Достать звезду с неба. Термояд (ч.1)

Аватар пользователя Антон

Вдохновившись во время отпуска трудами AY, решил написать небольшую серию заметок про незаслуженно, на мой взгляд, обделяемую вниманием (и средствами) сильными мира сего тему управляемого термоядерного синтеза. Почему-то субсидировать зелёную энергетику на десятки лярдов евро в год - это нормально, а потратить 10 млрд $ за 10 лет на ИТЭР - это много. Но обо всём по порядку.

Старался писать так, чтобы текст был понятен любому, имеющему среднее образование, при этом не опуская важных моментов. Понимаю, что среди читателей есть немалое число специалистов в данной области, поэтому буду рад ценным замечаниям, уточнениям и дополнениям. 

Итак...

Итак, 10 лет назад мы сказали, что потребуются 20 лет, чтобы синтез заработал,

и сейчас мы скажем, что потребуются 20 лет, чтобы заставить синтез работать,

так что нашу позицию мы не изменили»

Министр технологии Британии Энтони Бенн, 1967

Между первым испытанием атомной бомбы летом 1945 года и запуском первой атомной электростанцией летом 1954, прошло менее 10 лет.  Советские учёные подчинили энергию деления тяжелых ядер и сумели использовать её в созидательных целях в рекордно короткие сроки. 

Аналогичные надежды возлагали учёные на мирное использование энергии термоядерного синтеза. Однако, к сожалению, всё оказалось не так просто.

Немного теории.

Заранее прошу прощения за наличие в тексте некоторых элементарных вещей из школьной программы, но так заметка будет более стройная. Кроме того ясно, что не все имеют отношение к физике, а многие уже забыли, что проходили.

Чтобы удалить из атомного ядра один нуклон (протон или нейтрон), необходимо затратить определённую энергию. Эта энергия называется энергией связи. Её величина равна разности массы ядра с суммой масс протонов и нейтронов, из которой оно состоит, умноженной на квадрат скорости света (Энштейновскую формулу E=mc2, думаю, все знают). То есть получается, что часть массы исходных частиц тратится на связь частиц между собой.

Эта энергия зависит от атомного веса ядра. Зависимость выглядит вот так:

Видно, что до ядер с массой 60, энергия связи увеличивается, то есть при получении ядра (с массой до 60) из более лёгких всегда будет выделяться энергия, так как масса итогового ядра будет меньше массы исходных. (Аналогично, что при делении тяжёлых ядер типа урана, тоже выделяется энергия, но также по графику видно, что при синтезе лёгких ядер энергии можно извлечь больше).

Сам механизм синтеза предельно прост для понимая. Два ядра надо сблизить настолько, чтобы в дело вступило короткодействующее сильное взаимодействие, то есть чтобы две частицы "слились" в одну. Этому будет мешать известное со школы кулоновское отталкивание протонов. В цифрах это выглядит очень здорово. Чтобы сблизить на достаточно близкое расстояние два изотопа водорода (протон + 1 или 2 нейтрона) надо затратить энергию  около 0,15 МэВ (1 эв = 1,6*10-19Дж), при этом в результате синтеза выделяется до 17,6МэВ (реакция D+T (дейтерий + тритий)). 

То есть, столкнув два изотопа водорода на больших скоростях можно получить атом гелия с выделением энергии в 100 раз большей, чем было затрачено на разгон исходных частиц. Казалось бы, всё просто, наливай да пей, поставь мишень и бомби её разогнанными частицами. Однако жизнь оказалась немного сложнее.

Проблема в том, что далеко не каждое столкновение приводит к синтезу (а лишь одно на 100 000). Кроме того происходит ряд других процессов, которые отнимают переданную энергию и делают синтез невозможным. Поэтому реакция с положительным выходом энергии становится возможна только при очень высоких температурах, когда вещество превращается в плазму.

