Вы не авторизованы...
Вход на сайт
Сегодня 14 ноября 2018 года, среда , 14:10:14 мск
Общество друзей милосердия
Опечатка?Выделите текст мышью и нажмите Ctrl+Enter
 
Контакты Телефон редакции:
+7(495)640-9617

E-mail: nr@oilru.com
 
Сегодня сервер OilRu.com - это более 1279.47 Мб информации:

  • 541074 новостей
  • 5112 статей в 168 выпусках журнала НЕФТЬ РОССИИ
  • 1143 статей в 53 выпусках журнала OIL of RUSSIA
  • 1346 статей в 45 выпусках журнала СОЦИАЛЬНОЕ ПАРТНЕРСТВО
Ресурсы
 

Слишком локальный синтез

 
Алексей Батырь
Как зарождалось и почему застопорилось пузырьковое направление в термоядерной энергетике
06.04.2016

В Окриджской национальной лаборатории (ядерный исследовательский центр в американском шт. Теннесси) в марте 2002 г. был успешно проведён эксперимент по пузырьковому термоядерному синтезу, теоретически предсказанному в Уфимском научном центре РАН. Авторы идеи эксперимента – председатель президиума Уфимского научного центра РАН академик Роберт Нигматулин и профессор Ренсселаеровского политехнического университета США (шт. Нью-Йорк) Ричард Лэхи.

Уже более полувека физики пытаются отладить не взрывной, как в термоядерной бомбе, а растянутый во времени и управляемый термоядерный синтез, чтобы его энергию можно было использовать для выработки электроэнергии. Разрабатываются два направления. Первое и наиболее освоенное – «поджигание» термояда при нагреве дейтериевой и тритиевой плазмы мощным электрическим током с её одновременным обжатием магнитным полем в установках токамак. Второе – обжатие и нагрев миллиметровой сферической капсулы с дейтерием или тритием мощным излучением от нескольких десятков импульсных лазеров. Нужно добиться того, чтобы высвобождающаяся энергия ядерного синтеза превышала затраченную электрическую энергию на «поджигание» и поддержание работы реактора.


Роберт Нигматулин

Роберт Нигматулин и Ричард Лэхи нащупали третье направление, в котором для сжатия и нагрева дейтерия используется процесс, возникающий при сонолюминесценции. Это открытое ещё в 1930-е годы явление свечения жидкости (вернее, имеющихся в ней микропузырьков) под действием мощной ультразвуковой волны. В конце 1990-х физики установили ряд удивительных фактов, связанных с феноменом сонолюминесценции. Под действием ультразвуковой волны каждый пузырёк расширяется и сжимается в такт ультразвуковым колебаниям давления, меняя свой радиус от двух-трёх до нескольких десятков микрон. Этот факт установлен прямыми наблюдениями.

Относительное изменение объёма газа может быть очень велико – до десятков и сотен тысяч раз. При этом сжатие газа происходит гораздо быстрее, чем расширение, и в момент сжатия газ сильно нагревается, излучая вспышку света. Более того, устремляющаяся к центру пузырька жидкость образует сферическую кумулятивную ударную волну. Расчёты показывают, что эта волна создаёт в центре схлопывающегося пузырька зону сверхвысокого сжатия и нагрева, где температура может достигать миллиона градусов.

Трудное признание

Ещё в 1995 г. на международной конференции по ядерным реакторам в США Роберт Нигматулин сделал пленарный доклад «Перспективы пузырькового термояда». В этом докладе было предложено использовать микропузырёк для запуска термоядерной реакции в микроскопическом масштабе. Образующиеся в жидкости водородные «микробомбы» должна «подрываться» за счёт сжатия окружающей жидкостью, толкаемой акустическими колебаниями, как при сонолюминесценции, но гораздо интенсивнее, чтобы температура в центре микропузырька достигла 50 млн градусов и выше.

