Untuk memahami proses kelahiran dan perkembangan idea tentang pelakuran termonuklear pada Matahari, adalah perlu untuk mengetahui sejarah idea manusia tentang memahami proses ini. Terdapat banyak masalah teori dan teknologi yang tidak larut dalam mencipta reaktor termonuklear terkawal di mana proses mengawal pelakuran termonuklear berlaku. Ramai saintis, dan terutamanya pegawai sains, tidak biasa dengan sejarah isu ini.
Kejahilan tentang sejarah pemahaman dan pemahaman manusia tentang pelakuran termonuklear di Matahari yang membawa kepada tindakan salah pencipta reaktor termonuklear. Ini terbukti dengan kegagalan kerja selama enam puluh tahun untuk mencipta reaktor termonuklear terkawal dan pembaziran sejumlah besar wang oleh banyak negara maju. Bukti yang paling penting dan tidak dapat disangkal: reaktor termonuklear terkawal belum dicipta selama 60 tahun. Selain itu, pihak berkuasa saintifik terkenal dalam media menjanjikan penciptaan reaktor termonuklear terkawal (CTR) dalam 30...40 tahun.
2. Pisau Cukur Occam
"Occam's Razor" ialah prinsip metodologi yang dinamakan sempena sami Franciscan Inggeris dan ahli falsafah nominal William. Dalam bentuk yang ringkas, ia berkata: "Anda tidak seharusnya memperbanyakkan perkara sedia ada tanpa keperluan" (atau "Anda tidak sepatutnya menarik entiti baharu melainkan benar-benar perlu"). Prinsip ini membentuk asas reduksionisme metodologi, juga dipanggil prinsip parsimony, atau undang-undang ekonomi. Kadang-kadang prinsip itu dinyatakan dalam kata-kata: "Apa yang boleh dijelaskan oleh yang lebih kecil tidak seharusnya dinyatakan oleh yang lebih besar."
Dalam sains moden, Occam's Razor biasanya merujuk kepada prinsip yang lebih umum yang menyatakan bahawa jika terdapat beberapa definisi atau penjelasan yang konsisten secara logik tentang sesuatu fenomena, maka yang paling mudah harus dianggap betul.
Kandungan prinsip boleh dipermudahkan kepada perkara berikut: tidak perlu memperkenalkan undang-undang yang kompleks untuk menjelaskan sesuatu fenomena jika fenomena ini boleh dijelaskan dengan undang-undang mudah. Kini prinsip ini adalah alat pemikiran kritis saintifik yang ampuh. Occam sendiri merumuskan prinsip ini sebagai pengesahan kewujudan Tuhan. Pada mereka, pada pendapatnya, semuanya pasti dapat dijelaskan tanpa memperkenalkan sesuatu yang baru.
Dirumuskan semula dalam bahasa teori maklumat, prinsip Occam's Razor menyatakan bahawa mesej yang paling tepat ialah mesej dengan panjang minimum.
Albert Einstein merumuskan semula prinsip Occam's Razor seperti berikut: "Semuanya harus dipermudahkan sebaik mungkin, tetapi tidak lebih."
3. Mengenai permulaan pemahaman dan pembentangan manusia tentang pelakuran termonuklear pada Matahari
Untuk masa yang lama, semua penduduk Bumi memahami hakikat bahawa Matahari memanaskan Bumi, tetapi sumber tenaga suria masih tidak jelas kepada semua orang. Pada tahun 1848, Robert Mayer mengemukakan hipotesis meteorit, mengikut mana Matahari dipanaskan oleh pengeboman oleh meteorit. Walau bagaimanapun, dengan jumlah meteorit yang diperlukan, Bumi juga akan menjadi panas dengan hebat; di samping itu, strata geologi bumi akan terdiri terutamanya daripada meteorit; akhirnya, jisim Matahari terpaksa meningkat, dan ini akan menjejaskan pergerakan planet.
Oleh itu, pada separuh kedua abad ke-19, ramai penyelidik menganggap teori paling munasabah yang dibangunkan oleh Helmholtz (1853) dan Lord Kelvin, yang mencadangkan bahawa Matahari dipanaskan disebabkan oleh mampatan graviti yang perlahan ("Mekanisme Kelvin-Helmholtz"). Pengiraan berdasarkan mekanisme ini menganggarkan umur maksimum Matahari pada 20 juta tahun, dan masa selepas itu Matahari akan keluar sebagai tidak lebih daripada 15 juta Walau bagaimanapun, hipotesis ini bercanggah dengan data geologi mengenai umur batuan, yang ditunjukkan angka yang jauh lebih tinggi. Sebagai contoh, Charles Darwin menyatakan bahawa hakisan deposit Vendian berterusan selama sekurang-kurangnya 300 juta tahun. Walau bagaimanapun, ensiklopedia Brockhaus dan Efron menganggap model graviti sebagai satu-satunya yang boleh diterima.
Hanya pada abad ke-20 penyelesaian "betul" untuk masalah ini ditemui. Rutherford pada mulanya membuat hipotesis bahawa sumber tenaga dalaman Matahari adalah pereputan radioaktif. Pada tahun 1920, Arthur Eddington mencadangkan bahawa tekanan dan suhu di bahagian dalam Matahari adalah sangat tinggi sehingga tindak balas termonuklear boleh berlaku di sana, di mana nukleus hidrogen (proton) bergabung menjadi nukleus helium-4. Oleh kerana jisim yang terakhir adalah kurang daripada jumlah jisim empat proton bebas, maka sebahagian daripada jisim dalam tindak balas ini, mengikut formula Einstein. E = mc 2, bertukar menjadi tenaga. Fakta bahawa hidrogen mendominasi dalam komposisi Matahari telah disahkan pada tahun 1925 oleh Cecilia Payne.
Teori pelakuran nuklear telah dibangunkan pada tahun 1930-an oleh ahli astrofizik Chandrasekhar dan Hans Bethe. Bethe mengira secara terperinci dua tindak balas termonuklear utama yang merupakan sumber tenaga suria. Akhirnya, pada tahun 1957, karya Margaret Burbridge "Synthesis of Elements in Stars" muncul, di mana ia ditunjukkan dan mencadangkan bahawa kebanyakan unsur di Alam Semesta timbul akibat nukleosintesis yang berlaku dalam bintang.
4. Penerokaan angkasa lepas Matahari
Karya pertama Eddington sebagai ahli astronomi adalah berkaitan dengan kajian pergerakan bintang dan struktur sistem bintang. Tetapi merit utamanya ialah dia mencipta teori struktur dalaman bintang. Penembusan mendalam ke dalam intipati fizikal fenomena dan penguasaan kaedah pengiraan matematik yang kompleks membolehkan Eddington memperoleh beberapa keputusan asas dalam bidang astrofizik seperti struktur dalaman bintang, keadaan jirim antara bintang, pergerakan dan pengedaran bintang. dalam Galaxy.
Eddington mengira diameter beberapa bintang gergasi merah dan menentukan ketumpatan satelit kerdil bintang Sirius - ia ternyata sangat tinggi. Kerja Eddington dalam menentukan ketumpatan bintang memberikan dorongan untuk pembangunan fizik gas superdense (merosot).
Eddington adalah seorang jurubahasa yang baik tentang teori relativiti umum Einstein. Dia menjalankan ujian eksperimen pertama tentang salah satu kesan yang diramalkan oleh teori ini: pesongan sinar cahaya dalam medan graviti bintang besar. Dia berjaya melakukan ini semasa gerhana matahari penuh pada tahun 1919. Bersama-sama dengan saintis lain, Eddington meletakkan asas untuk pengetahuan moden tentang struktur bintang.
5. Pelauran termonuklear - pembakaran!?
Apakah, secara visual, gabungan termonuklear? Pada asasnya ia adalah pembakaran. Tetapi jelas bahawa ini adalah pembakaran kuasa yang sangat tinggi per unit isipadu ruang. Dan jelas bahawa ini bukan proses pengoksidaan. Di sini, dalam proses pembakaran, unsur-unsur lain mengambil bahagian, yang juga terbakar, tetapi di bawah keadaan fizikal khas.
Mari kita ingat pembakaran.
Pembakaran kimia ialah proses fizikal dan kimia yang kompleks untuk menukar komponen campuran mudah terbakar kepada produk pembakaran dengan pembebasan sinaran haba, cahaya dan tenaga sinaran.
Pembakaran kimia terbahagi kepada beberapa jenis pembakaran.
Pembakaran dibahagikan kepada haba dan rantai. Pembakaran terma adalah berdasarkan tindak balas kimia yang boleh diteruskan dengan pecutan diri yang progresif akibat pengumpulan haba yang dibebaskan. Pembakaran rantai berlaku dalam beberapa tindak balas fasa gas pada tekanan rendah.
Keadaan untuk pecutan diri terma boleh disediakan untuk semua tindak balas dengan kesan haba dan tenaga pengaktifan yang cukup besar.
Pembakaran boleh bermula secara spontan akibat daripada penyalaan sendiri atau dimulakan dengan penyalaan. Di bawah keadaan luaran yang tetap, pembakaran berterusan boleh berlaku dalam mod pegun, apabila ciri utama proses - kadar tindak balas, kuasa pelepasan haba, suhu dan komposisi produk - tidak berubah mengikut masa, atau dalam mod berkala, apabila ciri-ciri ini turun naik di sekitar nilai purata mereka. Disebabkan oleh pergantungan tak linear yang kuat bagi kadar tindak balas pada suhu, pembakaran sangat sensitif kepada keadaan luaran. Sifat pembakaran yang sama ini menentukan kewujudan beberapa mod pegun di bawah keadaan yang sama (kesan histerisis).
Terdapat pembakaran volumetrik, ia diketahui oleh semua orang dan sering digunakan dalam kehidupan seharian.
Pembakaran resapan. Ia dicirikan oleh bekalan bahan api dan pengoksida yang berasingan ke zon pembakaran. Pencampuran komponen berlaku di zon pembakaran. Contoh: pembakaran hidrogen dan oksigen dalam enjin roket.
Pembakaran medium pra-campuran. Seperti namanya, pembakaran berlaku dalam campuran di mana kedua-dua bahan api dan pengoksida hadir. Contoh: pembakaran campuran petrol-udara dalam silinder enjin pembakaran dalaman selepas proses dimulakan oleh palam pencucuh.
Pembakaran tanpa api. Tidak seperti pembakaran konvensional, apabila zon pengoksidaan nyalaan dan mengurangkan nyalaan diperhatikan, adalah mungkin untuk mewujudkan keadaan untuk pembakaran tanpa nyala. Contohnya ialah pengoksidaan pemangkin bahan organik pada permukaan mangkin yang sesuai, contohnya, pengoksidaan etanol pada platinum hitam.
Membara. Sejenis pembakaran di mana tiada nyalaan terbentuk, dan zon pembakaran perlahan-lahan merebak ke seluruh bahan. Pembakaran biasanya berlaku dalam bahan berliang atau berserabut yang mempunyai kandungan udara yang tinggi atau diresapi dengan agen pengoksida.
Pembakaran autogen. Pembakaran yang mampan sendiri. Istilah ini digunakan dalam teknologi pembakaran sisa. Kemungkinan pembakaran sisa autogen (bertahan sendiri) ditentukan oleh kandungan maksimum komponen pemberat: kelembapan dan abu.
Nyalaan ialah kawasan ruang di mana pembakaran berlaku dalam fasa gas, disertai dengan sinaran inframerah yang boleh dilihat dan (atau).
