СПОСОБ ПРОМЫШЛЕННОЙ ДОБЫЧИ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ-МАССЫ ВАКУУМА МАТЕРИАЛЬНОГО, ОСВОБОЖДАЕМОЙ ИЗ МНОГОМЕРНО КВАНТУЮЩЕЙСЯ МИРОВОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ "ВАКУУМ МАТЕРИАЛЬНЫЙ + НУКЛИДЫ", И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G21H7/00 H05H3/00 

Изобретение относится к области проектирования и строительства атомных электростанций и опытно-экспериментальных установок и устройств физики высоких энергий.

В настоящее время хорошо освоены способы промышленной добычи энергии из тяжелых расщепляющихся нуклидов и устройства для осуществления этих способов. Эти способы основаны на использовании деления ядер урана и некоторых трансурановых элементов под действием нейтронов. Ядерные цепные реакции могут быть управляемыми. Это свойство ядерных цепных реакций тяжелых нуклидов используют для строительства энергопроизводящих устройств, которые называют ядерными реакторами. Современные ядерные реакторы используют как основные энергопроизводящие устройства при строительстве атомных электростанций.

Наряду с освоенными способами управления процессами деления тяжелых нуклидов и устройствами, реализующими эти способы, на протяжении нескольких десятилетий в ряде высокоразвитых стран проектируют и строят опытные и экспериментальные устройства, предназначенные для осуществления синтеза легких нуклидов при высокой температуре, соизмеримой с температурой T~10⁷К солнечного ядра. Однако все известные устройства не смогли пройти через барьер неприступности и осуществить управляемый термоядерный синтез легких нуклидов, дающий полезный выход энергии-массы.

Эксплуатируются также устройства [1], с помощью которых проводятся исследования глубоко неупругих столкновений тяжелых нуклидов с целью выяснения возможности получения сверхплотного вещества, с целью выяснения гидродинамических и термодинамических свойств ядерного вещества, а также с целью синтеза трансурановых элементов. Особое место занимают способы импульсно-динамического взаимодействия легких и тяжелых нуклидов, которые используют малоизученные эффекты супержестких столкновений ядер, ускоренных до сверхвысоких энергий. Известны устройства, в которых реализуются такие импульсно-динамические взаимодействия, выводящие ядерные процессы в малоизученную асимптотическую область, лежащую у светового барьера, масштабно подобного звуковому барьеру в реальных газах. Подробные сведения об асимптотической области сильных взаимодействий и характерные эффекты, реализующиеся в этой области, описаны в [2] и в других источниках.

К уровню техники следует отнести и следующее достижение ядерной физики, основанное на большом массиве опытных данных о дефектах-избытках энергии-массы нуклидов: независимо от способа взаимодействий нуклидов, следствием которых является деление или синтез ядер, всегда имеет место выделение энергии-массы, получившее название избытка-дефекта энергии-массы. Установлено [3] следующее. Избытки-дефекты энергии-массы в ядерных реакциях пропорциональны избыткам-дефектам площадей поверхностей контакта исходных и конечных "частиц" с окружающим их вакуумированным пространством. Этот факт недвусмысленно указывает на то, что вакуумированное пространство материально и что оно выполняет роль термостата, который обменивается с нуклидами энергией-массой и потоками энтропии. Спектральная модель материального вакуумированного пространства получила наименование вакуума материального. Вакуум физический является при этом составной частью вакуума материального.

Заявленное изобретение базируется на эффектах и явлениях, разыгрывающихся в асимптотической области сильных взаимодействий тяжелых нуклидов между собой и вакуумом материальным. В области сильных взаимодействий приобретает определяющее значение импульсно-динамический эффект, подчиняющийся строгим законам классической механики, термодинамики и квантовой физики. Импульсно-динамический эффект в оптическом диапазоне электромагнитных излучений проявляется в гидродинамическом сжатии физического тела множеством встречных пучков лазерного излучения. Этот эффект использован в способе и устройстве [4] , предназначенных для осуществления лазерного термоядерного синтеза. Заявленный способ также базируется на эффекте гидродинамического сжатия мишени - встречными пучками релятивистских нуклидов, при этом сжатию подвергаются как сами релятивистские нуклиды, так и тяжелые нуклиды мембраны-мишени. Однако техническое решение [4], как и другие известные решения, описанные выше, не могут служить в качестве аналогов, поскольку не совпадают с заявленным изобретением по назначению.

Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, заключается в добыче внутренней энергии-массы вакуума материального в диапазоне порядка 10⁷ - 10¹³ Дж.

Согласно изобретению это достигается путем искусственного создания локально неравновесного термодинамического состояния вакуума материального, которое сопровождается фазовым переходом первого рода квазигазовой структуры вакуума материального в вакуумный конденсат с естественным выделением внутренней энергии-массы.

Способ заключается в том, что в вакуумной сферической камере, содержащей в центральной области тонкую мембрану-мишень, создают условия абсолютно черного тела, инжектируют в нее с двух противоположных сторон направленные на боковые поверхности мембраны-мишени два пучка тяжелых релятивистских нуклидов с малым поперечным сечением приблизительно равным 0,3 х 0,6 см², достигаемым с помощью магнитов, с концентрацией частиц в пучках n = 10¹³-10²¹ и критической скоростью, приближающейся к 2,99 • 10¹⁰ см•с^-1, инициируя тем самым сильные глубоко неупругие столкновения нуклидов пучков с тяжелыми нуклидами мембраны-мишени, атомный номер которых соответствует атомному номеру нуклидов инжектируемых пучков, и вызывая естественный взрыв столкнувшихся нуклидов в едином макрофайрболе, общая масса-энергия которого выбрасывает в окружающий вакуум материальный облако нуклонов и облако пионов и лептонов.

Это сопряжено с возникновением естественного топологического эффекта, заключающегося в том, что площади поверхностей нуклонов и пионов, родившихся из взорвавшихся нуклидов и из присоединенной массы-энергии вакуума материального, оказываются значительно больше площадей поверхностей нуклидов до их столкновения, что вызывает нарушение термодинамического и квантомеханического равновесия вакуума материального, реагирующего на это естественным выделением его внутренней энергии-массы, суммарная величина которой вместе с кинетической энергией двух пучков релятивистских нуклидов и кинетической энергией нуклонов, выброшенных в окружающий вакуум материальный взрывом макрофайрбола, составляет суммарную энергию-массу, которую трансформируют в тепловую энергию теплоносителя, циркулирующего по внешней поверхности сферической камеры.

Устройство для осуществления способа выполнено в виде двух сфер, вложенных друг в друга с зазором для циркуляции жидкого теплоносителя, заключенных в бетонную облицовку, защищающую внешнюю среду от вредных излучений. В центральной области внутренней сферы содержится мишень, выполненная в виде тонкой мембраны, с двух противоположных сторон этой сферы встроены каналы для инжекции на боковые поверхности мембраны двух пучков тяжелых релятивистских нуклидов, при этом мембрана выполнена из материала, атомный номер нуклидов которого соответствует атомному номеру нуклидов инжектируемых пучков. Сферы могут быть выполнены из стали, а в качестве жидкого теплоносителя может быть использован литий.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображено устройство, с помощью которого извлекают энергию-массу из вакуума материального.

На чертеже обозначены: 1 - внутренняя сферическая оболочка, 2 - внешняя сферическая оболочка, 3 - фланец-горловина внутренней оболочки, 4 - фланец-горловина внешней оболочки, 5 - фланец-гайка, 6 - фланец-инжектор, 7 - гофрированный компенсатор, 8 - профилированный канал, 9 - штанги крепления, 10 - мембрана-мишень, 11, 12 - горловины, 13 - уплотнение, 14 - болтовое соединение, 15 - герметичное уплотнение, 18 - отверстие, 17 - кольцевое уплотнение, 18 - полость между внутренней и внешней оболочками, 19 - вакуумный запор-замок.

