Пресс-Ядерный Двигатель.

Эта страница является развитием идеи о новом способе нагнетания высокого давления. Этот способ описан на странице Русская Тороидальная Матрешка - двигатель нового типа на теплом синтезе легких ядер, РТМ. К сожалению, расчет показывает, что для осуществления управляемого пресс-ядерного синтеза, давление нужно еще повышать, как минимум, на два-три порядка. К настоящему времени существует несколько идей, как это можно попытаться достичь. А недавно (январь-март 2005 года) была проработана новая интересная идея, которая уводит нас от понятия ядерный синтез и приводит к новому типу ядерных превращений, которые могут быть осуществлены именно на РТМ.

К настоящему времени известны следующие типы ядерных реакций:
1. Спонтанный распад ядер;
2. Распад тяжелых ядер под действием нейтронов;
3. Синтез легких ядер, или термоядерные реакции;
4. a-распад;
5. b^- -распад;
6. b⁺ -распад;
6,а. захват электрона;
7. Изомерный переход;
8. Двойной b-распад;
9. Единичные ядерные реакции, осуществляемые на ускорителях.

Второй тип реакций реализован промышленно на атомных электростанциях. Его спутниками стали 4, 5, 7 типы реакций. Третий тип реакций реализован в неуправляемой форме, - водородная бомба. Существуют указания, ччто недавно удалось осуществить двойной b-распад, но многие полагают, что это ошибка экспериментаторов.

Мысленно изучая работу РТМ, я наткнулся на новый тип реакций, которые сначала хотел назвать двойной безнейтринный b-распад. Но, во-первых, этот термин уже существует и отражает несколько другие реакции; во-вторых, в выходных каналах реакций, которые будут предложены ниже, могут отсутствовать не только нейтрино, но и b-частицы. Поэтому новый тип реакций можно назвать замысловато: парная безлептонная bbnn-аннигиляция, а поскольку для их осуществления нужны высокие давления и высокие угловые скорости, то эти реакции лучше именовать пресс-ядерные реакции. Установку для их осуществления можно назвать пресс-ядерный реактор, или пресс-ядерный двигатель.

Топливом для нового двигателя могут быть: калий или ванадий. Что особенного в этих элементах? Если построить диаграммы для ядер разных химических элементов, содержащих одинаковое число нуклонов, то можно заметить следующую закономерность. Существует энергетическая лесенка, посредине которой находится стабильный изотоп. Элементы, находящиеся с одной стороны стабильного изотопа, являются нестабильными и распадаются путем серии b^--распадов, пока не превратятся в стабильный изотоп. А элементы, стоящие с другой стороны, распадаются путем серии b⁺-распадов, или электронных захватов. Иногда на лесенке находятся два стабильных изотопа, а между ними нестабильный изотоп, который испытывает либо b^--распад, либо b⁺-распад. Если период полураспада для такого изотопа оказывается не слишком большим, то такого изотопа уже не существует в природе, а если период полураспада большой, то такой изотоп еще существует в смеси данного элемента. Такими изотопами являются ⁴⁰K и ⁵⁰V, ¹³⁸La, ¹⁷⁶Lu. Поскольку количество лантана и лютеция в земной коре мало, то мы их не рассматриваем. Массовое содержание калия в земной коре 2,35%, а ванадия 0,02%. В естественной смеси калий представлен в виде трех изотопов: ³⁹K-93,26%, ⁴⁰K-0,01%, ⁴¹K-6,73%. Ванадий представлен в виде двух изотопов: ⁵⁰V-0,25%, ⁵¹V-99,75%. Поскольку нас интересует промышленная применимость изотопа, вычислим массовое содержание ⁴⁰K и ⁵⁰V в земной коре: ⁴⁰K-0,000235%, ⁵⁰V-0,00005%. Сравнивая эти величины с содержанием урана, U-0,0004%, приходим к выводу, что эти изотопы могут быть промышленно применимы в энергетике будущего, если нам удастся каким-то образом заменить их медленный спонтанный бета-распад, на нечто более быстрое и управляемое.

Известно, что раннее неоднократно проводились попытки ускорить процесс радиоактивного распада нестабильных изотопов. Их нагревали до высокой температуры, сжимали до огромных давлений, вращали с огромной скоростью в центрифуге, но постоянная радиоактивного распада почти не менялась. Но мы сейчас можем построить новый прибор, - РТМ, в которой одновременно создается и высокое давление (~100 ГПа), и огромные центростремительные ускорения (~10000g).
Гипотеза: если два ядра, находящиеся в состоянии неустойчивого равновесия, то есть, способные одновременно и к b^-, и к b⁺-распаду, размещены очень близко друг к другу; если существует решетка способная принять вращающий момент, то возможна реакция парного безлептонного превращения.
Например: ⁴⁰K₁₉ + ⁴⁰K₁₉ ---> ⁴⁰Ar₁₈ + ⁴⁰Ca₂₀ + Q + L.
Катализатором этой реакции можем быть ядро атома водорода:
⁴⁰K₁₉ + ⁴⁰K₁₉ + ¹Н₁ ----> ⁴⁰Ar₁₈ + 40Ca₂₀ + ¹H₁ + Q + L.
В правых частях этих уравнений записаны: Q- тепловая энергия, освобождаемая в форме кинетической энергии образовавшихся стабильных ядер, или в виде гамма-квантов; L- угловой момент, передаваемый решетке атомов тора. Момент передается по ходу вращения тора и увеличивает вращательную энергию тора; в противном случае законы сохранения не работают. Увеличение углового момента тора снимает электрогенератор, уменьшающий угловой момент тора.