Nyalaan biasa yang kita perhatikan apabila lilin terbakar, nyalaan pemetik api atau mancis, adalah aliran gas panas, memanjang secara menegak disebabkan oleh daya graviti Bumi (gas panas cenderung naik ke atas).
6. Idea fizikal dan kimia moden tentang Matahari
Ciri-ciri Utama:
Komposisi fotosfera:
Matahari ialah pusat dan satu-satunya bintang Sistem Suria kita, di sekelilingnya objek lain sistem ini berputar: planet dan satelitnya, planet kerdil dan satelitnya, asteroid, meteoroid, komet dan habuk kosmik. Jisim Matahari (secara teorinya) ialah 99.8% daripada jumlah jisim keseluruhan sistem suria. Sinaran suria menyokong kehidupan di Bumi (foton diperlukan untuk peringkat awal proses fotosintesis) dan menentukan iklim.
Menurut klasifikasi spektrum, Matahari tergolong dalam jenis G2V ("kerdil kuning"). Suhu permukaan Matahari mencapai 6000 K, jadi Matahari bersinar dengan cahaya hampir putih, tetapi disebabkan oleh penyerakan dan penyerapan bahagian spektrum gelombang pendek yang lebih kuat oleh atmosfera Bumi, cahaya langsung Matahari di permukaan planet kita memperoleh warna kuning tertentu.
Spektrum suria mengandungi garisan logam terion dan neutral, serta hidrogen terion. Terdapat kira-kira 100 juta bintang G2 di galaksi Bima Sakti kita. Lebih-lebih lagi, 85% daripada bintang di galaksi kita adalah bintang yang kurang terang daripada Matahari (kebanyakannya adalah kerdil merah, yang berada di penghujung kitaran evolusi mereka). Seperti semua bintang jujukan utama, Matahari menghasilkan tenaga melalui pelakuran termonuklear.
Sinaran daripada Matahari adalah sumber tenaga utama di Bumi. Kuasanya dicirikan oleh pemalar suria - jumlah tenaga yang melalui kawasan luas unit berserenjang dengan sinaran matahari. Pada jarak satu unit astronomi (iaitu, dalam orbit Bumi), pemalar ini adalah lebih kurang 1370 W/m2.
Melalui atmosfera Bumi, sinaran suria kehilangan kira-kira 370 W/m2 tenaga, dan hanya 1000 W/m2 sampai ke permukaan bumi (dalam cuaca cerah dan ketika Matahari berada di puncaknya). Tenaga ini boleh digunakan dalam pelbagai proses semula jadi dan buatan. Oleh itu, tumbuhan memprosesnya menjadi bentuk kimia (oksigen dan sebatian organik) menggunakan fotosintesis. Pemanasan terus oleh pancaran matahari atau penukaran tenaga menggunakan fotosel boleh digunakan untuk menjana elektrik (loji janakuasa suria) atau melakukan kerja berguna lain. Pada masa dahulu, tenaga yang disimpan dalam minyak dan jenis bahan api fosil lain juga diperoleh melalui fotosintesis.
Matahari ialah bintang yang aktif secara magnetik. Ia mempunyai medan magnet yang kuat yang berbeza dalam kekuatan dari semasa ke semasa, menukar arah kira-kira setiap 11 tahun semasa maksimum suria.
Variasi dalam medan magnet Matahari menyebabkan pelbagai kesan, yang keseluruhannya dipanggil aktiviti suria dan termasuk fenomena seperti bintik matahari, suar suria, variasi dalam angin suria, dsb., dan di Bumi ia menyebabkan aurora tinggi dan latitud tengah dan ribut geomagnet, yang menjejaskan operasi komunikasi, cara penghantaran elektrik, dan juga memberi kesan negatif kepada organisma hidup, menyebabkan sakit kepala dan kesihatan yang tidak baik pada orang (orang yang sensitif terhadap ribut magnet). Matahari adalah bintang muda generasi ketiga (populasi I) dengan kandungan logam yang tinggi, iaitu, ia terbentuk daripada sisa-sisa bintang generasi pertama dan kedua (populasi III dan II, masing-masing).
Umur semasa Matahari (lebih tepat lagi, masa kewujudannya pada jujukan utama), dianggarkan menggunakan model komputer evolusi bintang, adalah kira-kira 4.57 bilion tahun. Kitaran hidup Matahari.
Sebuah bintang sebesar Matahari sepatutnya wujud pada jujukan utama selama kira-kira 10 bilion tahun. Oleh itu, Matahari kini berada kira-kira di tengah-tengah kitaran hayatnya. Pada peringkat sekarang, tindak balas termonuklear sedang berlaku dalam teras suria, menukar hidrogen kepada helium. Setiap saat dalam teras Matahari, kira-kira 4 juta tan jirim ditukarkan kepada tenaga pancaran, menghasilkan penjanaan sinaran suria dan fluks neutrino suria.
7. Idea teori manusia tentang struktur dalaman dan luaran Matahari
Di pusat Matahari ialah teras suria. Fotosfera ialah permukaan Matahari yang boleh dilihat, yang merupakan sumber utama sinaran. Matahari dikelilingi oleh korona suria, yang mempunyai suhu yang sangat tinggi, tetapi ia sangat jarang dan oleh itu boleh dilihat dengan mata kasar hanya semasa tempoh gerhana matahari penuh.
Bahagian tengah Matahari dengan radius kira-kira 150,000 kilometer, di mana tindak balas termonuklear berlaku, dipanggil teras solar. Ketumpatan bahan dalam teras adalah kira-kira 150,000 kg/m 3 (150 kali lebih tinggi daripada ketumpatan air dan ≈6.6 kali lebih tinggi daripada ketumpatan logam terberat di Bumi - osmium), dan suhu di tengah-tengah teras adalah lebih daripada 14 juta darjah.
Analisis teoritis data yang dijalankan oleh misi SOHO menunjukkan bahawa dalam teras kelajuan putaran Matahari di sekitar paksinya jauh lebih tinggi daripada di permukaan. Tindak balas termonuklear proton-proton berlaku dalam nukleus, akibatnya helium-4 terbentuk daripada empat proton. Pada masa yang sama, 4.26 juta tan bahan ditukar menjadi tenaga setiap saat, tetapi nilai ini tidak penting berbanding dengan jisim Matahari - 2·10 27 tan.
Di atas teras, pada jarak kira-kira 0.2...0.7 jejari suria dari pusatnya, terdapat zon pemindahan sinaran di mana tiada pergerakan makroskopik dipindahkan menggunakan "pancaran semula" foton;
Atmosfera Matahari Fotosfera (lapisan yang memancarkan cahaya) mencapai ketebalan ≈320 km dan membentuk permukaan Matahari yang boleh dilihat. Bahagian utama sinaran optik (kelihatan) Matahari berasal dari fotosfera, tetapi sinaran dari lapisan yang lebih dalam tidak lagi mencapainya. Suhu dalam fotosfera mencapai purata 5800 K. Di sini, ketumpatan gas purata adalah kurang daripada 1/1000 ketumpatan udara bumi, dan suhu menurun kepada 4800 K apabila ia menghampiri pinggir luar fotosfera di bawah keadaan sedemikian kekal hampir neutral sepenuhnya. Fotosfera membentuk permukaan Matahari yang boleh dilihat, dari mana saiz Matahari, jarak dari permukaan Matahari, dll. ditentukan. Kromosfera ialah kulit luar Matahari, kira-kira 10,000 km tebal, mengelilingi fotosfera. Asal nama bahagian atmosfera suria ini berkaitan dengan warna kemerahannya, disebabkan oleh fakta bahawa spektrum yang boleh dilihat dikuasai oleh garis H-alpha merah pelepasan hidrogen. Sempadan atas kromosfera tidak mempunyai permukaan licin yang berbeza yang dipanggil spikula sentiasa berlaku daripadanya (kerana ini, pada penghujung abad ke-19, ahli astronomi Itali, Secchi, memerhatikan kromosfera melalui teleskop, berbanding dengannya dengan padang rumput yang terbakar). Suhu kromosfera meningkat dengan ketinggian dari 4000 hingga 15,000 darjah.
Ketumpatan kromosfera adalah rendah, jadi kecerahannya tidak mencukupi untuk memerhatikannya dalam keadaan biasa. Tetapi semasa gerhana matahari penuh, apabila Bulan menutupi fotosfera terang, kromosfera yang terletak di atasnya menjadi kelihatan dan bersinar merah. Ia juga boleh diperhatikan pada bila-bila masa menggunakan penapis optik jalur sempit khas.
Korona ialah kulit terluar Matahari yang terakhir. Walaupun suhunya sangat tinggi, dari 600,000 hingga 2,000,000 darjah, ia boleh dilihat dengan mata kasar hanya semasa gerhana matahari penuh, kerana ketumpatan jirim dalam korona adalah rendah, dan oleh itu kecerahannya rendah. Pemanasan luar biasa sengit lapisan ini nampaknya disebabkan oleh kesan magnet dan pengaruh gelombang kejutan. Bentuk korona berubah bergantung pada fasa kitaran aktiviti suria: semasa tempoh aktiviti maksimum ia mempunyai bentuk bulat, dan sekurang-kurangnya ia memanjang di sepanjang khatulistiwa suria. Oleh kerana suhu korona sangat tinggi, ia memancarkan sinaran sengit dalam julat ultraungu dan sinar-X. Sinaran ini tidak melalui atmosfera bumi, tetapi baru-baru ini telah menjadi mungkin untuk mengkajinya menggunakan kapal angkasa. Sinaran di kawasan korona yang berbeza berlaku secara tidak sekata. Terdapat kawasan aktif dan sunyi panas, serta lubang koronal dengan suhu yang agak rendah 600,000 darjah, dari mana garisan medan magnet memanjang ke angkasa. Konfigurasi magnetik (“terbuka”) ini membolehkan zarah-zarah keluar dari Matahari tanpa halangan, jadi angin suria dipancarkan “kebanyakannya” dari lubang koronal.
Angin suria mengalir dari bahagian luar korona suria - aliran zarah terion (terutamanya proton, elektron dan zarah α), mempunyai kelajuan 300...1200 km/s dan merebak, dengan penurunan beransur-ansur dalam ketumpatan, ke sempadan heliosfera.
Oleh kerana plasma suria mempunyai kekonduksian elektrik yang agak tinggi, arus elektrik dan, akibatnya, medan magnet boleh timbul di dalamnya.
8. Masalah teori pelakuran termonuklear pada Matahari
Masalah neutrino suria. Tindak balas nuklear yang berlaku dalam teras Matahari membawa kepada pembentukan sejumlah besar neutrino elektron. Pada masa yang sama, pengukuran fluks neutrino di Bumi, yang telah dijalankan secara berterusan sejak akhir 1960-an, telah menunjukkan bahawa bilangan neutrino elektron suria yang direkodkan di sana adalah kira-kira dua hingga tiga kali kurang daripada yang diramalkan oleh model suria standard, yang menerangkan proses di Matahari. Percanggahan antara eksperimen dan teori ini dipanggil "masalah neutrino suria" dan merupakan salah satu misteri fizik suria selama lebih daripada 30 tahun. Keadaan ini rumit oleh fakta bahawa neutrino berinteraksi dengan sangat lemah dengan jirim, dan mencipta pengesan neutrino yang boleh mengukur fluks neutrino dengan tepat walaupun dengan kuasa seperti yang datang dari Matahari adalah tugas saintifik yang agak sukar.
