnoměrné kolísání.
8. Slunce. Sluneční Soustava. Obecná astronomie. Projekt "Astrogalaktika".
9. Cestujte ze středu Slunce. Populární mechanika, 2008.
10. Slunce. Fyzická encyklopedie.
11. Astronomický snímek dne.
12. Spalování. Wikipedie.
"Věda a technika"
