Щоб розуміти процес народження та розвитку уявлень про термоядерний синтез на Сонці, необхідно знати історію людських уявлень про розуміння цього процесу. Є багато нерозв'язних теоретичних та технологічних проблем щодо створення керованого термоядерного реактора, в якому відбувається процес керування термоядерним синтезом. Багато вчених, а тим більше чиновників від науки, не знайомі з історією цього питання.
Саме незнання історії розуміння та уявлення людством термоядерного синтезу на Сонці призвело до невірних дій творців термоядерних реакторів. Це доводиться шістдесятирічної невдачею робіт зі створення керованого термоядерного реактора, марними витратами великих коштів багатьма розвиненими країнами. Найголовніший і незаперечний доказ: протягом 60 років не створено керований термоядерний реактор. Більше того, відомі наукові авторитети у ЗМІ обіцяють створення керованого термоядерного реактора (УТЯР) років через 30...40.
2. «Бритва Оккама»
«Бритва Оккама» – методологічний принцип, який отримав назву на ім'я англійського ченця-францисканця, філософа-номіналіста Вільяма. У спрощеному вигляді він говорить: «Не слід множити те, що існує без необхідності» (або «Не слід залучати нові сутності без самої крайньої на те необхідності»). Цей принцип формує базис методологічного редукціонізму, який також називається принципом ощадливості, або законом економії. Іноді принцип виявляється у словах: «Те, що можна пояснити у вигляді меншого, годі було висловлювати у вигляді більшого».
У сучасній науці під «Бритвою Оккама» зазвичай розуміють загальніший принцип, який стверджує, що й існує кілька логічно несуперечливих визначень чи пояснень будь-якого явища, слід вважати вірним найпростіше їх.
p align="justify"> Зміст принципу можна спрощено звести до наступного: не треба вводити складні закони, щоб пояснити якесь явище, якщо це явище можна пояснити простими законами. Нині цей принцип – сильне знаряддя наукової критичної думки. Сам Оккам сформулював цей принцип як підтвердження існування Божого. Їм-то, на його думку, точно можна все пояснити, не вводячи нічого нового.
Переформульований мовою теорії інформації принцип «Бритви Оккама» свідчить, що найточнішим повідомленням є повідомлення мінімальної довжини.
Альберт Ейнштейн переформулював принцип «Бритви Оккама» таким чином: «Все слід спрощувати доти, доки це можливо, але не більше».
3. Про початок розуміння та уявлення людством термоядерного синтезу на Сонці
Усі жителі Землі довгий час розуміли факт, що Сонце гріє Землю, але всім незрозумілими залишалися джерела сонячної енергії. У 1848 р. Роберт Майєр висунув метеоритну гіпотезу, за якою Сонце нагрівається завдяки бомбардуванню метеоритами. Однак за такої необхідної кількості метеоритів сильно нагрівалася б і Земля; крім того, земні геологічні напластування складалися б переважно з метеоритів; нарешті, маса Сонця мала зростати, і це позначилося б на русі планет.
Тому в другій половині XIX століття багатьма дослідниками найправдоподібнішою вважалася теорія, розвинена Гельмгольцем (1853) і лордом Кельвіном, які припустили, що Сонце нагрівається за рахунок повільного гравітаційного стиску («механізм Кельвіна – Гельмгольця»). Засновані на цьому механізмі розрахунки оцінювали максимальний вік Сонця в 20 млн років, а час, через який Сонце згасне – не більше ніж у 15 млн. Однак ця гіпотеза суперечила геологічним даним про вік гірських порід, які вказували на набагато більші цифри. Так, наприклад, Чарльз Дарвін зазначив, що ерозія вендських відкладень тривала щонайменше 300 млн років. Тим не менш, енциклопедія Брокгауза та Єфрона вважає гравітаційну модель єдино допустимою.
Лише у XX столітті було знайдено «правильне» вирішення цієї проблеми. Спочатку Резерфорд висунув гіпотезу, що джерелом внутрішньої енергії Сонця є радіоактивний розпад. В 1920 Артур Еддінгтон припустив, що тиск і температура в надрах Сонця настільки високі, що там можуть йти термоядерні реакції, при якій ядра водню (протони) зливаються в ядро гелію-4. Так як маса останнього менша, ніж сума мас чотирьох вільних протонів, то частина маси в цій реакції, згідно з формулою Ейнштейна E = mc 2 переходить в енергію. Те, що водень переважає у складі Сонця, підтвердила 1925 р. Сесиллія Пейн.
Теорія термоядерного синтезу була розвинена в 1930-х роках астрофізиками Чандрасекаром та Гансом Бете. Бете детально розрахував дві головні термоядерні реакції, що є джерелами енергії Сонця. Нарешті, в 1957 р. з'явилася робота Маргарет Бербрідж «Синтез елементів у зірках», в якій було показано, висловлено припущення, що більшість елементів у Всесвіті виникла в результаті нуклеосинтезу, що йде у зірках.
4. Космічні дослідження Сонця
Перші роботи Еддінгтона як астронома пов'язані з вивченням рухів зірок та будовою зіркових систем. Але, головна його заслуга – у цьому, що він створив теорію внутрішньої будови зірок. Глибоке проникнення у фізичну сутність явищ та майстерне володіння методами найскладніших математичних розрахунків дозволили Еддінгтону отримати ряд основних результатів у таких галузях астрофізики, як внутрішня будова зірок, стан міжзоряної матерії, рух та розподіл зірок у Галактиці.
Еддінгтон розрахував діаметри деяких червоних зірок-гігантів, визначив щільність карликового супутника зірки Сіріус - вона виявилася надзвичайно високою. Робота Еддінгтона з визначення щільності зірки послужила поштовхом у розвиток фізики надщільного (виродженого) газу.
Еддінгтон був добрим інтерпретатором загальної теорії відносності Ейнштейна. Він здійснив першу експериментальну перевірку одного з ефектів, пророкованих цією теорією: відхилення променів світла в полі тяжіння масивної зірки. Це вдалося йому зробити під час повного затемнення Сонця в 1919 р. Разом з іншими вченими Еддінгтон заклав основи сучасних знань про будову зірок.
5. Термоядерний синтез – горіння!
Що таке, візуально, термоядерний синтез? У принципі, це горіння. Але відомо, що це горіння дуже великий потужності на одиницю обсягу простору. І зрозуміло, що це процес окислення. Тут у процесі горіння беруть участь інші елементи, які теж горять, але за особливих фізичних умов.
Згадаймо про горіння.
Горіння хімічне – це складний фізико-хімічний процес перетворення компонентів горючої суміші на продукти згоряння з виділенням теплового випромінювання, світла та променистої енергії.
Горіння хімічне поділяють кілька типів горіння.
Горіння підрозділяється на теплове та ланцюгове. В основі теплового горіння лежить хімічна реакція, здатна протікати з прогресуючим самоприскоренням внаслідок накопичення тепла, що виділяється. Ланцюгове горіння трапляється у випадках деяких газофазних реакцій при низьких тисках.
Умови термічного самоприскорення можуть бути забезпечені всім реакцій з досить великими тепловими ефектами і енергіями активації.
Горіння може початися спонтанно внаслідок самозаймання або бути ініційованим запаленням. За фіксованих зовнішніх умов безперервне горіння може протікати в стаціонарному режимі, коли основні характеристики процесу – швидкість реакції, потужність тепловиділення, температура та склад продуктів – не змінюються у часі, або в періодичному режимі, коли ці характеристики коливаються біля своїх середніх значень. Внаслідок сильної нелінійної залежності швидкості реакції від температури горіння відрізняється високою чутливістю до зовнішніх умов. Це властивість горіння обумовлює існування кількох стаціонарних режимів за тих самих умовах (гістерезисний ефект).
Буває об'ємне горіння, воно всім відоме і часто використовується в побуті.
Дифузійне горіння.Характеризується роздільною подачею до зони горіння пального та окислювача. Перемішування компонентів відбувається у зоні горіння. Приклад: горіння водню та кисню у ракетному двигуні.
Горіння попередньо змішаного середовища.Як випливає з назви, горіння відбувається в суміші, в якій одночасно присутні пальне та окислювач. Приклад: горіння у циліндрі двигуна внутрішнього згоряння бензиново-повітряної суміші після ініціалізації процесу свічкою запалювання.
Безполум'яне горіння.На відміну від звичайного горіння, коли спостерігаються зони окисного полум'я та відновлювального полум'я, можливе створення умов для безполум'яного горіння. Прикладом може бути каталітичне окислення органічних речовин на поверхні відповідного каталізатора, наприклад, окислення етанолу на платинової черні.
Тління.Вид горіння, у якому полум'я не утворюється, а зона горіння повільно поширюється за матеріалом. Тління зазвичай спостерігається у пористих або волокнистих матеріалів з високим вмістом повітря або просочених окислювачами.
Автогенне горіння.Самопідтримуються горіння. Термін використовується у технологіях спалювання відходів. Можливість автогенного (самопідтримуваного) горіння відходів визначається граничним вмістом компонентів, що баластують: вологи і золи.
Полум'я – область простору, в якій відбувається горіння в газовій фазі, що супроводжується видимим та (або) інфрачервоним випромінюванням.