Dua cara utama untuk menyelesaikan masalah neutrino suria telah dicadangkan. Pertama, adalah mungkin untuk mengubah suai model Matahari sedemikian rupa untuk mengurangkan anggaran suhu dalam terasnya dan, oleh itu, fluks neutrino yang dipancarkan oleh Matahari. Kedua, boleh diandaikan bahawa sebahagian daripada neutrino elektron yang dipancarkan oleh teras suria, apabila bergerak ke arah Bumi, bertukar menjadi neutrino generasi lain yang tidak dikesan oleh pengesan konvensional (muon dan tau neutrino). Hari ini saintis cenderung untuk mempercayai bahawa jalan kedua kemungkinan besar betul. Agar terdapat peralihan daripada satu jenis neutrino kepada yang lain - apa yang dipanggil "ayunan neutrino" - neutrino mesti mempunyai jisim bukan sifar. Ia kini telah ditubuhkan bahawa ini nampaknya benar. Pada tahun 2001, ketiga-tiga jenis neutrino suria telah dikesan secara langsung di Balai Cerap Neutrino Sudbury dan jumlah fluksnya ditunjukkan konsisten dengan model suria standard. Pada masa yang sama, hanya kira-kira satu pertiga daripada neutrino yang sampai ke Bumi menjadi elektron. Kuantiti ini konsisten dengan teori, yang meramalkan peralihan neutrino elektron kepada neutrino generasi lain dalam vakum (sebenarnya "ayunan neutrino") dan dalam bahan suria ("kesan Mikheev-Smirnov-Wolfenstein"). Oleh itu, masalah neutrino suria kini nampaknya diselesaikan.
Masalah pemanasan korona. Di atas permukaan Matahari yang boleh dilihat (fotosfera), yang mempunyai suhu kira-kira 6,000 K, terletak korona suria, dengan suhu lebih daripada 1,000,000 K. Dapat ditunjukkan bahawa aliran langsung haba dari fotosfera tidak cukup untuk membawa kepada suhu korona yang begitu tinggi.
Diandaikan bahawa tenaga untuk memanaskan korona dibekalkan oleh pergerakan gelora zon perolakan subfotosfera. Dalam kes ini, dua mekanisme telah dicadangkan untuk pemindahan tenaga ke korona. Pertama, ini adalah pemanasan gelombang - bunyi dan gelombang magnetohidrodinamik yang dijana dalam zon perolakan bergelora merambat ke korona dan dilesapkan di sana, manakala tenaganya ditukar kepada tenaga haba plasma koronal. Mekanisme alternatif ialah pemanasan magnet, di mana tenaga magnet yang dihasilkan secara berterusan oleh gerakan fotosfera dilepaskan oleh penyambungan semula medan magnet dalam bentuk suar suria yang besar atau sejumlah besar suar kecil.
Pada masa ini tidak jelas jenis gelombang yang menyediakan mekanisme yang berkesan untuk memanaskan korona. Ia boleh ditunjukkan bahawa semua gelombang, kecuali gelombang Alfvén magnetohydrodynamic, bertaburan atau dipantulkan sebelum mencapai korona, manakala pelesapan gelombang Alfvén dalam korona adalah sukar. Oleh itu, penyelidik moden telah menumpukan perhatian mereka pada mekanisme pemanasan melalui suar suria. Salah satu calon yang mungkin untuk sumber pemanasan korona adalah suar berskala kecil yang berterusan, walaupun kejelasan muktamad mengenai isu ini masih belum dicapai.
P.S. Selepas membaca tentang "Masalah teori gabungan termonuklear di Matahari", anda perlu ingat tentang "Cukur Occam". Di sini, penjelasan tentang masalah teori dengan jelas menggunakan penjelasan teori yang dibuat-buat dan tidak logik.
9. Jenis bahan api termonuklear. Bahan api gabungan
Pelaburan termonuklear terkawal (CTF) ialah sintesis nukleus atom yang lebih berat daripada yang lebih ringan untuk mendapatkan tenaga, yang, tidak seperti pelakuran termonuklear letupan (digunakan dalam senjata termonuklear), dikawal secara semula jadi. Pelaburan termonuklear terkawal berbeza daripada tenaga nuklear tradisional kerana tenaga nuklear menggunakan tindak balas pereputan, di mana nukleus yang lebih ringan dihasilkan daripada nukleus berat. Tindak balas nuklear utama yang dirancang untuk digunakan untuk mencapai pelakuran termonuklear terkawal akan menggunakan deuterium (2 H) dan tritium (3 H), dan dalam jangka panjang helium-3 (3 He) dan boron-11 (11 B)
Jenis tindak balas. Tindak balas pelakuran adalah seperti berikut: dua atau lebih nukleus atom diambil dan, dengan menggunakan daya tertentu, disatukan begitu rapat sehingga daya yang bertindak pada jarak sedemikian mengatasi daya tolakan Coulomb antara nukleus yang bercas serupa, mengakibatkan pembentukan nukleus. Ia akan mempunyai jisim yang lebih kecil sedikit daripada jumlah jisim nukleus asal, dan perbezaannya menjadi tenaga, yang dibebaskan semasa tindak balas. Jumlah tenaga yang dikeluarkan diterangkan oleh formula yang terkenal E = mc 2. Nukleus atom yang lebih ringan lebih mudah disatukan ke jarak yang dikehendaki, jadi hidrogen, unsur yang paling banyak di Alam Semesta, adalah bahan api terbaik untuk tindak balas pelakuran.
Telah didapati bahawa campuran dua isotop hidrogen, deuterium dan tritium, memerlukan jumlah tenaga yang paling sedikit untuk tindak balas pelakuran berbanding dengan tenaga yang dibebaskan semasa tindak balas. Walau bagaimanapun, walaupun deuterium-tritium (D-T) adalah subjek kebanyakan penyelidikan gabungan, ia bukanlah satu-satunya bahan api yang berpotensi. Campuran lain mungkin lebih mudah dihasilkan; tindak balas mereka boleh dikawal dengan lebih pasti, atau, yang lebih penting, menghasilkan lebih sedikit neutron. Kepentingan khusus ialah tindak balas yang dipanggil "bebas neutron", kerana penggunaan industri bahan api yang berjaya akan bermakna ketiadaan pencemaran radioaktif jangka panjang bahan dan reka bentuk reaktor, yang seterusnya, boleh memberi kesan positif. mengenai pendapat umum dan kos keseluruhan pengendalian reaktor, dengan ketara mengurangkan kos penyahtauliahannya. Masalahnya ialah tindak balas sintesis menggunakan bahan api alternatif adalah lebih sukar untuk dikekalkan, jadi tindak balas D-T dianggap hanya langkah pertama yang perlu.
Skim tindak balas deuterium-tritium. Pelaburan terkawal boleh menggunakan pelbagai jenis tindak balas pelakuran bergantung pada jenis bahan api yang digunakan.
Reaksi yang paling mudah untuk dijalankan ialah deuterium + tritium:
2 H + 3 H = 4 He + n dengan keluaran tenaga 17.6 MeV.
Reaksi ini adalah yang paling mudah dilaksanakan dari sudut pandangan teknologi moden, memberikan hasil tenaga yang ketara, dan komponen bahan api adalah murah. Kelemahannya ialah pembebasan sinaran neutron yang tidak diingini.
Dua nukleus: deuterium dan tritium bergabung membentuk nukleus helium (zarah alfa) dan neutron bertenaga tinggi.
Tindak balas - deuterium + helium-3 adalah lebih sukar, pada had yang mungkin, untuk menjalankan tindak balas deuterium + helium-3:
2 H + 3 Dia = 4 Dia + hlm dengan keluaran tenaga 18.3 MeV.
Syarat untuk mencapainya jauh lebih rumit. Helium-3 juga merupakan isotop yang jarang ditemui dan sangat mahal. Ia tidak dihasilkan pada skala perindustrian pada masa ini.
Tindak balas antara nukleus deuterium (D-D, monopropellant).
Tindak balas antara nukleus deuterium juga mungkin lebih sukar daripada tindak balas yang melibatkan helium-3.
Tindak balas ini berjalan perlahan-lahan selari dengan tindak balas deuterium + helium-3, dan tritium dan helium-3 yang terbentuk semasanya berkemungkinan segera bertindak balas dengan deuterium.
Jenis tindak balas lain. Beberapa jenis tindak balas lain juga mungkin.
Pilihan bahan api bergantung kepada banyak faktor - ketersediaan dan murahnya, pengeluaran tenaga, kemudahan mencapai syarat yang diperlukan untuk tindak balas gabungan termonuklear (terutamanya suhu), ciri reka bentuk yang diperlukan reaktor, dll. Tindak balas "tanpa neutron".
Yang paling menjanjikan adalah yang dipanggil. Tindak balas "bebas neutron", kerana fluks neutron yang dihasilkan oleh pelakuran termonuklear (contohnya, dalam tindak balas deuterium-tritium) membawa pergi sebahagian besar kuasa dan menjana radioaktiviti teraruh dalam reka bentuk reaktor. Tindak balas deuterium - helium-3 adalah menjanjikan kerana kekurangan hasil neutron.
10. Idea klasik tentang syarat pelaksanaan. pelakuran termonuklear dan reaktor pelakuran terkawal
TOKAMAK (TORoidal CHAMBER with MAGNETIC COILS) ialah pemasangan toroidal untuk kurungan plasma magnetik. Plasma tidak dipegang oleh dinding ruang, yang tidak dapat menahan suhunya, tetapi oleh medan magnet yang dicipta khas. Ciri khas TOKAMAK ialah penggunaan arus elektrik yang mengalir melalui plasma untuk mencipta medan poloid yang diperlukan untuk keseimbangan plasma.
- TCB adalah mungkin jika dua kriteria dipenuhi serentak:
- suhu plasma mestilah lebih besar daripada 100,000,000 K; n · pematuhan dengan kriteria Lawson: t
> 5·10 19 cm –3 s (untuk tindak balas D-T), n di mana pematuhan dengan kriteria Lawson:– ketumpatan plasma suhu tinggi,
– masa pengekalan plasma dalam sistem.
Secara teorinya dipercayai bahawa kadar tindak balas termonuklear tertentu bergantung pada nilai kedua-dua kriteria ini.
Dua skim asas untuk melaksanakan gabungan termonuklear terkawal dipertimbangkan.
Sistem separa pegun. Pemanasan dan pengurungan plasma dilakukan oleh medan magnet pada tekanan yang agak rendah dan suhu tinggi. Untuk tujuan ini, reaktor digunakan dalam bentuk TOKAMAK, stellarator, perangkap cermin dan torsatron, yang berbeza dalam konfigurasi medan magnet. Reaktor ITER mempunyai konfigurasi TOKAMAK.
Sistem nadi. Dalam sistem sedemikian, CTS dijalankan dengan memanaskan secara ringkas sasaran kecil yang mengandungi deuterium dan tritium dengan denyutan laser atau ion ultra berkuasa. Penyinaran sedemikian menyebabkan urutan letupan mikro termonuklear.
