Изобретение относится к технике получения атомной энергии с помощью синтеза легких ядер (изотопов водорода - дейтерия и трития) и может найти применение при создании энергетических установок.
Для осуществления ядерной реакции синтеза необходимо сблизить ядра на расстояние порядка см или нагреть смесь атомов до 100 миллионов градусов. Эту задачу в настоящее время решают различными способами. Сжимают дейтерий или смесь дейтерия и трития магнитным полем тороидальной конфигурации. Нагревают смесь изотопов лазерным лучом или пучком релятивистских электронов, или ускоренным пучком ионов. В основе этих методов лежит одна идея: нагреть до высокой температуры все атомы смеси с тем, чтобы могли прореагировать ядра лишь некоторых из них.
При таких способах сближения ядер превращают самые совершенные и дорогие виды энергии - магнитную, световую, энергию ускоренного пучка частиц - в самую несовершенную, тепловую.
Известен метод с мюонным катализом ядерных реакций синтеза. Ядра сближают не за счет тепловой энергии, а под действием внутренних электрических сил притяжения, действующих между мю-мезонами и ядрами, кроме того, сближаются только те ядра, которые затем вступают в реакцию, поэтому отпадает необходимость нагревать все атомы. Мюоны в лаборатории получают
ч| СО
СЛ Ю О
ю
в реакции распада пионов на мюоны и мю- онные анти-нейтрино:
я
Р
+ %
а пионы, в свою очередь, рождаются при столкновениях ускоренных протонов (600- 800 МэВ) с ядрами атомов мишени.
Попадая в смесь изотопов водорода мю-мезоны тормозятся в ней, образуя мезоатомы водорода р/л dju , t/г- и мезомо- лекулы pd /г, dd /и. , dt ц и т.д. Причем расстояния между ядрами в мезомолекулах оказываются равными 5 см, т.е. как раз такое, какое необходимо для начала интенсивной реакции синтеза ядер.
Устройство включет в себя источник частиц - протонов, их ускоритель до энергии 600-800 мэВ (синхроциклотрон), мишень, участок преобразования частиц - пространство дрейфа с давлением Нд, камеру синтеза, заполненную смесью изотопов водорода и окруженную теплоносителем.
Недостатками способа и устройства с мюонным катализом являются сложность устройства вследствие того, что необходим ускоритель протонов на энергию 600-800 МэВ, а также очень сложна цепь превращений элементарных частиц, прежде чем наступит ядерная реакция, большая стоимость получения мюонов и потери мю- онов в процессе превращения частиц.
Цель изобретения - создание способа и устройства, позволяющего снизить энергетические затраты на подготовку ядерных реакций и упростить всю инженерную схему процесса.
Поставленная цель достигается тем, что используются квантовомеханические свойства частиц, описываемые автоколебательной квантовой механикой, для чего формируют два пучка холодных (с энергией 0,01 эВ) атомов дейтерия и трития, ионизуют их пучками электронов, которые направляются встречно пучкам атомов, получающиеся ионы ускоряются до энергии порядка (13-14) эВ, далее ионы вновь облучают электронами до образования двух пучков нейтральной резонансной плазмы дейтерия и трития, затем пучки совмещаются и в области совмещения начинаются ядерные реакции синтеза.
Таким образом, устройство, включающее камеру синтеза, систему подачи дейтерия и трития и средства для получения пучков электронов, отличается от схемы мю- онного катализа ядерных реакций синтеза тем, что система подачи выполнена в виде двух пушек холодных атомов дейтерия и
трития, расположенных под углом одна к другой так, чтобы продолжение их осей совместилось (пересеклось) в камере синтеза. Средства для получения пучковэлектронов представляют собой соосные кольцевые пушки, расположенные у выходов пушек атомов дейтерия и трития, для формирования встречных к атомным пучкам электронных пучков. На участках до камеры синтеза
расположены дополнительные электронные пучки, дающие электроны для нейтрализации ионных пучков и создания плазмы. Между указанными источниками электронов размещены ускоряющие электроды, на
которые подан отрицательный потенциал 13-14 В относительно атомных пушек.
