книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

в состояние сильно ионизованного газа — плазму. Чтобы реакция не затухала, плазму нужно удерживать от расширения. Если на звёз- дахэтуфункциювыполняютсилыгравитации,тонаЗемледостаточно ограничить свободу движения частиц плазмы — ионов и электронов любыми неуничтожимыми силами, так как плазму в миллионы гра- дусов невозможно заключить в замкнутый металлический или кера- мическийсосуд.Никакиесамыежаростойкиематериалынесостояние противостоятьтемпературе,втысячи раз превышающейтемпературу их испарения. Более того, интенсивная передача тепла стенками со- суда осложнит нагрев плазмы.

А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм (1951 г) предложили принципиальную схему термоядерного реактора, где для удержания плазмы использо- вались бы сильные магнитные поля, а плазма имела бы форму тора, удерживаемую магнитным полем.

Известно, что заряженная частица в однородном магнитном поле, напряжённость которого перпендикулярна направлению её началь- ной скорости, движется по окружности перпендикулярной магнит- ным силовым линиям. Если начальная скорость частицы направлена произвольно, то имеет место сложение прямолинейного и кругового движений — частица движется по винтовой траектории вокруг сило- вой линии магнитного поля. Такой характер движения сохраняется и в неоднородном магнитном поле, при условии, если на расстоянии шага винтовой траектории направление магнитной индукции поля изменяется незначительно. В результате, частица оказывается при- вязанной к силовой линии магнитного поля, и удерживается от неё на постоянном расстоянии, равном радиусу винта. Радиус винта пря- мо пропорционален скорости частицы и обратно пропорционален магнитной индукции H. Если увеличивать магнитную индукцию H, то радиус винта становится сколь угодно малым и плазма закручива- ется в шнур.

Схема тороидальной магнитной ловушки показана слева.

Вэтом и заключается эффект применения сильных магнитных полей.

Вреальной плазме на движение частиц влияют соударения между ними, внутренние электрические и магнитные поля плазмы (так как плазма состоит из заряженных частиц). Поэтому действие внешнего магнитного поля на движение частиц плазмы является очень

сложным. Но, магнитное поле, искривляя траектории частиц, всё же очень сильно затрудняет их движение в направлении, перпендику- лярном к силовым линиям внешнего магнитного поля. Это свойство

320

используется для удержания плазмы, вернее для изоляции её от сте- нок термоядерного реактора. Одновременно магнитное поле исполь- зуется и для нагрева плазмы: при изменении магнитной индукции возникает э. д. с. индукции, под действием которой ионы и электроны ускоряются.

Для течения термоядерной реакции необходимо разогреть газ (смесь тяжёлых изотопов водорода) до температуры свыше 100 мил- лионов градусов (намного выше температуры в центре Солнца). Газ притакойтемпературе превращается в плазму.Атомы изотопов водо- рода при этом сливаются, превращаясь в атомы гелия с выделением большого количества нейтронов. Энергию нейтронов, замедляемых слоем плотного вещества (например, лития), можно использовать для преобразования в электричество. К настоящему времени физики научились нагревать плазму, правда весьма разреженную, до темпе- ратуры сто миллионов градусов и удерживать её в таком состоянии в течение сотых долей секунды.

Наиболее перспективным устройством для осуществления управ- ляемого термоядерного синтеза считается ТОКАМАК (тороидаль- ная камера с магнитными катушками). Плазма в нём удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать необходимую для термоядерных реакций температуру, а специально создаваемым комбинированным магнитным полем, состоящим из тороидального внешнего и полоидального поля, и током, протекающего по плазмен- ному шнуру.

ТОКАМАК (схема ниже) представляетсобойтороидальную вакуум- ную камеру, на которую намотаны катушки для создания тороидаль- ногомагнитногополя.Ввакуумнойкамересоздаётсявысокийвакуум, а затем заполняется небольшим количеством смеси дейтерия и три- тия. При помощи индуктора (первичной обмотки большого транс- форматора) в камере (как во вторичной обмотке) создаётся вихревое электрическое поле, которое вызывает протекание тока зажигающего

321

в камере плазму. Ток в плазме обеспечивает разогрев плазмы и удер- жание устойчивого равновесия плазменного шнура в вакуумной ка- мере. Индуктор (он в центре) представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера ТОКАМАК-а является вторичной обмоткой.