Penyelidikan mengenai jenis pertama reaktor termonuklear jauh lebih maju daripada yang kedua. Dalam fizik nuklear, apabila mengkaji pelakuran termonuklear, perangkap magnet digunakan untuk mengandungi plasma dalam jumlah tertentu. Perangkap magnet direka untuk memastikan plasma daripada bersentuhan dengan unsur-unsur reaktor termonuklear, i.e. digunakan terutamanya sebagai penebat haba. Prinsip kurungan adalah berdasarkan interaksi zarah bercas dengan medan magnet, iaitu pada putaran zarah bercas di sekeliling garis medan magnet. Malangnya, plasma bermagnet sangat tidak stabil dan cenderung meninggalkan medan magnet. Oleh itu, untuk mencipta perangkap magnet yang berkesan, elektromagnet yang paling berkuasa digunakan, memakan sejumlah besar tenaga.
Adalah mungkin untuk mengurangkan saiz reaktor pelakuran jika ia menggunakan tiga kaedah untuk mencipta tindak balas pelakuran secara serentak.
Sintesis inersia. Menyinari kapsul kecil bahan api deuterium-tritium dengan laser 500 trilion (5·10 14) W. Nadi laser gergasi, 10 –8 s yang sangat pendek ini menyebabkan kapsul bahan api meletup, mengakibatkan kelahiran bintang mini untuk seketika. Tetapi tindak balas termonuklear tidak boleh dicapai padanya.
Pada masa yang sama gunakan mesin Z dengan TOKAMAK. Mesin Z beroperasi secara berbeza daripada laser. Ia melalui jaringan wayar kecil yang mengelilingi kapsul bahan api dengan cas dengan kuasa setengah trilion watt 5·10 11 W.
Reaktor generasi pertama kemungkinan besar akan berjalan pada campuran deuterium dan tritium. Neutron yang muncul semasa tindak balas akan diserap oleh perisai reaktor, dan haba yang dihasilkan akan digunakan untuk memanaskan penyejuk dalam penukar haba, dan tenaga ini, seterusnya, akan digunakan untuk memutarkan penjana.
Terdapat, secara teori, jenis bahan api alternatif yang tidak mempunyai kelemahan ini. Tetapi penggunaannya dihalang oleh batasan fizikal asas. Untuk mendapatkan tenaga yang mencukupi daripada tindak balas pelakuran, adalah perlu untuk mengekalkan plasma yang cukup padat pada suhu pelakuran (10 8 K) untuk masa tertentu.
Aspek asas gabungan ini diterangkan oleh produk ketumpatan plasma n untuk tempoh kandungan plasma yang dipanaskan τ, yang diperlukan untuk mencapai titik keseimbangan. Kerja nτ bergantung kepada jenis bahan api dan merupakan fungsi suhu plasma. Daripada semua jenis bahan api, campuran deuterium-tritium memerlukan nilai terendah nτ dengan sekurang-kurangnya urutan magnitud, dan suhu tindak balas terendah sekurang-kurangnya 5 kali. Oleh itu, tindak balas D-T adalah langkah pertama yang perlu, tetapi penggunaan bahan api lain kekal sebagai matlamat penyelidikan yang penting.
11. Tindak balas gabungan sebagai sumber elektrik industri
Tenaga gabungan dianggap oleh ramai penyelidik sebagai sumber tenaga "semulajadi" dalam jangka panjang. Penyokong penggunaan komersial reaktor gabungan untuk pengeluaran elektrik memetik hujah berikut yang memihak kepada mereka:
- rizab bahan api yang hampir tidak habis-habis (hidrogen);
- bahan api boleh diekstrak daripada air laut di mana-mana pantai di dunia, yang menjadikannya mustahil bagi satu atau sekumpulan negara untuk memonopoli bahan api;
- kemustahilan tindak balas sintesis yang tidak terkawal;
- ketiadaan produk pembakaran;
- tidak perlu menggunakan bahan yang boleh digunakan untuk menghasilkan senjata nuklear, sekali gus menghapuskan kes sabotaj dan keganasan;
- Berbanding dengan reaktor nuklear, sejumlah kecil sisa radioaktif dengan separuh hayat pendek dihasilkan.
Bidal yang diisi dengan deuterium dianggarkan menghasilkan tenaga bersamaan dengan 20 tan arang batu. Tasik bersaiz sederhana boleh membekalkan mana-mana negara dengan tenaga selama beratus-ratus tahun. Walau bagaimanapun, perlu diingatkan bahawa reaktor penyelidikan sedia ada direka untuk mencapai tindak balas deuterium-tritium (DT) langsung, kitaran bahan api yang memerlukan penggunaan litium untuk menghasilkan tritium, manakala tuntutan tenaga tidak habis merujuk kepada penggunaan deuterium- tindak balas deuterium (DD) dalam generasi kedua reaktor.
Sama seperti tindak balas pembelahan, tindak balas pelakuran tidak menghasilkan pelepasan karbon dioksida atmosfera, yang merupakan penyumbang utama kepada pemanasan global. Ini adalah kelebihan yang ketara, kerana penggunaan bahan api fosil untuk menjana elektrik bermakna, sebagai contoh, AS menghasilkan 29 kg CO 2 (salah satu gas utama yang boleh dianggap sebagai punca pemanasan global) bagi setiap penduduk AS setiap hari. .
12. Sudah ada keraguan
Negara-negara Komuniti Eropah membelanjakan kira-kira 200 juta euro setiap tahun untuk penyelidikan, dan ia diramalkan akan mengambil masa beberapa dekad lagi sebelum penggunaan industri gabungan nuklear akan dapat dilakukan. Penyokong sumber elektrik alternatif percaya bahawa adalah lebih sesuai untuk menggunakan dana ini untuk memperkenalkan sumber elektrik yang boleh diperbaharui.
Malangnya, walaupun keyakinan yang meluas (sejak tahun 1950-an, apabila penyelidikan pertama bermula), halangan yang ketara antara pemahaman hari ini tentang proses pelakuran nuklear, keupayaan teknologi dan penggunaan praktikal pelakuran nuklear masih belum dapat diatasi, tidak jelas walaupun sejauh mana terdapatnya. mungkin Ia menguntungkan dari segi ekonomi untuk menghasilkan tenaga elektrik menggunakan pelakuran termonuklear. Walaupun kemajuan dalam penyelidikan adalah berterusan, penyelidik berdepan dengan cabaran baru dari semasa ke semasa. Sebagai contoh, cabarannya ialah membangunkan bahan yang boleh menahan pengeboman neutron, yang dianggarkan 100 kali lebih sengit daripada reaktor nuklear tradisional.
13. Idea klasik tentang peringkat yang akan datang dalam penciptaan reaktor termonuklear terkawal
Peringkat berikut dibezakan dalam penyelidikan.
Mod keseimbangan atau "lulus": apabila jumlah tenaga yang dibebaskan semasa proses sintesis adalah sama dengan jumlah tenaga yang dibelanjakan untuk memulakan dan mengekalkan tindak balas. Nisbah ini ditandakan dengan simbol Q. Keseimbangan tindak balas telah ditunjukkan di JET di UK pada tahun 1997. Setelah menghabiskan 52 MW tenaga elektrik untuk memanaskannya, para saintis memperoleh output kuasa yang 0.2 MW lebih tinggi daripada yang dibelanjakan. (Anda perlu menyemak semula data ini!)
Plasma yang menyala: peringkat pertengahan di mana tindak balas akan disokong terutamanya oleh zarah alfa yang dihasilkan semasa tindak balas, bukannya oleh pemanasan luaran.
Q≈ 5. Peringkat pertengahan masih belum tercapai.
Pencucuhan: tindak balas yang stabil yang menyokong dirinya sendiri. Harus dicapai pada nilai yang tinggi Q. Masih belum tercapai.
Langkah seterusnya dalam penyelidikan hendaklah ITER, Reaktor Eksperimen Termonuklear Antarabangsa. Di reaktor ini, ia dirancang untuk mengkaji kelakuan plasma suhu tinggi (plasma menyala dengan Q≈ 30) dan bahan struktur untuk reaktor industri.
Fasa terakhir penyelidikan ialah DEMO: prototaip reaktor industri di mana pencucuhan akan dicapai dan kesesuaian praktikal bahan baharu akan ditunjukkan. Ramalan paling optimistik untuk penyiapan fasa DEMO: 30 tahun. Memandangkan anggaran masa untuk pembinaan dan pentauliahan reaktor industri, kita dipisahkan selama ≈40 tahun daripada penggunaan industri tenaga termonuklear.
14. Semua ini perlu difikirkan dengan matang
Berpuluh-puluh, dan mungkin beratus-ratus reaktor termonuklear eksperimen pelbagai saiz telah dibina di seluruh dunia. Para saintis datang untuk bekerja, menghidupkan reaktor, tindak balas berlaku dengan cepat, mereka seolah-olah mematikannya, dan duduk dan berfikir. Apakah sebabnya? Apa yang perlu dilakukan seterusnya? Dan sebagainya selama beberapa dekad, tidak berjaya.
Jadi, di atas telah digariskan sejarah pemahaman manusia tentang pelakuran termonuklear pada Matahari dan sejarah pencapaian manusia dalam mencipta reaktor termonuklear terkawal.
Jauh perjalanan telah ditempuh dan banyak yang telah dilakukan untuk mencapai matlamat akhir. Tetapi, malangnya, hasilnya negatif. Reaktor termonuklear terkawal belum dicipta. Lagi 30...40 tahun dan janji-janji saintis akan ditunaikan. Adakah akan ada? 60 tahun tiada hasil. Mengapa ia harus berlaku dalam 30...40 tahun, dan bukan dalam tiga tahun?
Terdapat idea lain tentang pelakuran termonuklear pada Matahari. Ia logik, mudah dan benar-benar membawa kepada hasil yang positif. Ini adalah penemuan V.F. Vlasova. Terima kasih kepada penemuan ini, malah TOKAMAK mungkin akan beroperasi dalam masa terdekat.
15. Pandangan baharu tentang sifat pelakuran termonuklear pada Matahari dan ciptaan "Kaedah pelakuran termonuklear terkawal dan reaktor termonuklear terkawal untuk melaksanakan pelakuran termonuklear terkawal"
Daripada pengarang. Penemuan dan ciptaan ini berusia hampir 20 tahun. Saya meragui untuk masa yang lama bahawa saya telah menemui cara baharu untuk menjalankan pelakuran termonuklear dan reaktor termonuklear baharu untuk melaksanakannya. Saya telah meneliti dan mengkaji ratusan karya dalam bidang pelakuran termonuklear. Masa dan maklumat yang diproses meyakinkan saya bahawa saya berada di landasan yang betul.
Pada pandangan pertama, ciptaan ini sangat mudah dan tidak sama sekali menyerupai reaktor termonuklear eksperimen jenis TOKAMAK. Dalam pandangan moden pihak berkuasa sains TOKAMAK, ini adalah satu-satunya keputusan yang betul dan tidak tertakluk kepada perbincangan. 60 tahun idea reaktor termonuklear. Tetapi keputusan positif - reaktor termonuklear yang berfungsi dengan gabungan termonuklear terkawal TOKAMAK dijanjikan hanya dalam 30...40 tahun. Mungkin, jika tidak ada hasil positif sebenar selama 60 tahun, maka kaedah penyelesaian teknikal yang dipilih untuk idea - penciptaan reaktor termonuklear terkawal - secara sederhana, tidak betul, atau tidak cukup realistik. Mari cuba tunjukkan bahawa terdapat penyelesaian lain untuk idea ini berdasarkan penemuan pelakuran termonuklear pada Matahari, dan ia berbeza daripada idea yang diterima umum.
Pembukaan. Idea utama penemuan itu sangat mudah dan logik, dan begitulah tindak balas termonuklear berlaku di kawasan korona suria.