Во всех перечисленных способах получения синтеза легких ядер, кроме реакции мюонного катализа, не принимаются во
внимание квантовомеханические эффекты, обычная квантовая механика и не дает возможности разглядеть многие эффекты, так как с самого начала принципиально не рассматриваются возможности знать конкретные движения электронов в атомах, а дается только вероятность их нахождения в той или иной точке пространства вокруг ядра.
Новая возможность решения всей проблемы синтеза легких ядер в предлагаемом
устройстве вытекает из явлений, наблюдаемых в природе и в ряде опытов и объясняемых автоколебательной квантовой механикой (АКМ). Суть явлений, которые лежат в основе предлагаемого способа, заключается в том, что ядро атома водорода (Р), движущееся классически прямолинейно и равномерно, совершает дополнительное колебательное движение, обусловленное особым квантовым полем, возбуждаемым
частицей и которое, в свою очередь, воздействует на частицу. Это квантовое поле описывается волновым уравнением
#Ј
Рд
л
где А-оператор Лапласа; р- волновая функция;
5Q V - скорость частицы и скорость волны, возбуждаемой частицей.
Движение частицы будет описываться выражением
55
х Vt +
зт2я1Л в t х + Ё,
х
2лгт V истинная координата частицы; х
VKB
m V4
- частота колебаний частицы и волны;
А -у- длины волны де Бройля;
h - постоянная Планка; m - масса частицы; V - скорость частицы; t - время. Скорость частицы
V V + V(i + cos2 Ttv KBt);
| VCOS2 JtVKBl
Для энергии такой свободной квантовой частицы мы должны писать выражения
m V2 ... 2 - 2
Т.е. здесь местопребывание добавочной энергии, связанной с квантовыми колебаниями, меняется от одного полупериода квантового колебания к другому: когда добавочная скорость имеет направление классической скорости V - энергия складывается с классической энергией частицы, когда добавочная скорость направлена против классической скорости - квантовая энергия вычитается из классической и уходит в окружающую среду (в эфир). В результате усреднения по времени получим обычное классическое равномерное прямолинейное движение.
Так же, как существование волны де
Бройля,-- получило подтверждение в m V
явлении дифракции электронов, существо-
вание квантовых частот VKB
m V
водорода двигаться со скоростью
5,1 -10 см/с (т.е. с энергией Е
«Q
10
15
20
25
30
13,6 эВ), то частота колебаний
m V2 на vp -2-- будет совпадать с частотой
колебаний электронов в атоме водорода. В этом случае имеет место резонансный эффект, в результате которого правильное квантовое колебательное движение электрона относительно протона прекращается. Электрон начинает двигаться беспорядочно. Получается фактически ион Н+ (или протон) и электрон, не образующие кванто- во-механической системы. Это явление можно назвать самоионизацией атома водорода.
При падении электрона на протон (куло- новское поле создает именно это движение прежде всего) имеет место электромагнитное и неэлектромагнитное излучения, однако это излучение не будет иметь квантовой природы, т.е. не будет связано с вращательными моментами (речь идет все время об основном состоянии атома водорода).
На неэлектромагнитное излучение может расходоваться значительная часть из общей потери энергии электрона. На малых расстояниях электрона от протона ( см) вступают вновь в действие квантовые силы. Это ведет к образованию нейтроноподоб- ной частицы.