Вероятность реакции синтеза описывается  величиной, называемой сечение реакции. Сечение зависит от энергии взаимодействующих частиц таким вот образом:

По оси ординат здесь сечение реакции( измеряется в см2 или барнах, 1б = 10-24 см2)  , по оси абцисс – энергия налетающей частицы в КэВ)

Понятно, что для каждой пары частиц сечение своё. И как видно, наиболее «просто» и при наименьших энергиях реакция идёт при столкновении дейтерия и трития, именно эту реакцию и будут пытаться получить в ИТЭРе (но об этом немного позже).  

Параметры других реакций (в будущем некоторые ещё пригодятся) приведены в таблице:

p – протон

n - нейтрон

D – дейтерий (p+n)

Т – тритий (p+2n)

Также присутствуют изотопы Гелия и Лития.

Из таблицы видно, что смесь D-T выигрывает и по другим параметрам, а не только максимальному сечению реакции.

Таким образом, для положительной разницы полученной и затраченной энергий, должны находиться в определённом соотношении следующие величины: 

  • Температура (задаётся реакцией, которую необходимо получить, для смеси D-T – это 100 миллионов градусов);
  • плотность частиц (чтобы частицы сталкивались достаточно часто);
  •  время удержания смеси (чтобы частицы сталкивались достаточно долго).

Критерий, связывающий эти параметры, при котором система начинает выдавать больше, чем получила, был установлен в 1957 году американским учёным Лоусоном.

Графически критерий Лоусона выглядит так:

Произведение плотности частиц на время удержания для данной конкретной реакции находится в зависимости от температуры (указаны различные КПД преобразования энергии синтеза в электроэнергию)

Считается, что для смеси D-T произведение n*t должно быть более чем 2*1014 c*см-3.

Такое условие даёт два пути для зажигания реакции ядерного синтеза – увеличение концентрации на короткий промежуток времени, либо создание стабильной системы с большим временем реакции, но небольшими концентрациями. Уже в 50-е годы учёные начали работы в обоих направлениях.

А вот почему мы, спустя уже 50 лет, до сих пор жжём углеводороды и когда, наконец зажжём на Земле созидающую звезду (разрушающих взорвали достаточно много) – в следующих статьях.

Комментарии

Аватар пользователя AndrewX
AndrewX(11 лет 3 месяца)

Основной популяризатор сейчас Андрей Скляров, усиленно раскручиваемый на ТВ. Если вкратце то вот.

Аватар пользователя nictrace
nictrace(12 лет 1 месяц)

планета пухнет (по крайней мере, пухла в эпоху образования материков) по другой причине.

картинки вроде этой - фигня

в действительности материки образовывали скорлупу, океанов не было.

Аватар пользователя e.ginseng
e.ginseng(12 лет 2 месяца)

Согласно безумному андрею николаевскому - планета - это генератор вещества, земля пухнет, и когда-то взорвется новым солнцем. Там внутри не просто термояд - там синтез вещества из вакуума, используя частотный градиент полевой матрицы (по его терминологии - физической арены)

Аватар пользователя nictrace
nictrace(12 лет 1 месяц)

бляяя... ой, пардон!

это слишком гениально для меня...

Аватар пользователя Антон
Антон(12 лет 2 месяца)

просто у нас нет такой травы )

Аватар пользователя Vneroznikov
Vneroznikov(12 лет 3 месяца)

Господи, ну накажи же этих..... употребляющих слова, смысла которых они не понимают, всуе. Частотный. Градиент. Полевой. Матрицы. Охренеть.

Аватар пользователя e.ginseng
e.ginseng(12 лет 2 месяца)

Все претензии автору !

http://prometheus.al.ru/phil/nikolaevski/nikolaevski.htm

Аватар пользователя Vneroznikov
Vneroznikov(12 лет 3 месяца)

Я посмотрел. Это взрыв мозга...

Аватар пользователя e.ginseng
e.ginseng(12 лет 2 месяца)

Особенно мне понравилось про блуждающие дырки от распавшихся ядер, которые проникают сквозь все преграды и разрушают днк. А потом удивляемся, почему на АШе такие тупые комментарии - виноваты дырки !

Аватар пользователя Already Yet
Already Yet(11 лет 11 месяцев)

Планета греется за счёт цветовой дифференциации штанов гравитационной дифференциации недр (говно всплывает, камни тонут) и за счёт распада ядер.