В изобретении а. с. 701356 на «Индуктор токамака» (рисунок ниже) содержащего магнитопровод с центральным круглым сердечником, обмоток предварительного намагничивания (3) и нагрева (2) плазмы предложено центральный сердечник (4) магнитопровода выполнить переменногосечениясрадиусомопределённогозаконаиизотдельных элементов.

Устройство индуктора

содержит: 1 — магнитопровод; 2 — обмотку нагрева плазмы; 3 — обмотку предварительного намагничивания магнитопровода;

4 — сердечник переменного

по высоте сечения с радиусом определённого закона;

5 — блок и 6 — стойку.

Это позволило устранить неравномерность насыщения сердечни- ка, увеличить полезный магнитный поток и уменьшить поля рассеи- вания в зоне плазменного шнура.

ТОКАМАК (рисунок ниже) проекта ITER (ИТЭР — международного экспериментальноготермоядерного реактора) это сложный инженер- ный комплекс. Он предна- значен для демонстрации возможности промыш- ленного использования термоядерного реактора, решения физических и тех- нологических проблем, ко- торые могут возникнуть в процессе испытаний, для поддержания устойчивой работы и установления ре-

сурса реактора.

322

Техническим преимуществом ТОКАМАКа является то, что веще- ством, получаемым после отработки топлива, у него является гелий, а не радиоактивные изотопы, как в ядерных реакторах, которые нуж- но хранить в специальных хранилищах десятки лет.

Управляемая цепная реакция деления ядер для промышленного применения осуществляется в устройствах ядерных реакторов, где

вкачестведелящегосявещества(ядерноготоплива)применяетсяуран и плутоний (получаемый искусственно).

Ядерные реакторы используются для выработки энергии, для по- лучения искусственных радиоактивных изотопов (в том числе транс- урановых элементов с Z > 92), а также как источники мощных пуч- ков нейтронов.

Осколкиделения ядер уранатормозятся втолще вещества на очень малом пути (менее 5 мкм). В результате, почти вся энергия, освобож- даемая в реакторе, выделяется в виде тепла. Регулируя её количество, тепломожноиспользоватьдляпреобразованиявэлектрическуюэнер- гию. По схеме: нагрев и испарение жидкости, омывающей уран, и по- средством турбины или другой тепловой машины превратить тепло

вмеханическую энергию, а затем в электрическую энергию. На таком принципе основана атомная электростанция.

Главной частью реактора являются урановые «топливные» элемен- ты, помещенные в графитовый замедлитель. «Топливные» элементы представляют собой две тонкостенные трубки из нержавеющей стали, вставленные одна в другую. В полость между трубками герметично заделывается уран. Внутренняя полость топливного элемента обра- зует канал для протекания теплоносителя, отбирающего тепло, кото- рое выделяется в уране при работе реактора. Герметичная упаковка урана необходима ввиду его химической нестойкости, а также для ис- ключения попадания вредных радиоактивных газов в теплоноситель и окружающий воздух.

Для«топливных» элементов исполь- зуется искусственно обогащенный уран, содержащий 5 % легко делящегося изотопа урана 235 (против 0,7 % в при- родном уране).

Принципиаль- ная схема атомной электростанции по- казана справа.

323

Урановые стержни реактора (топливные элементы) омываются те- плоносителем (газом, водой или расплавленным металлом), который отбираеттепло,выделяющееся в стержнях,и отдаётего втеплообмен- нике воде, преобразующейся в пар. Пар, как и на обычной тепловой электростанции, приводит в движение паровую турбину, соединен- ную с электрогенератором.Пар можетбытьполучен и непосредствен- но в реакторе без применения теплообменника.

Сама по себе атомная электростанция сложное инженерное соору- жение с подъёмниками топливных элементов, гидравлической систе- мой, пультом управления и контроля, средствами защиты от радиа- ции (толстостенной защитой из бетона и других материалов).

Ядерный реактор, как источник энергии, характеризуется малым расходомтоплива,вчёмегоосновноетехническоепреимущество.Один грамм урана 235 потеплообразованию равноценен сжиганию несколь- ких тонн каменного угля.Ядерные реакторы применяется в местах ли- шённых других источников энергии,а также в атомных двигателях для морского ледокольноготранспорта и подводных лодок.