Рассмотрим последнюю реакцию более детально. Природный ⁴⁰K₁₉ спонтанно скатывается с энергетического бугорка: либо влево, с образованием стабильного изотопа ⁴⁰Ar₁₈, либо вправо, с образованием стабильного изотопа ⁴⁰Ca₂₀:
⁴⁰K₁₉ ---> ⁴⁰Ca₂₀ + e_-1 + n^~ + Q; (b^- распад, 89%),
⁴⁰K₁₉ ---> ⁴⁰Ar₁₈ + e₊₁ + n + Q; (b⁺ распад, 0,001%),
⁴⁰K₁₉ + e_-1 ---> ⁴⁰Ar₁₈ + n + Q; (захват электрона, 11%).
Вместе с кальцием образуется электрон и антинейтрино.
Вместе с аргоном образуется позитрон и нейтрино, или захватывается орбитальный электрон и образуется нейтрино.
Образовавшиеся стабильные изотопы и электроны уносят тепловую энергию Q;
образовавшиеся позитроны проаннигилируют с электронами, и эта энергия тоже выделится в виде тепла локально;
гипотеза: нейтрино уносит угловой момент и вращательную энергию, которая становится достоянием всей Вселенной, т.е. эта энергия выделяется нелокально. Чтобы нейтрино и антинейтрино не уносили вращательную энергию, реакцию необходимо осуществлять во вращающемся объекте, а чтобы при этом соблюдался закон сохранения лептонного числа, реакции должны осуществляться попарно. Возможный вариант парной реакции это:
⁴⁰K₁₉ + ⁴⁰K₁₉ ---> ⁴⁰Ar₁₈ + ⁴⁰Ca₂₀ + Q + L. Но вероятность такой реакции, наверное, мала. Увеличить вероятность этой реакции можно, добавляя водород, в качестве катализатора, в калий-40.

Примерный ход событий: Поскольку ⁴⁰K радиоактивен, то спонтанно может произойти распад какого-то ядра. Локально выделяется энергия порядка 1 МэВ. Некоторые атомы водорода, находящиеся рядом, ионизируются (13,6 эВ) и приобретают большую энергию, достаточную для того, чтобы влететь на мгновение под электронную оболочку атома ⁴⁰K. Ядро ⁴⁰K нестабильно, и вокруг него существует шуба из виртуальных пар W⁺ и W^-. Известно, что нейтрон распадается по схеме:
n ---> p + e_-1 + n^~ + Q.
Наверное, её можно записать и так:
n ---> p + W^- ---> p + e_-1 + n^~ + Q.
Протон вне ядра стабилен, и для образования нейтрона, позитрона и нейтрино ему не хватает энергии. Поэтому протон лишь на мгновение превращается в нейтрон:
p ---> n + W⁺ ---> p.
Но если это происходит в момент его пролета около ядра ⁴⁰K, то становится вероятной парная реакция:

По аналогии мы можем записать следующую пару реакций, возвращающую водород (протон) в систему.

Последняя пара тоже оказывается энергетически выгодна, но вероятность её протекания будет маленькой, поскольку нейтрон гораздо быстрее будет захвачен каким-нибудь ядром. Эта пара реакций записана для того, чтобы можно было понять смысл записи
⁴⁰K₁₉ + ⁴⁰K₁₉ ---> ⁴⁰Ar₁₈ + ⁴⁰Ca₂₀ + Q + L,
и каким образом водород становится катализатором этой реакции:
⁴⁰K₁₉ + ⁴⁰K₁₉ + ¹Н₁ ----> ⁴⁰Ar₁₈ + 40Ca₂₀ + ¹H₁ + Q + L.

В реальной установке за симметрией можно стремиться в том случае, если установка используется как экологически чистый двигатель. Приведенные реакции имеют не слишком большой энергетический выход и, следовательно, нет необходимости в наличии массивной защиты от гамма излучения. При этом установка должна быть заправлена водородом и максимально чистым изотопом ⁴⁰K.

Если установка стационарна, и может иметь массивную защиту от гамма излучения, то она может быть заправлена водородом и естественной смесью изотопов калия, обогащенную изотопом ⁴⁰K. При этом осуществляется первая реакция:
⁴⁰K₁₉ + p ---> ⁴⁰Ca₂₀ + n + 0,529 МэВ.
А вместо второй симметричной, осуществляется один из наиболее вероятных радиационных захватов образовавшегося нейтрона:
³⁹K₁₉ + n ---> ⁴⁰K₁₉ + 7,8 МэВ.
⁴⁰K₁₉ + n ---> ⁴¹K₁₉ + 10 МэВ.
⁴¹K₁₉ + n ---> ⁴²K₁₉ + 7,5 МэВ ---> ⁴²Ca₂₀ + e_-1 + n^~ + 0.521МэВ.

