|
| |||||
Кузнецов | ||||||
|
Созданием иллюзий можно заниматься в любой сфере человеческой деятельности. Да Винчи, Пуанкаре, Тесла. Загадочные имена из прошлого, которое, как стало это известно в перестроечный период, более непредсказуемо, чем будущее. В духе оды, пропетой Жюль Верном техническому гению человека, более поздние, но неизвестные широкому кругу граждан авторы мифологизировали эти имена. Отдельная история зарождается буквально в наши дни с созданием эпохальной легенды ХХ века о Фрейде, Гассенди - Мессинге. Психология стала в наши дни ликвидным товаром, сулящим великие перспективы людям, сумевшим освоить данный предмет. Тем более что в прошлом, оказывается, есть тому очень много свидетельств. Даже в физике (благодаря невзрачному с виду, но потрясающе мужественному человеку со смешной фамилией Шноль) нашлись свидетельства правдивости гороскопов и звездных вековых влияний на судьбы планеты. А лет через пятьдесят создадут еще одну легенду уже про события, происходящие в наши времена. Легенду про Фарнсворта, Херша, Майли и Буссарда, легенду об инерционно-электростатическом удержании ионов тяжелого водорода. В России, к сожалению, этим сейчас серьезно не занимается никто, хотя пионерами в этой сфере, как почти всегда в истории человечества, были мы. Это печально, потому, что все, о чем пойдет речь дальше, технически тривиально просто и потенциально безумно перспективно. Как построить реактор ядерного синтеза Предупреждение. То устройство, которое можно собрать из вашего телевизора и холодильника не выведет вас за пределы Земли и не обеспечит дармовой энергией в пику Чубайсу. Хотя, кто знает, может быть через пятьдесят лет это утверждение может потерять свою категоричность. И, может быть, именно благодаря вам. Одному школьнику из США, например, удалось получить 106 нейтронов в секунду и премию в несколько тысяч долларов в результате подобных занятий. Американские бюрократы от науки условных бумажек со своими мертвыми президентами не жалеют. Потому, наверное, что не воруют огульно. Что надо сделать, чтобы собрать реактор? Перво-наперво, забыть о том, что для эффективного протекания реакции синтеза, например, в дейтерии необходимо разогреть его до ста миллионов градусов и удерживать, удерживать, удерживать, пока раскаленная плазма не просочится в какую-нибудь дырку и не разнесет все вокруг в дребезги. Этот подход оставляем богатым дядькам из американского Департамента Энергетики. Пусть строят Токамаки и реакторы с лазерно-пучковым разогревом ядерного топлива. Токамаками мы отомстили американцам за их СОИ, приведшей к экономическому поражению Советского Союза в холодной войне. Пара Токамаков по деньгам эквивалентна всему Шестому американскому флоту. Знай наших, мы тоже умеем блефовать. Инерционно-электростатический реактор – это обычный ускоритель, простейшей технологической реализацией которого является вакуумная трубка (электронная лампа). С такими же параметрами, как лампа в телевизоре. Спецификой этой вакуумной трубки является ее симметричность. Один из электродов, частично прозрачный (например, сделанный из металлической сетки, или из металлического цилиндра, или из двух параллельных друг другу металлических дисков, или… – подойдет все, что отвечает определению полого, частично прозрачного электрода), располагается в центре системы, окруженный симметричной системой электродов противоположного знака. Есть две концепции инерционно-электростатического удержания. Американцы называют их IXL и EXL. Устройства первого типа – так называемые «ионные ускорители», устройства второго типа – «ускорители электронов». В первом типе устройств центральным полупрозрачным электродом является катод, во втором типе устройств – анод. Не важно, что вы ускоряете, фокусируя к центру системы. В случае если это ионы, то, сталкиваясь, они сразу же начинают взаимодействовать с протеканием ядерных реакций. Если же это электроны, то, скопившись в центре, они формируют потенциальную яму (виртуальный катод), в поле которой ионы окружающей плазмы ускоряются, фокусируясь, к центру системы, а далее смотри первый случай. Одно очень-очень большое «но» заключается в том, что вероятность протекания ядерных реакций очень-очень маленькая. Вот вам оценка: для сечения ядерной реакции (DD), выраженного в барнах, т.