Техническим преимуществом ядерных реакторов является то, они пригодны и используют для наработки хорошо делящих веществ (и регенерированного ядерного топлива).

При облучении нейтронами урана 238 он превращается в изотоп 92 239U, который, распадаясь, образует изотоп элемента 93 назван- ный нептунием. Нептуний, распадаясь, превращается в изотоп эле- мента 94 названный плутонием 94 239Pu.Период полураспада плутония составляет 24 тысячи лет и может накапливаться в больших количе- ствах. Плутоний, как и уран 235, является хорошим делящимся ве- ществом, годным к применению в ядерных реакторах и в качестве взрывчатки.

Для получения плутония используют реакторы из природного ура- на с замедлителем. В этих реакторах значительная доля нейтронов поглощается в уране 238, образуя из него, в конце концов, плутоний. Накопившийся в уране плутоний может быть выделен химическими методами. Другим хорошо делящимся веществом является изотоп урана 233 с периодом полураспада 160 тысяч лет. Его в природе нет, но его получают искусственно путём облучения нейтронами тория.

За плутонием искусственно получены целый ряд трансурановых элементов, которые радиоактивны и в Природе не существуют, явля- ясь короткоживущими.

Облучая вещества нейтронами внутри реактора, получают различ- ные искусственно-радиоактивные изотопы, которые находят приме- нение в науке и технике.

Вещества, испускающие γ-излучение, используются вместо более дорогого радия. Например, для просвечивания толстых металличе-

324

ских предметов,длялечения рака.Свойство большихдоз γ-излучение убивать живые клетки микроорганизма используется при консерви- ровании продуктов питания. Радиоактивные излучения, способству- ющие протеканию многих важных химических реакций, используют- ся в химической промышленности.

Эффективен метод меченых атомов. Он основан на свойстве, заключающемся в том, что по химическим и многим физическим свойствам радиоактивный изотоп элемента неотличим от устойчи- вых изотопов того же элемента. Радиоактивный изотоп легко опо- знаётся по своему излучению,например,с помощью газоразрядного счётчика. Это является техническим преимуществом перед другими методами. Добавляя к исследуемому объекту радиоактивный изотоп и улавливая его излучение в дальнейшем, можно проследить путь этого элемента в организме, в химической реакции, при плавке ме- талла и т. д.

Создание ядерных реакторов это один из наиболее значимых практических плодов науки о внутреннем строении вещества. Изучение­невидимых, неосязаемых атомов и атомных ядер привело к вполне осязаемому и зримому техническому преимуществу — осво- бождению и использованию ядерной энергии скрытой атомах урана.

Владеющий энергией владеет и безграничными техническими возможностями.

Использование урана оправдано тем, что запас энергии урана в земных ресурсах в 10 ÷ 20 раз превышает запас энергии в залежах ископаемых органических топлив.

Запасы же дейтерия и трития неисчерпаемы и легко добываются из морской воды. Килограмм этих изотопов может выделить столь- ко же энергии, сколько 10тысяч тонн органического топлива.

Проблема источников энергии на Земле может иметь решение на длительную перспективу, если будет освоена управляемая термо- ядерная реакция для получения энергии (или управляемый термоя- дерный синтез —УТС).

Пока имеющаяся научная и технологическая база не позволяет ис- пользовать УТС в промышленных масштабах.

Схематично (рисунок на стр. 326), термоядерная электростанция отличается от атомной электростанции лишьтипом реактора.

Наиболее перспективным к использованию в качестве реактора считается ТОКАМАК.

Термоядерная БЛАНКЕТ — это специальная оболочка, окружаю- щая плазму, где происходят термоядерные реакции, которая служит для утилизации энергии термоядерных нейтронов. Она предназна- чена улавливать высокоэнергичные нейтроны, образующиеся в тер- моядерной плазме.Это весьма напряжённая втепловом и радиацион-

325

номпланесистемаТОКАМАКа.Внейнейтронызамедляются,выделяя тепло, которое отводится системой охлаждения. Предполагается, что «горячая стенка» БЛАНКЕТ за счёт охлаждениятеплоносителем не бу- дет нагреваться выше 2400 С.

