26. Концепция теории управляемых холодных ядерных реакций.

26. Концепция теории управляемых холодных ядерных (термоядерных) реакций.

Существуют различные способы получения энергии. Среди них одним из важнейших направлений является использование таких реакций, протекающих в ядрах атомов химических элементов, которые изменят их нуклонный состав и количество нуклонов в ядрах.

Перечислим типы таких реакций:

1. Альфа-распад ядер химических элементов, при которых из ядер атомов выбрасываются альфа-частицы (ядра гелия).
2. Выброс из ядер нейтронов.
3. Преобразование тяжелых ядер через их нейтронизации. Здесь происходит облучение ядер нейтронами, что может приводить к делению, расколу ядер на осколки.
4. Объединение легких ядер в более тяжелые. Это реакция термоядерного синтеза.
5. К-захват ядер (бето-распад). Здесь, в частности происходит захват ядрами орбитальных электронов, что приводит к изменению нуклонного состава ядер без изменения их общего количества.

Сущность извлечения энергии из атомных ядер заключается в том, что берется какое-то исходное количество вещества, из которого предполагается извлечение энергии, массой М, которое представлено конкретными ядрами атомов. В результате каких-то физических манипуляций с этим веществом исходные ядра атомов должны преобразоваться в другие конечные ядра, т.е. в ядра других химических элементов. При исходной массе ядер М совокупная масса преобразованных ядер должна обязательно стать меньше на некоторую величину массы. Уменьшение массы исходного ядерного топлива в соответствующих энергетических единицах и обеспечивает получение энергии из этого топлива. Таким образом, для извлечения энергии из ядер атомов необходимо управлять ядерными реакциями. Где управление – это освоение такого механизма физического воздействия на ядра атомов, которое дадут возможность регулировать скорость протекания соответствующих ядерных реакций.

В настоящее время известны два способы управления ядерными реакциями, которые используются на практике, это:

1. Использование ядер атомов, которые в естественных условиях излучают нейтроны.
2. Способ термоядерного синтеза ядер легких химических элементов.

При первом способе извлечение ядерной энергии в качестве ядерного топлива используются ядра атомов таких тяжелых химических элементов, которые самопроизвольно излучают нейтроны, а при попадании избыточных нейтронов в исходные ядра, они раскалываются на ядра более легких химических элементов. Этот способ извлечения энергии из ядерного топлива применяют на современных атомных электростанциях. Управляющим механизмом регулировки скорости протекания ядерных реакций здесь является изменение концентрации ядерного топлива, а именно, чем выше концентрация ядер, тем выше и скорость протекания реакций. Сверхвысокая скорость протекания этих реакций приводит к взрыву ядерного топлива.

Второй способ извлечения энергии ядерного топлива основан на слиянии ядер легких химических элементов. Для слияния ядер требуется высокая стартовая скорость их движения. Эта скорость обеспечивается предварительным нагревом ядерного топлива. В настоящее время удалось запустить такую реакцию через предварительный нагрев термоядерного топлива с помощью неуправляемой цепной реакции, представленной ядрами тяжелых химических элементов. Такой способ нагрева термоядерного топлива заведомо не способен обеспечить получение управляемой термоядерной реакции. В настоящее время ведутся интенсивные поиски способа получения управляемого термоядерного синтеза.

Проблема решения этой задачи заключается в том, что для ее практического решения необходимо сопоставить противоположно действующие физические эффекты, а именно:

- высокий нагрев исходных веществ,

- удержание разогретого вещества в таком состоянии столько времени, чтобы успело произойти такое количество термоядерных реакций, чтобы энергетические затраты на создание условий их протекания оказались меньше той энергии, которая выделится при термоядерных реакциях (критерий Лоусона). Судя по направлениям ведущихся поисков и при условии удачного решения этой задачи с высокой долей вероятности, найденные способы получения управляемого термоядерного синтеза окажутся экономически не рентабельными.

ВЫВОД: необходимо направить усилия, прежде всего на поиск новых более дешевых способов извлечения энергии из ядерного топлива.

