Здравствуйте, !
Сегодня 23 августа 2019 года, пятница , 07:57:51 мск
Общество друзей милосердия
Опечатка?Выделите текст мышью и нажмите Ctrl+Enter
 
Контакты Телефон редакции:
+7(495)640-9617

E-mail: welcome@oilru.com
 
Сегодня сервер OilRu.com - это более 1276,84 Мб информации:

  • 539728 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
 
Rambler's Top100
Я принимаю Яндекс.Деньги

Слишком локальный синтез

 
Алексей Батырь
Как зарождалось и почему застопорилось пузырьковое направление в термоядерной энергетике
13.01.2019

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 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.



0

 

 
Анонсы
Реплика: Великая миссия «Фейсбука»
Выставки:
Новости

 Все новости за сегодня
 Архив новостей

 Поиск:
  

 

 
Рейтинг@Mail.ru   


© 1998 — 2019, «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 сек.

Слишком локальный синтез

Алексей Батырь
Как зарождалось и почему застопорилось пузырьковое направление в термоядерной энергетике
13.01.2019

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 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.



© 1998 — 2019, «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.
Июнь 2019
пн вт ср чт пт сб вс
     12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
       
Июль 2019
пн вт ср чт пт сб вс
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031    
Август 2019
пн вт ср чт пт сб вс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031