Элементарные микрочастицы субатомного микромира

Макромир предметов,который нас окружает,включая и нас самих, зиждется на невидимом и прочном фундаменте — на комбинации основных элементарных микрочастиц: протонов, нейтронов и элек- тронов. Протоны и нейтроны, группируясь, образуют атомные ядра. Атомные ядра и электроны, взаимодействуя, рождают атомы. Атомы, сочетаясь,выстраиваются в молекулы.Молекулы формируютчастицы и кристаллы. Кристаллы —тела.

Изучение элементарных микрочастиц весьма затратная сфера научной деятельности, имеет сугубо познавательную цель — понять внутреннее устройство Вселенной с надеждой на перспективу обрете- ния в будущем неограниченных технических преимуществ и возмож- ностей. Для этого прилагаются огромные усилия, чтобы невидимое, бестелесное и ничтожное превратить в видимое, телесное и большое, развивая и совершенствуя ускорители и детекторы.

Если устройство атомного микромира, основанного на этих эле- ментарных частицах, изучено на достаточно высоком прикладном уровне, то внутреннее устройство протонов, нейтронов и электронов и принципы их взаимодействия находятся на уровне фундаменталь- ных исследований.

326

Кванты электромагнитного излучения (фотоны) не входят в состав атомов, но являются элементарными волновыми энергетическими частицами переносящими энергию от одних атомов к другим. Фото- ны и основные виды элементарных частиц образуют единство эле- ментарных частиц, являясь противоположностями, имеющие проти- воположные качества одного рода (например, у фотона, особого вида материи,нетмассы покоя,у протона,нейтрона и электрона естьмасса покоя).

Они испытывают взаимные превращения, переходя друг в дру- га. Так, γ-квант с энергией больше 1,02 МэВ превращается в пару электрон — позитрон (частицу — античастицу). Позитрон и элек- трон,объединяясь,превращаются в пару γ-квантов,разлетающихся в разные стороны. Не следует считать, что высокоэнергетический γ-квант состоит из позитрона и электрона. При аннигиляции по- зитрона и электрона испускается два γ-кванта, то есть имеет место не разложение γ-кванта, а превращение его в другие элементарные частицы.

Нейтрон самопроизвольно превращается в протон, электрон

инейтрино. В ядрах может происходить и обратный процесс — пре- вращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино. Протон перехо- дит в нейтрон (испуская позитрон и нейтрино), а нейтрон в протон (испуская электрон и нейтрино), что указывает на единство проти- воположностей — протона и нейтрона, как одинаково простых род- ственных частиц, чем обусловлена их способность при объединении к образованию прочных ядер атомов.

Позитроны и электроны не содержатся в составе нейтрона или протона, а образуются при β-распаде (электронном распаде) атом- ного ядра. Между тем способность элементарных частиц к взаимным превращениям указывает на сложность их внутреннего строения.

Электрон,протон,нейтрон,какимногиедругиечастицы,обладают спином — то есть, свойством, сходным с вращением вокруг оси, про- ходящей через центр масс частицы. Полной аналогии здесь нет: спи- новое вращение нельзя ускоритьили замедлить.Особенности свойств миниатюрных быстро вращающихся волчков обусловлены волновой природой частиц.

Вращение электрически заряженной частицы приводит к появле- нию кругового тока, который придает частице магнитные свойства,

ипроводиткобразованиюмагнитныхполюсов.Многочисленныепро- явления магнетизма есть у электронов и протонов. Спиновый магне- тизм электронов проявляется в способности железа намагничиваться. Магнетизм протонов, благодаря большей массе, гораздо слабее, ибо скорость спинового вращения меньше,чтотакже имеет практические применения.

327

Тем удивительней то, что и нейтрон проявляет магнитные свой- ства,не смотря на то,что в целом он не заряжен (алгебраическая сум- ма положительного и отрицательного заряда у него равна нулю).

Наличие магнетизма указывает на присутствие в нём электриче- ских зарядов. Понятно, что если заряды двух знаков расположены на разных расстояниях от оси вращения, то магнитные поля, созда- ваемые придвижении зарядов,компенсироваться не будут,и нейтрон намагнитится.

Нейтрино (с итал. «нейтрончик») это незаряженная элементарная частица, которая испускается одновременно с электроном или пози- трономприβ-распадеатомногоядра,практическиневзаимодействует с электронами, не производит заметной ионизации среды и с ядрами взаимодействует крайне слабо. Масса покоя нейтрино меньше одной десятитысячной доли массы покоя электрона. Источником нейтрино служит мощный ядерный реактор, в котором нейтрино образуются при β-распаде осколков деления урана, и ускорители, производящие реакции, при которых испускается нейтрино.

