Выберите название раздела:
1. Принципиальное отличие термоядерного реактора от действующих реакторов
2. Соотношение Эйнштейна и физическая реальность
3. Масса ядра и потенциальная энергия
5. Баланс энергии при делении изотопа урана U-235
Предисловие
Камни в голове – это аллегория, точно отражающая диагноз болезни, характерной для различных областей человеческой деятельности, включая науку. В условиях бюрократизации, поразившей также сообщество ученых, грань между наукой и лженаукой не всегда чётко просматривается. Сомнительные и ошибочные теоретические концепции могут развиваться и в рамках официальной науки. При этом зачастую игнорируются и замалчиваются критические оценки даже известных ученых, если это противоречит принятой системе взглядов. Так, например, Тесла высмеивал эйнштейновский принцип взаимопревращения массы и энергии, который является теоретической основой идеи получения энергии путем термоядерного синтеза лёгких ядер. Это было задолго до того, как были начаты работы по созданию термоядерного реактора. Но мнение великого учёного было проигнорировано и предано забвению. В данной книге под камнем в голове понимается прочно засевшее в сознание ученых положение о превращении ядерного вещества в энергию, которое формально следует из упрощенного толкования соотношения Эйнштейна E = mc2.
Минуло шесть десятилетий с тех пор как начались работы по созданию термоядерного реактора. Реактора нет, а прогнозы о сроках его создания менее оптимистичные, чем были в начале работ. Многолетние безуспешные попытки продемонстрировать осуществимость этого проекта вызывают сомнение в том, что проблема будет решена. В настоящее время работы по созданию термоядерного реактора осуществляются в рамках проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Идея объединения усилий ведущих стран в рамках проекта ITER родилась в 80-х годах ХХ века. В создании ITER принимают участие специалисты из Евросоюза, Швейцарии, Японии, США, России, Южной Кореи, Китая и Индии.
Как полагают, термоядерный синтез - процесс слияния ядер легких элементов с получением ядер более тяжелых - в перспективе может использоваться для промышленного получения энергии. Задача ITER заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути. Однако пока ученые тратят гораздо больше энергии на запуск реакции. ITER нужен как раз для того, чтобы специалисты могли изучить процессы термоядерного синтеза. Проектирование реактора закончено и выбрано место для его строительства — исследовательский центр Кадараш (фр. Cadarache) на юге Франции, в 60 км от Марселя. В настоящее время (по состоянию на март 2012 г.) близятся к завершению работы по созданию железобетонного фундамента под реактор и возведению стен в котловане.
Исследовательский центр Кадараш на юге Франции.
Стоимость проекта постоянно растет - если в 2006 году она составляла 5 миллиардов евро, то сейчас эксперты оценивают необходимые работы в 15 миллиардов евро.
В выпуске подвергнута критическому анализу сама концепция создания термоядерного реактора с учетом опытных данных, включая область применимости закона Эйнштейна и его количественную оценку.
Введение
«Бич человека – это воображаемоезнание».
Монтень.
Выдающийся физик-теоретик Виталий Гинзбург неоднократно поднимал тему о том, какие проблемы представляются наиболее важными и интересными. На первое место он поместил проблему управляемого термоядерного синтеза [1]. Как пишет Гинзбург, в том, что энергию ядерного синтеза каким-то образом удастся использовать, сомневаться трудно. Но вот прошло уже 6 десятилетий с тех пор как были начаты работы в этом направлении, а обнадеживающих результатов, подтверждающих возможность создания промышленного термоядерного реактора, нет. Прогнозы на будущее в отношении сроков создания термоядерного реактора менее оптимистичные, чем были в начале работ.
В основе идеи получения энергии путем синтеза лёгких ядер лежит принцип взаимопревращения массы и энергии, определяемый соотношением Эйнштейна E = mc2. Учёные, даже выдающиеся, могут ошибаться. Исторический опыт является наглядным тому подтверждением. Трудности реализации предсказаний какой-либо теории в техническом устройстве нередко связаны с ошибочностью самой теории или неправильным толкованием области её возможного применения. Если теория приобретает статус научной религии, то ученые могут искать причины неудач где угодно, но не там, где надо, например, в недостаточном финансировании, технических трудностях и др. Здесь можно говорить о «камнях в голове», мешающих мыслить в правильном направлении, когда заранее исключают из рассмотрения возможные причины неудач, содержащиеся в теории.