Звичайне полум'я, яке ми спостерігаємо при горінні свічки, полум'я запальнички або сірника, є потік розпечених газів, витягнутий вертикально за рахунок сили тяжіння Землі (гарячі гази прагнуть підніматися вгору).
6. Сучасні фізико-хімічні уявлення про Сонце
Основні характеристики:
Склад фотосфери:
Сонце – центральна та єдина зірка нашої Сонячної системи, навколо якої звертаються інші об'єкти цієї системи: планети та їх супутники, карликові планети та їх супутники, астероїди, метеороїди, комети та космічний пил. Маса Сонця (теоретично) становить 99,8% від сумарної маси всієї Сонячної системи. Сонячне випромінювання підтримує життя Землі (фотони необхідні початкових стадій процесу фотосинтезу), визначає клімат.
За спектральною класифікацією Сонце відноситься до типу G2V (жовтий карлик). Температура поверхні Сонця досягає 6000 K, тому Сонце світить майже білим світлом, але через сильніше розсіювання та поглинання короткохвильової частини спектру атмосферою Землі пряме світло Сонця біля поверхні нашої планети набуває деякого жовтого відтінку.
Сонячний спектр містить лінії іонізованих та нейтральних металів, а також іонізованого водню. У нашій галактиці Чумацький Шлях налічується приблизно 100 млн. зірок класу G2. При цьому 85% зірок нашої галактики – це зірки, менш яскраві, ніж Сонце (переважно це червоні карлики, що знаходяться наприкінці свого циклу еволюції). Як і всі зірки головної послідовності, Сонце виробляє енергію шляхом термоядерного синтезу.
Випромінювання Сонця – основне джерело енергії Землі. Його потужність характеризується сонячною постійною кількістю енергії, що проходить через майданчик одиничної площі, перпендикулярну сонячним променям. На відстані одну астрономічну одиницю (тобто орбіті Землі) ця постійна дорівнює приблизно 1370 Вт/м 2 .
Проходячи крізь атмосферу Землі, сонячне випромінювання втрачає в енергії приблизно 370 Вт/м 2 і до земної поверхні доходить лише 1000 Вт/м 2 (за ясної погоди і коли Сонце знаходиться в зеніті). Ця енергія може використовуватись у різних природних та штучних процесах. Так, рослини з допомогою фотосинтезу переробляють їх у хімічну форму (кисень і органічні сполуки). Пряме нагрівання сонячним промінням або перетворення енергії за допомогою фотоелементів може бути використане для виробництва електроенергії (сонячними електростанціями) або виконання іншої корисної роботи. Шляхом фотосинтезу було у минулому отримано і енергія, запасена у нафти та інших видах викопного палива.
Сонце – магнітно-активна зірка. Вона має сильне магнітне поле, напруженість якого змінюється з часом, і яке змінює напрямок приблизно кожні 11 років, під час сонячного максимуму.
Варіації магнітного поля Сонця викликають різноманітні ефекти, сукупність яких називається сонячною активністю і включає такі явища як сонячні плями, сонячні спалахи, варіації сонячного вітру і т.д., а на Землі викликає полярні сяйва у високих і середніх широтах і геомагнітні бурі, які негативно позначаються на роботі засобів зв'язку, засобів передачі електроенергії, а також негативно впливають на живі організми, викликаючи у людей головний біль та погане самопочуття (у людей, чутливих до магнітних бур). Сонце є молодою зіркою третього покоління (популяції I) з високим вмістом металів, тобто воно утворилося з останків зірок першого та другого поколінь (відповідно до популяцій III і II).
Поточний вік Сонця (точніше - час його існування на головній послідовності), оцінений за допомогою комп'ютерних моделей зоряної еволюції, дорівнює приблизно 4570000000 років.Життєвий цикл Сонця.
Зірка такої маси, як Сонце, має існувати на головній послідовності загалом приблизно 10 млрд років. Таким чином, зараз Сонце знаходиться приблизно у середині свого життєвого циклу. На сучасному етапі в сонячному ядрі йдуть термоядерні реакції перетворення водню на гелій. Кожну секунду в ядрі Сонця близько 4 млн. тонн речовини перетворюється на променисту енергію, внаслідок чого генерується сонячне випромінювання та потік сонячних нейтрино.
7. Теоретичні уявлення людства про внутрішню та зовнішню будову Сонця
У центрі Сонця знаходиться сонячне ядро. Фотосфера – це видима поверхня Сонця, яка є основним джерелом випромінювання. Сонце оточує сонячна корона, яка має дуже високу температуру, проте вона вкрай розріджена, тому вона видима неозброєним оком тільки в періоди повного сонячного затемнення.
Центральна частина Сонця з радіусом приблизно 150 000 кілометрів, де йдуть термоядерні реакції, називається сонячним ядром. Щільність речовини в ядрі становить приблизно 150 000 кг/м 3 (у 150 разів вище за щільність води і в ≈6,6 разів вище за щільність найважчого металу на Землі – осмію), а температура в центрі ядра – понад 14 млн градусів.
Теоретичний аналіз даних, проведений місією SOHO, показав, що у ядрі швидкість обертання Сонця навколо своєї осі значно вища, ніж поверхні. У ядрі здійснюється протон-протонна термоядерна реакція, у результаті якої з чотирьох протонів утворюється гелій-4. При цьому кожну секунду в енергію перетворюються 4,26 млн. тонн речовини, проте ця величина мізерна в порівнянні з масою Сонця - 2 · 10 27 тонн.
Над ядром, на відстані близько 0,2...0,7 радіусу Сонця від його центру, знаходиться зона променистого перенесення, в якій відсутні макроскопічні рухи, енергія переноситься за допомогою «перевипромінювання» фотонів.
Атмосфера Сонця Фотосфера (шар, що випромінює світло) досягає товщини ≈320 км і утворює видиму поверхню Сонця. З фотосфери виходить переважна більшість оптичного (видимого) випромінювання Сонця, випромінювання ж із глибших шарів до неї не доходить. Температура у фотосфері досягає в середньому 5800 К. Тут середня густина газу становить менше 1/1000 густини земного повітря, а температура в міру наближення до зовнішнього краю фотосфери зменшується до 4800 К. Водень за таких умов зберігається майже повністю в нейтральному стані. Фотосфера утворює видиму поверхню Сонця, від якої визначаються розміри Сонця, відстань від Сонця і т.д. Хромосфера - зовнішня оболонка Сонця завтовшки близько 10 000 км, що оточує фотосферу. Походження назви цієї частини сонячної атмосфери пов'язані з її червоним кольором, викликаним тим, що у її видимому діапазоні домінує червона H-альфа лінія випромінювання водню. Верхня межа хромосфери не має вираженої гладкої поверхні, з неї постійно походять гарячі викиди, звані спікулами (через це наприкінці XIX століття італійський астроном Секкі, спостерігаючи хромосферу в телескоп, порівняв її з преріями, що горять). Температура хромосфери зростає з висотою від 4000 до 15 000 градусів.
Щільність хромосфери невелика, тому яскравість її недостатня, щоб спостерігати в звичайних умовах. Але при повному сонячному затемненні, коли Місяць закриває яскраву фотосферу, хромосфера, що розташована над нею, стає видимою і світиться червоним кольором. Її можна також спостерігати у будь-який час за допомогою спеціальних вузькосмугових оптичних фільтрів.
Корона – остання зовнішня оболонка Сонця. Незважаючи на її дуже високу температуру, від 600 000 до 2 000 000 градусів, вона видна неозброєним оком тільки під час повного сонячного затемнення, оскільки щільність речовини в короні мала, тому невелика і її яскравість. Надзвичайно інтенсивний нагрів цього шару викликаний, мабуть, магнітним ефектом і впливом ударних хвиль. Форма корони змінюється залежно від фази циклу сонячної активності: у періоди максимальної активності вона має округлу форму, а в мінімумі витягнута вздовж сонячного екватора. Оскільки температура корони дуже велика, вона інтенсивно випромінює в ультрафіолетовому та рентгенівському діапазонах. Ці випромінювання не проходять крізь земну атмосферу, але останнім часом з'явилася можливість їх вивчати за допомогою космічних апаратів. Випромінювання у різних областях корони відбувається нерівномірно. Існують гарячі активні та спокійні області, а також корональні дірки з відносно невисокою температурою 600 000 градусів, з яких у простір виходять магнітні силові лінії. Така («відкрита») магнітна конфігурація дозволяє частинкам безперешкодно залишати Сонце, тому сонячний вітер випромінюється «в основному» з корональних дірок.
З зовнішньої частини сонячної корони витікає сонячний вітер – потік іонізованих частинок (в основному протонів, електронів та α-часток), що має швидкість 300...1200 км/с і поширюється, поступово зменшуючи свою щільність, до меж геліосфери.
Так як сонячна плазма має досить високу електропровідність, у ній можуть виникати електричні струми та, як наслідок, магнітні поля.