Солнечные нейтрино образуются при слиянии четырех прото- нов в ядерных процессах, идущих в недрах Солнца, которое сопро- вождается испусканием двух нейтрино на каждое образующееся ядро гелия. Нейтрино столь слабо взаимодействуют с веществом, что подавляющая часть их пронизывает всю толщу Солнца от центра до поверхности и вылетает в космическое пространство. Некоторая доля нейтрино, долетевших до Земли, проявляет себя, вызвав ядер- ные реакции в специальном детекторе.

Например, на Южном полюсе Земли запускается очень чувстви- тельный детектор IceCube. Этот нейтринный, по сути, телескоп со- стоит из десятков скважин с «гирляндами» детекторов. Нейтрино, прореагировавшие с протонами в толще льда, дают пару из нейтрона

ипозитрона. Они при аннигиляции с электронами в атомах льда пре- вращаются в регистрируемые чувствительными фотоэлектрическими умножителями кванты света, видимые издалека благодаря высокой прозрачности антарктического льда. Лёд толщиной свыше полутора километров закрывает установку от «нежелательных» частиц, повы- шая вероятность обнаружения именно нейтрино.

Иглубоководный Байкал с исключительно чистой пресной водой

ильдомзимойсталгигантскимдетектором,гдеразмещённейтринный телескоп,улавливающий нейтрино прошедшие черезтело Земли.

Перспективным направлением является использование нейтри- но, как носителя информации, в астрономии (т. н. нейтринная астро- номия). Потоки нейтрино могут быть использованы для создания средств связи (нейтринной связи), например, в военном деле. Теоре- тически с помощью нейтрино возможна связь с подводными судами,

328

находящимися на глубине, и передача информации сквозь Землю. Практическим применением нейтрино является нейтринная диагно- стика промышленных ядерных реакторов.

Ядерными силами называются силы, действующие между части- цами, образующие атомные ядра — нейтронами и протонами. Ядер- ные силы взаимодействия между парами частиц «протон — протон», «нейтрон — протон», «нейтрон — нейтрон» одинаковы, не смотря наразличиесвойствнейтронаипротона(выраженноевчутьбольшей массе нейтрона и электрическом заряде протона) в действии ядер- ных сил практически не проявляется. Тождественность свойств ней- трона и протона по отношению к ядерным силам подчеркнута об- щим термином «нуклон», означающим обе частицы — нейтрон или протон.

Характерной особенностью ядерных сил является близкодействие. Очень большой величины они достигают при сближении нуклонов на расстояние порядка 10–13 см.Однако,при увеличении этого рассто- яния всего в несколько раз силы слабеюттак сильно, что практически ими можно пренебречь. Этим ядерные силы отличаются от электри- ческих сил или от сил тяготения, которые изменяются плавно (обрат- но пропорционально квадрату расстояния между частицами). Этим они напоминаютскорее упругие силы.На малых расстояниях ядерное взаимодействие округленно в 100 раз сильнее электрического. При большем расстоянии между протонами, например в молекуле водо- рода (r = 10–8 см), положение обратное: ядерное взаимодействие про- тонов оказывается ничтожно слабым по сравнению с электрическим взаимодействием.

Нуклон создает в окружающем пространстве поле ядерных сил, и это поледействуетнадругие нуклоны,попадающие в сферу его вли- яния. Радиус сферы сильного взаимодействия нуклонов очень мал, порядка 10–13 см.

Как всемирному тяготению соответствует поле тяготения (грави- тационное поле),так и ядерному взаимодействию соответствует поле ядерных сил.

Подобно электромагнитному полю в ядерном поле существуют кванты ядерного поля (предположение Х. Юкавы, 1935 г.).

Пи-мезоны — частицы, обнаруженные в космических лучах, явля- ются квантами ядерного поля или переносчиками взаимодействия.

Существуют три вида π-мезонов, различающихся электрическим зарядом: положительно заряженные π+, нейтральные π 0 и отрица- тельно заряженные π-.

Их массы покоя близки и составляют примерно 270 масс покоя электрона. Подобно тому, как электромагнитные кванты излучаются при торможении зарядов, так и ядерные кванты (π-мезоны) излуча-

329