Утверждение о превращении массы вэнергию высмеивал Тесла [2] еще в то время (1938), когда не было достаточных опытных данных для количественной проверки соотношения Эйнштейна в различных ядерных реакциях. Но мнение великого исследователя было проигнорировано. С критикой принципа взаимопревращения массы и энергии выступалии также другие ученые, утверждавшие, что этот принцип означает нарушение законов сохранения материи и энергии. Но их мнение также было проигнорировано. Наиболее убедительным экспериментальным подтверждением соотношения Эйнштейна принято считать выделение огромной энергии при взрыве атомных бомб. Однако, как показал анализ опытных данных, эта энергия не связана с превращением в неё ядерного вещества. Одним из убедительных аргументов ошибочности концепции превращения ядерного вещества в энергию являются многолетние безуспешные попытки создания термоядерного реактора.
Для объективной оценки правильности идеи получения энергии путем термоядерного синтеза следует исходить из того, что теория Эйнштейна – это не священное писание, а научный авторитет Теслы настолько велик, что его мнение не должно быть проигнорировано. В настоящее время имеется достаточное количество опытных данных, чтобы объективно оценить, кто был прав, Тесла или Эйнштейн.
1. Принципиальное отличие термоядерного
реактора от действующих реакторов
Во всех энергетических установках используется источник энергии, поступающей извне, или источник запасенной энергии, например, природное топливо. По своему устройству современный ядерный реактор во многом подобен обычной печи и отличается от неё более сложной технологией извлечения запасенной энергии, содержащейся в используемом топливе. Начавшийся процесс горения топлива в печи и ядерном реакторе может продолжаться без потребления энергии до выгорания топлива.
Наши предки не знали физической сути процесса, происходящего на атомно-молекулярном уровне при сгорании дров в печи, что не мешало им успешно использовать этот процесс для извлечения из дров содержащейся в них природной энергии. Специалисты в области ядерной энергетики также успешно используют уран как природное топливо, хотя в части понимания внутриядерных процессов и механизма выделения энергии в ядерных реакциях остаётся много неясного.
Принципиальное отличие термоядерного реактора от действующих реакторов и других энергетических установок состоит в отсутствии источника запасенной энергии и необходимости непрерывного подведения энергии для обеспечения условий протекания реакции синтеза легких ядер. Процессы получения топлива в виде нагретой смеси ядер дейтерия и трития и его использования должны происходить практически одновременно. Для эффективной работы реактора необходимо выполнение двух условий: 1) получаемая энергия должна быть больше потребляемой; 2) процесс должен быть управляемым.
Слияние ядер дейтерия d и трития t, которое пытаются осуществить, должно привести к образованию ядра гелия α и нейтрона n и выделению энергии ΔЕ. Реакцию обычно пишут в таком виде:
d(2,1) + t(3,1) → α(4,2) + n(1,0) + ΔЕ. (1)
Величина ΔЕ, эквивалентная изменению массы продуктов реакции, составляет 17,6 Мэв. Для осуществления реакции взаимодействующим ядрам необходимо сообщить кинетическую энергию, необходимую для преодоления кулоновских сил отталкивания ядер дейтерия и трития. Это пытаются осуществить в полностью ионизованной плазме, нагретой до температуры порядка 108 К. Таким образом, если учитывать энергию, необходимую для инициирования слияния ядер d и t (Еин), то более правильной была бы такая запись реакции:
Еин + (d + t) →(α + n) + ΔЕ. (2)
Тогда первое условие эффективной работы реактора определяется соотношением:
ΔЕ> Еин или Q = ΔЕ/Еин> 1. (3)
В настоящее время нет надёжных результатов, подтверждающих возможность выполнения указанных условий. Первое условие сводится к обеспечению положительного баланса между получаемой и потребляемой энергией. Второе условие связано в основном с трудностью удержания высокотемпературной и достаточно плотной плазмы в рабочем объёме реактора. Возможно, что в будущем разработчикам удастся решить эту и другие проблемы, и термоядерный реактор заработает. Но если ли при этом не будет выполняться первое условие, то работы не выйдут из стадии создания демонстрационного образца.