8. Теоретичні проблеми термоядерного синтезу на Сонці
Проблема сонячних нейтрино.Ядерні реакції, що відбуваються в ядрі Сонця, призводять до утворення великої кількості електронних нейтрино. При цьому вимірювання потоку нейтрино на Землі, які постійно виробляються з кінця 1960-х років, показали, що кількість сонячних електронних нейтрино, що реєструються там, приблизно в два-три рази менше, ніж передбачає стандартна сонячна модель, що описує процеси в Сонці. Ця неузгодженість між експериментом і теорією отримала назву «проблема сонячних нейтрино» і понад 30 років була однією із загадок сонячної фізики. Становище ускладнювалося тим, що нейтрино вкрай слабо взаємодіє з речовиною, і створення нейтринного детектора, який здатний досить точно виміряти потік нейтрино навіть такої потужності, як вихідний від Сонця – досить непросте наукове завдання.
Пропонувалося два головні шляхи вирішення проблеми сонячних нейтрино. По-перше, можна було модифікувати модель Сонця таким чином, щоб зменшити передбачувану температуру в його ядрі і, отже, потік нейтрино, що випромінюється Сонцем. По-друге, можна було припустити, що частина електронних нейтрино, випромінюваних ядром Сонця, під час руху до Землі перетворюється на нереєстровані звичайними детекторами нейтрино інших поколінь (мюонні та тау-нейтрино). Сьогодні вчені схиляються до того, що правильним, швидше за все, є другий шлях. Для того, щоб мав місце перехід одного сорту нейтрино в інший - так звані "нейтринні осциляції" - нейтрино повинно мати відмінну від нуля масу. В даний час встановлено, що це начебто справді так. У 2001 році в нейтринній обсерваторії в Садбері були безпосередньо зареєстровані сонячні нейтрино всіх трьох сортів і було показано, що їх повний потік узгоджується зі стандартною сонячною моделлю. При цьому лише близько третини нейтрино, що долітають до Землі, виявляється електронними. Ця кількість узгоджується з теорією, яка передбачає перехід електронних нейтрино в нейтрино іншого покоління як у вакуумі (власне «нейтринні осциляції»), так і в сонячній речовині («ефект Міхєєва-Смирнова-Вольфенштейна»). Таким чином, зараз проблема сонячних нейтрино, мабуть, вирішена.
Проблема нагрівання корони.Над видимою поверхнею Сонця (фотосферою), що має температуру близько 6 000 K, знаходиться сонячна корона з температурою понад 1 000 000 K. Можна показати, що прямого потоку тепла з фотосфери недостатньо для того, щоб призвести до такої високої температури корони.
Передбачається, що енергія нагріву корони поставляється турбулентними рухами підфотосферної конвективної зони. При цьому для перенесення енергії в корону запропоновано два механізми. По-перше, це хвильове нагрівання - звук і магнітогідродинамічні хвилі, що генеруються в турбулентній конвективній зоні, поширюються в корону і розсіюються там, при цьому їх енергія переходить в теплову енергію корональної плазми. Альтернативний механізм - магнітне нагрівання, при якому магнітна енергія, безперервно генерована фотосферними рухами, вивільняється шляхом переєднання магнітного поля у формі великих сонячних спалахів або великої кількості дрібних спалахів.
Зараз неясно, який тип хвиль забезпечує ефективний механізм нагрівання корони. Можна показати, що це хвилі, крім магнитогидродинамических альвенівських, розсіюються чи відбиваються доти, як досягнуть корони, диссипація ж альвенівських хвиль у короні утруднена. Тому сучасні дослідники зосередили основну увагу на механізм нагрівання за допомогою сонячних спалахів. Один з можливих кандидатів у джерела нагріву корони – дрібномасштабні спалахи, що безперервно відбуваються, хоча остаточної ясності в цьому питанні ще не досягнуто.
P.S. Після прочитання про "Теоретичні проблеми термоядерного синтезу на Сонці" необхідно згадати про "Бритву Оккама". Тут у поясненнях теоретичних проблем явно використовуються надумані нелогічні теоретичні пояснення.
9. Типи термоядерного палива. Термоядерне пальне
Керований термоядерний синтез (УТС) – синтез більш важких атомних ядер із легших із єдиною метою отримання енергії, який, на відміну вибухового термоядерного синтезу (використовується в термоядерному зброї), носить керований характер. Керований термоядерний синтез відрізняється від традиційної ядерної енергетики тим, що в останній використовується реакція розпаду, в ході якої важкі ядер виходять більш легкі ядра. В основних ядерних реакціях, які планується використовувати з метою здійснення керованого термоядерного синтезу, будуть застосовуватися дейтерій (2 H) і тритій (3 H), а в більш віддаленій перспективі гелій-3 (3 He) та бор-11 (11 B)
Типи реакції.Реакція синтезу полягає в наступному: беруться два або більше атомних ядра і із застосуванням деякої сили зближуються настільки, що сили, що діють на таких відстанях, переважають над силами відштовхування кулона між однаково зарядженими ядрами, в результаті чого формується нове ядро. Воно матиме дещо меншу масу, ніж сума мас вихідних ядер, а різниця стає енергією, що виділяється у процесі реакції. Кількість енергії, що виділяється описує відома формула E = mc 2 . Більш легкі атомні ядра простіше звести на потрібну відстань, тому водень – найпоширеніший елемент у Всесвіті – є найкращим пальним для реакції синтезу.
Встановлено, що суміш двох ізотопів водню, дейтерію та тритію, вимагає найменше енергії для реакції синтезу порівняно з енергією, що виділяється під час реакції. Однак, хоча суміш дейтерію та тритію (D-T) є предметом більшості досліджень синтезу, вона в жодному разі не є єдиним видом потенційного пального. Інші суміші можуть бути простішими у виробництві; їх реакція може надійніше контролюватись, або, що важливіше, продукувати менше нейтронів. Особливу зацікавленість викликають так звані «безнейтронні» реакції, оскільки успішне промислове використання такого пального означатиме відсутність довготривалого радіоактивного забруднення матеріалів та конструкції реактора, що, у свою чергу, могло б позитивно вплинути на громадську думку та на загальну вартість експлуатації реактора, суттєво зменшивши витрати на його декомісію. Проблемою залишається те, що реакцію синтезу з використанням альтернативних видів пального набагато складніше підтримувати, тому D-T реакція вважається необхідним першим кроком.
Схема реакції дейтерій-тритій.Керований термоядерний синтез може використовувати різні види термоядерних реакцій залежно від виду палива, що застосовується.
Найлегше здійснена реакція – дейтерій + тритій:
2 H + 3 H = 4 He + nпри енергетичному виході 176 МеВ.
Така реакція найлегше здійснена з погляду сучасних технологій, дає значний вихід енергії, паливні компоненти дешеві. Нестача її – вихід небажаної нейтронної радіації.
Два ядра: дейтерію та тритію зливаються, з утворенням ядра гелію (альфа-частка) і високоенергетичного нейтрону.
Реакція – дейтерій + гелій-3 значно складніше, на межі можливого, здійснити реакцію дейтерій + гелій-3:
2 H + 3 He = 4 He + pпри енергетичному виході 183 МеВ.
Умови її досягнення значно складніші. Гелій-3 також є рідкісним і надзвичайно дорогим ізотопом. У промислових масштабах нині немає.
Реакція між ядрами дейтерію (D-D, монопаливо).
Також можливі реакції між ядрами дейтерію, вони йдуть трохи важче реакції з участю гелію-3.
Ці реакції повільно протікають паралельно з реакцією дейтерій + гелій-3, а тритій і гелій-3, що утворилися в ході них, з великою ймовірністю негайно реагують з дейтерієм.
Інші типи реакцій.Можливі деякі інші типи реакцій.
Вибір палива залежить від багатьох факторів – його доступність та дешевизна, енергетичний вихід, легкість досягнення необхідних для реакції термоядерного синтезу умов (насамперед температури), необхідних конструктивних характеристик реактора та ін.«Безнейтронні» реакції.
Найбільш перспективні т.з. «безнейтронні» реакції, так як породжуваний термоядерним синтезом нейтронний потік (наприклад, реакції дейтерій-тритій) забирає значну частину потужності і породжує наведену радіоактивність в конструкції реактора. Реакція дейтерій – гелій-3 є перспективною навіть через відсутність нейтронного виходу.
10. Класичні уявлення про умови реалізації. термоядерного синтезу та керованих термоядерних реакторах
ТОКАМАК (тороїдальна камера з магнітними котушками) - тороїдальна установка для магнітного утримання плазми. Плазма утримується не стінками камери, які не здатні витримати її температуру, а спеціально створюваним магнітним полем. Особливістю ТОКАМАКу є використання електричного струму, що протікає через плазму для створення полоидального поля, необхідного для рівноваги плазми.
- УТС можливий за одночасного виконання двох критеріїв:
- температура плазми повинна бути більшою за 100 000 000 К; n · дотримання критерію Лоусона: t
> 5·10 19 см –3 c (для реакції D-T), nде дотримання критерію Лоусона:- Щільність високотемпературної плазми,
– час утримання плазми у системі.
Вважається теоретично, що саме від значення цих двох критеріїв в основному залежить швидкість протікання тієї чи іншої термоядерної реакції.
Розглядаються дві важливі схеми здійснення керованого термоядерного синтезу.
Квазистаціонарні системи.Нагрів та утримання плазми здійснюється магнітним полем при відносно низькому тиску та високій температурі. Для цього застосовуються реактори у вигляді ТОКАМАКів, стелараторів, дзеркальних пасток і торсатронів, які відрізняються конфігурацією магнітного поля. Реактор ITER має конфігурацію Токамак.