Di sinilah keadaan fizikal yang diperlukan wujud untuk tindak balas termonuklear berlaku. Dari korona Suria, di mana suhu plasma adalah lebih kurang 1,500,000 K, permukaan Matahari dipanaskan hingga 6,000 K, dari sini campuran bahan api menyejat ke korona solar dari permukaan didih Matahari Suhu 6,000 K sudah memadai untuk campuran bahan api dalam bentuk wap yang menyejat untuk mengatasi daya graviti matahari. Ini melindungi permukaan Matahari daripada terlalu panas dan mengekalkan suhu permukaannya.
Dalam konsep klasik ahli fizik, pelakuran termonuklear, atas sebab tertentu, tidak diklasifikasikan sebagai proses pembakaran (di sini kita tidak bermaksud proses pengoksidaan). Pihak berkuasa dari fizik telah menghasilkan idea bahawa pelakuran termonuklear di Matahari mengulangi proses gunung berapi di planet, contohnya, Bumi. Oleh itu semua alasan, teknik persamaan digunakan. Tiada bukti bahawa teras planet Bumi berada dalam keadaan cair cair. Malah geofizik tidak boleh mencapai kedalaman sedemikian. Hakikat bahawa gunung berapi wujud tidak boleh dianggap sebagai bukti teras cair Bumi. Di kedalaman Bumi, terutamanya di kedalaman cetek, terdapat proses fizikal yang masih tidak diketahui oleh ahli fizik yang berwibawa. Tidak ada satu pun bukti dalam fizik bahawa pelakuran termonuklear berlaku di kedalaman mana-mana bintang. Dan dalam bom termonuklear, pelakuran termonuklear sama sekali tidak mengulangi model di kedalaman Matahari.
Setelah pemeriksaan visual yang teliti, Matahari kelihatan seperti pembakar volumetrik sfera dan sangat mengingatkan pembakaran pada permukaan bumi yang besar, di mana antara sempadan permukaan dan zon pembakaran (prototaip korona solar) terdapat jurang melalui sinaran haba yang dihantar ke permukaan bumi, yang menyejat, sebagai contoh, bahan api yang tertumpah dan wap yang disediakan ini memasuki zon pembakaran.
Jelas bahawa di permukaan Matahari, proses sedemikian berlaku dalam keadaan fizikal yang berbeza. Keadaan fizikal yang serupa, agak serupa dalam parameter, telah dimasukkan ke dalam pembangunan reka bentuk reaktor termonuklear terkawal, penerangan ringkas dan gambarajah skematik yang dinyatakan dalam permohonan paten yang dinyatakan di bawah.
Abstrak permohonan paten No. 2005123095/06(026016).
"Kaedah pelakuran termonuklear terkawal dan reaktor termonuklear terkawal untuk melaksanakan pelakuran termonuklear terkawal."
Saya menerangkan kaedah dan prinsip operasi reaktor termonuklear terkawal yang dituntut untuk melaksanakan pelakuran termonuklear terkawal.
nasi. 1. Gambarajah skematik UTyar yang dipermudahkan
Dalam Rajah. Rajah 1 menunjukkan gambarajah skematik UTYAR. Campuran bahan api, dalam nisbah jisim 1:10, dimampatkan kepada 3000 kg/cm 2 dan dipanaskan hingga 3000°C, dalam zon 1 bercampur dan masuk melalui bahagian kritikal muncung ke dalam zon pengembangan 2 . Dalam zon 3 campuran bahan api dinyalakan.
Suhu percikan pencucuhan boleh menjadi apa sahaja yang diperlukan untuk memulakan proses terma - dari 109...108 K dan ke bawah, ia bergantung kepada keadaan fizikal yang diperlukan yang dicipta.
Dalam zon suhu tinggi 4 Proses pembakaran berlaku secara langsung. Hasil pembakaran memindahkan haba dalam bentuk sinaran dan perolakan ke sistem pertukaran haba 5 dan ke arah campuran bahan api yang masuk. Peranti 6 di bahagian aktif reaktor dari bahagian kritikal muncung ke hujung zon pembakaran membantu menukar magnitud daya Coulomb dan meningkatkan keratan rentas berkesan nukleus campuran bahan api (mencipta keadaan fizikal yang diperlukan) .
Rajah menunjukkan bahawa reaktor adalah serupa dengan penunu gas. Tetapi reaktor termonuklear sepatutnya seperti itu, dan sudah tentu, parameter fizikal akan berbeza ratusan kali daripada, sebagai contoh, parameter fizikal penunu gas.
Pengulangan keadaan fizikal pelakuran termonuklear pada Matahari di bawah keadaan daratan adalah intipati ciptaan.
Mana-mana peranti penjana haba yang menggunakan pembakaran mesti mewujudkan keadaan berikut - kitaran: penyediaan bahan api, pencampuran, bekalan ke zon kerja (zon pembakaran), pencucuhan, pembakaran (transformasi kimia atau nuklear), penyingkiran haba daripada gas panas dalam bentuk sinaran dan perolakan, dan penyingkiran hasil pembakaran. Dalam kes sisa berbahaya - pelupusannya. Paten yang dituntut memperuntukkan semua ini.
Hujah utama ahli fizik bahawa kriteria Lowsen dipenuhi ialah semasa penyalaan oleh percikan elektrik atau pancaran laser, serta oleh zarah bercas elektrik yang cepat dipantulkan dari zon pembakaran dengan bahan api yang menyejat, serta foton - kuanta medan elektromagnet dengan tenaga berketumpatan tinggi, suhu 109 dicapai .108 K untuk kawasan minimum bahan api tertentu, di samping itu, ketumpatan bahan api akan menjadi 10 14 cm –3. Bukankah ini cara dan kaedah untuk memenuhi kriteria Lawsen. Tetapi semua parameter fizikal ini boleh berubah apabila faktor luaran mempengaruhi beberapa parameter fizikal lain. Ini masih pengetahuan.
Mari kita pertimbangkan sebab-sebab ketidakmungkinan melaksanakan pelakuran termonuklear dalam reaktor termonuklear yang diketahui.
16. Kelemahan dan masalah idea yang diterima umum dalam fizik tentang tindak balas termonuklear di Matahari
1. Diketahui. Suhu permukaan matahari yang boleh dilihat - fotosfera - ialah 5800 K. Ketumpatan gas dalam fotosfera adalah beribu-ribu kali kurang daripada ketumpatan udara berhampiran permukaan Bumi. Secara amnya diterima bahawa di dalam Matahari, suhu, ketumpatan dan tekanan meningkat dengan kedalaman, mencapai 16 juta K di tengah (ada yang mengatakan 100 juta K), 160 g/cm 3 dan 3.5 10 11 bar. Di bawah pengaruh suhu tinggi dalam teras Matahari, hidrogen bertukar menjadi helium, membebaskan sejumlah besar haba. Jadi, dipercayai bahawa suhu di dalam Matahari adalah dari 16 hingga 100 juta darjah, di permukaan 5800 darjah, dan dalam korona solar dari 1 hingga 2 juta darjah? Kenapa mengarut? Tiada siapa yang boleh menjelaskan perkara ini dengan jelas dan difahami. Penjelasan yang diterima umum mempunyai kekurangan dan tidak memberikan idea yang jelas dan mencukupi tentang sebab-sebab pelanggaran undang-undang termodinamik pada Matahari.
2. Bom termonuklear dan reaktor termonuklear beroperasi pada prinsip teknologi yang berbeza, i.e. nampak tak sama. Adalah mustahil untuk mencipta reaktor termonuklear dengan cara yang serupa dengan operasi bom termonuklear, yang terlepas dalam pembangunan reaktor termonuklear eksperimen moden.
3. Pada tahun 1920, ahli fizik berwibawa Eddington dengan berhati-hati mencadangkan sifat tindak balas termonuklear di Matahari, bahawa tekanan dan suhu di bahagian dalam Matahari adalah sangat tinggi sehingga tindak balas termonuklear boleh berlaku di sana, di mana nukleus hidrogen (proton) bergabung menjadi helium-4 nukleus. Ini adalah pandangan yang diterima umum pada masa ini. Tetapi sejak itu tidak ada bukti bahawa tindak balas termonuklear berlaku di teras Matahari pada 16 juta K (sesetengah ahli fizik percaya 100 juta K), ketumpatan 160 g/cm3 dan tekanan 3.5 x 1011 bar, hanya ada andaian teori . Tindak balas termonuklear dalam korona suria adalah jelas. Ini tidak sukar untuk dikesan dan diukur.
4. Masalah neutrino suria. Tindak balas nuklear yang berlaku dalam teras Matahari membawa kepada pembentukan sejumlah besar neutrino elektron. Menurut konsep lama, pembentukan, transformasi dan bilangan neutrino suria tidak dijelaskan dengan jelas dan mencukupi selama beberapa dekad. Idea baharu tentang pelakuran termonuklear di Matahari tidak mempunyai kesukaran teori ini.
5. Masalah pemanasan korona. Di atas permukaan Matahari yang boleh dilihat (fotosfera), yang mempunyai suhu kira-kira 6,000 K, terletak korona suria, dengan suhu lebih daripada 1,500,000 K. Dapat ditunjukkan bahawa aliran langsung haba dari fotosfera tidak cukup untuk membawa kepada suhu korona yang begitu tinggi. Pemahaman baharu tentang pelakuran termonuklear di Matahari menerangkan sifat suhu korona suria ini. Di sinilah tindak balas termonuklear berlaku.
6. Ahli fizik lupa bahawa TOKAMAK terutamanya diperlukan untuk mengandungi plasma suhu tinggi dan tidak lebih. TOKAMAK sedia ada dan baharu tidak memperuntukkan penciptaan keadaan fizikal yang diperlukan, khas untuk pelakuran termonuklear. Atas sebab tertentu, tiada siapa yang memahami perkara ini. Semua orang berdegil percaya bahawa pada suhu berjuta-juta, deuterium dan tritium harus terbakar dengan baik. Kenapa tiba-tiba? Sasaran nuklear hanya meletup dengan cepat dan bukannya terbakar. Lihat dengan teliti bagaimana pembakaran nuklear berlaku di TOKAMAK. Letupan nuklear seperti itu hanya boleh dibendung oleh medan magnet kuat reaktor yang sangat besar (mudah dikira), tetapi kemudian kecekapan reaktor sedemikian tidak boleh diterima untuk kegunaan teknikal. Dalam paten yang didakwa, masalah mengurung plasma termonuklear mudah diselesaikan.
Penjelasan saintis tentang proses yang berlaku di kedalaman Matahari tidak mencukupi untuk memahami pelakuran termonuklear di kedalaman. Tiada siapa yang cukup meneliti proses penyediaan bahan api, proses pemindahan haba dan jisim, pada kedalaman, dalam keadaan kritikal yang sangat sukar. Sebagai contoh, bagaimana, dan dalam keadaan apa, plasma terbentuk pada kedalaman di mana pelakuran termonuklear berlaku? Bagaimana dia berkelakuan, dsb. Lagipun, beginilah cara TOKAMAK direka secara teknikal.
Jadi, konsep baru gabungan termonuklear menyelesaikan semua masalah teknikal dan teori yang sedia ada dalam bidang ini.