Хотя доклад Роберта Нигматулина на конференции был встречен с энтузиазмом, многие учёные выражали, как минимум, сомнение в реализуемости пузырькового термояда, тем более что у всех на памяти тогда был скандал с холодным ядерным синтезом (см. «Энерговектор», № 7/2015, с. 8), который привёл к дискредитации двух талантливых учёных.

Результаты экспериментов по пузырьковому термоядерному синтезу были опубликованы в 2002 г. в авторитетном американском журнале Science. Редакция журнала, привлёкшая семь рецензентов, подвергла исходный материал тщательной и всесторонней проверке. Рецензентов, которые изначально дали отрицательные отзывы, авторы статьи пригласили в лабораторию, где те смогли лично убедиться, что приборы регистрируют поток нейтронов и факт возникновения атомов трития, хотя и в очень небольшом количестве (порядка ста нейтронов и атомов трития в секунду). Статья была несколько раз доработана с учётом замечаний, и после того, как шесть рецензентов из семи согласились, что методики и выводы авторов вызывают доверие, редакция опубликовала сенсационный материал.

Оптимизируя процесс

Чтобы заставить микропузырёк схлопываться с большой скоростью, авторы эксперимента решили использовать паровую кавитацию. При ней сжатие пузырька сопровождается конденсацией пара, противодавление которого разгону жидкости растёт гораздо медленней, чем в случае неконденсируемого газа. Далее встала проблема подбора подходящей жидкости, содержащей атомы тяжёлого водорода. Тяжёлая вода (D2O) не подошла, так как пар не успевал быстро конденсироваться. Лучше конденсировался «тяжёлый» ацетон (C3D6O), в котором атомы водорода заменены атомами дейтерия.


Упрощённая схема эксперимента

Теория предсказывала парадоксальные параметры процесса: для достижения сверхвысокого нагрева требуется использовать холодную жидкость с температурой не выше 0–2 градусов Цельсия. Именно в холодном дейтерированном ацетоне возможна кавитация с огромными скоростями схлопывания пузырьков, в которых происходит чудовищный разогрев остающейся части пара. В результате в установке примерно 2000 раз в секунду происходил термоядерный синтез с испусканием быстрых нейтронов, имеющих энергию 2,45 МэВ, и производством трития. Энергетический выход в эксперименте был ничтожно мал, но важно было проверить идею. Качественное улучшить реактор, который помещается на обычном письменном столе, должно быть гораздо проще, чем в случаях с токамаком и лазерной установкой.

Теоретический анализ Роберта Нигматулина и его уфимских коллег и учеников Искандера Ахатова, Наили Вахитовой, Раисы Болотновой и Андрея Топольникова показал, что в момент сжатия и схождения сферической ударной волны к центру микропузырька там образуется сверхгорячий и сверхплотный плазменный сгусток диаметром всего 100–200 нм, в котором находятся около 10 млрд ядер дейтерия. Температура в плазменном сгустке – около 50 млн градусов, плотность – 50 г/куб. см (в 50 раз больше, чем у воды), а давление – десятки миллиардов атмосфер. Крошечный плазменный сгусток существует ничтожное время – доли пикосекунды.

Неверующие

Теорию пузырькового термояда обсуждали на международном съезде по акустике в Сиэтле (США), где Р. Нигматулин был приглашённым лектором, и на других конференциях. Среди учёных нашлось много оппонентов. Например, некоторые сомневались в устойчивости процесса сферически-симметричной концентрации энергии. В научных журналах были опубликованы «разгромные» статьи. Противники доходили до неистовства, но авторы исследований, к своей чести, не жалея времени и сил, методично разъясняли теорию и особенности своих экспериментов.

В принципе, стремление опровергнуть результаты какого-либо научного исследования становится вполне понятным, если представить, что некий учёный в своих ранних работах ошибочно обосновал невозможность каких-то явлений и на этой базе впоследствии выстроил свои научную систему и карьеру. По-хорошему, ему нужно возвращаться к трудам, написанным десятки лет назад, и переделывать их, а заодно и все последующие работы. Мало кто способен на такой подвиг. Проще отрицать чужие достижения.

