3,7 miliardy stupňov a všetci sa tomu smejú
-
júl 2006
-
júna minulého roku čitateľ umiestnil na fóre Agoravox článok s názvom:
2 miliardy stupňov. Ľudstvo objavilo absolútne teplo a všetci sa tomu smejú
!
Článok, ktorý vyvolal viac ako 300 reakcií. Keďže mi čitateľ označil existenciu tohto fóra, pridal som sa k diskusii. Čitateľ, ktorý je zaujatý tým, čo sa tam povedalo, nájde to v archíve:
http://www.agoravox.fr/article.php3?id_article=10680
Stojím pred bielym listom a hľadám, čo napísať, aký tón použiť, na akú úroveň sa nastaviť. Je pravda, že v takejto situácii sa človek cíti trochu znechutený udalosťami, ale presnejšie povedané, neudalosťami.
Predtým, ako sa vrátim k tomuto téme, pre tých, ktorí sledovali, čo som povedal alebo napísal na svojom webe ohľadom "Z-mašíny" a tejto objavu, povedal by som, že som mal návštevu novinára okolo 25. júna. Odišiel s tým, že bude predkladať článok svojmu redaktorovi. Reakcia bola okamžitá a jednoduchá:
- Nevidel som to v AFP alebo v agentúre TASS, ani v žiadnej novinovej agentúre.
To je pravda. A napriek tomu uplynuli tri mesiace od zverejnenia tejto správy, ani tlač, ani agentúry tlače v žiadnom krajinách sa neozvali. To je ... úžasné a ... strašné, aj.
Takže teraz sa vrátim k tejto príbehu od začiatku, pre tých, ktorí príde.
Všetko začalo 9. marca 2006 novou správou na webe Futura-Science
http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php
Tento článok vychádzal z veľmi oficiálneho oznámenia, ktoré vychádzalo z webovej stránky Laboratórií Sandia v Novom Mexiku, Spojených štátoch. Pre tých, ktorí to nevedia, Sandia je veľký komplex laboratórií, ktoré pracujú hlavne na projektoch zbraní rôznych druhov. Aby sme si to zjednodušili, dve laboratóriá v USA sú, počas desaťročí, systematicky súťažia o vývoj jadrových zbraní (a iných):
-
Sandia
-
Los Alamos (kde bol vytvorený prvý atómový bomba, na "mesa")
Webová stránka Los Alamos, Nový Mexiko, Spojené štáty, kde bol vytvorený prvý atómový bomba
Stále sa vrátime k príbehu a zároveň sa vrátime do minulosti, nájdeme toto oznámenie laboratórií Sandia, z 8. marca 2006:
http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/index.html
Tu je toto oznámenie
:
" Two billions degrees Kelvin " v angličtine znamená " dva miliardy absolútnych stupňov "
V skutočnosti toto oznámenie nasleduje krátko po vydaní významného článku, ktorý napísal Malcolm Haines (Imperial College, Londýn), medzinárodný odborník na fyziku plazmy, Deeney (zodpovedný za experimenty na Z-mašine v Sandii) a štyroch ďalších výskumníkov, zverejnený v významnej revízii
Physical Review Letters 24. februára 2006
. Dva odkazy uvedené vyššie sa týkajú len médií. Kľúčový dokument je uvedený článok. Vzhľadom na jeho dôležitosť, po kúpe som ho umiestnil na svoj webe ako sťahovateľný.
Článok Malcoma Haines, Deeney a ostatných, v pdf
Tu je jeho prvá stránka
:
" Over 2 x 109 Kelvin " znamená " viac ako dva miliardy Kelvinov "
Poznamenajte dátum prvého odovzdania článku, 13. mája 2005.
Tento článok sa teda týka
predchádzajúcich experimentálnych výsledkov pred touto dátum.
To je vlastne dôležitý dokument a prešiel som ho. Urobil som túto analýzu pre vedcov (a vedných novinárov) a predložil som ju s populárne zjednodušeným sumárom. Vedec alebo "vedecky orientovaný" čitateľ sa môže odvolávať na túto analýzu. Ale táto stránka, tento súbor je určený pre širokú verejnosť. Ti, ktorí nie sú vedci alebo "vedecky orientovaní", môžu preskočiť tento odkaz.