Захват нейтрона изотопом ³⁹K пополняет запас изотопа ⁴⁰K.
Захват нейтрона изотопом ⁴⁰K уменьшает его содержание в смеси.

Сечения радиационного захвата тепловых нейтронов на изотопах калия имеют следующие значения:
³⁹K: s = 2,1*10^-28м²;
⁴⁰K: s = 30*10^-28м²;
⁴¹K: s = 1,46*10^-28м².
Как видим, вероятность захвата нейтрона изотопом ⁴⁰K почти в 15 раз больше, чем изотопом ³⁹K, но в естественной смеси на одно ядро ⁴⁰K приходится порядка 10000 ядер ³⁹K. С учетом этого естественную смесь калия следует обогащать до отношения:
³⁹K / ⁴⁰K ~ 100.
При этом, в процессе работы установки количество исчезнувших ядер ⁴⁰K будет примерно равно количеству таких же ядер, восстановленных из изотопа ³⁹K.

Таким образом, в установке фактически выгорает самый распространенный изотоп калия, ³⁹K (93%), что делает калий, по сравнению с ураном, почти неисчерпаемым источником энергии.

Распад одного ядра урана с учетом серии последующих бета-распадов его осколков дает порядка 200 МэВ. Сгорание одного ядра калия дает порядка 10 МэВ, то есть, в 20 раз меньше. Масса ядра урана примерно в 6 раз больше массы ядра калия. Следовательно, полное сгорание одного килограмма урана дает энергии примерно в 3 раза больше, чем полное сгорание одного килограмма калия. Но калия на Земле в 6000 раз больше. Реакции с калием экологически значительно чище, - период полураспада ⁴²K₁₉, образующегося в цепочке
⁴¹K₁₉ + n ---> ⁴²K₁₉ + 7,5 МэВ ---> ⁴²Ca₂₀ + e_-1 + n^~ + 0.521МэВ, сравнительно маленький: 12,36 часа. Поэтому, установки, работающие на калии, не накапливают радиоактивных отходов.

Не исключено, что в перспективе пресс-ядерные реакции смогут ускорить радиоактивный распад отходов, накопленных урановой энергетикой.

Оценим количество топлива (калия) которое необходимо сжечь в установке для того, чтобы установка выдавала полную мощность 20 кВт в течение 5-ти лет (срок от производства до её утилизации). Мощности 20 кВт вполне достаточно для энергетических и тепловых нужд средней семьи.

Симметричная реакция дает 2,817МэВ, и при этом сгорают два атома ⁴⁰K₁₉:
⁴⁰K₁₉ + ⁴⁰K₁₉ ---> ⁴⁰Ar₁₈ + ⁴⁰Ca₂₀ + 2,817МэВ.

Асимметричная реакция дает примерно 8МэВ, и при этом сгорает один атом ³⁹K₁₉ и один атом водорода:
⁴⁰K₁₉ + p ---> ⁴⁰Ca₂₀ + n + 0,529 МэВ.
³⁹K₁₉ + n ---> ⁴⁰K₁₉ + 7,8 МэВ.

Перейдем в систему СИ:
2,817МэВ=4,5*10^-13Дж. 8МэВ=1,3*10^-12Дж.

Количество ядер, которые должны распасться за 1 секунду для обеспечения мощности 20кВт:
n_сим=20000Вт/4,5*10^-13Дж=4,4*10¹⁶с^-1,
n_асим=20000Вт/1,3*10^-12Дж=1,6*10¹⁶с^-1.
Количество ядер, которые должны распасться за 5 лет:
N_сим=4,4*10¹⁶с^-1*60*60*24*365*5 = 7*10²⁴.
N_асим=1,6*10¹⁶с^-1*60*60*24*365*5 = 2,5*10²⁴.
Масса калия, которая должна сгореть за 5 лет:
m_сим = 7*10²⁴*40*2*1,66*10^-27 кг = 0,9 кг.
m_асим = 2,5*10²⁴*39*1,66*10^-27 кг = 0,16 кг.

Итак, для постройки установки с симметричной реакцией в неё нужно заложить почти килограмм ⁴⁰K₁₉. При этом в отвал пойдет почти 10000 кг изотопов калия ³⁹K и ⁴¹K.
Для постройки установки с асимметричной реакцией в неё нужно заложить порядка 300 грамм изотопа ³⁹K и порядка 3 грамм изотопа ⁴⁰K. Через пять лет установка утилизируется и из неё извлекается 140 грамм ³⁹K и те же 3 грамма ⁴⁰K. Добавляем в эту смесь 160 грамм ³⁹K и закладываем в новую установку.

Аналогичные реакции можно записать для ванадия-50.
Всё это хорошо, но РТМ пока-что никого не заинтересовала?

Страница создана: 20.03. 2005.

К оглавлению Космической Генетики.

Иван Горелик

Моё резюме