Імпульсні системи.У таких системах УТС здійснюється шляхом короткочасного нагрівання невеликих мішеней, що містять дейтерій та тритій, надпотужними лазерними або іонними імпульсами. Таке опромінення викликає послідовність термоядерних мікровибухів.
Дослідження першого виду термоядерних реакторів значно розвиненіші, ніж другого. У ядерній фізиці при дослідженнях термоядерного синтезу для утримання плазми в деякому обсязі використовується магнітна пастка. Магнітна пастка покликана утримувати плазму контакту з елементами термоядерного реактора, тобто. використовується в першу чергу як утеплювач. Принцип утримання ґрунтується на взаємодії заряджених частинок з магнітним полем, а саме на обертанні заряджених частинок навколо силових ліній магнітного поля. На жаль, замагнічена плазма дуже стабільна і прагне залишити магнітне поле. Тому для створення ефективної магнітної пастки використовуються найпотужніші електромагніти, що споживає величезну кількість енергії.
Можна зменшити розмір термоядерного реактора, якщо використовувати одночасно три способи створення термоядерної реакції.
Інерційний синтез.Опромінювати крихітні капсули дейтерієво-тритієвого палива лазером потужністю 500 трлн (5·10 14) Вт. Цей гігантський дуже короткочасний лазерний імпульс 10 -8 c призводить до вибуху паливних капсул, в результаті чого на частки секунди народжується міні-зірка. Але термоядерної реакції на ньому не досягнути.
Одночасно використовувати Z-machine з токамак. Z-машина діє інакше, ніж лазер. Вона пропускає через павутину найтонших проводів, що оточують паливну капсулу, заряд потужністю півтрильйона ват 5·10 11 Вт.
Реактори першого покоління будуть, найімовірніше, працювати на суміші дейтерію та тритію. Нейтрони, які з'являються в процесі реакції, поглинуться захистом реактора, а тепло, що виділяється, буде використовуватися для нагрівання теплоносія в теплообміннику, і ця енергія, у свою чергу, буде використовуватися для обертання генератора.
Існують, теоретично, альтернативні види пального, які позбавлені зазначених недоліків. Але їхньому використанню перешкоджає фундаментальне фізичне обмеження. Щоб отримати достатньо енергії з реакції синтезу, необхідно утримувати досить щільну плазму при температурі синтезу (10 8 K) протягом певного часу.
Цей фундаментальний аспект синтезу описується добутком густини плазми. nна час утримання нагрітої плазми τ, що потрібно досягнення точки рівноваги. твір nτ залежить від типу пального та є функцією температури плазми. З усіх видів пального дейтерій-тритієва суміш вимагає найнижчого значення nτ щонайменше на порядок, і найнижчу температуру реакції щонайменше в 5 разів. Таким чином, D-T реакція є необхідним першим кроком, проте використання інших видів пального залишається важливим завданням досліджень.
11. Реакція синтезу як промислове джерело електроенергії
Енергія синтезу розглядається багатьма дослідниками як «природне» джерело енергії в довгостроковій перспективі. Прихильники комерційного використання термоядерних реакторів для виробництва електроенергії наводять такі аргументи на їхню користь:
- практично невичерпні запаси палива (водень);
- паливо можна видобувати з морської води на будь-якому узбережжі світу, що унеможливлює монополізацію пального однією або групою країн;
- неможливість некерованої реакції синтезу;
- відсутність продуктів згоряння;
- немає необхідності використовувати матеріали, які можуть бути використані для виробництва ядерної зброї, таким чином, виключаються випадки саботажу та тероризму;
- порівняно з ядерними реакторами, виробляється незначна кількість радіоактивних відходів із коротким періодом напіврозпаду.
Оцінюють, що наперсток, наповнений дейтерієм, виробляє енергію, еквівалентну 20 тонн вугілля. Озеро середнього розміру може забезпечити будь-яку країну енергією на сотні років. Однак слід зауважити, що існуючі дослідні реактори спроектовані для досягнення прямої дейтерієво-тритієвої (DT) реакції, цикл палива якої вимагає використання літію для виробництва тритію, тоді як заяви про невичерпність енергії стосуються використання дейтерієво-дейтерієвої (DD) реакції у другому поколінні реакторів.
Так само, як і реакція поділу, реакція синтезу не виробляє атмосферних викидів вуглекислоти, що є основним внеском у глобальне потепління. Це є значною перевагою, оскільки використання горючих копалин для виробництва електроенергії має своїм наслідком те, що, наприклад, США виробляється 29 кг CO 2 (один з основних газів, які можуть вважатися причиною глобального потепління) на жителя США в день.
12. Вже є сумніви
Країни Європейського Співтовариства витрачають близько 200 млн євро щорічно на дослідження, і прогнозується, що потрібно ще кілька десятиліть поки що промислове використання ядерного синтезу стане можливим. Прихильники альтернативних джерел електроенергії вважають, що було б доцільніше спрямувати ці кошти на використання відновлюваних джерел електроенергії.
На жаль, незважаючи на поширений оптимізм (поширений починаючи з 1950-х років, коли перші дослідження розпочалися), суттєві перешкоди між сьогоднішнім розумінням процесів ядерного синтезу, технологічними можливостями та практичним використанням ядерного синтезу досі не подолані, неясним є навіть наскільки може бути. економічно вигідне виробництво електроенергії з використанням термоядерного синтезу Хоча прогрес у дослідженнях є постійним, дослідники постійно стикаються з новими проблемами. Наприклад, проблемою є розробка матеріалу, здатного витримати нейтронне бомбардування, що, як оцінюється, має бути у 100 разів інтенсивніше, ніж у традиційних ядерних реакторах.
13. Класичне уявлення про майбутні етапи у створенні керованого термоядерного реактора
Розрізняють такі етапи у дослідженнях.
Рівноваги або режим «перевалу»:коли загальна енергія що виділяється в процесі синтезу дорівнює загальної енергії, що витрачає на запуск і підтримку реакції. Це співвідношення позначають символом Q. Рівновагу реакції було продемонстровано на JET у Великій Британії в 1997 р. Витративши на його розігрів 52 МВт електроенергії, на виході вчені отримали потужність на 0,2 МВт вище за витрачену. (Необхідно перевіряти ще раз ці дані!)
Палаюча плазма:проміжний етап, на якому реакція підтримуватиметься головним чином альфа-частинками, що продукуються в процесі реакції, а не зовнішнім підігрівом.
Q≈ 5. Досі проміжний етап не досягнутий.
Запалення:стабільна реакція, що підтримує себе. Повинна досягатися при великих значеннях Q. Досі не досягнуто.
Наступним кроком у дослідженнях має стати ITER, Міжнародний Термоядерний Експериментальний Реактор. На цьому реакторі планується провести дослідження поведінки високотемпературної плазми (палаюча плазма з Q≈ 30) та конструктивних матеріалів для промислового реактора.
Остаточною фазою досліджень стане DEMO: прототип промислового реактора, на якому буде досягнуто займання, та продемонстровано практичну придатність нових матеріалів. Найоптимістичніші прогнози завершення фази DEMO: 30 років. Враховуючи орієнтовний час на побудову та введення в експлуатацію промислового реактора, нас відокремлює ≈40 років від промислового використання термоядерної енергії.
14. Все це треба обміркувати
У світі було збудовано десятки, а можливо і сотні експериментальних термоядерних реакторів різних габаритів. Вчені приходять працювати, включають реактор, реакція швидко відбувається, начебто, вимикають, і сидять і думають. У чому причина? Що робити далі? І так десятиліттями безрезультатно.
Отже, вище було викладено історію людського розуміння термоядерному синтезі на Сонці та історія про досягнення людства зі створення керованого термоядерного реактора.
Пройдено великий шлях і зроблено багато для досягнення кінцевої мети. Але, на жаль, результат є негативним. Керований термоядерний реактор не створено. Ще років 30...40 та обіцянки вчених будуть виконані. А чи будуть? 60 років немає результату. Чому він має вийти через 30...40 років, а не через три роки?
Є інше уявлення про термоядерний синтез на Сонці. Воно логічне, просте та реально призводить до позитивного результату. Це відкриття В.Ф. Власова. Завдяки цьому відкриттю можуть заробити найближчим часом навіть ТОКАМАКи.
15. Новий погляд на природу термоядерного синтезу на Сонці та винахід «Спосіб керованого термоядерного синтезу та керований термоядерний реактор для здійснення керованого термоядерного синтезу»
Від автора.Цьому відкриття та винаходу майже 20 років. Я довго сумнівався, що знайшов новий спосіб проведення термоядерного синтезу і для його реалізації новий термоядерний реактор. Мною були досліджені та вивчені сотні робіт у галузі термоядерного синтезу. Час та перероблена інформація переконали мене, що я на правильному шляху.
На перший погляд винахід дуже простий і зовсім не схожий на експериментальний термоядерний реактор типу ТОКАМАК. У сучасних уявленнях авторитетів від науки ТОКАМАК це єдино правильне рішення та обговоренню не підлягає. 60 років ідеї термоядерного реактора. Але позитивний результат – робочий термоядерний реактор із керованим термоядерним синтезом ТОКАМАК обіцяють лише років через 30...40. Напевно, якщо 60 років немає реального позитивного результату, значить обраний спосіб технічного вирішення ідеї – створення керованого термоядерного реактора – м'яко кажучи, неправильний або недостатньо реальний. Спробуймо показати, що є інше рішення цієї ідеї на базі відкриття про термоядерний синтез на Сонці, і воно відрізняється від загальноприйнятих уявлень.
Відкриття.Головна ідея відкриття дуже проста та логічна, і полягає в тому, що термоядерні реакції відбуваються в області сонячної корони.
Саме тут є необхідні фізичні умови для реалізації термоядерної реакції. Від Сонячної корони, де температура плазми становить приблизно 1 500 000 К, нагрівається поверхня Сонця до 6 000 K, звідси з киплячої поверхні Сонця відбувається випаровування паливної суміші в сонячну корону. силу гравітації Сонця. Це і захищає поверхню Сонця від перегріву та підтримує температуру його поверхні.
У класичних уявленнях фізиків термоядерний синтез, чомусь не відносять до процесу горіння (тут немає на увазі окислювальний процес). Авторитети від фізики вигадали, що термоядерний синтез на Сонці повторює вулканічний процес на планеті, наприклад, Земля. Звідси всі міркування, використовується прийом подібності. Не існує доказів того, що ядро планети Земля має розплавлений рідкий стан. До таких глибин навіть геофізика не може дістатися. Те, що існують вулкани, не можна вважати доказом рідкого ядра Землі. У надрах Землі, особливо у невеликих глибинах, є фізичні процеси, які авторитетним фізикам поки невідомі. У фізиці немає жодного доказу, що у надрах, якоїсь зірки відбувається термоядерний синтез. Та й у термоядерній бомбі термоядерний синтез зовсім не повторює модель у надрах Сонця.
При уважному візуальному вивченні Сонце схоже на сферичний об'ємний пальник і дуже нагадує горіння на великій поверхні землі, де між межею поверхні та зоною горіння (прототип сонячної корони) є проміжок, через який до поверхні землі передається теплове випромінювання, яке випаровує, наприклад, розлите паливо і ці підготовлені пари надходять у зону горіння.
Зрозуміло, що на поверхні Сонця такий процес відбувається за інших, інших фізичних умов. Подібні фізичні умови, досить близькі за параметрами, були закладені в розробку конструкції керованого термоядерного реактора, Короткий опис та принципова схема якого викладені в заявці на викладений патент нижче.
Реферат заявки на патент №2005123095/06(026016)
«Спосіб керованого термоядерного синтезу та керований термоядерний реактор для здійснення керованого термоядерного синтезу».
Поясню спосіб та принцип роботи заявленого керованого термоядерного реактора для здійснення керованого термоядерного синтезу.
Мал. 1.Спрощена принципова схема ВТРАЧ
На рис. 1 зображено принципову схему ВТЯР. Паливна суміш, масовому співвідношенні 1:10, стиснута до 3000 кг/см 2 і нагріта до 3000°C, в зоні 1 змішується і надходить через критичний переріз сопла в зону розширення 2 . У зоні 3 відбувається запалення паливної суміші.
Температура іскри запалення може бути будь-якою необхідною для початку термічного процесу - від 109 ... 108 К і нижче, це залежить від створюваних необхідних фізичних умов.
У високотемпературній зоні 4 відбувається безпосередньо процес горіння. Продукти згоряння передають тепло у вигляді випромінювання та конвекції системі теплообміну 5 і назустріч паливної суміші, що надходить. Пристрій 6 активної частини реактора від критичного перерізу сопла до кінця зони горіння, допомагає змінювати величину кулонівських сил і збільшує ефективний переріз ядер паливної суміші (створює необхідні фізичні умови).
За схемою видно, що реактор схожий на газовий пальник. Але термоядерний реактор і повинен бути таким, і звичайно, фізичні параметри відрізнятимуться на величину в сотні разів, наприклад, від фізичних параметрів газового пальника.
Повторення фізичних умов термоядерного синтезу на Сонці в земних умовах – це сутність винаходу.
Будь-який теплогенеруючий пристрій, в якому використовується горіння, повинен створювати такі умови - цикли: підготовка палива, змішування, подача в робочу зону (зону горіння), запалення, спалювання (перетворення хімічне або ядерне), тепловідведення від гарячих газів у вигляді випромінювання та конвекції, та відведення продуктів згоряння. При небезпечних відходах – їхня утилізація. У заявленому патенті все це передбачено.
Основний аргумент фізиків, про виконання критерію Лоусена виконується - під час запалення електричною іскрою або променем лазера, а також відбиваються від зони горіння паливу, що випаровується, швидкими електричними зарядженими частинками, а так само фотонами - квантами електромагнітного поля з енергіями високої щільності досягається температура 1 . .108 К на деяку мінімальну площу палива, крім того, і щільність палива буде 10 14 см –3 . Хіба це не спосіб і метод виконання критерію Лоусена. Але ці фізичні параметри можуть змінюватися, при вплив зовнішніх чинників деякі інші фізичні параметри. Це поки що ноу-хау.
Розглянемо причини неможливості реалізації термоядерного синтезу у відомих термоядерних реакторах.
16. Недоліки та проблеми загальноприйнятих уявлень у фізиці про термоядерну реакцію на Сонце
1. Відомо. Температура видимої поверхні Сонця – фотосфери – 5800 К. Щільність газу у фотосфері у тисячі разів менша за щільність повітря біля поверхні Землі. Загальноприйнятим вважається, що всередині Сонця температура, щільність і тиск збільшуються з глибиною, досягаючи в центрі відповідно 16 млн К (деякі вважають 100 млн К), 160 г/см 3 і 3,5 · 10 11 бар. Під впливом високої температури в ядрі Сонця водень перетворюється на гелій із виділенням великої кількості тепла. Отже, вважається, що температура всередині Сонця від 16 до 100 млн градусів на поверхні 5800 градусів, а в сонячній короні від 1 до 2 млн градусів? Чому така нісенітниця? Ніхто виразно і зрозуміло пояснити цього не може. Відомі загальноприйняті пояснення мають недоліки та не дають чіткого та достатнього уявлення про причини порушення законів термодинаміки на Сонці.
2. Термоядерна бомба і термоядерний реактор працюють різних технологічних принципах, тобто. неоднаково схоже. Не можна термоядерний реактор створювати подібно до роботи термоядерної бомби, що втрачено при розробці сучасних експериментальних термоядерних реакторів.
3. У 1920 р. авторитетний фізик Еддінгтон обережно висловив припущення про природу термоядерної реакції на Сонце, що тиск і температура в надрах Сонця настільки високі, що там можуть йти термоядерні реакції, при якій водні ядра (протони) зливаються в ядро гелію-4. Нині це загальноприйняте уявлення. Але з того часу немає жодних доказів про те, що термоядерні реакції відбуваються в ядрі Сонця при 16 млн. К (деякі фізики вважають 100 млн. К), щільності 160 г/см3 і тиску 3,5 х 1011 бар, є тільки теоретичні припущення . Термоядерні реакції ж у сонячній короні є доказовими. Це нескладно виявити та виміряти.
4. Проблема сонячних нейтрино. Ядерні реакції, що відбуваються в ядрі Сонця, призводять до утворення великої кількості електронних нейтрино. Освіта, перетворення та кількість сонячних нейтрино за старими уявленнями не пояснюються зрозуміло і досить кілька десятків років. У нових уявленнях про термоядерний синтез на Сонці цих теоретичних труднощів немає.
5. Проблема нагрівання корони. Над видимою поверхнею Сонця (фотосферою), що має температуру близько 6 000 K, знаходиться сонячна корона з температурою понад 1 500 000 K. Можна показати, що прямого потоку тепла з фотосфери недостатньо для того, щоб призвести до такої високої температури корони. Нове розуміння термоядерного синтезу на Сонці пояснює природу такої температури сонячної корони. Саме у ній відбуваються термоядерні реакції.
6. Фізики забувають, що ТОКАМАКИ в основному потрібні, щоб утримати високотемпературну плазму і не більше того. У існуючих і ТОКАМАКах, що створюються, не передбачено створення необхідних, спеціальних, фізичних умов для проведення термоядерного синтезу. Цього, чомусь, ніхто не розуміє. Всі вперто вважають, що за багатомільйонних температур дейтерій з тритієм повинні добре горіти. З чого раптом? Ядерна мета просто швидко вибухає, а не горить. Подивіться уважно, як відбувається ядерне горіння в ТОКАМАЦІ. Такий ядерний вибух може утримати лише сильне магнітне поле реактора дуже великих розмірів (легко прораховується), але тоді к.п.д. такого реактора буде неприйнятним для технічного застосування. У заявленому патенті проблема утримання термоядерної плазми легко вирішується.
Пояснення вчених про процеси, що відбуваються в надрах Сонця, недостатні для розуміння термоядерного синтезу в глибині. Ніхто досить добре не розглядав процеси підготовки палива, процеси тепломасообміну на глибині в дуже складних критичних умовах. Наприклад, як, за яких умов, утворюється плазма на глибині, де відбувається термоядерний синтез? Як вона поводиться і т.д. Адже саме подібним чином технічно влаштовані ТОКАМАКИ.