е. в единицах, соответствующих 10-24 см2, в интервале энергий от 0 до 150 кэВ имеется эмпирическая формула: Второе, оно же самое сложное, что нужно забыть для построения инерционно-электростатического реактора, это список пригодных видов топлива. «Надо достать необходимое ядерное топливо». Эта фраза может легко остановить любое ваше благое начинание в этой сфере. Ведь в отношении радиоактивных материалов (например, трития (один протон с двумя нейтронами)) это просто невозможно, хотя, может быть, у вас кто-нибудь из родственников имеет доступ? Дейтерий (он же «тяжелый водород», в ядре – один протон, один нейтрон) и гелий-3 (два протона и один нейтрон) не радиоактивны, но где их в России взять в необходимых дозах? Дейтерий можно, кстати, получить гидролизом тяжелой воды, которую раньше (лет десять назад) можно было свободно купить, например, в ИПХ – институте прикладной химии. Конечно, если электрическая часть вашего прибора не очень сильна (до 100 кВ между электродами), то для получения хоть сколько-нибудь заметного количества нейтронов (с помощью которых вы потом сможете легко превращать элементы) особого выбора у вас нет, и вам волей-неволей придется проявить житейскую изворотливость. Но если вас тошнит от предпринимательства – у вас один путь: взяв иные химические элементы, совершенствовать электрическую часть, лезть в импульсный режим, или что-нибудь придумывать еще. Поверьте мне, поле тут еще не паханное. Возьмите себе на заметку: Перечисленные выше виды топлива предполагают осуществление следующих реакций: DD; DT и DHe3. Что может быть опасно? Реакции между двумя ядрами дейтерия (DD), или дейтерием и тритием (DT) приводят к выделению нейтронов. А в реакторе с реакциями между дейтерием и гелием-3 (DHe3), в которых нейтроны как бы не образуются, все равно будут протекать реакции (DD) с соответствующим нейтронным сопровождением. Разница между этими реакциями вот в чем: если работающий на полную мощность реактор с (DT) реакцией убьет вас за секунду, (DHe3) реактору потребуется на это около тридцати секунд. Спасти может экранировка (свинцовые пластины), или замедление нейтронов (обычно в жидкости). Хотя в том устройстве, которое можно собрать из бытовых электроприборов, скорее всего, нейтронов будет не так много, чтоб причинить вам хоть какой-нибудь вред. Как бы то ни было, личный дозиметр вам необходим, также как и пара детекторов нейтронов для контроля эффективности работы вашего реактора. Нейтроны в реакторостроении – не самоцель. Они нужны, как уже говорилась для превращения элементов. Если вы хотите стать такого рода алхимиками и получать редкие и, соответственно, дорогостоящие химические элементы, вам (кроме конструирования описываемого реактора) серьезно надо заняться также и технологиями извлечения из облученной нейтронами пробы (твердой, жидкой, или газообразной) малых концентраций требуемых элементов. Есть другая морковка, которая очень претенциозна, но чем бог не шутит? Это ядерный синтез с положительным выходом энергии и прямым преобразованием энергии выделяющихся в реакции ядерных частиц в электрическую энергию. Достаточно, чтобы заряженные энергичные частицы, полученные в ядерной реакции, преодолели соответствующую их энергии разность потенциалов между местом своего получения и внешним электродом, двигаясь против приложенного электрического поля. Вообще говоря, кроме дейтерия, трития, гелия-3, есть много типов ядер, которые могут обеспечить синтез, единственным эффектом которого будет получение энергии без побочных радиоактивных явлений. Большинство из них обычно не обсуждается, поскольку для их протекания требуется значительно более высокая энергия, чем для реакции DT. Так как создание условий для самой реакции DT уже являются значительным вызовом для термоядерных методов, другое топливо находится просто за рамками любых вопросов для Токамаков, или ICF систем (с лазерным поджогом топлива). В это же время, существующие препятствия для термоядерных устройств становятся почти тривиальными в случае сферических ускорителей с фокусной сходимостью ионного пучка. Просто подачей напряжения до двухсот киловольт, можно заставить электроны сформировать более глубокую потенциальную яму, и ионы будут быстрее устремляться в область фокуса. Это требует пропорционального увеличения размеров аппаратных средств, но не какого-то большого технологического прыжка. Среди возможных видов реакций для этой задачи наиболее предпочтительна с точки зрения вашей и окружающих вас людей безопасности реакция между обычным водородным ядром (протоном) и бором-11. Бор добывается из большого числа минералов, а также легко извлекается из морской воды. Около 80% естественного бора – изотоп бор-11. В реакция (pB11) два ядра сливаются, они формируют возбужденный углерод-12, который неустойчив и почти немедленно разваливается. За две короткие стадии, он сбрасывает энергичную альфа-частицу (гелиевое ядро), а затем остальное ядро разделяется также на пару альфа-частицы. Первая частица, уносит 43% энергии реакции и улетает с энергией в точности 3.76 МэВ, что оказывается очень удобно для использования ее энергии для прямого преобразования в электрическую. Другие две альфы разлетаются в среднем с энергией 2.46 МэВ каждая с некоторым распределением энергии. Что тоже удобно, хотя эффективность преобразования энергии будет несколько ниже, чем в случае первой альфы. Если альфа-частица, имеющая заряд +2, «поцелуется» с заряженной поверхностью и вытащит из нее два электрона, она произведет ток при высоком напряжении. Этот метод используется, чтобы извлекать небольшие дозы электрической энергии из альфа-радиоактивных веществ, и должен также хорошо работать для большого реактора правильной конфигурации. Правильная конфигурация является сферической вакуумной камерой (что наш реактор совершенно случайно из себя и представляет) с несколькими заряженными сетками, чтобы выбирать более низкие по энергии альфа-частицы, и внешней стенкой заряженной, чтобы принимать на себя высоко-энергичные альфа- частицы. Этот подход должен обеспечить достижение 95% преобразования энергии синтеза в электричество (остальное теряется из-за тормозного излучения и некоторых других незначительных механизмов). Это просто замечательная ядерная реакция, которая позволяет преобразовать почти всю произведенную энергию непосредственно в высококлассную электрическую энергию! Наконец, реакция не дает никаких нейтронов или высокоэнергичных гамма- лучей. Есть небольшое, легко экранируемое, «тормозное излучение» (в основном рентгеновское) от столкновений между ионами. Альфа-частица опасна, если она попадает в ваше тело, но может быть остановлена тонким экраном, и, по существу, безвредна в камере реактора. Как только альфа-частица захватывает два электрона, она становится гелием, безвредным инертным газом. Третье. Если вы уже забыли все, что необходимо было забыть, можете приступать к конструированию. Наиболее дорогим компонентом является вакуумная система. Необходимое давление (10-2-10-4 мм рт. ст.) может быть достигнуто простым механическим ротационно-лопастным откачивающим насосом (двухступенчатый насос «Микрон», применяемый для ремонта холодильников вполне подойдет), если камера компактная и имеет хорошее уплотнение, хотя предпочтительней было бы иметь более совершенную систему откачки. Будут нужны также вакуумная камера из металла с толстым стеклянным окошком для наблюдений и кое-что из высоковольтных и стандартных электрических соединений. Например, для высоковольтной изоляции можно применить свечи зажигания, а проволоку от них – в качестве высоковольтного кабеля. В домашних условиях вакуумное оборудование может быть сделано из лампочек, или старых телевизионных вакуумных ламп. Особое внимание надо уделять герметичности соединений. Можно добиться синего свечения в фокусе сходящегося ионного пучка, применив трансформатор из электропечи и пару высоковольтных диодов. Это обеспечит подачу на электроды около пяти тысяч вольт. Такой трансформатор не обеспечит существенного протекания реакций синтеза, но позволит реализовать красивое свечение, способное