Опрос

Какие рубрики вам наиболее интересны?

View Results

Loading ... Loading ...

Наши партнеры

  • .

Последние комментарии

Рабочий пульс рукотворной звезды.

Опубликовал Сергей 9 января 2011 в рубрике Наука.

Рабочий пульс рукотворной звезды.Допустим, что в нашем распоряжении имеется определённое количество дейтерия и трития. Что необходимо сделать, чтобы в этой смеси пошла реакция ядерного синтеза? Ответ общеизвестен — необходимо сильно сжать и нагреть их, удерживая в таком состоянии как можно дольше (критерий Лоусона). Именно это и пытаются сделать исследователи в течение последних 50 лет с помощью ТОКАМАКов, стеллараторов, «Галатей», установок лазерного синтеза. Однако все они очень дороги и имеют гигантские размеры, а перспективы их использования для получения энергии остаются весьма туманными. Между тем, известны и другие способы получения требуемых начальных условий.Явление сонолюминесценции, или звуколюминесценции, как оно называется в Большой Советской Энциклопедии 1979 г. (см. статью «Кавитация») заключается в следующем.

При излучении в жидкость звука с амплитудой звукового давления, превосходящей некоторую пороговую величину, во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки. Пузырьки схлопываются во время полупериодов сжатия, создавая кратковременные (порядка 10 6 с) импульсы давления (103 МН/м2 и более). Давление при схлопывании кавитационных пузырьков повышается при снижении частоты звука и при повышении гидростатического давления; оно выше в жидкостях с малым давлением насыщенного пара. Схлопывание пузырьков сопровождается адиабатическим нагревом газа в пузырьках до температуры порядка 10000°С, чем, по-видимому, и вызывается их свечение.

Рабочий пульс рукотворной звезды.

Правда, этих величин температуры и давления недостаточно для получения реакций ядерного синтеза. Тем не менее, еще в 1919 г. английский физик Релей рассчитал, что на конечном этапе схлопывания абсолютно пустой сферической полости развиваются бесконечно большие давление и температура.

Как раз то, что нужно для инициирования реакций управляемого ядерного синтеза, но... расчетные бесконечно большие значения получаются только если схлопываемая полость будет абсолютно пустой. На практике же в кавитационных полостях всегда присутствуют пары и растворённые в жидкости газы, поэтому температуры и давления гораздо меньше. Если удастся найти какой-нибудь способ усилить сонолюминесценцию, то можно надеяться получить, таким образом, реакцию управляемого ядерного синтеза.

Идея не нова, она уже высказывалась многими специалистами. Однако добиться положительного результата не удалось. Почему?

Рабочий пульс рукотворной звезды.

Для усиления процесса сонолюминесценции, возбуждаемого в жидкой среде, ранее предлагали использовать полые цилиндрические или сферические излучатели, стенки которых совершают радиальные колебания (рис. 1; стрелки обозначают направление радиальных колебаний стенок цилиндрического излучателя). Иначе говоря, авторы перечисленных патентов собирались получить сосредоточение энергии звуковых колебаний в геометрических центрах симметрии излучателей.

Теоретически в подобных излучателях увеличение амплитуды давления звуковой волны было бы обратно пропорционально расстоянию от геометрического центра симметрии излучателя или квадрату расстояния для сферического излучателя:

Р > 1/х или Р > 1/х2(1),

где Р — амплитуда давления колебаний в звуковой волне; х — расстояние от центра геометрической симметрии излучателя.

Очевидно, что при х, стремящемся к О, Р стремится к бесконечности (рис. 2). Поэтому существует вероятность, что при соответствующих размерах излучателей в их геометрических центрах удастся получить условия, достаточные для запуска реакций ядерного синтеза, даже, несмотря на наличие газов в кавитационных полостях.

В принципе, это правильно. Однако при использовании для возбуждения радиальных колебаний стенок излучателей синусоидального или любого иного сигнала, полупериоды которого имеют равные длительности, значительного усиления сонолюминесценции в геометрических центрах симметрии получить не удастся.

Рабочий пульс рукотворной звезды.

При фокусировке звуковых волн в сферическом или цилиндрическом излучателе и получение за счет этого ядерных микровзрывов в жидкости одновременно распространяются две волны: первичная (набегающая), распространяющаяся от стенок излучателя к центру симметрии излучателя, и обратная, распространяющаяся из центра симметрии после схлопывания кавитационной полости (после ядерного микровзрыва). Причем обратная волна будет иметь большую энергию (большую амплитуду) по сравнению с набегающей.

Далее, жидкость в центре симметрии излучателя перед охлопыванием кавитационной полости уже сжата набегающей волной повышенного давления. Затем, в момент схлопывания, когда происходит ядерный микровзрыв, слои жидкости сожмутся еще больше, из-за чего изменятся условия распространения звуковых волн. С учетом нелинейной характеристики энергии взаимодействия молекул жидкости, начальная скорость обратной волны, распространяющейся из центра симметрии излучателя, будет существенно больше, чем набегающей.

Наконец, в силу высоких давлений возле центра симметрии будут проявляться сильные нелинейные эффекты, при которых характерно появление дополнительных гармоник.

Таким образом, если в геометрическом центре излучателей происходят ядерные микровзрывы, то в излучателях синусоидальных колебаний произойдет расфокусировка энергии звуковых волн.

Если бы это было не так, то окружающий мир превратился бы в сплошную техногенную катастрофу, ибо человечество создало вокруг себя огромное число цилиндрических емкостей, заполненных жидкостями. Малейшее их сотрясение могло бы привести к возникновению в них самоподдерживающихся стоячих звуковых волн, способных вызвать в геометрических центрах ёмкостей ядерные микровзрывы. Причем процесс был бы саморазгоняющимся, и финальная его стадия — взрыв, приводящий к разрушению цилиндрической емкости... Однако в тысячекилометровых трубопроводах или при транспортировке десятков тысяч железнодорожных цистерн не наблюдаются подобное.

С другой стороны, формулы (1) и вся физика, сопутствующая им, слишком просты, что бы в них была какая-нибудь ошибка. Поэтому остаётся единственное объяснение неудач экспериментаторов, пытавшихся получить выделение энергии посредством фокусировки синусоидальных волн — их изначальная несовместимость с реакциями ядерного синтеза.

Косвенным подтверждением этого является факт увеличения давления при схлопывании кавитационных пузырьков по мере снижения частоты звука. По-видимому, это обстоятельство многие исследователи попросту игнорировали.

Выходом может быть использование для усиления протекания сонолюминесценции волн, вызываемых сигналами особой формы. Т.е. для гарантированного усиления сонолюминесценции в каждом отдельном схлопывании кавитационной полости мы должны заставить колебаться стенки излучателей иным (не синусоидальным) образом.

Возможная форма таких электрических сигналов, вызывающих колебания стенок излучателя, представлена на рис. 3. Период биполярного импульса, вызывающего один цикл работы излучателя (один акт порождения и схлопывания кавитационной полости в центре симметрии излучателя), состоит из трех этапов: ti + t2 + te-

Вначале каждого периода колебаний передний фронт А-В биполярного импульса тока вызывает резкое радиальное растяжение стенок излучателя в течение времени ti, достаточного для того, чтобы волна пониженного давления а (рис. 4) успела распространиться со скоростью vi, близкой к обычной скорости звука (для данной жидкости) от стенок к центру симметрии излучателя и сформировать в нем кавитационную полость ещё до того, как туда подойдет волна повышенного давления. (При этом из-за радиального растяжения происходит упругая деформация стенок излучателя и в них запасается энергия.).

По прошествии промежутка времени ti полярность электрического тока меняется (фронт C-D), и стенки излучателя подвергают резкому радиальному обжатию в течение времени t2, несколько меньшего ранее затраченного на распространение бегущей волны пониженного давления (т.е. ti больше, чем t2). При этом высвобождается энергия, которая ранее была затрачена на совершение упругой деформации радиального растяжения стенок излучателя, а кроме того, из-за изменения направления тока мы ещё и подпираем стенки излучателя электромагнитным полем. В результате возникает волна повышенного давления Ь, распространяющаяся с постепенно нарастающей скоростью от стенок к центру симметрии излучателя. На рис. 5 изображено одновременное распространение волны разряжения, а и волны повышенного давления b в направлении центра симметрии излучателя.

Рабочий пульс рукотворной звезды.

При подходе к геометрическому центру излучателя скорость распространения волны повышенного давления может существенно превысить скорость звука в данной жидкости — волна повышенного давления перерождается в ударную волну (рис. 6 — в центре симметрии излучателя имеется кавитационная полость, окруженная со всех сторон набегающей волной повышенного давления).

Далее в электрическом сигнале, применяемом для возбуждения колебаний стенок излучателя, следует резкий спад электрического тока, и в цикле работы излучателя следует самый продолжительный этап t3. В течение этого времени в излучателе должны прекратиться звуковые колебания, вызванные ядерным микровзрывом, или же амплитуда этих колебаний должна стать настолько малой, чтобы они уже не могли препятствовать повторению рабочего цикла.

По окончании te весь процесс возбуждения колебаний стенок излучателя многократно повторяется.

Такой способ возбуждения колебаний стенок излучателя обладает значительным преимуществом по сравнению с возбуждением синусоидальным сигналом или прямоугольным меандром.

Энергия схлопывания пузырьков может оказаться во много раз больше. Это объясняется тем, что передний фронт волны сжатия, подпираемый последующими слоями жидкости, по мере приближения к оси цилиндра (сфера) может приобрести скорость, существенно большую, чем скорость распространения звука для данной жидкости (это явление обусловлено тем, что давление в волне сжатия будет очень сильно нарастать по мере её движения к геометрической оси цилиндрического излучателя). При больших давлениях меняются упругие свойства жидкости — возрастает сила отталкивания между молекулами. Кинетическая энергия, распределенная по всей массе жидкости, заключенной в полости цилиндрического излучателя будет передана небольшому слою жидкости, окружающему пузырьки квазивакуума, возникшие на оси цилиндрического излучателя. На рис. 9 показано распределение значений давления в цилиндрическом излучателе за миг до схлопывания пузырьков. Высота гребней b несколько превышает границу, определенную гиперболой. Таким образом, почти вся энергия колебаний стенок излучателя сфокусируется в очень малом объёме. При таких условиях энергия схлопывания пузырьков окажется существенно больше, что во много раз повышает вероятность протекания ядерных реакций.

Учтем, что скорость распространения волны пониженного давления будет иметь скорость, близкую к обычной скорости звука, в то время как волна сжатия будет иметь скорость, существенно большую. Поэтому длительность этапа ti надо подбирать так, чтобы волна повышенного давления не нагоняла и не разрушала бы волну разряжения до того, как в центре симметрии не успели образоваться пузырьки квазивакуума.

Причем нет необходимости ждать завершения этапа t3, когда звуковые колебания, вызванные ядерным микровзрывом, самостоятельно прекратятся в излучателе. Упорядоченная по своей структуре обратная звуковая волна легко может быть применена для генерации электроэнергии непосредственно стенками излучателя, путем использования обратного пьезоэффекта или явления электромагнитной индукции. Этим самым мы, во- первых, вырабатываем электроэнергию, во-вторых, уменьшаем длительность t3. И повышаем общую эффективность работы источника ядерной энергии — увеличиваем за счет уменьшения t3 частоту следования актов порождения- схлопывания кавитационных полостей, максимально приближая её к частоте синусоидального сигнала.

Обратите внимание, что на диаграмме рис. 3, у положительного электрического выброса, ответственного за формирование в излучателях волны повышенного давления, передний фронт C-D — крутой. Это не случайно. Ведь схлопывание кавитационных полостей осуществляется им, и чем он будет круче, тем интенсивнее протекает явление сонолюминесценции. Поэтому следует обратить особое внимание вопросу формирования крутизны переднего фронта C-D возбуждающего импульса.

Звуковые волны, диаграмма которых изображена на рис. 3, будут обладать уникальными и в какой-то мере взаимоисключающими свойствами: во-первых, дальнобойностью, характерной для низких частот, а во-вторых, за счет максимально крутого переднего фронта C-D, — высокой разрешающей способностью, свойственной волнам высокой частоты. В совокупности эти свойства позволят лучше сконцентрировать энергию волны повышенного давления на кавитационных полостях.

Специальная адаптивная электроника, ориентируясь на амплитуду электрического напряжения, генерируемого стенками излучателя в процессе воздействия на них обратной волны, периодически слегка варьирует длительность этапов ti, t2, t3 в возбуждающих импульсах оптимально подстраивая энергетическую установку на получение максимальной мощности.

По сути, подобные излучатели, радиальные колебания стенок которых осуществляются биполярными электрическими сигналами, по своей форме напоминающим диаграмму рис. 3, представляют собой импульсные ускорители на встречных высокоплотных пучках.

Общая схема термоядерной энергетической установки, работающей с применением явления сонолюминесценции представлена на рис. 7.

Цилиндрический или сферический звуковой излучатель на рисунке обозначен цифрой 1. Первый контур заполнен тяжелой водой с растворенными в ней дейтерием, тритием и солями 6Li. 2 — зона звукового облучения жидкости (зона протекания реакций ядерного синтеза). 3 — труба, по которой из излучателя вытекает нагретая жидкость. 4 — теплообменник. 5 — устройство насыщения тяжелой воды дейтерием и тритием. 6 — циркуляционный насос. Пар из теплообменника 4 поступает на турбину 7 электрогенератора 8.9 — еще один теплообменник, нагретая вода от которого поступает по трубе 10 на бытовые нужды населения, живущего рядом со станцией (отопление, водопровод). 11 и 12 — насосы.

Через цилиндрический сосуд 1 (рис. 8) протекает диэлектрическая жидкость 2, насыщенная дейтерием и тритием. Снаружи на сосуде закреплён цилиндрический излучатель 3, колебания которого возбуждаются от внешнего источника электрических сигналов, которые по своей форме напоминают сигналы изображенные на рис. 3 (на рис. 8 не показан). Вдоль геометрической оси цилиндрического сосуда 1 расположены соосно два электрода 4, на которые от внешнего источника 5 подаются биполярные импульсы. Импульсные бегущие звуковые волны разряжения-сжатия, вызванные в жидкости колебаниями цилиндрического излучателя, циклически порождают в геометрическом центре симметрии кавитационные полости, которые на рис. 8 показаны цилиндриком 6.

Затем на второй стадии, в момент схлопывания кавитационного цилиндрика бегущей волной повышенного давления, вдоль оси цилиндрика образуется токопроводящая плазма. Электрическое поле, берущее начало на электродах 4, вызывает поляризацию этой плазмы или даже электрический пробой вдоль оси цилиндрического сосуда. В результате плазма получит дополнительный разогрев. Одновременно плазменный цилиндрик будет продолжать подвергаться радиальному обжатию волной повышенного давления — возникнет своеобразный принудительный пинч-эффект. В результате вероятность протекания реакций ядерного синтеза повышается ещё больше.

Для уменьшения эрозии электродов 4, обусловленной воздействием кавитации, они удалены из зоны звукового воздействия излучателя 3. А для уменьшения электрохимической эрозии, электрическое напряжение, подаваемое на электроды 4, носит переменный характер в виде биполярных импульсов, периодически меняющих свою полярность после каждого акта схлопывания кавитационных полостей. На рис. 9 совместно показаны временные диаграммы электрических импульсов, порождающих в излучателях волны разряжения-сжатия, и импульсов, подаваемых на электроды 4.

Однако угроза кавитационной и электрохимической эрозии электродов 4 все-таки остаётся, что снижает надежность устройства. Можно надеяться, что удастся получить реакции управляемого ядерного синтеза по безэлектродной схеме, обойдясь лишь одной фокусировкой звуковых волн разряжения-сжатия.

Рабочий пульс рукотворной звезды.

Как бы там ни было, это открывает прекрасную возможность получения реакций управляемого ядерного синтеза, причем способами, гораздо более простыми и несравненно более дешевыми, чем при использовании ТОКАМАКов и прочих грандиозных сооружений. Более того, вполне возможно, что рассмотренные здесь устройства окажутся весьма компактными, из- за этого их в дальнейшем можно будет использовать непосредственно на автономных транспортных средствах.

Автор статьи: Стрельцов А.

Читайте также:

ОТ МОЛЕКУЛ ДО ГАЛАКТИК
Азбука вкуса.
Нанооптика. Двенадцатый диапазон.
Сталагмит расскажет о ледниковых периодах Земли.


Написать комментарий

RSS

rss Подпишитесь на RSS для получения обновлений.