2. Соотношение Эйнштейна и физическая реальность
Связь между массой и энергией впервые была сформулирована Эйнштейном, в статье [3]: «Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии: если энергия изменяется на величину L, то масса изменяется на величину L/с2». Здесь с – скорость света. В данной формулировке энергия первична. Из неё не следует непосредственно обратная зависимость энергии от массы. Но, тем не менее, с этой работой связывают знаменитую формулу E = mc2 (в современных обозначениях). К выводу этой формулы Эйнштейн возвращался неоднократно, последний раз в 1946 году [4]. В этой работе уже говорится о том, что энергия, соответствующая массе m, равна этой массе, умноженной на квадрат скорости света.
Принято считать, что эйнштейновский принцип эквивалентности массы и энергии получил подтверждение после первых взрывов атомных бомб. Однако это утверждение противоречит закону сохранения материи и опытным данным. Из соотношения Эйнштейна следует, что часть массы ядерного вещества в результате ядерной реакции приобретает скорость света. Но со скоростью света движутся только кванты электромагнитного излучения, не имеющие массы покоя. Как будет показано в дальнейшем, при делении ядер изотопа урана U-235 доля энергии квантов электромагнитного излучения в общем балансе энергии составляет всего 4 %. При этом скорость осколочных ядер составляет ~ 1/30 от скорости света. Данные о балансе энергии в одном акте деления ядра U-235 приведены в отдельном разделе.
В ядерных реакциях количество нуклонов остается неизменным. Их массы также являются постоянными величинами, значения которых даются в справочных изданиях среди фундаментальных констант. Это означает, что ядерное вещество не может превращаться в энергию, как это формально следует из соотношения Эйнштейна Е = mc2.
Одной из главных характеристик атомных ядер считается энергия связи Еs. Согласно современным представлениям, она обусловлена дефектом массы m : Еs = mc2. Величина m является отрицательной. Она определяется как разница между массой ядра M и массовым числом А, равным суммарному числу нуклонов: m = M – А. Если бы величина m была положительной, то формально можно было бы говорить о выделении в ядерных реакциях энергии, эквивалентной превышению массы. Однако масса ядра меньше суммарной массы составляющих ядро частиц, и тогда получаемая отрицательная величина Еs не соответствует понятию энергии связи в общепринятом её понимании как положительной величины.
Анализ зависимости энергии связи, приходящейся на один нуклон Еy = Еs/А (удельной энергии связи), приводимой в справочных изданиях, показывает, что она по существу не содержит в себе важной информации. Многие ядра выпадают из приведенной закономерности. Особенно явно нарушение этой закономерности проявляется при рассмотрении легких ядер и изотопов тяжелых ядер. Так, например, ядро изотопа урана U-235 может спонтанно делиться под действием тепловых нейтронов, т.е. нейтронов с очень низкой энергией (~ 0,025 эв), а для деления ядра изотопа U-238 необходима энергия нейтронов порядка 3 Мэв. Поскольку нет определенной зависимости между величиной Еy и дефектом массы ядра, то физический смысл этой величины остается неясным.
Удельная энергия связи
Путаница и неопределённость в части толкования связи между массой и энергией в соотношении Эйнштейна состоит в отождествлении массы и вещества. Но массой обладает не только вещество, но и поле как форма материи. Энергия поля - это потенциальная энергия, которая, как видим, выпала из поля зрения и в соотношении Эйнштейна не присутствует.
3. Масса ядра и потенциальная энергия
Критический анализ теории относительности был сделан известным французским ученым Леоном Бриллюеном (Brillouin), который среди рассматриваемых вопросов особое внимание уделил потенциальной энергии [5]. Он отмечает, что в теории относительности не всегда с полной ясностью определяется роль потенциальной энергии. Энергию и массу следует рассматривать как величины, связанные с полем, которое само обладает массой. Так, например, неясно, где может быть локализована масса, соответствующая потенциальной энергии системы двух взаимодействующих частиц. Бриллюен отмечает, что вопрос о связи потенциальной энергии с массой часто игнорировали и обходили, потому что не во всех задачах он кажется достаточно ясным.