Эксперименты, проведённые в Окриджской национальной лаборатории, показали главное: идея «сработала» – термоядерный синтез в микропузырьках действительно происходит. А раз так, то почему бы не попробовать создать ультразвуковой термоядерный реактор, в перспективе способный дать дешёвую энергию?

Слабо и редко

Отметим, что предлагаемый подход противоречит магистральному направлению развития энергетики, концептуально обоснованному академиком Петром Капицей в 1975 г. Это магистральное направление зиждется на двух тенденциях: повышении плотности энергии и увеличении скорости её передачи. Например, разработчики газовых турбин наращивают как температуру в камерах сгорания турбин, так и их мощность.

Токамаки и лазерные термоядерные установки подходят под названную концепцию, а пузырьковый термояд – нет. Необходимость объединить в системе жидкое фазовое состояние вещества с плазменным принципиально ограничивает плотность энергии в ней. А скорость её передачи ограничена ничтожной длительностью реакции и необходимостью использовать акустические (читай: низкочастотные) волны. Как выразился сам Р. Нигматулин: «Получены термоядерные искры, а не термоядерное горение». Видимо, именно поэтому по прошествии почти полутора десятков лет мы не наблюдаем развития пузырькового термояда в интересах энергетики.

Эта статья первоначально была опубликована в февральском номере газеты «Энерговектор» за 2016 г. здесь.



0

 

 
Анонсы
Реплика: Страшный сон правящих элит-13
Выставки:
Новости

 Все новости за сегодня
 Все новости за 06.04.16
 Архив новостей

 Поиск:
  

 

 
Рейтинг@Mail.ru   


© 1998 — 2018, «Нефтяное обозрение (oilru.com)».
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл № 77-6928
Зарегистрирован Министерством РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовой коммуникаций 23 апреля 2003 г.
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл № ФС77-51544
Перерегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи и массовых коммуникаций 2 ноября 2012 г.
Все вопросы по функционированию сайта вы можете задать вебмастеру
При цитировании или ином использовании любых материалов ссылка на портал «Нефть России» (http://www.oilru.com/) обязательна.
Точка зрения авторов, статьи которых публикуются на портале oilru.com, может не совпадать с мнением редакции.
Время генерации страницы: 0,06 сек.

Слишком локальный синтез

Алексей Батырь
Как зарождалось и почему застопорилось пузырьковое направление в термоядерной энергетике
06.04.2016

В Окриджской национальной лаборатории (ядерный исследовательский центр в американском шт. Теннесси) в марте 2002 г. был успешно проведён эксперимент по пузырьковому термоядерному синтезу, теоретически предсказанному в Уфимском научном центре РАН. Авторы идеи эксперимента – председатель президиума Уфимского научного центра РАН академик Роберт Нигматулин и профессор Ренсселаеровского политехнического университета США (шт. Нью-Йорк) Ричард Лэхи.

Уже более полувека физики пытаются отладить не взрывной, как в термоядерной бомбе, а растянутый во времени и управляемый термоядерный синтез, чтобы его энергию можно было использовать для выработки электроэнергии. Разрабатываются два направления. Первое и наиболее освоенное – «поджигание» термояда при нагреве дейтериевой и тритиевой плазмы мощным электрическим током с её одновременным обжатием магнитным полем в установках токамак. Второе – обжатие и нагрев миллиметровой сферической капсулы с дейтерием или тритием мощным излучением от нескольких десятков импульсных лазеров. Нужно добиться того, чтобы высвобождающаяся энергия ядерного синтеза превышала затраченную электрическую энергию на «поджигание» и поддержание работы реактора.