Отже, нове уявлення про термоядерний синтез вирішує всі існуючі технічні та теоретичні проблеми у цій галузі.
P.S.Важко пропонувати прості істини людям, які десятиліття вірили у думки (припущення) наукових авторитетів. Щоб зрозуміти про що нове відкриття, досить самостійно переглянути те, що було догмою багато років. Якщо нове пропозицією про природу фізичного ефекту викликає сумнів у істинності старих припущень, доведи істину передусім собі. Так має чинити кожен справжній учений. Відкриття про термоядерний синтез у сонячній короні доводиться насамперед візуально. Термоядерне горіння відбувається над надрах Сонця, але в його поверхні. Це особливе горіння. На багатьох фотографіях і знімках Сонця видно, як іде процес горіння, як іде процес утворення плазми.
1. Керований термоядерний синтез. Вікіпедія.
2. Веліхов Є.П., Мірнов С.В. Керований термоядерний синтез виходить на фінішну пряму. Троїцький інститут інноваційних та термоядерних досліджень. Російський науковий центр "Курчатовський інститут", 2006.
3. Ллуеллін-Сміт К. На шляху до термоядерної енергетики. Матеріали лекції, прочитаної 17 травня 2009 р. у ФІАН.
4. Енциклопедія Сонця. Тесіс, 2006.
5. Сонце. Астронет.
6. Сонце життя Землі. Радіозв'язок та радіохвилі.
7. Сонце та Земля. Єдині коливання.
8. Сонце. Сонячна система. Спільна астрономія. Проект "Астрогалактика".
9. Подорож із центру Сонця. Популярна механіка, 2008.
10. Сонце. Фізична енциклопедія.
11. Astronomy Picture of the Day.
12. Горіння. Вікіпедія.
"Наука і техніка"
Настороженість в американському суспільстві щодо ядерної енергетики, заснованої на розподілі ядра, призвела до зростання інтересу до водневого синтезу (термоядерної реакції). Ця технологія була запропонована як альтернативний спосіб використати властивості атома для виробництва електроенергії. Це прекрасна ідея теоретично. Водневий синтез більш ефективно перетворює матерію на енергію, ніж розщеплення ядра, причому цей процес не супроводжується утворенням радіоактивних відходів. Проте працездатний термоядерний реактор ще належить створити.
Термоядерний синтез у сонці
Фізики вважають, що Сонце перетворює водень на гелій за рахунок термоядерної реакції синтезу. Термін "синтез" означає "об'єднання". Водневий синтез вимагає найвищих температур. Потужна гравітація, створювана величезною масою Сонця, постійно підтримує його ядро у стислому стані. Це стиснення забезпечує в ядрі температуру досить високу для виникнення термоядерного синтезу водню.
Сонячний водневий синтез – багатоступінчастий процес. Спочатку два ядра водню (два протони) сильно стискаються, випускаючи позитрон, також відомий як антиелектрон. Позитрон має таку ж масу, що електрон, але несе позитивний, а чи не негативний одиничний заряд. Крім позитрона, при стисканні атомів водню виділяється нейтрино - частка, що нагадує електрон, але не має електричного заряду і здатна у величезних межах проникати крізь матерію. у воді становить близько ста світлових років.
Синтез двох протонів супроводжується втратою одиничного позитивного заряду. В результаті один із протонів стає нейтроном. Так виходить ядро дейтерію (позначається 2Н або D) - важкого ізотопу водню, що складається з одного протону та одного нейтрону.
Дейтерій також відомий як важкий водень. Ядро дейтерію поєднується з ще одним протоном і формує ядро гелію-3 (Не-3), що складається з двох протонів та одного нейтрона. При цьому випускається пучок гамма-випромінювання. Далі два ядра гелію-3, що утворилися в результаті двох незалежних повторів описаного вище процесу, об'єднуються, формуючи ядро гелію-4 (Не-4), що складається з двох протонів та двох нейтронів. Цей ізотоп гелію використовується для наповнення аеростатів легше за повітря. На фінальній стадії випускаються два протони, які можуть провокувати подальший розвиток реакції синтезу.
У процесі «сонячного синтезу» загальна маса матерії, що створюється, трохи перевищує загальну масу початкових інгредієнтів. «Недостатня частина» перетворюється на енергію, згідно з відомою формулою Ейнштейна:
де Е - енергія в джоулях, m - «недостатня маса» в кілограмах, а з - швидкість світла, рівна (у вакуумі) 299792458 м/с. Сонце виробляє таким чином колосальну кількість енергії, тому що ядра водню перетворюються на ядра гелію безперервно і у величезних кількостях. У Сонці достатньо матерії для того, щоб процес водневого синтезу тривав мільйони тисячоліть. Згодом запас водню підійде до кінця, але це станеться не за нашого життя.
Сонце є невичерпним джерелом енергії. Багато мільярдів років воно випускає величезну кількість тепла та світла. Для створення такої кількості енергії, яку випромінює Сонце, знадобилося б 180 ТОВ ТОВ мільярдів електростанцій, що володіють потужністю Куйбишевської ГЕС.
Основним, джерелом енергії Сонця служать ядерні реакції. Які ж реакції там відбуваються? Може, Сонце - це гігантський атомний котел, що спалює величезні запаси урану чи торію?
Сонце складається головним чином легких елементів - водню, гелію, вуглецю, азоту і т. д. Близько половини його маси становить водень. Кількість урану та торію на Сонці дуже невелика. Тому вони можуть бути основними джерелами сонячної енергії.
У надрах Сонця, де відбуваються ядерні реакції, температура сягає приблизно 20 мільйонів градусів. Ув'язнена там речовина знаходиться під величезним тиском у сотні мільйонів тонн на кожен квадратний сантиметр і надзвичайно ущільнена. За таких умов можуть відбуватися ядерні реакції іншого типу, які призводять не до поділу важких ядер на легші, а навпаки - до утворення важких ядер із легших.
Ми вже бачили, що з'єднання протона та нейтрону в ядро важкого водню або двох прогонів і двох нейтронів у ядро гелію супроводжується звільненням великої кількості енергії. Проте, труднощі отримання необхідної кількості нейтронів позбавляє цей спосіб звільнення атомної енергії практичної цінності.
Більш тяжкі ядра можна створювати і за допомогою одних протонів. Наприклад, з'єднавши один з одним два протони, ми отримаємо ядро важкого водню, так як один з двох протонів відразу перетвориться на нейтрон.
З'єднання протонів у більш важкі ядра відбувається під впливом ядерних сил. При цьому звільняється дуже велика енергія. Але при зближенні протонів швидко зростає електричне відштовхування з-поміж них. Повільні прогони не можуть подолати цього відштовхування та підійти один до одного на досить близьку відстань. Тому такі реакції виробляються лише дуже швидкими протонами, що мають запас енергії, достатній для подолання дії електричних відштовхувальних сил.
При надзвичайно високій температурі, що панує в надрах Сонця, атоми водню втрачають свої електрони. Деяка частка ядер цих атомів (прогонів) набуває швидкості, достатні освіти більш важких ядер. Оскільки кількість таких протонів у глибині Сонця дуже велике, те й кількість створюваних ними більш важких ядер виявляється значним. При цьому звільняється дуже велика енергія.
Ядерні реакції, що йдуть за дуже високих температур, називаються термоядерними. Прикладом термоядерної реакції може бути утворення ядер важкого водню з двох протонів. Воно відбувається наступним шляхом:
1Н 1 + ,№ - + +1е«.
Протон протон важкий позитрон водень
Енергія, що звільняється при цьому, майже в 500 ТОВ разів більше, ніж при горінні вугілля.
Необхідно відзначити, що і за такої високої температури далеко не кожне зіткнення протонів один з одним призводить до утворення ядер важкого водню. Тому протони витрачаються поступово, що забезпечує виділення ядерної енергії протягом сотень мільярдів років.
Сонячна енергія, мабуть, виходить за допомогою іншої ядерної реакції - перетворення водню на гелій. Якщо чотири ядра водню (протону) з'єднати в одне важче ядро, то це і буде ядро гелію, оскільки два з цих чотирьох протонів перетворяться на нейтрони. Така реакція має такий вигляд:
4, № - 2Не * + 2 +1е °. водень гелій позитрони
Утворення гелію з водню відбувається на Сонці дещо складнішим шляхом, який, однак, призводить до такого ж результату. Реакції, що відбуваються при цьому, зображені на рис. 23.
Спочатку один протон з'єднується з ядром вуглецю бС12, утворюючи нестійкий івотоп азоту 7І13. Утворений азот т№3 незабаром перетворюється на стійкий ізотоп вуглецю 6С13. При цьому випускається позитрон, що має значну енергію. Через деякий час до ядра бС13 приєднується новий (другий) протон, у результаті виникає стійкий ізотоп азоту 7№4, а частина енергії знову звільняється у вигляді гамма-випромінювання. Третій протон, приєднавшись до ядра 7МІ, утворює ядро нестійкого ізотопу кисню в15. Ця реакція також супроводжується випромінюванням гамма-променів. Ізотоп, що утворився, 8015 викидає позитрон і перетворюється на стійкий ізотоп азоту 7№5. Приєднання четвертого протона до цього ядра призводить до виникнення ядра 8016, яке розпадається на два нових ядра: ядро вуглецю бС та ядро гелію гНе4.