Реальность осуществимости предложенного способа основывается на следующих основных предпосылках, описанных в технической литературе.

1. При столкновении релятивистских ионов анализ результатов показывает, что участниками реакций будут те части ядер, которые приходят в непосредственное соприкосновение друг с другом. Столкнувшиеся части будут сильно нагреваться и может образоваться сверхплотное вещество, пойти ударная волна и во всех случаях произойдет вылет быстрых нуклонов и π-мезонов в широком конусе. Сноп быстрых нуклонов и π-мезонов, а также сверхплотное вещество образуют на короткое время единую энергосистему - файрбол. Избыточная внутренняя энергия-масса файрбола взрывает его. Взрыв сопровождается выбросом энергии-массы в окружающее вакуумированное пространство. Эта энергия-масса используется в заявленном изобретении для получения тепла и для его дальнейшей трансформации в энергию электрическую.

2. Всякое превращение атомного ядра проходит через промежуточный этап, в котором энергия временно оказывается распределенной между всеми частицами составной системы. Здесь существенный момент - непременное образование промежуточной энергосистемы - файрбола.

3. Большинство вторичных частиц (при столкновении нуклонов в околосветовой асимптотической области сильных взаимодействий) - это пионы, причем в системе центра масс сталкивающихся протонов почти все пионы имеют малые импульсы. Явление образования пионного облака вокруг сталкивающихся протонов называется пионизацией.

4. Область очень больших энергий обычно называют асимптотической. В асимптотической области очень сильных столкновений ядер их внутренняя структура деформируется как единое целое, превращаясь на какое-то мгновение в своеобразный "блин". Данное обстоятельство позволяет оценивать энергию-массу единой деформируемой системы "частиц" с помощью геометрических параметров. Причинно-следственная связь здесь обнаруживается в законе сохранения и превращений кинетической энергии ядер, энергии их деформаций и присоединенной энергии-массы вакуума материального. Использование этих причинно-следственных связей позволяет оценить полезное энерговыделение в предложенном способе и устройстве.

5. Хорошо известно в науке явление природы, которое получило название "дефекты или избытки энергии-массы ядер атомов". Такие дефекты-избытки рождаются в реакциях синтеза и деления нуклидов. В рамках теории пустого пространства величину дефектов-избытков научились вычислять с помощью модельной формулы Бете-Вецзеккера, скорректированной множеством поправочных коэффициентов. В рамках используемой в заявленном изобретении модели не пустого, а материального пространства (в рамках модели неисчерпаемого многомерно квантующегося материального пространства, то есть в рамках модели вакуума материального) дефекты энергии-массы Δ E_vac ^* реагирующих ядер исчисляются с помощью простейшей формулы
ΔE*vac

Данная модель согласуется с опытными данными и дает те же результаты, что модель Бете-Вецзеккера. Главное достоинство положенной в основу изобретения модели состоит в том, что она позволяет описать физическую сущность явления дефектов-избытков как явление фазового перехода второго рода квазигазовой структуры вакуума материального в вакуумный конденсат с неизбежным выделением внутренней энергии-массы вакуума материального.

Устройство для реализации предложенного способа состоит из внутренней 1 и внешней 2 сферических оболочек, выполненных, например, из стали и соединенных между собой посредством фланца-гайки для силового герметичного соединения. Предусмотрено кольцевое уплотнение 17 двух половинок сферических оболочек. Полость 18 между внутренней и внешней оболочками служит для циркуляции теплоносителя, для чего предназначены горловины ввода 11 и вывода 12 теплоносителя и отверстие 16. В качестве теплоносителя может служить литий.