Химические вещества способны находиться в следующих агрегатных состояниях:

1. Плазменное. Это газообразное состояние веществ в ионизированном состоянии атомов, представляющие эти вещества. У веществ отсутствует внешняя форма при нулевом внешнем давлении. Стремятся занять максимальный объём пространства.
2. Парообразные. Это состояние веществ, представленных не ионизированными атомами и молекулами, у которых отсутствует внешняя форма при нулевом внешнем давлении. Стремятся занять максимальный объём пространства.
3. Жидкое. Занимает ограниченный объём пространства, но легко изменяют свою форму при наличии внешнего давления.
4. Твердое. В этом состоянии вещества стремятся сохранять свою форму и при наличии внешнего давления. Существует оно в трех разновидностях:

- при сверхнизких температурах. В этом состоянии электронный газ, входящий в состав веществ, переходит в вырожденное квантовое состояние (пятое состояние вещества);

- при нормальных условиях. Это состояние веществ на земной поверхности (четвертое состояние веществ);

- при сверхбольших давлениях. Электронный газ, входящий в состав веществ переходит в вырожденное квантовое состояние вне зависимости от температуры вещества (шестое состояние веществ), статья автора №7 «Концепция теории образования и эволюции звезд»

Существует и седьмое агрегатное состояние вещества. При описании устройства вселенной в авторской статье №8 «Концепция теории нейтронных звезд» показано, на некотором эволюционном этапе вещества при образовании нейтронной, а точнее кварковой звезды, происходит преобразование водородного вещества в нейтронное (кварковое) седьмое состояние. Сущность такого преобразования заключается в следующем: при росте давления, сжимающего вещество звезды, за счет роста ее массы при поглощении вещества из окружающей среды, из-за действия релятивистских эффектов растет масса орбитальных электронов, вращающихся вокруг ядер атомов водорода. Если эта масса достигает величины превышающей 2.5 массы покоя электрона, происходит преобразование протонов, представляющих атомы водорода в нейтроны. Возникает вопрос, какой механизм обеспечивает преобразование протона в нейтрон? Здесь срабатывает известный механизм К-захвата (электронный захват орбитального электрона атомным ядром). Процесс преобразования протона в нейтрон происходит при таких колоссальных величинах давления, которые в земных условиях в принципе не достижимы. Но на земной поверхности реакции к-захвата происходят, причем при нормальных условиях, но для ядер других химических элементов. Сформулируем вопрос, а нельзя ли использовать этот процесс для практических нужд человека? Рассмотрим этот вопрос.

Начать рассмотрение необходимо со следующего чрезвычайно важного фактора. Атом любого химического элемента, состоящий из электронной оболочки и ядра, необходимо рассматривать, как единую взаимоувязанную физическую систему.

О чем идет речь? Как было сказано выше, извлечение энергии из ядерных реакций возможно только в том случае, если в результате происходит уменьшение массы ядер, участвующих в реакциях (дефект массы). Так вот, это правило справедливо не в отношении ядер, а для всего атома, представляющего единую физическую систему. Конкретно этот фундаментальный физический закон действует следующим образом. Рассмотрим многонуклонное атомное ядро, ионизированное до такой степени, что на орбите этого ядра вращается один электрон. Ядро нейтронно избыточно, т.е. склонно к к-захвату орбитального электрона. Возможность захвата ядром орбитального электрона определяется не изменением массы изолированного ядра, а изменением массы физической системы, представленной как ядром, так и вращающимся вокруг ядра электроном. К-захват ядро электрона произойдет только в том случае, если исходная суммарная масса, представленная ядром плюс электрон, а не одного ядра (!) окажется больше того ядра, которое образуется в результате ядерной реакции при преобразовании исходного в результирующее ядро. Обратим внимание. При к-захвате орбитального электрона происходит полноценная ядерная реакция преобразования атомного ядра.

Из сформулированного положения следует следующий вывод. Обратим внимание на следующее чрезвычайно важное обстоятельство. Скорость протекания абсолютно всех ядерных реакций зависит от физических условий нахождения радиоактивного элемента, а именно, при какой температуре и давлении находится радиоактивное вещество. Отсюда следует, радиоактивный хронологический календарь исторического времени не является абсолютно точным методом измерения времени, поскольку скорость протекания ядерных реакций определяется тем, в каких физических условиях находилось это вещество.

Продолжим рассмотрение условий, протекания ядерных реакций. Допустим, масса результирующего ядра, которое могло бы образоваться в результате к-захвата орбитального электрона, оказывается больше суммарной массы исходного ядра и электрона. К-захват орбитального электрона ядром не произойдет по причине неукоснительно действующего следующего фундаментального физического закона: атомная материя стремиться к состоянию минимизации ее массы, в каком бы агрегатном состоянии она не находилась. Например, если атомная материя нагрета, она будет стремиться остывать, т.к. при остывании масса атомной материи уменьшается.

Вернемся к физической структуре атома, представленного ядром и электроном. Итак, предположим, если масса результирующего ядра плюс электронная оболочка, которые могли бы образоваться в результате к-захвата орбитального электрона, окажутся больше массы исходного ядра и электронов. Вопрос, а если увеличить массу орбитальных электронов, что произойдет? Атом все время ищет возможность избавиться от лишней массы. Если совокупная исходная масса электронов и ядра превысит массу результирующего атома, то теперь снимается преграда на протекание ядерной реакции и к-захват электрона ядром произойдет. Возникает вопрос, почему теперь стала возможной реакция к-захвата? Дело в том, что все ядра химических элементов стандартизованы. Они обладают идентичными параметрами в идентичных химических элементах, включая и величину их массы. В результате соединения электрона и конкретного ядра образуется новое ядро с точно известной неизменной величиной массы. В сформулированном мысленном эксперименте масса частиц является переменной исходной величиной, а масса результирующей частицы является константой (конструкция «ядро плюс один электрон»). Вот почему стала возможной реакция к-захвата орбитального электрона атомным ядром.

При поглощении электрона и выбросе из ядра позитрона положительный электрический заряд ядра понижается, что ослабляет силу электрического притяжения, действующего со стороны ядра на электронную оболочку атома. Электроны переходят на вращение по более удаленным орбитам вокруг ядра, а, следовательно, их орбитальные скорости движения уменьшаются, что уменьшает их совокупную релятивистскую массу. В целом для атома такое энергетическое состояние оказывается предпочтительнее предыдущего, поэтому ядра в атомах в усредненном плане стремятся перейти в состояние с избыточным количеством нейтронов.

Все исходные условия получения управляемых ядерных реакций сформулированы. Осталось сделать последний шаг, научиться управлять массой орбитального электрона. Здесь свою помощь предлагают релятивистские эффекты. Масса электрона определяется линейной орбитальной скоростью его движения. Эту скорость можно изменять (регулировать) оказывая внешнее давление на электронную оболочку атома, а именно, чем больше давление, тем выше орбитальная скорость электрона и тем больше величина его релятивистской массы. Таким образом, увеличивая или уменьшая давление, действующее на специально подобранное вещество можно ускорять или замедлять скорость протекания ядерных реакций. Изменение температуры вещества также оказывает влияние на скорость протекания реакции к-захвата. Причем особо отметим, сформулированные утверждения имеют соответствующие экспериментальные подтверждения. Таким образом, описанный механизм представляет собой третий способ возможности управления скоростью протекания различных ядерных реакций.

Привлекательность этого способа для поиска возможного получения энергии заключается в том, что:

- во-первых, эти реакции протекают практически при нормальных условиях. В настоящее время эти реакции самопроизвольно протекают в условиях естественной среды.

- во-вторых, для верификации этого способа нет необходимости в тех гигантских затратах, которые осуществляются при поиске способов получения управляемых термоядерных реакций.

Рассмотренные ядерные реакции ошибочно названы бето-распадом. Рассмотрим, почему ошибочно. При альфа-распаде ядер из них выбрасываются альфа частицы – ядра гелия. При таком типе распада изменяется количество нуклонов, представляющих конкретное атомное ядро, а именно, оно уменьшается. При бето-распаде количество нуклонов атомного ядра не изменяется. Изменяется только соотношение между протонами и нейронами, входящих в состав ядра, поэтому ни о каком распаде ядер здесь говорить не приходится. Изменение соотношения между нуклонами происходит за счет преобразования либо кварка u в кварк d, либо при обратном преобразовании.

Кварк u является электрически положительно заряженной частицей с электрическим зарядом +2/3 от электрического заряда электрона.

Кварк d является отрицательно заряженной частицей с электрическим зарядом равным – 1/3 от электрического заряда электрона.

Существует так называемых три типа бета-распада: два с участием электрона и один с участием позитрона. Один тип потому, что в природе нет долгоживущих свободных позитронов.

Первый электронный тип. Кварк u поглощает электрон из электронной оболочки атома и преобразуется в кварк d. В атомном ядре протон превращается в нейтрон.

Второй электронный тип. Кварк d выбрасывает электрон и преобразуется в кварк u. В атомном ядре нейтрон превращается в протон.

Третий позитронный тип. Кварк u выбрасывает из ядра позитрон и преобразуется в кварк d. В ядре протон превращается в нейтрон.

Обратим особое внимание, никаких электронов, позитронов, протонов, нейтронов в ядрах атомов нет. Есть только кварки, а электрон либо поглощается, либо электрон и позитрон выбрасываются из ядра. Этот процесс происходит только в момент преобразования кварков и все.

Статьи автора №№6 и 1: «Концепция кварковой структуры атомного ядра» и "Фундаментальные основы строения вселенной".