P.S. Sukar untuk menawarkan kebenaran mudah kepada orang yang telah mempercayai pendapat (andaian) pihak berkuasa saintifik selama beberapa dekad. Untuk memahami tentang penemuan baharu itu, sudah cukup untuk menimbang semula secara bebas apa yang telah menjadi dogma selama bertahun-tahun. Jika cadangan baru tentang sifat kesan fizikal menimbulkan keraguan tentang kebenaran andaian lama, buktikan kebenarannya terlebih dahulu kepada diri sendiri. Inilah yang harus dilakukan oleh setiap saintis sejati. Penemuan gabungan termonuklear dalam korona suria terbukti terutamanya secara visual. Pembakaran termonuklear tidak berlaku di kedalaman Matahari, tetapi di permukaannya. Ini adalah pembakaran khas. Banyak gambar dan imej Matahari menunjukkan bagaimana proses pembakaran berlaku, bagaimana proses pembentukan plasma berlaku.
1. Pelaburan termonuklear terkawal. Wikipedia.
2. Velikhov E.P., Mirnov S.V. Gabungan termonuklear terkawal memasuki regangan rumah. Institut Inovasi dan Penyelidikan Termonuklear Trinity. Pusat Saintifik Rusia "Institut Kurchatov", 2006.
3. Llewellyn-Smith K. Dalam perjalanan ke tenaga termonuklear. Bahan kuliah yang diberikan pada 17 Mei 2009 di FIAN.
4. Ensiklopedia Matahari. Tesis, 2006.
5. Matahari. Astronet.
6. Matahari dan kehidupan Bumi. Komunikasi radio dan gelombang radio.
7. Matahari dan Bumi. Getaran tunggal.
8. Matahari. Sistem suria. astronomi am. Projek "Astrogalaxy".
9. Perjalanan dari pusat Matahari. Mekanik Popular, 2008.
10. Matahari. Ensiklopedia fizikal.
11. Gambar Astronomi Hari Ini.
12. Pembakaran. Wikipedia.
"Sains dan Teknologi"
Kewaspadaan dalam masyarakat Amerika terhadap kuasa nuklear berasaskan pembelahan telah menyebabkan peningkatan minat dalam pelakuran hidrogen (tindak balas termonuklear). Teknologi ini telah dicadangkan sebagai cara alternatif untuk memanfaatkan sifat atom untuk menghasilkan tenaga elektrik. Ini adalah idea yang bagus dalam teori. Gabungan hidrogen menukarkan bahan kepada tenaga dengan lebih cekap daripada pembelahan nuklear, dan proses itu tidak menghasilkan sisa radioaktif. Walau bagaimanapun, reaktor termonuklear berfungsi masih belum dicipta.
Pelauran nuklear di matahari
Ahli fizik percaya bahawa Matahari menukar hidrogen kepada helium melalui tindak balas pelakuran nuklear. Istilah "sintesis" bermaksud "penyatuan". Gabungan hidrogen memerlukan suhu yang sangat tinggi. Graviti kuat yang dicipta oleh jisim Matahari yang sangat besar sentiasa mengekalkan terasnya dalam keadaan termampat. Mampatan ini memastikan suhu dalam teras cukup tinggi untuk pelakuran termonuklear hidrogen berlaku.
Gabungan hidrogen suria ialah proses pelbagai langkah. Pertama, dua nukleus hidrogen (dua proton) dimampatkan dengan kuat, memancarkan positron, juga dikenali sebagai antielektron. Positron mempunyai jisim yang sama dengan elektron, tetapi membawa muatan unit positif dan bukannya negatif. Sebagai tambahan kepada positron, apabila atom hidrogen dimampatkan, neutrino dilepaskan - zarah yang menyerupai elektron, tetapi tidak mempunyai cas elektrik dan mampu menembusi jirim ke tahap yang besar (Dengan kata lain, neutrino (neutrino tenaga rendah) ) berinteraksi dengan sangat lemah dengan jirim Purata laluan bebas beberapa jenis neutrino dalam air adalah kira-kira seratus tahun cahaya Ia juga diketahui bahawa, tanpa akibat yang boleh dilihat, kira-kira 10 neutrino yang dipancarkan oleh Matahari melalui setiap orang di Bumi setiap saat. .).
Sintesis dua proton disertai dengan kehilangan satu cas positif. Akibatnya, salah satu proton menjadi neutron. Ini menghasilkan nukleus deuterium (ditandakan 2H atau D), isotop berat hidrogen, yang terdiri daripada satu proton dan satu neutron.
Deuterium juga dikenali sebagai hidrogen berat. Nukleus deuterium bergabung dengan proton lain untuk membentuk nukleus helium-3 (He-3), yang terdiri daripada dua proton dan satu neutron. Dalam kes ini, pancaran sinaran gamma dipancarkan. Seterusnya, dua nukleus helium-3, yang terbentuk hasil daripada dua pengulangan bebas daripada proses yang diterangkan di atas, bergabung untuk membentuk nukleus helium-4 (He-4), yang terdiri daripada dua proton dan dua neutron. Isotop helium ini digunakan untuk mengisi belon yang lebih ringan daripada udara. Pada peringkat akhir, dua proton dipancarkan, yang boleh mencetuskan perkembangan selanjutnya tindak balas pelakuran.
Dalam proses "pelaburan suria," jumlah jisim jirim yang dicipta adalah lebih besar sedikit daripada jumlah jisim bahan asal. "Bahagian yang hilang" ditukar kepada tenaga, mengikut formula terkenal Einstein:
di mana E ialah tenaga dalam joule, m ialah "jisim yang hilang" dalam kilogram, dan c ialah kelajuan cahaya, sama (dalam vakum) dengan 299,792,458 m/s. Matahari menghasilkan sejumlah besar tenaga dengan cara ini, kerana nukleus hidrogen ditukar kepada nukleus helium tanpa henti dan dalam kuantiti yang banyak. Terdapat cukup jirim dalam Matahari untuk proses pelakuran hidrogen berterusan selama berjuta-juta milenium. Dari masa ke masa, bekalan hidrogen akan berakhir, tetapi ini tidak akan berlaku dalam hidup kita.
Matahari adalah sumber tenaga yang tidak habis-habisnya. Selama berbilion tahun ia telah mengeluarkan sejumlah besar haba dan cahaya. Untuk mencipta jumlah tenaga yang sama seperti yang dipancarkan Matahari, ia memerlukan 180,000,000 bilion loji kuasa dengan kapasiti stesen hidroelektrik Kuibyshev.
Sumber tenaga utama dari Matahari ialah tindak balas nuklear. Apakah reaksi yang berlaku di sana? Mungkin Matahari adalah kawah atom gergasi yang membakar rizab uranium atau torium yang besar?
Matahari terdiri terutamanya daripada unsur cahaya - hidrogen, helium, karbon, nitrogen, dll. Kira-kira separuh daripada jisimnya ialah hidrogen. Jumlah uranium dan torium dalam Matahari adalah sangat kecil. Oleh itu, mereka tidak boleh menjadi sumber utama tenaga suria.
Di kedalaman Matahari, di mana tindak balas nuklear berlaku, suhu mencapai kira-kira 20 juta darjah. Bahan yang terkandung di sana berada di bawah tekanan yang sangat besar iaitu ratusan juta tan setiap sentimeter persegi dan sangat padat. Di bawah keadaan sedemikian, tindak balas nuklear jenis yang berbeza boleh berlaku, yang tidak membawa kepada pembahagian nukleus berat kepada yang lebih ringan, tetapi, sebaliknya, kepada pembentukan nukleus yang lebih berat daripada yang lebih ringan.
Kita telah melihat bahawa gabungan proton dan neutron menjadi nukleus hidrogen berat, atau dua proton dan dua neutron menjadi nukleus helium, disertai dengan pembebasan sejumlah besar tenaga. Walau bagaimanapun, kesukaran untuk mendapatkan bilangan neutron yang diperlukan menghalang kaedah ini untuk membebaskan tenaga atom yang bernilai praktikal.
Nukleus yang lebih berat juga boleh dibuat menggunakan proton sahaja. Sebagai contoh, dengan menggabungkan dua proton antara satu sama lain, kita mendapat nukleus hidrogen yang berat, kerana salah satu daripada dua proton akan segera bertukar menjadi neutron.
Gabungan proton menjadi nukleus yang lebih berat berlaku di bawah pengaruh daya nuklear. Ini membebaskan banyak tenaga. Tetapi apabila proton mendekati satu sama lain, tolakan elektrik di antara mereka dengan cepat meningkat. Larian perlahan tidak dapat mengatasi tolakan ini dan cukup dekat antara satu sama lain. Oleh itu, tindak balas sedemikian hanya dilakukan oleh proton yang sangat pantas yang mempunyai bekalan tenaga yang mencukupi untuk mengatasi tindakan daya tolakan elektrik.
Pada suhu yang sangat tinggi di pedalaman Matahari, atom hidrogen kehilangan elektronnya. Pecahan tertentu nukleus atom ini (berjalan) memperoleh halaju yang mencukupi untuk membentuk nukleus yang lebih berat. Oleh kerana bilangan proton sedemikian di kedalaman Matahari adalah sangat besar, bilangan nukleus yang lebih berat yang mereka cipta ternyata ketara. Ini membebaskan banyak tenaga.
Tindak balas nuklear yang berlaku pada suhu yang sangat tinggi dipanggil tindak balas termonuklear. Contoh tindak balas termonuklear ialah pembentukan nukleus hidrogen berat daripada dua proton. Ia berlaku dengan cara berikut:
1H 1 + ,№ - + +1е « .
Proton proton hidrogen positron berat
Tenaga yang dikeluarkan dalam kes ini hampir 500,000 kali lebih besar daripada semasa membakar arang batu.
Perlu diingat bahawa walaupun pada suhu yang tinggi, tidak setiap perlanggaran proton antara satu sama lain membawa kepada pembentukan nukleus hidrogen yang berat. Oleh itu, proton digunakan secara beransur-ansur, yang memastikan pembebasan tenaga nuklear selama beratus-ratus bilion tahun.
Tenaga suria nampaknya datang daripada tindak balas nuklear lain, penukaran hidrogen kepada helium. Jika empat nukleus hidrogen (proton) digabungkan menjadi satu nukleus yang lebih berat, maka ini akan menjadi nukleus helium, kerana dua daripada empat proton ini akan bertukar menjadi neutron. Reaksi ini kelihatan seperti ini:
4,№ - 2He*+ 2 +1e°. positron hidrogen helium
Pembentukan helium daripada hidrogen berlaku di Matahari dengan cara yang agak kompleks, yang bagaimanapun, membawa kepada hasil yang sama. Reaksi yang berlaku dalam kes ini ditunjukkan dalam Rajah. 23.
Pertama, satu proton bergabung dengan nukleus karbon 6Cl2, membentuk isotop nitrogen yang tidak stabil 7N13 Tindak balas ini disertai dengan pembebasan sejumlah tenaga nuklear yang dibawa oleh sinaran gamma. Nitrogen m3 yang terhasil tidak lama lagi bertukar menjadi isotop karbon 6C13 yang stabil. Dalam kes ini, positron dengan tenaga yang ketara dipancarkan. Selepas beberapa lama, proton baru (kedua) melekat pada nukleus 6Cl3, menghasilkan pembentukan isotop nitrogen 7N4 yang stabil, dan sebahagian daripada tenaga dilepaskan semula dalam bentuk sinaran gamma. Proton ketiga, bergabung dengan nukleus 7MI, membentuk nukleus isotop oksigen yang tidak stabil BO15. Tindak balas ini juga disertai dengan pancaran sinar gamma. Isotop 8015 yang terhasil mengeluarkan positron dan bertukar menjadi isotop stabil nitrogen 7№5. Penambahan proton keempat kepada nukleus ini membawa kepada pembentukan nukleus 8016, yang mereput kepada dua nukleus baharu: nukleus karbon bC dan nukleus helium hHe4.