Поставленный Бриллюеном вопрос о роли потенциальной энергии является принципиально важным. Поле обладает энергией и, соответственно, массой. Полная энергия ядра как квантово-механической системы включает в себя кинетическую и потенциальную энергии. При этом, согласно теореме вириала, полная энергия ядра (как суммы кинетической и потенциальной энергии) равна половине его потенциальной энергии. Однако, как уже отмечалось, соотношение Эйнштейна потенциальную энергию не учитывает. Следовательно, влияние кулоновских сил и обусловленной ими энергии в ядерных реакциях не учитывается. Итак, в соотношении Эйнштейна не учитывается энергия поля (потенциальная энергия), следовательно, не учитывается и масса, эквивалентная этой потенциальной энергии. Это существенно важный момент, который рассмотрим более обстоятельно.
Возьмём систему двух взаимодействующих заряженных частиц. Они образуют поле. Энергия поля – это потенциальная энергия U, которая определяется как
U = z1z2/r, (4)
где z1и z2 – заряды частиц, r – расстояние между частицами.
Потенциальная энергия U зависит от величин зарядов взаимодействующих частиц и расстояния между ними и не зависит от масс частиц. Энергия поля не локализована на частицах, а распределена в пространстве между частицами и вокруг них. Этой энергии поля эквивалентна масса, которая является полевой компонентой массы системы взаимодействующих частиц. Таким образом, масса системы взаимодействующих частиц включает в себя суммарную массу частиц и полевую компоненту, обусловленную потенциальной энергией.
Энергия U может быть положительной или отрицательной в зависимости от знаков зарядов частиц. Это важно отметить, потому что у физиков существует предубеждение против отрицательной энергии. Этот вопрос также рассматривал Бриллюен. Он утверждает: "Мы должны допускать возможность существования отрицательных масс, соответствующих отрицательным энергиям" [5, c.48]. Отсюда следует, что масса системы взаимодействующих частиц может быть больше или меньше суммарной массы составляющих систему частиц в зависимости от знака полевой компоненты. В частности, так называемый дефект массы атомного ядра обусловлен отрицательной потенциальной энергией взаимодействия одноименно заряженных частиц ядра.
4. Тесла и Эйнштейн
Одним из непримиримых противников положения о превращении массы в энергию и теории относительности в целом был Никола Тесла. Друг Теслы и его биограф Дж. О'Нил пишет о том, что Тесла в период с 1892 по 1894 год, несмотря на занятость своими экспериментами, нашел время для серьезных размышлений над проблемой материи и энергии, откуда он вывел новый физический принцип, как он назвал его. Он сообщил о нём лишь в конце своей жизни. То, что он поведал, вполне объясняет его молчание: Тесла считал свою теорию совершенно несовместимой с теорией относительности, а также с современной теорией строения атома и взаимопревращения материи и энергии. Он постоянно оспаривал обоснованность работы Эйнштейна и за два – три года до своей смерти высмеивал убеждение, что энергию можно получать из материи. Слова Теслы о его принципе и теории содержатся в лекции, подготовленной для Института содействия иммигрантам (12 мая 1938 года):
«За два последовавших года (1893-1894) напряженной концентрации мне посчастливилось сделать два далеко идущих открытия. Первое заключается в динамической теории гравитации, которую я разрабатывал во всех деталях и надеюсь очень скоро представить миру. Она настолько хорошо объясняет происхождение этой силы и движение небесных тел под ее влиянием, что положит конец пустым спекуляциям и ошибочным концепциям, вроде искривленного пространства. … А второе открытие заключается в важнейшей физической истине. Изучив за долгое время все научные данные более чем на половине десятка языков и не найдя ни малейших указаний на эту истину, я считаю себя ее первооткрывателем. Формулируется же она так: нет в материи иной энергии, помимо полученной ею из окружающей среды (выделено Э.С.).
Я кратко упомянул об этом в 79-ю годовщину … Продолжение »