Описанные явления имеют место не ос только для атомрв водорода (iH), но и для дейтерия (TD iH) и для трития (iT iH). Поскольку частота колебаний электрона в этих атомах практически будеттакой же, как и в атоме водорода, то квантовая частота ядер бит будет такой же, хотя скорости для резонанса частоты будут другими:
Использование: техника получения ядерной энергии с помощью синтеза легких ядер. Сущность изобретения; формируют два пучка холодных атомов дейтерия и трития, ионизируют их пучками электронов, получающиеся ионы ускоряют до энергии 13-14 эВ, затем нейтрализуют ионы до получения нейтральной резонансной плазмы, в которой и происходит ядерная реакция синтеза. Атомные пушки, дающие пучки атомов дейтерия и трития, располагаются своими осями под углом, обеспечивающим пересечение пучков в камере синтеза. Кольцевые электронные пушки, расположенные соосно с атомными на их выходе, ионизируют атомы в начале их пути. Электрическое поле, создаваемое между пушками и специальными электродами, расположенными позади электронных пушек, обеспечивает ускорение ионов и их фокусировку перед зоной создания плазмы. Плазма создается облучением пучков ионов электронами издополни- тельных электронных пушек. Для получения ядерных реакций синтеза плазма должна быть резонансной, т.е. ионы в ней должны двигаться поступательно с определенной скоростью. 2 с.п,ф-ль, 1 ил. ел с
ляет себя в некоторых являениях резонансного типа.
Как показывает автоколебательная квантовая механика, электрон в основном состоянии атома водорода совершает колебания вдоль радиуса с частотой
,i - 2Е1 -4л2 тее4 .
VH hт
пк3
Ei
2л2
т е
-8
оставаясь в среднем на расстоянии 10 см от протона, т.е. численно это будет VH 6,54 -1015 Гц. Если заставить сам атом
45
Vd 3,63- 10ьсм/с; Vt 2,94 -106 см/с; VP 5,1 -106см/с.
ШсЛг
частотам
резонансная
энергия для ядер дейтерия и трития будет 55 такой же, как и для водорода, т.е. 13,6 эВ.
На расстояниях порядка см вступают в действие особые квантовые силы. Ней- троноподобные частицы de и te могут оказаться достаточно прочными и могут
подпускать к себе свободные ядра d и t на расстояния, на которых действуют ядерные силы( см)(каксмюонами)и начинаются реакции ядерного синтеза с выделением энергии:
d + t 2Не + п + 17,6 МэВ;
з d + d +п +3,27 МэВ;
з d + d -мТ+р + 4,12 МэВ;
d + 2He + 18,3 МэВ.
Здесь по крайней мере одно из ядер d, t, является нейтроноподобным, т.е. с прилипшим к нему электроном. Другие ядра могут быть нормальными.
Таким образом, в предлагаемом способе не нужны такие экзотические частицы, как мюоны, и соответственно все дорогие и сложные устройства, связанные с их получением.
Вместо мюонов используются электроны (свои или захватывающиеся из плазмы), образующие вместе с ядрами своего рода нейтроноподобные частицы pe,de,te, у которых электрон находится на расстояниях порядка 10 12-Ю 11 см.
Для получения такого рода частиц необходимо получить достаточное количество атомов d,t при резонансной скорости, при которой разрушается закономерное квантовое движение электрона, имеющее место в основном состоянии атома водорода,
На чертеже приведена схема устройства для осуществления способа.
Устройство содержит дейтериевую 1 и тритиевую2 атомные пушки для получения холодных атомов D и Т, электронные кольцевые пушки, электроды 5 и 6, которые подключены к (-)-пол юсу источника напряжения для создания электрического поля между электродами и атомными пушками. Эти электроды выполняют благодаря своей форме роль фокусирующих электродов для ионов. Устройство содержит также дополнительные электронные пушки 7 и 8 для нейтрализации ионных пучков; траектории 9 и 10 пучков дейтерия и трития, камеру 11 синтеза и рубашку 12 с теплоносителем.
Цифрами I, II, III обозначены, соответственно: участок образования ионов дейтерия и трития, участок образования нейтральной плазмы, участок ядерных реакций синтеза.