Роберт Нигматулин

Роберт Нигматулин и Ричард Лэхи нащупали третье направление, в котором для сжатия и нагрева дейтерия используется процесс, возникающий при сонолюминесценции. Это открытое ещё в 1930-е годы явление свечения жидкости (вернее, имеющихся в ней микропузырьков) под действием мощной ультразвуковой волны. В конце 1990-х физики установили ряд удивительных фактов, связанных с феноменом сонолюминесценции. Под действием ультразвуковой волны каждый пузырёк расширяется и сжимается в такт ультразвуковым колебаниям давления, меняя свой радиус от двух-трёх до нескольких десятков микрон. Этот факт установлен прямыми наблюдениями.

Относительное изменение объёма газа может быть очень велико – до десятков и сотен тысяч раз. При этом сжатие газа происходит гораздо быстрее, чем расширение, и в момент сжатия газ сильно нагревается, излучая вспышку света. Более того, устремляющаяся к центру пузырька жидкость образует сферическую кумулятивную ударную волну. Расчёты показывают, что эта волна создаёт в центре схлопывающегося пузырька зону сверхвысокого сжатия и нагрева, где температура может достигать миллиона градусов.

Трудное признание

Ещё в 1995 г. на международной конференции по ядерным реакторам в США Роберт Нигматулин сделал пленарный доклад «Перспективы пузырькового термояда». В этом докладе было предложено использовать микропузырёк для запуска термоядерной реакции в микроскопическом масштабе. Образующиеся в жидкости водородные «микробомбы» должна «подрываться» за счёт сжатия окружающей жидкостью, толкаемой акустическими колебаниями, как при сонолюминесценции, но гораздо интенсивнее, чтобы температура в центре микропузырька достигла 50 млн градусов и выше.

Хотя доклад Роберта Нигматулина на конференции был встречен с энтузиазмом, многие учёные выражали, как минимум, сомнение в реализуемости пузырькового термояда, тем более что у всех на памяти тогда был скандал с холодным ядерным синтезом (см. «Энерговектор», № 7/2015, с. 8), который привёл к дискредитации двух талантливых учёных.

Результаты экспериментов по пузырьковому термоядерному синтезу были опубликованы в 2002 г. в авторитетном американском журнале Science. Редакция журнала, привлёкшая семь рецензентов, подвергла исходный материал тщательной и всесторонней проверке. Рецензентов, которые изначально дали отрицательные отзывы, авторы статьи пригласили в лабораторию, где те смогли лично убедиться, что приборы регистрируют поток нейтронов и факт возникновения атомов трития, хотя и в очень небольшом количестве (порядка ста нейтронов и атомов трития в секунду). Статья была несколько раз доработана с учётом замечаний, и после того, как шесть рецензентов из семи согласились, что методики и выводы авторов вызывают доверие, редакция опубликовала сенсационный материал.

Оптимизируя процесс

Чтобы заставить микропузырёк схлопываться с большой скоростью, авторы эксперимента решили использовать паровую кавитацию. При ней сжатие пузырька сопровождается конденсацией пара, противодавление которого разгону жидкости растёт гораздо медленней, чем в случае неконденсируемого газа. Далее встала проблема подбора подходящей жидкости, содержащей атомы тяжёлого водорода. Тяжёлая вода (D2O) не подошла, так как пар не успевал быстро конденсироваться. Лучше конденсировался «тяжёлый» ацетон (C3D6O), в котором атомы водорода заменены атомами дейтерия.


Упрощённая схема эксперимента

Теория предсказывала парадоксальные параметры процесса: для достижения сверхвысокого нагрева требуется использовать холодную жидкость с температурой не выше 0–2 градусов Цельсия. Именно в холодном дейтерированном ацетоне возможна кавитация с огромными скоростями схлопывания пузырьков, в которых происходит чудовищный разогрев остающейся части пара. В результате в установке примерно 2000 раз в секунду происходил термоядерный синтез с испусканием быстрых нейтронов, имеющих энергию 2,45 МэВ, и производством трития. Энергетический выход в эксперименте был ничтожно мал, но важно было проверить идею. Качественное улучшить реактор, который помещается на обычном письменном столе, должно быть гораздо проще, чем в случаях с токамаком и лазерной установкой.