Hasil daripada rantaian tindak balas nuklear ini mengikut satu sama lain, nukleus karbon asal 6C12 terbentuk semula, dan bukannya empat nukleus hidrogen (proton), nukleus helium muncul. Kitaran tindak balas ini mengambil masa kira-kira 5 juta tahun untuk diselesaikan. Diperbaharui
Nukleus bC12 boleh memulakan kitaran yang sama sekali lagi. Tenaga yang dibebaskan, dibawa oleh sinaran gamma dan positron, memberikan sinaran daripada Matahari.
Nampaknya, beberapa bintang lain memperoleh tenaga yang sangat besar dengan cara yang sama. Walau bagaimanapun, banyak dalam isu kompleks ini masih belum diselesaikan.
Keadaan yang sama berlaku lebih cepat. Ya, reaksi
,№ + ,№ -. 2He3
Deuterium ringan hidrogen helium
Boleh, dengan kehadiran sejumlah besar hidrogen, berakhir dalam beberapa saat, dan tindak balas -
ХНз + ,Н‘ ->2He4 tritium hidrogen helium ringan
Dalam sepersepuluh saat.
Gabungan pantas nukleus ringan menjadi lebih berat, yang berlaku semasa tindak balas termonuklear, memungkinkan untuk mencipta jenis senjata atom baharu - bom hidrogen. Salah satu cara yang mungkin untuk mencipta bom hidrogen ialah tindak balas termonuklear antara hidrogen berat dan superheavy:
1№ + ,№ - 8He*+ «o1.
Deuterium tritium helium neutron
Tenaga yang dibebaskan semasa tindak balas ini adalah kira-kira 10 kali lebih besar daripada semasa pembelahan nukleus uranium atau plutonium.
Untuk memulakan tindak balas ini, deuterium dan tritium mesti dipanaskan pada suhu yang sangat tinggi. Suhu sedemikian pada masa ini hanya boleh dicapai semasa letupan atom.
Bom hidrogen mempunyai cangkang logam yang kuat, yang dimensinya lebih besar daripada bom atom. Di dalamnya terdapat bom atom biasa menggunakan uranium atau plutonium, serta deuterium dan tritium. Untuk meletupkan bom hidrogen, anda mesti meletupkan bom atom terlebih dahulu. Letupan atom menghasilkan suhu dan tekanan tinggi di mana hidrogen yang terkandung dalam bom mula bertukar menjadi helium. Tenaga yang dibebaskan dengan cara ini mengekalkan suhu tinggi yang diperlukan untuk tindak balas selanjutnya. Oleh itu, penukaran hidrogen kepada helium akan berterusan sehingga semua hidrogen "terbakar" atau peluru bom runtuh. Letupan atom, seolah-olah, "menyalakan" bom hidrogen, dan tindakannya meningkatkan kuasa letupan atom dengan ketara.
Letupan bom hidrogen disertai oleh akibat yang sama seperti letupan atom - kemunculan suhu tinggi, gelombang kejutan dan produk radioaktif. Walau bagaimanapun, kuasa bom hidrogen adalah berkali ganda lebih besar daripada kuasa bom uranium dan plutonium.
Bom atom mempunyai jisim kritikal. Dengan menambah jumlah bahan api nuklear dalam bom sedemikian, kita tidak akan dapat memisahkannya sepenuhnya. Sebahagian besar uranium atau plutonium biasanya bertaburan dalam bentuk yang tidak terpisah dalam zon letupan. Ini menjadikannya sangat sukar untuk meningkatkan kuasa bom atom. Bom hidrogen tidak mempunyai jisim kritikal. Oleh itu, kuasa bom tersebut boleh ditingkatkan dengan ketara.
Pengeluaran bom hidrogen menggunakan deuterium dan tritium melibatkan perbelanjaan tenaga yang besar. Deuterium boleh didapati daripada air yang berat. Untuk mendapatkan tritium, litium mesti dibombardir dengan 6 neutron. Tindak balas yang berlaku ditunjukkan pada halaman 29. Sumber neutron yang paling berkuasa ialah dandang atom. Melalui setiap sentimeter persegi permukaan bahagian tengah dandang kuasa purata, kira-kira 1000 bilion neutron memasuki cangkang pelindung. Dengan membuat saluran dalam cangkerang ini dan meletakkan litium 6 di dalamnya, tritium boleh diperolehi. Litium semulajadi mempunyai dua isotop: litium 6 dan litium 7. Bahagian litium b hanya 7.3%. Tritium yang diperoleh daripadanya ternyata radioaktif. Memancarkan elektron, ia bertukar menjadi helium 3. Separuh hayat tritium ialah 12 tahun.
Kesatuan Soviet segera menghapuskan monopoli AS ke atas bom atom. Selepas ini, imperialis Amerika cuba menakut-nakutkan rakyat yang cintakan keamanan dengan bom hidrogen. Walau bagaimanapun, pengiraan pengganas ini juga gagal. Pada 8 Ogos 1953, pada sesi kelima Soviet Tertinggi USSR, Komrad Malenkov menegaskan bahawa Amerika Syarikat bukanlah monopoli dalam pengeluaran bom hidrogen. Berikutan itu, pada 20 Ogos 1953, laporan kerajaan telah diterbitkan mengenai kejayaan ujian bom hidrogen di Kesatuan Soviet. Dalam mesej ini, Kerajaan negara kita sekali lagi mengesahkan keinginan berterusannya untuk mencapai pengharaman semua jenis senjata atom dan penubuhan kawalan antarabangsa yang ketat ke atas pelaksanaan larangan ini.
Adakah mungkin untuk membuat tindak balas termonuklear boleh dikawal dan menggunakan tenaga nukleus hidrogen untuk tujuan perindustrian?
Proses menukar hidrogen kepada helium tidak mempunyai jisim kritikal. Oleh itu, ia boleh dihasilkan walaupun dengan sejumlah kecil isotop hidrogen. Tetapi untuk ini adalah perlu untuk mencipta sumber baru suhu tinggi, yang berbeza daripada letupan atom dalam saiz yang sangat kecil. Ia juga mungkin bahawa untuk tujuan ini adalah perlu untuk menggunakan tindak balas termonuklear yang agak perlahan daripada tindak balas antara deuterium dan tritium. Pada masa ini, saintis sedang berusaha untuk menyelesaikan masalah etika.
Struktur dalaman bintang
Kami menganggap bintang sebagai badan yang tertakluk kepada tindakan pelbagai daya. Daya graviti cenderung untuk menarik jirim bintang ke arah pusat, manakala tekanan gas dan cahaya, diarahkan dari dalam, cenderung untuk menolaknya dari pusat. Oleh kerana bintang itu wujud sebagai jasad yang stabil, ia berikutan bahawa terdapat beberapa jenis keseimbangan antara kuasa-kuasa yang bertanding. Untuk melakukan ini, suhu lapisan berbeza dalam bintang mesti ditetapkan supaya dalam setiap lapisan aliran tenaga keluar membawa semua tenaga yang dijana di bawahnya ke permukaan. Tenaga dijana dalam teras pusat yang kecil. Untuk tempoh awal kehidupan bintang, pemampatannya merupakan sumber tenaga. Tetapi hanya sehingga suhu meningkat sehingga tindak balas nuklear bermula.
Pembentukan bintang dan galaksi
Jirim di Alam Semesta sedang dalam pembangunan berterusan, dalam pelbagai bentuk dan keadaan. Oleh kerana bentuk kewujudan jirim berubah, maka, akibatnya, objek yang berbeza dan pelbagai tidak semua boleh timbul pada masa yang sama, tetapi terbentuk dalam era yang berbeza dan oleh itu mempunyai umur khusus mereka sendiri, dikira dari awal asalnya.
Asas saintifik kosmogoni telah diletakkan oleh Newton, yang menunjukkan bahawa jirim di angkasa lepas di bawah pengaruh gravitinya sendiri dibahagikan kepada kepingan mampat. Teori pembentukan gumpalan bahan dari mana bintang terbentuk telah dibangunkan pada tahun 1902 oleh ahli astrofizik Inggeris J. Jeans. Teori ini juga menerangkan asal usul Galaksi. Dalam medium yang awalnya homogen dengan suhu dan ketumpatan malar, pemadatan mungkin berlaku. Jika daya graviti bersama di dalamnya melebihi daya tekanan gas, maka medium akan mula memampatkan, dan jika tekanan gas berlaku, maka bahan akan tersebar di angkasa.
Adalah dipercayai bahawa umur Metagalaxy adalah 13-15 bilion tahun. Zaman ini tidak bercanggah dengan anggaran umur bintang tertua dan gugusan bintang globular di Galaxy kita.
Evolusi bintang
Pemeluwapan yang timbul dalam persekitaran gas dan debu Galaxy, yang terus menguncup di bawah pengaruh graviti mereka sendiri, dipanggil protostar. Apabila ia mengecut, ketumpatan dan suhu protostar meningkat, dan ia mula memancarkan dengan banyaknya dalam julat inframerah spektrum. Tempoh penguncupan protostar adalah berbeza: bagi mereka yang mempunyai jisim kurang daripada Matahari - ratusan juta tahun, dan untuk yang besar - hanya ratusan ribu tahun. Apabila suhu dalam usus protostar meningkat kepada beberapa juta Kelvin, tindak balas termonuklear bermula di dalamnya, menukar hidrogen kepada helium. Dalam kes ini, tenaga yang sangat besar dilepaskan, menghalang pemampatan selanjutnya dan memanaskan bahan itu ke titik pencerahan diri - protostar bertukar menjadi bintang biasa. Jadi, peringkat mampatan digantikan dengan peringkat pegun, disertai dengan "burnout" hidrogen secara beransur-ansur. Bintang menghabiskan sebahagian besar hayatnya dalam peringkat pegun. Pada peringkat evolusi inilah bintang terletak yang terletak pada jujukan "spektrum-kecerahan" utama. Masa bintang kekal pada jujukan utama adalah berkadar dengan jisim bintang, kerana bekalan bahan api nuklear bergantung pada ini, dan berkadar songsang dengan kecerahan, yang menentukan kadar penggunaan bahan api nuklear.
Apabila semua hidrogen di kawasan tengah ditukar kepada helium, teras helium terbentuk di dalam bintang. Sekarang hidrogen akan bertukar menjadi helium bukan di tengah bintang, tetapi dalam lapisan bersebelahan dengan teras helium yang sangat panas. Selagi tiada sumber tenaga di dalam teras helium, ia akan sentiasa memampatkan dan pada masa yang sama menjadi lebih panas. Mampatan nukleus membawa kepada pelepasan tenaga nuklear yang lebih cepat dalam lapisan nipis berhampiran sempadan nukleus. Dalam bintang yang lebih besar, suhu teras semasa pemampatan menjadi melebihi 80 juta Kelvin, dan tindak balas termonuklear bermula di dalamnya, menukar helium kepada karbon, dan kemudian kepada unsur kimia lain yang lebih berat. Tenaga yang keluar dari teras dan persekitarannya menyebabkan peningkatan tekanan gas, di bawah pengaruh fotosfera mengembang. Tenaga yang datang ke fotosfera dari bahagian dalam bintang kini merebak ke kawasan yang lebih besar daripada sebelumnya. Dalam hal ini, suhu fotosfera berkurangan. Bintang itu bergerak dari jujukan utama, secara beransur-ansur menjadi gergasi merah atau supergergasi bergantung pada jisimnya, dan menjadi bintang lama. Melepasi peringkat supergergasi kuning, bintang mungkin bertukar menjadi berdenyut, iaitu bintang berubah-ubah fizikal, dan kekal dalam peringkat gergasi merah. Cangkang kembung bintang berjisim kecil sudah tertarik dengan lemah oleh teras dan, secara beransur-ansur bergerak menjauhinya, membentuk nebula planet. Selepas pelesapan terakhir cangkerang, hanya teras panas bintang kekal - kerdil putih.