Внутренняя оболочка 1 содержит фланец-горловину 3 для установки и замены мембраны-мишени 10, закрепляемой на штанге крепления 9. Для облегчения замены мембраны-мишени служит гофрированный компенсатор 7. Устройство содержит фланец-инжектор 6 пучков релятивистских нуклидов и расположенные с двух противоположных сторон профилированные каналы 8 для прохождения пучков. Для крепления фланца-инжектора служат болтовое соединение 14, уплотнение 13 и герметичное уплотнение 15. В канале 8 предусмотрен вакуумный запор-замок. Вся конструкция может быть заключена в бетонную облицовку (на чертеже не показана), защищающую внешнюю среду от вредных излучений.

Предложенный способ предусматривает последовательность действий над материальными объектами, роль которых выполняют тяжелые нуклиды, массовые числа которых ≤225.

С помощью ионных источников генерируют в глубоком вакууме порядка 10^-8 мм рт. ст. и формируют направленные потоки (пучки) тяжелых ионов. Пучки тяжелых ионов подвергают селекции по электрическим зарядам и направляют в накопительные кольца, в которых, с целью повышения плотности "частиц" в пучках, пучки подвергают охлаждению. Одновременно, здесь же, пучки тяжелых ионов сжимают в продольном и поперечном направлениях, формируя уплотненные ядра пучков.

После охлаждения и сжатия пучков их направляют в ускорительные кольца, например, ускорителя типа У-400. С этой целью используют два ускорителя: один для положительно заряженных ионов, другой для отрицательно заряженных ионов. Возможен вариант использования одного ускорителя типа У-400. В ускорительных кольцах ускорителей ионы ускоряют до критической скорости, приближающейся к скорости 2,99 • 10¹⁰ см•с^-1. Полученные таким образом пучки разноименно заряженных тяжелых ионов - тяжелых релятивистских нуклидов вводят через каналы 8 в полость внутренней сферической оболочки, направляя на боковые поверхности мембраны-мишени 10, расположенной в центральной области оболочки, в которой искусственно создают условия абсолютно черного тела при давлении реальных газов порядка 6,65 • 10^-7 Па. При этом обеспечивают с помощью магнитов малое поперечное сечение пучков, приблизительно равное 0,3 х 0,6 см², и концентрацию "частиц" в пучках 10¹³ - 10²¹. Мембрана-мишень выполнена из материала, содержащего тяжелые нуклиды, атомный номер которых соответствует атомному номеру нуклидов в инжектируемых пучках.

Физика процессов, происходящих при столкновении пучков на мембране-мишени, была изложена выше. При оговоренных параметрах инициируются сильные глубоко неупругие столкновения нуклидов пучков с тяжелыми нуклидами мембраны-мишени, происходит естественный взрыв столкнувшихся нуклидов в едином макрофайрболе, общая масса-энергия которого выбрасывает в окружающий вакуум материальный облако нуклонов и облако пионов и лептонов, что сопряжено с возникновением естественного топологического эффекта, заключающегося в том, что площади поверхностей нуклонов и пионов, родившихся из взорвавшихся нуклидов и из присоединенной массы-энергии вакуума материального оказываются значительно больше, чем площади поверхностей нуклидов в пучках до их столкновения. Это приводит к нарушению термодинамического и квантомеханического равновесия вакуума материального, реагирующего на это естественным выделением его внутренней энергии-массы, суммарная величина которой вместе с кинетической энергией двух пучков релятивистских нуклидов и кинетической энергией нуклонов, выброшенных в окружающий вакуум материальный взрывом макрофайрбола, составляет суммарную энергию-массу, которую трансформируют в тепловую энергию теплоносителя, циркулирующего в полости 18 устройства.

Проведенные оценки показали, что предложенным способом и устройством возможно производство полезной энергии-массы порядка 10⁷ Дж при концентрации тяжелых релятивистских нуклидов в пучках 10¹⁴ и порядка 10¹³ Дж при концентрации нуклидов 10²¹.