Теоретический анализ Роберта Нигматулина и его уфимских коллег и учеников Искандера Ахатова, Наили Вахитовой, Раисы Болотновой и Андрея Топольникова показал, что в момент сжатия и схождения сферической ударной волны к центру микропузырька там образуется сверхгорячий и сверхплотный плазменный сгусток диаметром всего 100–200 нм, в котором находятся около 10 млрд ядер дейтерия. Температура в плазменном сгустке – около 50 млн градусов, плотность – 50 г/куб. см (в 50 раз больше, чем у воды), а давление – десятки миллиардов атмосфер. Крошечный плазменный сгусток существует ничтожное время – доли пикосекунды.

Неверующие

Теорию пузырькового термояда обсуждали на международном съезде по акустике в Сиэтле (США), где Р. Нигматулин был приглашённым лектором, и на других конференциях. Среди учёных нашлось много оппонентов. Например, некоторые сомневались в устойчивости процесса сферически-симметричной концентрации энергии. В научных журналах были опубликованы «разгромные» статьи. Противники доходили до неистовства, но авторы исследований, к своей чести, не жалея времени и сил, методично разъясняли теорию и особенности своих экспериментов.

В принципе, стремление опровергнуть результаты какого-либо научного исследования становится вполне понятным, если представить, что некий учёный в своих ранних работах ошибочно обосновал невозможность каких-то явлений и на этой базе впоследствии выстроил свои научную систему и карьеру. По-хорошему, ему нужно возвращаться к трудам, написанным десятки лет назад, и переделывать их, а заодно и все последующие работы. Мало кто способен на такой подвиг. Проще отрицать чужие достижения.

Эксперименты, проведённые в Окриджской национальной лаборатории, показали главное: идея «сработала» – термоядерный синтез в микропузырьках действительно происходит. А раз так, то почему бы не попробовать создать ультразвуковой термоядерный реактор, в перспективе способный дать дешёвую энергию?

Слабо и редко

Отметим, что предлагаемый подход противоречит магистральному направлению развития энергетики, концептуально обоснованному академиком Петром Капицей в 1975 г. Это магистральное направление зиждется на двух тенденциях: повышении плотности энергии и увеличении скорости её передачи. Например, разработчики газовых турбин наращивают как температуру в камерах сгорания турбин, так и их мощность.

Токамаки и лазерные термоядерные установки подходят под названную концепцию, а пузырьковый термояд – нет. Необходимость объединить в системе жидкое фазовое состояние вещества с плазменным принципиально ограничивает плотность энергии в ней. А скорость её передачи ограничена ничтожной длительностью реакции и необходимостью использовать акустические (читай: низкочастотные) волны. Как выразился сам Р. Нигматулин: «Получены термоядерные искры, а не термоядерное горение». Видимо, именно поэтому по прошествии почти полутора десятков лет мы не наблюдаем развития пузырькового термояда в интересах энергетики.

Эта статья первоначально была опубликована в февральском номере газеты «Энерговектор» за 2016 г. здесь.



© 1998 — 2018, «Нефтяное обозрение (oilru.com)».
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл № 77-6928
Зарегистрирован Министерством РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовой коммуникаций 23 апреля 2003 г.
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл № ФС77-33815
Перерегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи и массовых коммуникаций 24 октября 2008 г.
При цитировании или ином использовании любых материалов ссылка на портал «Нефть России» (http://www.oilru.com/) обязательна.
Добро пожаловать на информационно-аналитический портал "Нефть России".
 
Для того, чтобы воспользоваться услугами портала, необходимо авторизоваться или пройти несложную процедуру регистрации. Если вы забыли свой пароль - создайте новый.
 
АВТОРИЗАЦИЯ
 
Введите Ваш логин:

 
Введите Ваш пароль: