А.Т.Серков Реальная физика Галилео Галилей А.К. Тимирязев Л.П. Хорошун к списку физиков
А.Т. Серков, М.Б. Радишевский, А.А. Серков
ООО НИЦ (Научно-инженерный центр) «Углехимволокно», 141 009. Московская обл., г. Мытищи, ул. Колонцова, д. 5. e-mail: arkady07@rambler.ru
В работе показано, что выделение энергии при осуществлении водородного цикла происходит по механизму протекания химических экзотермических реакций, то есть путём излучения при переходе протонов с высокопотенциальных орбит на нижележащие менее энергоёмкие орбиты. Все эти орбиты расположены выше радиуса ядра, и следовательно в области химических превращений вещества. Энергетический эффект этих переходов без участия ядерных процессов составляет 1,274 MэВ или 12,29·107 кДж/моль Не, что соизмеримо с приводимыми в литературе значениями, соответственно 1,24 МэВ и 11,96 кДж/моль. В этой связи предлагается создать экспериментальную установку для осуществления водородного цикла с применением «химических» технологических приёмов при пониженных температурах 200... 500°С и сверхвысоком давлении 250... 400 МПа (2550... 4100 ат). Рабочая гипотеза проведения НИР построена на основе анализа зависимости интенсивности излучения от атомных радиусов водорода по данным NIST и концепции микрогравитационных взаимодействий в атомах и молекулах.
При осуществлении реакций термоядерного синтеза, к которым относится водородный цикл, «для слияния двух ядер в одно требуется сначала их сблизить, преодолевая кулоновское отталкивание. Известно несколько таких способов. В недрах звёзд это гравитационные силы. В ускорителях — кинетическая энергия разогнанных ядер или элементарных частиц. В термоядерных реакторах и термоядерном оружии — энергия теплового движения ядер атомов. В наше время гравитационные силы не подконтрольны человеку. Ускорение частиц настолько энергозатратно, что не имеет никаких шансов на положительный энергобаланс. И только тепловой метод выглядит пригодным для управляемого синтеза с положительным выходом энергии» [1].
Приведенная цитата кратко резюмирует положение дел в разделе ядерной физики, посвящённом реакциям ядерного синтеза. Тепловой метод означает создание установок, в которых генерируется и устойчиво поддерживается в земных условиях температура в десятки и даже сотни миллионов градусов. Для решения этой проблемы уже было создано более 100 экспериментальных токамаков и создаются установки других типов.
В связи с разработкой концепции микрогравитационных взаимодействий в атомах и молекулах, при которых силы тяготения между частицами осуществляются благодаря микрогравитации, подчиняющейся тем же законам, что и обычная гравитация, но при величине гравитационной постоянной на ~ 36 десятичных порядков больше, чем ньютоновская константа, соответственно 1,847·1028 и 6,675·10-8 см/гс2, открывается возможность принципиально новых подходов решения проблемы получения энергии путём разработки метода и создания экспериментальной установки управляемого низкотемпературного ядерного синтеза.
В частности, сближение ядер предполагается достичь за счёт микрогравитационного взаимодействия протонов в молекуле водорода путём их вытеснения с разрешённых орбит высоким и сверхвысоким давлением на орбиты с радиальной ориентацией силовых линий. На этих орбитах благодаря силам Лоренца-Ампера происходит торможение орбитального движения протонов, выделение энергии излучением и самопроизвольное сближение протонов под действием микрогравитационных сил. Для проверки высказанного предположения предполагается создать экспериментальную установку.
Основным исходным постулатом концепции микрогравитационных взаимодействий является утверждение, что силы притяжения частиц в атоме осуществляются не за счёт взаимодействия разноименных электрических зарядов, а благодаря «модифицированным гравитационным силам» по П Лапласу, или микрогравитационным силам, подчиняющимся тем же законам, что и обычная гравитация, но при величине гравитационной постоянной на ~ 36 десятичных порядков больше, чем ньютоновская константа, соответственно 1,847·1028 и 6,675·10-8 см3/гс2.
Ранее было показано [2], что взаимодействие атомно-молекулярных частиц, обладающих массой по обратно квадратичному закону тяготения масс с указанной выше константой микротяготения может привести к выделению энергии соизмеримой по объёму с ядерной энергией, происхождение которой принято считать связано с дефектом массы. В соответствии с принятой концепцией по аналогии с гравитационной эту энергию следует называть микрогравитационной энергией.
Взаимодействующие тяготеющие протоны в молекуле Н2 находятся в орбитальном движении относительно друг друга. Количество выделяемой энергии Е при сближении частиц рассчитывается по уравнению потенциальной энергии динамики орбитального движения:
Е = gm1m2/r, (1)
Здесь g - микрогравитационная постоянная, m1 и m2 - массы взаимодействующих частиц, r- расстояние между ними.
Сразу же отметим, что в этом случае отпадают трудности, связанные с «кулоновским барьером», так как частицы взаимодействуют своими массами. Сила отталкивания между частицами имеет электродинамическую, точнее магнитодинамическую природу. Это по-существу сила Лоренца-Ампера. Её величина зависит от магнитной напряженности поля, создаваемого вращающимся ядром и плотности (силы) тока, создаваемого вращающимися электронами. Эта сила также обусловлена взаимодействием масс (их полей) и действует перпендикулярно линям напряженности магнитного поля и направлению движения электронов. Количественно сила Лоренца-Ампера выражается уравнением [3]:
fот = (v/c)2gm1m2/r2, (2)
Здесь v - скорость частицы и с- скорость света. Наличие параметра скорости в уравнении позволяет объяснить эффект туннелирования, не прибегая к принципам волновой механики.
В то же время здесь следует сделать важное замечание. Как следует из уравнения (2), повышение скорости v приводит к увеличению силы отталкивания fот. Вполне возможно, что исследователи, повышая температуру реакции ядерного синтеза, достигали противоположный результат – не ускорение, а замедление процесса и снижение выхода.
Решающую роль в переходе потенциальной энергии сближающихся протонов в энергию излучения и кинетическую энергию имеет внутреннее слоистое строение атомов водорода. На рис.1 показана зависимость интенсивности излучения от радиуса атома водорода, по данным NIST [4]. Наблюдаемая картина интенсивности излучения говорит о сложной слоистой структуре атома водорода, в которой наряду с энергонепотребляющими разрешёнными орбитами имеются энергопотребляющие (излучающие) орбиты.
Радиус атома водорода оценивается величиной 110 пм. Здесь расположена разрешённая орбита, по которой осуществляется межмолекулярная водородная связь. Сразу же после этой орбиты, точка 6, при уменьшении радиуса наблюдается небольшой скачёк интенсивности излучения. Этот скачёк означает начало неразрешённой излучающей орбиты с преимущественно радиальной ориентацией силовых линий. Далее следует самопроизвольное снижение интенсивности излучения вплоть до r = 80 пм, где появляются условия для разрешенной орбиты с концентрической ориентацией силовых линий. После этого вновь наблюдается подъём интенсивности излучения, точка 5, свидетельствующий о начале зоны с преимущественно радиальной ориентацией силовых линий. Задача состоит в максимальном использовании зон с радиальной ориентацией, так как здесь происходит выделение в виде излучения «внутренней» микрогравитационной энергии и самопроизвольное сближение протонов, похожее на падение метеоритов в земной атмосфере.
Кривые интенсивности 3 и 4 включают диапазон излучения характерный для молекулы Н2 с радиусом разрешённой орбиты 37 пм. Смещение орбиты протонов в сторону уменьшения радиуса до 30 пм, точка 3, вызываёт переход в зону с радиальной ориентацией силовых линий и резкому росту интенсивности излучения. Затем снова следует спад интенсивности и самопроизвольное сближение протонов.
Рис.1. Зависимость логарифма интенсивности излучения log I от радиуса атома водорода
в сериях излучения: 1- Лаймана, 2- Бальмера, 3- Пашена, 4- Брекета, 5- Пфунда, 6- Хамфри.
Наиболее крутой спад интенсивности излучения наблюдается для ультрафиолетовой серии Лаймона, кривая (1). Чтобы показать её особенности, она представлена на отдельном рис. 2. Снижение интенсивности излучения с максимальной до нулевой происходит при уменьшении радиуса в узких пределах с 5,5 до 4,7 пм.
Строение молекулы водорода с учётом разного типа орбит рассматривается ниже в следующем разделе.
Рис.2.Зависимость интенсивности излучения от радиуса в серии Лаймана.
В соответствии с концепцией микрогравитационных взаимодействий молекула водорода, являющегося исходным продуктом для синтеза гелия, то есть водородного цикла, представляет собой соединение двух атомов водорода, связанных между собой микрогравитационной силой тяготения между массами протонов. Протоны находятся в орбитальном движении относительно друг друга вокруг общего центра масс. Расстояние между протонами 74 пм. Это значит, что протоны находятся на общей разрешённой орбите, отстоящей от центра масс на 37 пм, соответствующей квантовому числу n = 11. Схематическое изображение молекулы водорода Н2 представлено на рис.3.
Рис.3. Модель молекулы водорода Н2: (1) и (2)- обращающиеся по обще орбите протоны,
(3) - общий центр масс, (4) и (6)- разрешённые орбиты с тангенциальной (концентрической) ориентацией
силовых линий при квантовом числе n, равном соответственно 11 и 10; (5) и (7)- неразрешённые орбиты
с преимущественно радиальной ориентацией силовых линий.
Молекула водорода Н2 сохраняет слоистое строение, обусловленное сдвиговой деформацией поля вращающимся ядром в атомарном водороде. Каждый слой состоит из зоны с концентрической (тангенциальной) ориентацией силовых линий (4) и (6) и зоны с радиальной ориентацией силовых линий (5) и (7). В зоне с концентрической ориентации движение протонов происходит без сопротивления, то есть без потребления энергии и излучения. Это разрешённые орбиты. Напротив, в зоне с радиальной ориентацией силовых линий имеет место торможение движения протонов, сопровождающееся потреблением энергии и излучением.
Особенность предлагаемого метода, как уже указывалось, состоит в том, что посредством сверхвысокого давления протоны смещаются с разрешённых орбит (4), (6) в зону орбит с радиальным расположением силовых линий (5), (7), где происходит торможение с выделением энергии в виде излучения. Подобным образом процесс идёт от внешних слоёв атома к внутренним вплоть до слияния ядер.
Синтез ядра дейтерия из двух протонов протекает по схеме:
р + р → D (1)
Протоны (1) и (2) вращаются в 11-ом слое по разрешённой орбите, отстоящей на 37 пм от центра масс, см. рис.3. Как показал расчёт, каждый протон обладает необычно большой микрогравитационной потенциальной энергией тяготения, соизмеримой по своей величине с энергией водородного цикла. Отсюда вытекает идея – попытаться использовать эту энергию более доступными технологическими методами, не прибегая к температурам в миллионы градусов.
В качестве исходного продукта применяется молекулярный водород Н2, в котором протоны расположены на расстоянии 74 пм друг от друга. Для слияния протонов в ядро дейтерия их сближают до расстояния равного радиусу протона rc. В отличие от известных методов сближение осуществляется за счёт высокого давления (уменьшения объёма) и сил притяжения микрогравитации. Однако силы микрогравитации, как видно из рис.1 и 3, начинают действовать только, когда протоны оказываются на орбитах с радиальной ориентацией силовых линий, то есть на неразрешённых орбитах.
В данной работе ставится цель за счёт высокого и сверхвысокого давления 250-400 МПа (2550-4080 ат) при умеренной температуре (200-500 0С) «сдвинуть» протоны в зону с радиальной ориентацией силовых линий и тем самым запустить процесс самопроизвольного торможения (экзотермической реакции) и сближения протонов с выделением энергии в виде излучения и увеличения их кинетической орбитальной энергии. Самопроизвольное торможение, осуществляемое за счёт радиального расположения силовых линий, приводит к переходу на низлежащую орбиту с квантовым числом n =10. При этом происходит снижение потенциальной энергии вследствие излучения и повышения орбитальной скорости. Затем давление повышается, происходит сдвиг на следующую неразрешенную орбиту в слой с квантовым числом n = 9, снова излучение и так до полного сближения протонов и перехода потенциальной энергии молекулы водорода в энергию излучения и кинетическую энергию протонов.
Расчёт потенциальной энергии протона проводили по формуле:
- ΔЕ = gm1m2( 1/r11 - 1/rc ) (1)
Здесь ΔЕ- энергия, выделившаяся при переходе протона с орбиты r11 = 37 пм с квантовым числом n = 11 на орбиту rc, равную радиусу ядра протона;
g - микрогравитационная постоянная, равная 1,847·1028 см3/гс2; m1 и m2 - масса протона 1,01.1,661·10-24 г;
rc - радиус ядра атома водорода, рассчитанный по формуле:
rc = 1,23·10-13·A1/3, (2)
где А - массовое число атома водорода.
Подставив в формулы (1) и (2) численные значения величин, найдём, что при сближении двух атомов водорода с 37·10-10 до 0,00123·10-10 см на один моль дейтерия выделяется 2,544·107 кДж микрогравитационной энергии:
ΔЕ=1,847·1028·1,01·1,01·1,661·10-24(1/37·10-10-1/1,23·10-13)=2,544·1017 эрг или 2,544·107 кДж
В пересчете в эВ это равно: 2,544·107/6,022·1023·1,602·1022 = 0,2637·106 эВ. Всего в расчёте на моль Не на стадии образования дейтерия реализуется микрогравитационная энергия в количестве 0,5274 МэВ или 5,088·107 кДж.
Синтез ядра гелия в водородном цикле, если исходить из предпосылки, что наиболее вероятны бимолекулярные реакции, состоит из двух стадий. На первой стадии образуется дейтерий по рассмотренной выше схеме реакции, а на второй стадии из двух молекул дейтерия образуется ядро гелия 4Не. Ядерная реакция образования ядра гелия из двух молекул дейтерия протекает по схеме:
D2 + D2 → 4He (3)
Расстояние между атомами D в молекуле дейтерия равно 74,16 пм, то есть практически такое же, как в молекуле водорода. Поэтому для расчёта энергетического эффекта реакции можно использовать примененную выше схему с учётом измененных значений других величин: масса D – 2,02·1,661·10-24; радиус ядра - rc = 1,739·10-13 см.
ΔЕ=1,847·1028<·2,02·2,02·1,661·10-24(1/37·10-10-1/1,739·10-13)=7,198·107 кДж на моль Не или
7,198·107/6,022·1023·1,602·1022 = 0,7461·106 эВ.
Суммарный энергетический эффект микрогравитационных ядерных реакций получения гелия из водорода составит:
7,198·107 + 5,088·107 = 12,29·107 кДж или
0,5274·106 + 0,7461·106 = 1,274 MэВ
Сближение протонов может происходить двояко: путём падения с переходом всей микрогравитационной энергии в кинетическую энергию или последовательного орбитального снижения. В первом случае вся потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию удара. Согласно динамике орбитального движения такой вариант сближения маловероятное и исключительно редкое явление.
Во втором случае сближение тел (частиц) происходит последовательно путём перехода частицы с высокопотенциальной орбиты на низкопотенциальную вследствие торможения и излучения при пересечении радиально ориентированных силовых линий. Такой механизм сближения протонов по-существу показан на рис.1 и 3, когда последовательно по мере уменьшения радиуса нарастает интенсивность излучения.
В соответствии с теоремой вириала при переходе на орбиту с меньшей потенциальной энергией только 50% потенциальной энергии переходит в энергию излучения. Вторая половина идёт на повышение орбитальной кинетической энергии, которая в нашем случае в конечном итоге реализуется в энергии удара (слияния ядер).
Выразим синтез атомов гелия реакциями:
2р +2р = 2D + q1 + q2 + q3 = 0,5274 МэВ (2)
D + D = D2 (3)
D2 → He + q4 + q5 + q6 = 1,274 MэВ (4)
Суммарное выделение энергии на стадии синтеза дейтерия и гелия 1,274 MэВ или 12,29·107 кДж/моль Не.
Здесь р - протон, D -дейтерий, q1 и q4 - энергия, выделившаяся в виде излучения при орбитальном сближении протонов и атомов дейтерия, q2 и q5 - кинетическая энергия, пошедшая на увеличение орбитальной скорости, то есть частоты вращения протонов и атомов дейтерия соответственно, q3 и q6 - энергия, выделившаяся в результате дефекта массы при слиянии ядерного вещества протонов и атомов дейтерия.
Сопоставим полученные выше расчётные данные с литературными, которые основаны на цитате: «Масса ядра гелия на 0,7% меньше массы ядер водорода, из которых оно образовалось. По «формуле Эйнштейна» Е = mc2 эта разница в массе превращается в энергию».
p + p → 2D + e+ + ν + 0,42 МэВ (5)
2D+2D -> 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 50% (6)
Количество энергии, выделяемой при синтезе ядер дейтерия за счёт снижения потенциальной энергии по уравнению (1) 0,5274 МэВ сопоставимо с энергией, рассчитываемой по общепринятому способу уравнение (5) 0,42 МэВ. Сопоставимые величины получаются также при синтезе ядер гелия из дейтерия, соответственно по уравнению (4) 1,274 MэВ и уравнению (6) 0.82 MeV. Однако, сделать окончательный вывод о вкладе в энергетику водородного цикла эффекта дефекта масс и микрогравитационного взаимодействия ядер пока до получения экспериментальных данных не представляется возможным.
Основная цель предлагаемой для создания установки – проверка выдвинутого предположения о возможности перемещения (сдвига) протонов, обращающихся по разрешённой орбите водорода с концентрической ориентацией силовых линий, в зону с радиальной ориентацией за счёт создания высокого и сверхвысокого давления. Согласно выдвинутой гипотезе при этом вследствие радиальной ориентации силовых линий должно наблюдаться самопроизвольное торможение и сближение протонов с превращением их потенциальной энергии в энергию излучения и кинетическую энергию, которые предполагается утилизировать путём теплообмена.
Схематично установка изображена на рис.4. Водород загружается в ресивер (1). С помощью компрессора высокого и сверхвысокого давления он подаётся в реактор-теплообменник (3), где выдерживается температура 200-5000С. Необходимый уровень давления для начала и поддержания требуемой скорости реакции устанавливается в процессе проведения эксперимента. Образовавшийся при проведении эксперимента гелий отводится из установки через штуцер (4). Выделившаяся в результате эксперимента в реакторе тепловая энергия q отводится с помощью теплоносителя и утилизируется.
Рис.4. Схема экспериментальной установки для осуществления водородного цикла при температуре 200... 500°С
и сверхвысоком давлении 250... 400 МПа путём смещения протонов в зону с радиальной ориентацией силовых линий:
1 - ресивер для Н2, 2 - компрессор, 3 - реактор-теплообменник, 4 - отвод Не.
На установке будет проверен сам факт возможности осуществления реакции ядерного синтеза гелия из водорода при температуре 200... 500°С и давлении 250... 400 МПа (2550-4080 ат). В случае положительного результата будут получены исходные данные для проектирования установки полупроизводственного типа.
1. Атомы водорода имеют слоистую структуру, в которой чередуются слои с тангенциальной (концентрической) ориентацией силовых линий – разрешённые орбиты, и слои с радиальной ориентацией силовых линий – излучающие орбиты. Предлагается смещать протоны с разрешённых орбит на излучающие с помощью высокого (сверхвысокого) давления. Сближение протонов и выделение энергии в зоне излучающих орбит происходит самопроизвольно за счёт торможения при пересечении радиально ориентированных силовых линий.
2. Выделение энергии при сближении протонов с исходного радиуса в молекуле водорода Н2 r = 37 пм до радиуса протона rc = 1,739·10-13 см за счёт излучения и прироста кинетической энергии протонов в расчёте на моль Не составит: 12,29·107 кДж или 1,274 MэВ.
3. Для проверки предложенного способа осуществления водородного цикла целесообразно создать экспериментальную установку синтеза гелия из водорода при сверхвысоком давлении 250... 400 МПа (2550... 4080 ат) и температуре 200... 500°С.
А.Т.Серков Реальная физика Галилео Галилей А.К. Тимирязев Л.П. Хорошун к списку физиков