Изобретение относится к области промышленной добычи полезной и экологически чистой энергии-массы из вакуума материального. Способ добычи основан на искусственном создании неравновесного термодинамического состояния в ограниченном объеме вакуума материального, сопровождаемого фазовым переходом первого рода квазигазовой структуры вакуума материального в вакуумный конденсат, что сопряжено с выделением внутренней энергии вакуума материального. Неравновесное состояние вакуума материального достигается путем столкновения двух встречных пучков тяжелых релятивистских нуклидов с неподвижной мембраной-мишенью, установленной в специальном устройстве, которое имеет конструкцию, аналогичную конструкции реактора лазерного термоядерного синтеза. Технический результат - повышенная добыча внутренней энергии-массы вакуума материального в диапазоне порядка 10⁷ - 10¹³ Дж. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ промышленной добычи внутренней энергии-массы вакуума материального, освобождаемой из многомерно квантующейся мировой энергосистемы "вакуум материальный + нуклиды" путем искусственного создания локально неравновесного термодинамического состояния вакуума материального, которое сопровождается фазовым переходом первого рода квазигазовой структуры вакуума материального в вакуумный конденсат с естественным выделением внутренней энергии-массы, заключающийся в том, что в вакуумной сферической камере, содержащей в центральной области тонкую мембрану-мишень, создают условия абсолютно черного тела, инжектируют в нее с двух противоположных сторон направленные на боковые поверхности мембраны-мишени два пучка тяжелых релятивистских нуклидов с малым поперечным сечением, достигаемым с помощью магнитов, с концентрацией частиц в пучках в диапазоне п = 10¹³ - 10²¹ и критической скоростью, приближающейся к 2,99 х 10¹⁰ см • с^-1, инициируя тем самым сильные глубоко неупругие столкновения нуклидов пучков с тяжелыми нуклидами мембраны-мишени, атомный номер которых соответствует атомному номеру нуклидов инжектируемых пучков, и вызывая естественный взрыв столкнувшихся нуклидов в едином макрофайрболе, общая масса-энергия которого выбрасывает в окружающий вакуум материальный облако нуклонов и облако пионов и лептонов, что сопряжено
с возникновением естественного топологического эффекта, заключающегося в том, что площади поверхностей нуклонов и пионов, родившихся из взорвавшихся нуклидов и из присоединенной массы-энергии вакуума материального, оказываются значительно больше площадей поверхностей нуклидов до их столкновения, что вызывает нарушение термодинамического и квантомеханического равновесия вакуума материального, реагирующего на это естественным выделением его внутренней энергии-массы, суммарная величина которой вместе с кинетической энергией двух пучков релятивистских нуклидов и кинетической энергией нуклонов, выброшенных в окружающий вакуум материальный взрывом макрофайрбола, составляет суммарную энергию-массу, которую трансформируют в тепловую энергию теплоносителя, циркулирующего по внешней поверхности сферической камеры. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение пучков тяжелых релятивистских нуклидов составляет порядка 0,3 х 0,6 см². 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что давление реальных газов в сферической камере составляет порядка 6,65 х 10^-7 Па. 4. Устройство для промышленной добычи внутренней энергии-массы вакуума материального, освобождаемой из многомерно квантующейся мировой энергосистемы "вакуум материальный + нуклиды", выполнено в виде двух сферических камер, вложенных одна в другую с зазором для циркуляции жидкого теплоносителя, содержит в центральной области внутренней камеры мишень, выполненную в виде тонкой мембраны, с двух противоположных сторон этой камеры встроены каналы для инжекции на боковые поверхности мембраны двух пучков тяжелых релятивистских нуклидов, при этом мембрана выполнена из материала, атомный номер нуклидов которого соответствует атомному номеру нуклидов инжектируемых пучков. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что камеры выполнены из стали. 6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что в качестве жидкого теплоносителя использован литий. 7. Устройство по п.4, или 5, или 6, отличающееся тем, что камеры заключены в бетонную облицовку, защищающую внешнюю среду от вредных излучений.