Внаслідок цього ланцюжка наступних один за одним ядерних реакцій знову утворюється вихідне ядро вуглецю 6С12, а замість чотирьох ядер водню (протонів) з'являється ядро гелію. На здійснення цього циклу реакцій витрачається близько 5 мільйонів років. Відновлене
Ядро бС12 може знову розпочати такий же цикл. Енергія, що звільняється, що виноситься гамма-випромінюванням і позитронами, і забезпечує випромінювання Сонця.
Очевидно, таким самим шляхом одержують величезну енергію та деякі інші зірки. Однак багато в цьому складному питанні залишається невирішеним.
А умовах протікають значно швидше. Так, реакція
, № +, № -. 2Не3
Дейтерій легкий легкий водень гелій
Може за наявності великої кількості водню закінчитися за кілька секунд, а реакція -
ХНз + ,Н' ->2Не4 тритій легкий гелій водень
У десяті частки секунди.
Швидке з'єднання легких ядер у важчі, що відбувається при термоядерних реакціях, дозволило створити новий вид атомної зброї - водневу бомбу. Одним із можливих шляхів створення водневої бомби є термоядерна реакція між важким і надважким воднем:
1№ + ,№ - 8Не*+ «о1 .
Дейтерій тритій нейтрон гелій
Енергія, що звільняється при цій реакції, приблизно в 10 разів більше, ніж при розподілі ядер урану або плутонію.
Щоб розпочати цю реакцію, треба нагріти дейтерій та тритій до дуже високої температури. Таку температуру в даний час можна отримати лише за атомного вибуху.
Воднева бомба має міцну металеву оболонку, розміри якої більші за розміри атомних бомб. Усередині неї знаходиться звичайна атомна бомба на урані чи плутонії, а також дейтерій та тритій. Для вибуху водневої бомби треба спочатку висадити в повітря атомну бомбу. Атомний вибух створює велику температуру і тиск, за яких ув'язнений у бомбі водень почне перетворюватися на гелій. Енергія, що звільняється при цьому, підтримує високу температуру, необхідну для подальшого протікання реакції. Тому перетворення водню на гелій триватиме до того часу, поки або «згорить» весь водень, або зруйнується оболонка бомби. Атомний вибух «підпалює» водневу бомбу, а вона своєю дією значно посилює потужність атомного вибуху.
Вибух водневої бомби супроводжується тими самими наслідками, як і атомний вибух - виникненням високої температури, ударної хвилі та радіоактивних продуктів. Однак потужність водневих бомб у багато разів більша за потужність уранових і плутонієвих бомб.
Атомні бомби мають критичну масу. Збільшуючи кількість ядерного пального в такій бомбі, ми не зуміємо повністю його розділити. Значна частина урану або плутонію зазвичай розкидається у зоні вибуху у нерозділеному вигляді. Це ускладнює збільшення потужності атомних бомб. Воднева бомба ніякої критичної маси не має. Тому потужність таких бомб може бути значно збільшена.
Виробництво водневих бомб на дейтерії та тритії пов'язане з величезними витратами енергії. Дейтерій можна отримувати із важкої води. Для одержання тритію треба бомбардувати літій 6 нейтронами. Реакція, що при цьому відбувається, наведена на стор. 29. Найбільш потужним джерелом нейтронів є атомні Котли. Через кожен квадратний сантиметр поверхні центральної частини казана середньої потужності виходить у захисну оболонку близько 1000 мільярдів нейтронів. Зробивши в цій оболонці канали і помістивши в них літій 6 можна отримувати тритій. Природний літій має два ізотопи: літій 6 і літій 7. Частка літію б становить лише 7,3%. Отриманий із нього тритій виявляється радіоактивним. Випускаючи електрони, він перетворюється на гелій 3. Період напіврозпаду тритію дорівнює 12 років.
Радянський Союз у стислі терміни ліквідував монополію США на атомну бомбу. Після цього американські імперіалісти намагалися залякувати миролюбні народи водневою бомбою. Однак ці розрахунки паліїв війни провалилися. 8 серпня 1953 р. на п'ятій сесії Верховної Ради СРСР товариш Маленков зазначив, що Сполучені Штати є монополістами й у виробництві водневої бомби. Слідом за тим 20 серпня 1953 р. було опубліковано Урядове повідомлення про успішне випробування водневої бомби в Радянському Союзі. У цьому повідомленні Уряд країни ще раз підтвердив своє незмінне бажання домогтися заборони всіх видів атомної зброї та встановлення суворого міжнародного контролю за виконанням цієї заборони.
Чи можна зробити термоядерну реакцію керованої та використовувати енергію ядер водню з промисловою метою?
Процес перетворення водню на гелій немає критичної маси. Тому його можна виробляти навіть за невеликої кількості ізотопів водню. Але для цього треба створити нові джерела високої температури, що відрізняються від атомного вибуху надзвичайно малими розмірами. Можливо також, що з цією метою доведеться використовувати дещо повільніші термоядерні реакції, ніж реакція між дейтерієм і тритієм. В даний час вчені працюють над розв'язанням етик завдань.
Внутрішня будова зірок
Ми розглядаємо зірку як тіло, схильне до дії різних сил. Сила тяжіння прагне стягувати речовину зірки до центру, газовий і світловий тиск, спрямовані зсередини, прагнуть відштовхнути його від центру. Оскільки зірка існує як стійке тіло, то, отже, між силами, що борються, є якась рівновага. Для цього температура різних шарів у зірці повинна встановлюватися така, щоб у кожному шарі потік енергії назовні зводив до поверхні всю енергію, що виникла під ним. Енергія утворюється у невеликому центральному ядрі. Для початкового періоду життя зірки її стиск є джерелом енергії. Але лише доки температура не підніметься настільки, що почнуться ядерні реакції.
Формування зірок та галактик
Матерія у Всесвіті перебуває у безперервному розвитку, найрізноманітніших формах і станах. Раз змінюються форми існування матерії, то, отже, різні та різноманітні об'єкти було неможливо виникнути все одночасно, а формувалися у різні епохи і тому мають певний вік, отсчитываемый з початку їх зародження.
Наукові основи космогонії були закладені ще Ньютоном, який показав, що речовина в просторі під дією власної гравітації поділяється на шматки, що стискаються. Теорія утворення згустків речовини, з яких формуються зірки, була розвинена в 1902 англійським астрофізиком Дж.Джинсом. Ця теорія пояснює походження Галактик. Спочатку однорідному середовищі з постійною температурою і щільністю може виникнути ущільнення. Якщо сила взаємного тяжіння в ньому перевищить силу газового тиску, то середовище стискатиметься, а якщо превалює газовий тиск, то речовина розсіється в просторі.
Вважають, що вік Метагалактики – 13-15 млрд. років. Цей вік не суперечить оцінкам віку найстаріших зірок та кульових зоряних скупчень у нашій Галактиці.
Еволюція зірок
Галактики згущення, що виникли в газопиловому середовищі, що продовжують стискатися під дією власного тяжіння, отримали назви протозірок. У міру стиснення щільність і температура протозірки підвищується, вона починає рясно випромінювати в інфрачервоному діапазоні спектра. Тривалість стиснення протозірок різна: при масі менше сонячної – сотні мільйонів років, а у масивних – лише сотні тисяч років. Коли температура в надрах протозірки підвищиться до кількох мільйонів Кельвінів, у них починаються термоядерні реакції перетворення водню на гелій. При цьому виділяється величезна енергія, що перешкоджає подальшому стиску та розігріває речовину до самосвічення – протозірка перетворюється на звичайну зірку. Отже, стадію стиснення змінює стаціонарна стадія, що супроводжується поступовим "вигорянням" водню. У стаціонарній стадії зірка проводить більшу частину свого життя. Саме на цій стадії еволюції знаходяться зірки, які розташовуються на головній послідовності "спектр-світність". Час перебування зірки на головній послідовності пропорційно масі зірки, тому що від цього залежить запас ядерного пального, і обернено пропорційно світності, яка визначає темп витрати ядерного пального.
Коли весь водень у центральній області перетвориться на гелій, усередині зірки утворюється гелієве ядро. Тепер уже водень перетворюватиметься на гелій над центрі зірки, а шарі, прилеглому до дуже гарячому гелієвому ядру. Поки всередині гелієвого ядра немає джерел енергії, воно постійно стискатиметься і при цьому ще більше розігріватиметься. Стиснення ядра призводить до бурхливішого виділення ядерної енергії в тонкому шарі біля межі ядра. У найбільш потужних зірок температура ядра при стисканні стає вище 80 млн. кельвінів, і в ньому починаються термоядерні реакції перетворення гелію на вуглець, а потім і в інші важчі хімічні елементи. Енергія, що виходить з ядра і його околиць, викликає підвищення газового тиску, під дією якого фотосфера розширюється. Енергія, що приходить до фотосфери надр зірки, поширюється тепер на більшу площу, ніж раніше. У зв'язку з цим температура фотосфери знижується. Зірка сходить з головної послідовності, поступово перетворюючись на червоного гіганта або надгіганта в залежності від маси, і стає старою зіркою. Проходячи стадію жовтого надгіганта, зірка може виявитися пульсуючою, тобто фізичною змінною зіркою, і залишитися такою у стадії червоного гіганта. Оболонка зірки невеликої маси, що роздулася, вже слабо притягується ядром і, поступово віддаляючись від нього, утворює планетарну туманність. Після остаточного розсіювання оболонки залишається лише гаряче ядро зірки – білий карлик.