обеспечить демонстрацию эффекта сходимости. Надо знать, чем больше напряжение, тем лучше, хотя большие напряжения и высокие токи опасны для человеческого сердца. Сами катодные сетки реактора будет стоить копейки и на их сборку потребуется примерно час, если у вас есть небольшая точечная сварка. Каждая сетка может быть собрана из шести сваренных между собой колец нержавеющей стальной проволоки. Предпочтительно использовать провода диаметром 0.025 дюймов, которые дешевы и легки в обработке. Монтаж проволочных колец, чтобы получилась геодезическая сфера, является упражнением на аккуратность. Размеры могут быть скорректированы, чтобы соответствовать вашему прибору, а точность соблюдения диаметра не главное, также как на удивление неважно, чтобы сетки были идеально сферическими. При более высоком давлении (около одной стотысячной атмосферного давления), система будет работать в «режиме тлеющего разряда», также как работает неоновая вывеска. Это - легкий путь, так как он не требует никаких причудливых электронных пушек, или дополнительных блоков питания. Те, у кого есть доступ к более мощным вакуумным системам, могут отважиться на более низкое давление, когда ионная осцилляция становится значительно более эффективной. Однако в таких системах, чтобы генерировать ионы, требуется дополнительный источник электронов, или ионов. Для этого существует множество путей, но они слишком сложны для начинающих. Исследуйте также импульсный режим. Говорят, в импульсном режиме в области высоких частот и больших амплитуд напряжения можно работать и при атмосферном давлении. Хотя, врать не буду, точных данных у меня нет. Ну вот, а теперь пришло время создавать очередную иллюзию... Часть ее уже написана Томом Лигоном (Том Ligon), которому я очень благодарен за идею этой статьи и часть материала для нее. Вот она в своем каноническом виде: Приблизительно в то же время, когда впервые разрабатывались линейные ускорители, велась и разработка вакуумных трубок, или (по-другому) электронных ламп. Один из самых известных исследователей в этой области Ирвинг Ленгмюр (Irving Langmuir) разработал теорию и подтвердил экспериментами принцип «ограничения тока пространственным зарядом» между элементами трубки составленной из концентрических цилиндров. В 1924, Ленгмюр и Катарина Блодгет (Katharine Blodgett) исследовали случай концентрических сфер в качестве конфигурации для вакуумной трубки. Но, несмотря на хорошую работу этого устройства, большее распространение получила конфигурация трубки с концентрическими цилиндрами, которую было значительно легче изготавливать. В середине 1950-х, Ф. Т. Фарнсворт (P. T. Farnswort) (один из изобретателей телевидения) анализировал яркое видимое сходящееся фокусное свечение, которое формируется в центре сферических трубок и пришел к идее использовать сферический диод с внутренним электродом в форме очень прозрачной проводной сетки (то есть тот же открытый сетчатый экран), в качестве устройства для организации ядерного синтеза. Названное «Фьюзор» («Fusor»), устройство, позже запатентованное в США, должно было приводить к ускорению элементов, служащих горючим для реакции синтеза, к центру камеры. Так как они фокусировались в центральной области, их плотность должна была значительно увеличиться, делая столкновения более вероятными. Ионы, которые не испытали столкновения, должны были замедляться по другую сторону ядра, останавливаться, и ускоряться к центру для другой попытки, сохраняя свою энергию. Класс устройств, основанных на этом принципе, получил название «сферические фокусирующие сходящиеся электростатические ионные ускорители», с сокращением IXL, чтобы помнить о применении в них сеток для ускорения ионов. Поскольку для ускорения и удержания ионов используются электростатические силы, а сохранение энергии ионов основано на использовании инерции, для устройств этого типа был также применен термин инерционно-электростатическое удержание (IEC). Проблемой этих устройств явилась конечная прозрачность катодных сеток. Пучок ионов истощался быстрее, чем они успевали вступить в реакцию слияния. В 1959 Элмор, Так и Ватсон (Elmore, Tuck, Watson) изучили идею изменения полярности «Фьюзора», т.е. подключения его наоборот, чтобы ускорять электроны из внешней сферы (от катода) во внутреннюю сферу (к аноду). Внутренняя сфера такого устройства является сеткой, которая формирует геодезическую «потенциальную поверхность», к которой электроны стремятся как будто она твердый электрод. Тем не менее, когда они достигают этого «электрода», электроны в большинстве своем напрямую пролетают внутрь и, сходясь со всех сторон, устремляются к центру, а затем (если с ними ничего плохого не случается) вылетают оттуда с другой стороны. В результате в центре внутренней сферы образуется область с высокой плотностью отрицательного заряда, называемая «виртуальным катодом». Эта область должна притягивать положительно заряженные ионы, которые немедленно принимаются совершать колебания взад и вперед через центральный регион. Если электронов инжектировано в систему больше чем ионов, должна формироваться «потенциальная яма», в которой ионы захватываются избыточным отрицательным зарядом. Интересно, что ион, колеблющийся внутри анодной сетки захватывается на почти неопределенно долгое время. На самом деле это не совсем так, да и электроны должны все-таки проходить через сетку (!), что означает, в конечном счете, что большая их часть должна попадать на нее. В зависимости от «прозрачности» сетки электрон мог бы совершать от 10 до 50 осцилляций прежде, чем попасть на сетку, что приводит к необходимости ввода в систему другого электрона и соответствующей электрической мощности. Поскольку электроны должны численно значительно превосходить ионы, исследователи ожидали, что это устройство в состоянии обеспечивать синтез только в исключительно малых масштабах и решили, что на его основе невозможно создать практический энергетический ядерный реактор. Концепция Элмора, Така и Ватсона получила название электронного ускорителя, или EXL. В 1967 Роберт Л. Херш (Robert L. Hirsch) опубликовал статью, описывающую устройство, состоявшее из концентрических сфер, которое давало «обильную нейтронную эмиссию». Херш (работавший в фарнсвортовской лаборатории ITT) с восторженного одобрения Фарнсворта использовал конфигурацию IXL, с катодом (отрицательной сеткой) в центре и анодом (положительном) снаружи. Его устройство было сферической версией линейного ускорителя: положительные ионы, формировавшиеся вблизи анода, ускорялись к центральному катоду. Ускоренные частицы также обычно пролетали внутреннюю сетку насквозь, устремляясь к центру устройства. Там они имели верный шанс испытать столкновение, и очень важно, что все частицы имели энергию, достаточно высокую для протекания реакций синтеза. Если они избегали столкновения, или испытывали столкновения без протекания реакции синтеза, они попадали на противоположную сторону катода, сохраняя энергию для следующего прохода через центр системы. Хотя не все столкновения были лобовыми, не прореагировавшие частицы сохраняли большую часть своей начальной энергии. И не имело значения, в каком направлении произошло рассеяние, так как все такие направления приводили к движению как бы «в гору», против градиента потенциала, так что частицы потом замедлялись, и принимались скатываться «под гору» для следующей попытки. Как и в концепции Элмора, Така и Ватсона, потери из-за столкновений с сеткой не позволяли реактору достигнуть энергетического порога (это когда выход энергии от реакции становится равным энергии, затрачиваемой на ее обеспечение), но, тем не менее, выход нейтронов был значительным. Д-р Херш подавал на внутреннюю сетку своего устройства напряжение до 150,000 вольт, при токах вплоть до 60 мА. Используя DD и DT, оно обеспечивало интенсивный синтез, но значительно ниже энергетического порога. Достигнутая нейтронная эмиссия (согласно опубликованным результатам порядка миллиарда нейтронов в секунду, и согласно неопубликованным результатам около триллиона нейтронов в секунду!) сегодня была бы признана опасной. Херш также собрал устройство Элмора, Така и Ватсона EXL и подтвердил, что оно действительно создает глубокую потенциальную яму. Далее пришло время Буссарда и Майли. Д-р Джордж Майли (George Miley) из Университета Иллинойс примерно в 1997 году придумал, как упростить инерционно-электростатические устройства, избавившись в них от дополнительных источников ионов, или электронов. Фактически, он использовал известный задолго до этого разряд с полым катодом. Только организовал его в системе с инерционно-электростатической конфигурацией электродов. И у него получился неожиданный результат. Было показано, что существует режим «звезда», в котором осцилляция ионов концентрируется, в основном, внутри ячеек сетки, радикально уменьшая потери. Также оказалось, что синтез в основном происходит не в центральном ядре, а сразу за пределами фокуса области сходимости пучка, где доминируют прямые столкновения, что не учитывалось в раннем анализе. Все это значительно приблизило (но не до конца) теоретически предсказываемый энергетический порог реактора. Самое главное, что был намечен путь: в общем говоря, сетки должны исчезнуть! Когда жизнь преподносит вам лимон, она говорит, что вы должны сделать его лимонадом. Д-р Буссард примерно в то же время бился над другим своим изобретением, небольшим Токамаком, имевшим название Ригатрон (Riggatron), который вроде бы мог достигнуть пограничного режима, но оказался слишком дорогим, чтобы быть сконструированным за доступные деньги. Огромная энергия, требовавшаяся, чтобы повысить магнитное поле до уровня, позволяющего удерживать плазму, приводила к необходимости конструирования чудовищного генератора с маховым колесом, стоимость которого (даже одного) значительно перекрывала весь бюджет. Проблема с Токамаками, как он понял, была в том, что ионы слишком, черт возьми, тяжелы, чтобы захватываться магнитными полями, особенно в условиях ядерного синтеза. Да, использование сверхпроводников, или установка медных катушке очень близко к плазме и эксплуатация их на самом пределе, может позволить удержать ионы легких элементов, подобных дейтерию и тритию, но при столкновениях, они будут перепрыгивать на другие силовые линии поля, если поля не будут достаточно мощными. Мощность полей, которую следовало для этого получить, была убийственной проблемой. Жаль подумал Буссард, что ионы не так просто удерживать магнитными полями как электроны. Поскольку электроны в тысячу раз более легки, чем ионы, используемые в качестве горючего для реакций синтеза, они легко захватываются значительно более слабыми магнитными полями. Если бы небольшой Токамак содержал только электроны, в нем можно было бы эффективно достигнуть и высокой энергии, и плотности. И затем случилось озарение. Нужно было просто сконструировать EXL устройство с магнито- изолированными сетками. Намагниченные сетки должны ускорять электроны также хорошо, как и сетки из проволоки, но электроны тогда не смогут попадать на сетку. Ионы, сформированные как раз в области сетки, попадали бы в потенциальную яму и совершали бы в ней колебания, пока не провзаимодействовали, совсем не контактируя с сетками, и эффективно удерживаемые только электростатическим потенциалом. Время от времени казалось, что в теории существуют неразрешимые противоречия, но всякий раз, когда в результате тщательного анализа находилось решение, теория работала даже лучше. А в качестве топлива для такого реактора Буссард предложил реакцию (pB11). Майли и Буссард способствовали значительному технологическому скачку в области инерционно-электростатического удержания, но главное, что они сделали – это указали на возможность подключения к практическому исследованию этой проблемы самых широких масс ученых, и даже не очень подготовленных дилетантов. Пропаганда этой замечательной возможности началась практически сразу. Сначала в Америке, затем в Японии, и вот докатилась и до России. Одновременно с Фарнсвортом, даже ранее его на какой-то год, аналогичные схемы в Советском Союзе изучались Лаврентьевым. Его группа успешно работала до самого краха социалистической действительности, а затем наступила тишина, которая была нарушена в 2005 году… |
| |||||
| ||||||
Copyright © 2005 shosh.ru При использовании материалов сайта ссылка на shosh.ru обязательна. | ||||||