Nasib bintang yang lebih besar adalah berbeza. Jika jisim bintang adalah lebih kurang dua kali ganda jisim Matahari, maka bintang-bintang tersebut kehilangan kestabilan pada peringkat terakhir evolusinya. Khususnya, mereka boleh meletup sebagai supernova dan kemudian mengecut secara besar-besaran kepada saiz bola dengan radius beberapa kilometer, iaitu, bertukar menjadi bintang neutron.
Bintang yang jisimnya lebih daripada dua kali jisim Matahari, kehilangan keseimbangan dan mula mengecut, sama ada akan bertukar menjadi bintang neutron atau tidak akan dapat mencapai keadaan stabil sama sekali. Dalam proses pemampatan tanpa had, ia berkemungkinan mampu bertukar menjadi lubang hitam.
Kerdil putih
Kerdil putih adalah bintang yang luar biasa, sangat kecil, padat dengan suhu permukaan yang tinggi. Ciri membezakan utama struktur dalaman kerdil putih ialah ketumpatan gergasinya berbanding bintang biasa. Oleh kerana ketumpatan yang sangat besar, gas di pedalaman kerdil putih berada dalam keadaan luar biasa - merosot. Sifat-sifat gas yang merosot itu sama sekali tidak serupa dengan sifat-sifat gas biasa. Tekanannya, sebagai contoh, boleh dikatakan bebas daripada suhu. Kestabilan kerdil putih dikekalkan oleh fakta bahawa daya graviti yang sangat besar yang memampatkannya ditentang oleh tekanan gas yang merosot di kedalamannya.
Kerdil putih berada di peringkat akhir evolusi bintang dengan jisim yang tidak terlalu besar. Tiada sumber nuklear dalam bintang lagi, dan ia masih bersinar untuk masa yang sangat lama, perlahan-lahan menyejuk. Kerdil putih adalah stabil melainkan jisimnya melebihi kira-kira 1.4 jisim suria.
Bintang neutron
Bintang neutron ialah benda angkasa yang sangat kecil dan sangat padat. Diameter mereka secara purata tidak lebih daripada beberapa puluh kilometer. Bintang neutron terbentuk selepas kehabisan sumber tenaga termonuklear dalam perut bintang biasa, jika jisimnya pada masa itu melebihi 1.4 jisim suria. Oleh kerana tiada sumber tenaga termonuklear, keseimbangan stabil bintang menjadi mustahil dan mampatan bencana bintang ke arah pusat bermula - keruntuhan graviti. Jika jisim awal bintang tidak melebihi nilai kritikal tertentu, maka keruntuhan di bahagian tengah berhenti dan bintang neutron panas terbentuk. Proses runtuh mengambil masa sepersekian saat. Ia boleh diikuti sama ada dengan kebocoran kulit bintang yang tinggal ke bintang neutron panas dengan pelepasan neutrino, atau dengan pembebasan cangkerang disebabkan oleh tenaga termonuklear bahan "tidak terbakar" atau tenaga putaran. Pelepasan sedemikian berlaku dengan sangat cepat dan dari Bumi ia kelihatan seperti letupan supernova. Pulsar bintang neutron yang diperhatikan sering dikaitkan dengan sisa supernova. Jika jisim bintang neutron melebihi 3-5 jisim suria, keseimbangannya akan menjadi mustahil, dan bintang seperti itu akan menjadi lubang hitam. Ciri-ciri bintang neutron yang sangat penting ialah putaran dan medan magnet. Medan magnet boleh berbilion hingga trilion kali lebih kuat daripada medan magnet Bumi.
Apakah sumber tenaga suria? Apakah sifat proses yang menghasilkan sejumlah besar tenaga? Berapa lama matahari akan terus bersinar?Percubaan pertama untuk menjawab soalan-soalan ini dibuat oleh ahli astronomi pada pertengahan abad ke-19, selepas ahli fizik merumuskan undang-undang pemuliharaan tenaga.
Robert Mayer mencadangkan bahawa Matahari bersinar kerana pengeboman berterusan permukaan oleh meteorit dan zarah meteorik. Hipotesis ini ditolak, kerana pengiraan mudah menunjukkan bahawa untuk mengekalkan kilauan Matahari pada tahap semasa, adalah perlu bahawa 2 * 1015 kg bahan meteorik jatuh ke atasnya setiap saat. Sepanjang setahun ini akan berjumlah 6*1022 kg, dan sepanjang hayat Matahari, lebih 5 bilion tahun – 3*1032 kg. Jisim Matahari ialah M = 2*1030 kg, oleh itu, selama lima bilion tahun, jirim 150 kali ganda jisim Matahari sepatutnya jatuh ke Matahari.
Hipotesis kedua telah dinyatakan oleh Helmholtz dan Kelvin juga pada pertengahan abad ke-19. Mereka mencadangkan bahawa Matahari memancar kerana mampatan sebanyak 60-70 meter setiap tahun. Sebab pemampatan adalah tarikan bersama zarah suria, itulah sebabnya hipotesis ini dipanggil penguncupan. Jika kita membuat pengiraan mengikut hipotesis ini, maka umur Matahari tidak akan lebih daripada 20 juta tahun, yang bercanggah dengan data moden yang diperoleh daripada analisis pereputan radioaktif unsur-unsur dalam sampel geologi tanah Bumi dan tanah Bulan.
Hipotesis ketiga mengenai kemungkinan sumber tenaga suria telah dinyatakan oleh James Jeans pada awal abad kedua puluh. Beliau mencadangkan bahawa kedalaman Matahari mengandungi unsur radioaktif berat yang secara spontan mereput dan mengeluarkan tenaga. Sebagai contoh, perubahan uranium menjadi torium dan kemudian menjadi plumbum disertai dengan pembebasan tenaga. Analisis seterusnya terhadap hipotesis ini juga menunjukkan ketidakselarasannya; bintang yang hanya terdiri daripada uranium tidak akan membebaskan tenaga yang mencukupi untuk menghasilkan kecerahan cahaya Matahari. Di samping itu, terdapat bintang yang kecerahannya berkali ganda lebih besar daripada bintang kita. Tidak mungkin bintang-bintang itu juga mempunyai rizab bahan radioaktif yang lebih besar.
Hipotesis yang paling berkemungkinan ternyata adalah hipotesis sintesis unsur-unsur akibat tindak balas nuklear dalam perut bintang.
Pada tahun 1935, Hans Bethe membuat hipotesis bahawa sumber tenaga suria boleh menjadi tindak balas termonuklear untuk menukar hidrogen kepada helium. Untuk ini Bethe menerima Hadiah Nobel pada tahun 1967.
Komposisi kimia Matahari hampir sama dengan kebanyakan bintang lain. Kira-kira 75% adalah hidrogen, 25% adalah helium dan kurang daripada 1% adalah semua unsur kimia lain (terutamanya karbon, oksigen, nitrogen, dll.). Sejurus selepas kelahiran Alam Semesta, tidak ada unsur "berat" sama sekali. Kesemua mereka, i.e. unsur yang lebih berat daripada helium, dan juga banyak zarah alfa, telah terbentuk semasa "pembakaran" hidrogen dalam bintang semasa pelakuran termonuklear. Jangka hayat ciri bintang seperti Matahari ialah sepuluh bilion tahun.
Sumber tenaga utama ialah kitaran proton-proton - tindak balas yang sangat perlahan (masa ciri 7.9 * 109 tahun), kerana ia disebabkan oleh interaksi yang lemah. Intipatinya ialah empat proton membentuk nukleus helium. Dalam kes ini, sepasang positron dan sepasang neutrino dilepaskan, serta 26.7 MeV tenaga. Bilangan neutrino yang dipancarkan oleh Matahari sesaat hanya ditentukan oleh kecerahan Matahari. Oleh kerana 2 neutrino dilahirkan apabila 26.7 MeV dibebaskan, kadar pelepasan neutrino ialah: 1.8*1038 neutrino/s.
Ujian langsung teori ini ialah pemerhatian neutrino suria. Neutrino bertenaga tinggi (boron) dikesan dalam eksperimen klorin-argon (eksperimen Davis) dan secara konsisten menunjukkan kekurangan neutrino berbanding nilai teori untuk model standard Matahari. Neutrino tenaga rendah yang timbul secara langsung dalam tindak balas pp direkodkan dalam eksperimen gallium-germanium (GALLEX di Gran Sasso (Itali - Jerman) dan SAGE di Baksan (Rusia - Amerika Syarikat)); mereka juga "hilang".
Mengikut beberapa andaian, jika neutrino mempunyai jisim rehat yang berbeza daripada sifar, ayunan (transformasi) pelbagai jenis neutrino (kesan Mikheev – Smirnov – Wolfenstein) adalah mungkin (terdapat tiga jenis neutrino: neutrino elektron, muon dan tauon). Kerana Memandangkan neutrino lain mempunyai keratan rentas yang jauh lebih kecil untuk interaksi dengan jirim daripada elektron, defisit yang diperhatikan boleh dijelaskan tanpa mengubah model standard Matahari, dibina berdasarkan keseluruhan set data astronomi.
Setiap saat, Matahari memproses kira-kira 600 juta tan hidrogen. Rizab bahan api nuklear akan bertahan selama lima bilion tahun lagi, selepas itu ia secara beransur-ansur akan berubah menjadi kerdil putih.
Bahagian tengah Matahari akan mengecut, menjadi panas, dan haba yang dipindahkan ke kulit luar akan membawa kepada pengembangannya kepada saiz yang besar berbanding dengan yang moden: Matahari akan mengembang dengan begitu banyak sehingga ia akan menyerap Mercury, Venus dan akan memakan " bahan api” seratus kali lebih cepat, daripada sekarang. Ini akan membawa kepada peningkatan saiz Matahari; bintang kita akan menjadi gergasi merah, yang saiznya setanding dengan jarak dari Bumi ke Matahari! Kehidupan di Bumi akan hilang atau mencari perlindungan di planet luar.
Kami, sudah tentu, akan menyedari peristiwa sedemikian lebih awal, kerana peralihan ke peringkat baru akan mengambil masa kira-kira 100-200 juta tahun. Apabila suhu bahagian tengah Matahari mencapai 100,000,000 K, helium juga akan mula terbakar, bertukar menjadi unsur berat, dan Matahari akan memasuki peringkat kitaran kompleks mampatan dan pengembangan. Pada peringkat terakhir, bintang kita akan kehilangan kulit luarnya, teras pusat akan mempunyai ketumpatan dan saiz yang sangat tinggi, seperti Bumi. Beberapa bilion tahun lagi akan berlalu, dan Matahari akan menjadi sejuk, bertukar menjadi kerdil putih.