Інша доля у найпотужніших зірок. Якщо маса зірки приблизно вдвічі перевищує масу Сонця, такі зірки на останніх етапах своєї еволюції втрачають стійкість. Зокрема, вони можуть вибухнути як наднові, а потім катастрофічно стиснутися до розмірів куль радіусом кілька кілометрів, тобто перетворитися на нейтронні зірки.
Зірка, маса якої більш ніж удвічі перевищує масу Сонця, втративши рівновагу і почавши стискатися, або перетвориться на нейтронну зірку, або взагалі не зможе досягти сталого стану. У процесі необмеженого стиску вона, мабуть, здатна перетворитися на чорну дірку.
Білі карлики
Білі карлики – незвичайні, дуже маленькі щільні зірки з високими поверхневими температурами. Головна відмінність внутрішньої будови білих карликів - гігантські в порівнянні з нормальними зірками щільності. Через величезну щільність газ у надрах білих карликів перебуває у незвичайному стані – виродженому. Властивості такого виродженого газу зовсім не схожі на властивості звичайних газів. Його тиск, наприклад, практично не залежить від температури. Стійкість білого карлика підтримується тим, що величезній силі тяжіння, що стискає його, протистоїть тиск виродженого газу в його надрах.
Білі карлики знаходяться на кінцевій стадії еволюції зірок невеликих мас. Ядерних джерел у зірці вже немає, і вона ще дуже довго світить, повільно остигаючи. Білі карлики стійкі, якщо їхня маса не перевищує приблизно 1,4 маси Сонця.
Нейтронні зірки
Нейтронні зірки – дуже маленькі, надщільні небесні тіла. Їхній діаметр в середньому не більше кількох десятків кілометрів. Нейтронні зірки утворюються після вичерпання джерел термоядерної енергії в надрах звичайної зірки, якщо її маса на цей момент перевищує 1,4 маси Сонця. Оскільки джерело термоядерної енергії відсутнє, стійка рівновага зірки стає неможливим і починається катастрофічний стиск зірки до центру – гравітаційний колапс. Якщо вихідна маса зірки вбирається у деякої критичної величини, то колапс у центральних частинах зупиняється і утворюється гаряча нейтронна зірка. Процес колапсу займає частки секунди. За ним може наслідувати або натікання оболонки зірки, що залишилася, на гарячу нейтронну зірку з випусканням нейтрино, або скидання оболонки за рахунок термоядерної енергії “непрогорілої” речовини або енергії обертання. Такий викид відбувається дуже швидко і з Землі він виглядає як спалах наднової зірки. Спостерігаються нейтронні зірки - пульсар часто пов'язані з залишками наднових зірок. Якщо маса нейтронної зірки перевищує 3-5 маси Сонця, рівновага її стане неможливим, і така зірка буде чорною діркою. Дуже важливі характеристики нейтронних зірок - обертання та магнітне поле. Магнітне поле може бути в мільярди і трильйони разів сильніше за магнітне поле Землі.
Що є джерелом сонячної енергії? Якою є природа процесів, у ході яких виробляється величезна кількість енергії? Скільки часу ще світитиме Сонце?Перші спроби відповісти на ці питання були зроблені астрономами в середині ХІХ століття після формулювання фізиками закону збереження енергії.
Роберт Майєр припустив, що Сонце світить за рахунок постійного бомбардування поверхні метеоритами та метеорними частинками. Ця гіпотеза була відкинута, тому що простий розрахунок показує, що для підтримки світності Сонця на сучасному рівні необхідно, щоб на нього кожну секунду випадало 2*1015 кг метеорної речовини. За рік це становитиме 6*1022 кг, а за час існування Сонця, за 5 мільярдів років – 3*1032 кг. Маса Сонця М = 2*1030 кг, тому за п'ять мільярдів років на Сонці мало випасти речовина в 150 разів більша за масу Сонця.
Друга гіпотеза була висловлена Гельмгольцем та Кельвіном також у середині ХIX століття. Вони висловили припущення, що Сонце випромінює за рахунок стиску на 60–70 метрів щорічно. Причина стиснення – взаємне тяжіння частинок Сонця, саме тому гіпотеза отримала назву контракційної. Якщо зробити розрахунок за цією гіпотезою, то вік Сонця буде не більше 20 мільйонів років, що суперечить сучасним даним, отриманим за аналізом радіоактивного розпаду елементів у геологічних зразках земного ґрунту та ґрунту Місяця.
Третю гіпотезу про можливі джерела енергії Сонця висловив Джеймс Джинс на початку ХХ століття. Він припустив, що у надрах Сонця містяться важкі радіоактивні елементи, які мимоволі розпадаються, у своїй випромінюється енергія. Наприклад, перетворення урану на торій і потім на свинець, супроводжується виділенням енергії. Подальший аналіз цієї гіпотези також показав її неспроможність; зірка, що складається з одного урану, не виділяла б достатньо енергії для забезпечення спостережуваної світності Сонця. Крім того, існують зірки, що за світністю у багато разів перевершують світність нашої зірки. Малоймовірно, що в тих зірках запаси радіоактивної речовини будуть також більшими.
Найімовірнішою гіпотезою виявилася гіпотеза синтезу елементів у результаті ядерних реакцій у надрах зірок.
У 1935 році Ханс Бете висунув гіпотезу, що джерелом сонячної енергії може бути термоядерна реакція перетворення водню на гелій. Саме за це Бете отримав Нобелівську премію 1967 року.
Хімічний склад Сонця приблизно такий самий, як і в більшості інших зірок. Приблизно 75% - це водень, 25% - гелій і менше 1% - всі інші хімічні елементи (в основному вуглець, кисень, азот і т.д.). Відразу після народження Всесвіту «важких» елементів не було зовсім. Усі вони, тобто. елементи важчі за гелій і навіть багато альфа-частинок, утворилися в ході «горіння» водню в зірках при термоядерному синтезі. Характерний час життя зірки типу Сонця десять мільярдів років.
Основне джерело енергії – протон-протонний цикл – дуже повільна реакція (характерний час 7,9 * 109 років), оскільки обумовлена слабкою взаємодією. Її суть у тому, що з чотирьох протонів виходить ядро гелію. При цьому виділяються пара позитронів та пара нейтрино, а також 26,7 МеВ енергії. Кількість нейтрино, що випромінюється Сонцем за секунду, визначається лише світністю Сонця. Оскільки виділення 26,7 МеВ народжується 2 нейтрино, швидкість випромінювання нейтрино: 1,8*1038 нейтрино/с.
Пряма перевірка цієї теорії – спостереження сонячних нейтрино. Нейтрино високих енергій (борні) реєструються в хлораргонних експериментах (експерименти Девіса) і стійко показують недолік нейтрино порівняно з теоретичним значенням для стандартної моделі Сонця. Нейтрино низьких енергій, що виникають безпосередньо в рр-реакції, реєструються в галій-германієвих експериментах (GALLEX у Гран Сассо (Італія – Німеччина) та SAGE на Баксані (Росія – США)); їх також «бракує».
За деякими припущеннями, якщо нейтрино мають відмінну від нуля масу спокою, можливі осциляції (перетворення) різних сортів нейтрино (ефект Міхєєва – Смирнова – Вольфенштейна) (існує три сорти нейтрино: електронне, мюонне та тауонне нейтрино). Т.к. інші нейтрино мають набагато менші перерізи взаємодії з речовиною, ніж електронне, дефіцит, що спостерігається, може бути пояснений, не змінюючи стандартної моделі Сонця, побудованої на основі всієї сукупності астрономічних даних.
Щомиті Сонце переробляє близько 600 мільйонів тонн водню. Запасів ядерного палива вистачить ще на п'ять мільярдів років, після чого воно поступово перетвориться на білий карлик.
Центральні частини Сонця стискатимуться, розігріваючись, а тепло, що передається при цьому зовнішній оболонці, призведе до її розширення до розмірів, жахливих у порівнянні з сучасними: Сонце розшириться настільки, що поглине Меркурій, Венеру і витрачатиме «пальне» в сто разів швидше, ніж у час. Це спричинить збільшення розмірів Сонця; наша зірка стане червоним гігантом, розміри якого можна порівняти з відстанню від Землі до Сонця! Життя Землі зникне чи знайде притулок на зовнішніх планетах.
Ми, звичайно, заздалегідь буде повідомлено про таку подію, оскільки перехід до нової стадії займе приблизно 100–200 мільйонів років. Коли температура центральної частини Сонця досягне 100 000 000 К, почне згоряти і гелій, перетворюючись на важкі елементи, і Сонце набуде стадії складних циклів стиснення та розширення. На останній стадії наша зірка втратить зовнішню оболонку, центральне ядро матиме неймовірно більшу щільність та розміри, як у Землі. Мине ще кілька мільярдів років, і Сонце охолоне, перетворившись на білий карлик.