Похер, что ядер мало, похер, что распадаются медленно. Шарик Земли настолько громадный, что пока эта тепловая энергия дочапает до поверхности, тысячи лет проходят. Вот и греет опускание железа с иридием и распад урана и тория понемногу наш шарик.

Для термояда там температуры смешные.

Аватар пользователя nictrace
nictrace(12 лет 1 месяц)

а водичка откуда?

Мне вт кажется, это результат восстановления оксидов водородом. Не кометы ж нападали, в самом деле :)

Аватар пользователя e.ginseng
e.ginseng(12 лет 2 месяца)

Оксидов чего ? Кроме углерода серьезных кандидатов не вижу. Вы как бы намекаете на механизм образования нефти из углекислоты ? По моему углекислота и водород очень распостранены на планетах после марса...

Аватар пользователя nictrace
nictrace(12 лет 1 месяц)

оксидов металлов естественно :)

очень популярная реакция у химиков. Тепловой эффект, правда, отрицательный, но там в ядре этого добра (нагревателей) хватает.

Аватар пользователя e.ginseng
e.ginseng(12 лет 2 месяца)

Согласно Вашей теории на земле должны быть соизмеримые с водой запасы восстановленных металлов. А таких залежей нет, видимо сволочи аннунаки все вывезли. А вот восстановленного углерода достаточно много, и не факт что нефть и уголь органического происхождения...

Аватар пользователя nictrace
nictrace(12 лет 1 месяц)

кто сказал что нет? Может, просто мелко копали? :)

Аватар пользователя Omni
Omni(11 лет 7 месяцев)

И не только металлы из оксидов восстанавливаются.

Аватар пользователя Homo 2.0
Homo 2.0(10 лет 11 месяцев)

А их как раз дохрена. Около 30% массы шарика - всякие металлы, в разных видах, в том числе чистое железо. Только они, согласуясть с логикой гравитации (то что портяжелее, -ближе к центру) находятся внутре нашей матушки-Земли. То что мы имеем в литосфере и гидросфере, - мизер, а то что имеем в виде концентрированных месторождений, - мизер от этого мизера.

Комментарий администрации:  
*** Средний россиянин нищ не только энергетически, но и мозгами (c) ***
Аватар пользователя joyko
joyko(12 лет 1 месяц)

Теория относительности состоит из двух частей. Более простая - Специальная Теория Относительности. Более сложная - Общая Теория Относительности. СТО никак не опирается на ОТО, СТО она сама по себе. ОТО - опирается на СТО, включает её как свою составную часть.

ОТО - это сейчас передний край науки. Хотя мало сомнений в её истинности, экспериментальных подтверждений её не так уж много, порядка десятка (экспериментальных опровержений - ноль). Что же касается СТО, то это давно уже никакой не передний край науки, а давно пройденный этап, вроде теории паровых двигателей или законов оптики. Когда требуют "привести экспериментальное подтверждение СТО", то это прямо-таки вгоняет в ступор. С тем же успехом можно требовать "подтверждение закона всемирного тяготения". СТО давно уже подтверждается не какими-то сложнейшими экспериментами - а повседневной окружающей реальностью. На СТО основаны бытовые приборы народного потребления. Без неё не будет работать ни телевидение, ни автомобильный навигатор.

Да, тут упоминалось, что авторство Эйнштейна несколько сомнительно. Это действительно так. Но то, что СТО была создана Лоренцем, а ОТО - Гильбертом, никак не подразумевает ошибочность этих теорий.

Аватар пользователя Vneroznikov
Vneroznikov(12 лет 3 месяца)

При этом на Нобелевскую Премию Эйнштейна номинировал именно сам Лоренц :)

Аватар пользователя nictrace
nictrace(12 лет 1 месяц)

Красное смещение - чем не подтверждение ОТО?

Аватар пользователя joyko
joyko(12 лет 1 месяц)

Я и говорю, ОТО имеет штук 10 подтверждений. Что конечно гораздо меньше, чем у СТО

Аватар пользователя Omni
Omni(11 лет 7 месяцев)

Если-б неподвижные относительно нас галактики давали красное, только тогда да.

Аватар пользователя Homo 2.0
Homo 2.0(10 лет 11 месяцев)

Уважаемые камрады.

Обясните мне пожалуйста, как можно,надеясь на положительный КПЕ, удержать с помощью вырабатываемой энергии, ту самую энергетическую сущность, которая эту энергию вырабатывает. Ведь это типично барон-менхаузосовское вытягивание самого себя из болота, за косичку парика.

Поясню свои соображения на примере гипотетического ДВС:

допустим, у нас, для постройки цилинра и поршня,  нет в распоряжении такого прочного материала как металл, дерево или камень, а есть лишь только нечто более-менее эластичное, вроде как латекс. И мы принимаем инженерное решение организовать сжатие и удержание энергии взрыва топливо-воздушной смеси в камере сгорания, изготовленной из того  что есть (то есть типа латекса), снаружи для прочности и удержания подпертого давлением газа или жикости, создаваемым внешним компрессором, который, разумеется, хотим запитать от нашего же ДВС. По моему, совершенно очевидно то, что КПЕ такой установки не может быть больше еденицы. Разве нет тут прямой аналогии с токамаком, камеру сгорания которого мы хотим создать из магнитных полей (то есть из чистой энергии), которую мы хотим извлекать из той же самой реакции, которую собираемся удерживать?! Разве может взрыв, пусть и термоядерный, дать больше энергии чем та, которая нужна для его удержания??

Поясните мне где и в чем я ошибаюсь.

Комментарий администрации:  
*** Средний россиянин нищ не только энергетически, но и мозгами (c) ***
Аватар пользователя Антон
Антон(12 лет 2 месяца)

Пардон, только сейчас увидел комментарий.

Мы удерживаем не взрыв, а плазму. Энергию синтеза нам как раз не надо удерживать, нам надо её использовать (хотя бы на нагрев воды). Во второй статье про это довольно много сказано.

Аватар пользователя Homo 2.0
Homo 2.0(10 лет 11 месяцев)

для того чтобы удержать что-то имеющее мощность W, надо либо иметь материал, который способен противостоять этой мощности, либо тратить  такуюже мощность W на создание противосилы. Разве не так?

Комментарий администрации:  
*** Средний россиянин нищ не только энергетически, но и мозгами (c) ***
Аватар пользователя Антон
Антон(12 лет 2 месяца)

Ну работа ядерных реакторов вас не смущает ? Тут то же самое, только источник энергии другой.

Аватар пользователя Homo 2.0
Homo 2.0(10 лет 11 месяцев)

в ядерном реакторе как и во всех остальных тепловвых машинах функция удержания лежит на материале. А токомаке на поле.

Комментарий администрации:  
*** Средний россиянин нищ не только энергетически, но и мозгами (c) ***
Аватар пользователя Антон
Антон(12 лет 2 месяца)

Так токомак удерживает не взрыв, а плазму, то есть ионы и электроны. То есть условно говоря надо лишь немного подправлять частицы, чтобы срыва не было. А когда срыв наступает, то его уже никаким полем не удержишь.

Аватар пользователя Homo 2.0
Homo 2.0(10 лет 11 месяцев)

сколько нужно потратить, чтобы "подправить" электрон в 1МЭв который уходит по нрмали?

Комментарий администрации:  
*** Средний россиянин нищ не только энергетически, но и мозгами (c) ***
Аватар пользователя Антон
Антон(12 лет 2 месяца)

Это зависит от размеров камеры, но тех, которые по нормали уходят, уже не ловят. Поля изначально так устроены, траектория частиц получается внутри "бублика":

Во второй статье более подробно: http://aftershock.news/?q=node/28447

Аватар пользователя Homo 2.0
Homo 2.0(10 лет 11 месяцев)

Понятно, спасибо. И за ссылку, тоже.

Комментарий администрации:  
*** Средний россиянин нищ не только энергетически, но и мозгами (c) ***

Страницы