Атомные пушки 1 и 2 установлены под углом одна к другой так, что их оси пересекаются в камере 11 синтеза. Электронные кольцевые пушки 3 и 4 расположены у выходов атомных пушек 1 и 2 соосно с последними. Электроды 5 и 6 подключены к источнику напряжения (не показан), создающему на них отрицательный относительно атомных
пушек 1 и 2 потенциал в 13-14 В. На участке до камеры 11 синтеза перпендикулярно к осям атомных пушек размещены дополнительные электронные пушки 7 и 8.
Пушки 1 и 2 располагаются рядом на
расстоянии нескольких сантиметров с осями под углом 5° одна к другой с тем, чтобы пересечение пучков имело место в области реакции (III).
Энергия атомов, получаемых от этих пушек не превышает 0,01 эВ. Соответственно разброс частиц по энергиям будет небольшой. Поскольку для резонансных эффектов мы должны иметь атомы с энергией 13,6 эВ, необходимо их ускорять. Для ускорения атомы необходимо прежде ионизировать. Электронные кольцевые пушки 3 и 4 создают трубчатые сходящиеся пучки электронов, которые ускоряются в электрическом поле между электродами 5 и б и атомными пушками 1 и 2 и ионизируют пучки атомов дейтерия и трития. Ионы трития и дейтерия ускоряются в этом же поле до энергии порядка 10-14 эВ, фокусируются благодаря форме электродов 5 и 6 и выходят через
отверстия в электродах 5 и 6 на участок образования нейтральной плазмы.
Поскольку электроны имеют массу « массы d и t, то разброс ионов по скоростям возрастает незначительно.
Участок образования нейтральной плазмы. На этом участке целесообразно наложить фокусирующее продольное магнитное поле. Разогнав ионы до нужных скоростей, надо их превратить в нейтральные атомы.
Но поскольку скорости d и t являются резонансными и устойчивых атомов получить в этом случае нельзя, то остается удовлетвориться созданием нейтральной резонансной плазмы. Плазма будет в этом случае как
бы результатом самоионизации атомов, На этом участке ионы вновь облучают электронами с энергией до 14 эВ из пушек 7 и 8 в пропорции, соответствующей нейтральной плазме. Далее идет участок, на котором возможны ядерные реакции.
Участок ядерных реакций (III). Длина этого участка 1 м. Резонансная плазма создает условия для падения электронов на ядра d и t. На расстояниях порядка см
вступают в действие вновь квантовые силы. Образуются нейтроноподобные частицы de и te. Такие частицы могут подпускать к себе свободные ядра d и t на расстояния, на которых действуют ядерные силы ( см)
(как с мюонами) и начинаются реакции ядерного синтеза с выделением энергии:
4
d+t - 2Не +п + 17,7 МэВ;
3 d + 2He
„Не + п + 18, 3 МэВ;
d+d 3,28 МэВ;
d + d + p + 4,12 МэВ.
ч
Кинетическая энергия 2Не-частиц расходуется на нагревание стенок камеры 11 синтеза, которая окружается рубашкой с теплоносителем 12. Вдоль всего тракта (от пушек до участка ядерной реакции) поддерживается вакуум.
Предлагаемые способ и устройство получения ядерной энергии по сравнению с известными позволяют построить более дешевый и простой ядерный реактор. Действительно в известных установках необходимо создавать сильные магнитные поля около десятков кГс, высокие электрические напряжения десятки-сотни кВ, сверхнизкие температуры, токи порядка сотен ампер. Для создания таких параметров необходимы сложнейшие установки, потребляющие большие энергии. В предлагаемом способе требуются электрические напряжения всего в 10-20 В, токи тА, естественно, что и энергетические затраты на осуществление способа будут значительно ниже чем в известном способе.
В предлагаемом устройстве самой сложной частью являются атомные пушки.
Такие пушки не представляют собой технических проблем. Электронные пушки, используемые в устройстве, также просты, источниками питания их могут служить даже простые батареи аккумуляторов.
Формула изобретения
11
Ю
ш
| Кадомцев Б.Б | |||
| Природа, 1979, № 2, с.21 | |||
| Пономарев Л.И | |||
| Природа, 1979, №9, с,8, |