Во всех типах бета-распада обязательно дополнительно выбрасывается либо нейтрино, либо антинейтрино, которые уносят с собой часть энергии при образовании атомных ядер. В целом энергия бета-распада изменяется в пределах от 20 КэВ до 16 МэВ. В нейтронно - избыточных ядрах происходит преобразование кварка d в кварк u. Аналогично, в протонно-избыточных ядрах происходит обратное преобразование, а именно, кварка u в кварк d. Как было сказано выше, изменением давления и температуры, действующих на вещество можно изменять скорости протекания и других ядерных реакций, например таких, как альфа-распад ядер.

Возникает вопрос, каким образом данный способ управления ядерными реакциями можно использовать для получения энергии и, причем здесь термоядерные реакции? Начнем с ответа на последний вопрос. Если в качестве рабочего материала подобрать такое вещество, которое в результате соответствующих ядерных реакций окажется способно выбрасывать нейтроны, то с помощью свободных нейтронов можно осуществлять такие преобразования в легких ядрах, при которых возможно выделение избыточной энергии.

Вернемся в вопросу бета-распада, который назовем «бета-реакциями».

Первое направление поиска, это подбор веществ способных к таким бета-реакциям, которые обладают высоким энергетически выходом, но имеют большое время преобразования ядер. Воздействием давления это время можно уменьшить, возможно, до практически приемлемого уровня. В целом в нормальных условиях время периода полураспада таких веществ колеблется от долей секунды до миллиарда лет.

Второе направление. Если подобрать материал, в котором при сжатии возникают ядерные реакции, при которых происходят выбросы нейтронов, то можно осуществить холодную реакцию термоядерного синтеза ядер легких химических элементов.

Перейдем к анализу третьего направления. Рассмотренные энергетические процессы бета-реакции способны протекать в веществах, находящихся в любых агрегатных состояниях, но наибольший интерес представляет протекание данного процесса в веществах находящихся в твердом состоянии по следующей причине. При нормальных условиях давление, действующее внутри твердых веществ равно нулю. Силы притяжения-отталкивания, действующие между атомами вещества, взаимно уравновешены. Возьмем металлический баллон и начнем его наполнять газом под давлением. Что произойдет? Давление газа начнет расти, т.к. стенки металлического сосуда удерживают газ в сосуде за счет силы их растяжения, но, как было сказано, внутри сосуда давление растет.

Обратимся к некоторым известным квантовым эффектам. Существуют материала, в частности металлы, которые способна поглощать водород, а именно впитывать его в себя, как пористая губка впитывает в себя воду. Металлы, обладающие такими способностями, названы металлогидридами. При некоторых внешних условиях (давление, температура), если соответствующий металл находится в водородной среде, то он впитывает в себя водород в весьма большом количестве. Механизм здесь следующий. Ядра поверхностных атомов водорода металлогидрида за счет квантовых туннельных свойств проникают внутрь металла. Здесь возникает следующая чрезвычайно интересная ситуация. Водород отбирает поверхностный электрон у одного из атомов кристаллической решетки металлогидрида, а недостающий электрон восполняется из внешней среды. Причем, на каждый атом металлогидрида в металл, может проникать несколько атомов водорода. Таким образом, если до попадания водорода в металл каждый атом кристаллической решетки металла занимал свой определенный объём, то после попадания атомов водорода в металл каждый атом водорода для своего существования отбирает часть объёма пространства у соответствующего атома металла. Чем больше атомов водорода проникают в металл, тем тесней становиться всем атомам металлогидрида.

Согласно третьему закону Ньютона в сжатом состоянии находятся не только атомы водорода, но и атомы металлогидрида, так как на все атомы действует одна и также величина повышенного давления, что уменьшает объём пространства, занимаемого каждым атомом. Как было сказано выше, уменьшение объёмов атомов приводит к росту их совокупной массы за счет действия релятивистских эффектов, чем изменяются условия действия бета-реакций. Таким образом, фактически процессы гидридизации и дегидридизации металлов равносильны соответствующему изменению действия внешнего давления на эти металлы.

В качестве примера конкретного металла возьмем никель, который также способен поглощать водородное вещество (Ni58)....................

Полный текст статьи с расчетной частью и рисунками см. по ссылке: 

https://drive.google.com/file/d/0BwnmAPWeT4wAOWJ0X29HTzlRRTQ/view?usp=sharing 

Авторские статьи приведенные в работе найти по ссылке:

http://gvaleriy.blogspot.ru/2016/03/blog-post.html

Валерий Гребенников.

8-928-16-00-581