Moja analýza článku Haines a Deeney, 24. februára 2006
Predtým, ako sa vrátim k všeobecným otázkam o fúzii (výroba neutrónov a "a-neutrónová"), o fúzii v tokamakovi ako ITER alebo "inerciálnym zadržaním", atď., téma tohto súboru, ktorú sa pokúsim spraviť čo najviac zjednodušenú, niekoľko slov o tom, čo je významné v uvedenom článku.
- Od roku 1998 sa v Sandii (a v rôznych iných krajinách, nukleárne: Rusko, Čína, Anglicko, Francúzsko, ale nie s takými výraznými prostriedkami) uskutočňovali experimenty s komprimovaním plazmy. Cieľom bolo, komprimovaním hmoty elektromagnetickými silami (to bude opakovane neskôr), zahrievať ju a tak zabezpečiť, že bude vysielať röntgenové žiarenie.
Z-mašina a všetky tieto stroje neboli pôvodne navrhnuté na dosiahnutie fúzie. Boli to jednoducho silné zdroje röntgenového žiarenia, výhradne vojenského použitia,
cieľom bolo testovať odolnosť hlavíc voči vysokému toku röntgenového žiarenia, ktorý pochádza z atómovej bomby vypustenej vo voľnom priestore, bomby, ktorá je kľúčovým prvkom protiraketových zbraní, ktoré majú za cieľ zničiť jemné systémy riadenia a zápalu bombami týmto silným žiarením.
Od roku 1998 experimenty v Sandii ukazovali, že teplota iónov
mala by byť
neobvykle vysoká. Ale nebol meraný.
To, čo sa meralo, bolo zářenie röntgenového žiarenia, čo znamenalo teplotu elektrónov. Teplota iónov bola
odvodená.
Zistíme neskôr, ako. Zaujímavé je, že tieto experimenty viedli k teplotám iónov, ktoré mali byť vyššie, a oveľa viac, ako teplota elektrónov (stokrát!). Systémy "dvojteplotné" máte ... v kuchyni. Sú to ... neonové trubice. Ióny neonu (atómy neonu, ktoré strácajú elektróny) sú chladné, pri bežnej teplote. Môžete položiť ruku na trubicu, bez rizika spálenia. Na druhej strane elektróny sú pri tisícoch stupňov (vrátime sa k tomu neskôr). V experimentoch v Sandii to bolo možné vysvetliť len v prípade, že "plyn iónov" bol oveľa teplejší ako plyn elektrónov.
V roku 2005 výskumníci pracujúci na Z-mašine mohli vykonať priame merania tejto teploty iónov
, ktoré sú opísané v článku Haines, Deeney a iných. Potvrdili to, čo sa predtým počítalo. Táto teplota, ako uvádza názov, je "nad 2 miliardami Kelvinov". Ale ak sa pozrieme do článku (a do analýzy, ktorú som urobil, na dvoch úrovniach), vidíme
že
táto teplota sa počas merania zvyšuje a skutočne prechádza
z 2,66 miliardy do 3,77 miliardy. Tieto merania sú 100 % dôveryhodné (meranie teploty pomocou rozšírenia čiar v dôsledku efektu Dopplera je klasikou fyziky a astrofyziky. Artefakt je vylúčený).
- Krom toho Haines a jeho kolegovia (je teoretik) sa pýtajú na mechanizmus, ktorý by zabezpečil takéto zahrievanie iónov. Zavádza magnetohydrodynamické nestability. Všetko to sa vrátime neskôr tiež.
Obsah diskusie ukázal, že pre väčšinu čitateľov a účastníkov fúzia sa skladá z toho, že sa zlúčia dva izotopy vodíka
Deutérium + Tritium, ktoré vytvára hélium a neutron, ktorý predstavuje energiu 14 MeV (mega-elektrónovolt)
pozri napríklad článok Wikipédie:
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire
V tomto článku nájdete iba jednu ilustráciu schémy fúzie:
Schéma fúzie dvoch izotopov vodíka, deutérium a tritium, pri stovkách miliónov stupňov
Vidíte, že neutron prenáša najväčšiu energiu: štyrikrát viac ako jadro hélia.
Čitatelia teraz budú musieť si zapamätať iné schémy fúzie.
Od 500 miliónov stupňov
, fúzia
lítia
a
vodíka
(ľahkého):
Fúzia "a-neutrónová" Lítium - Vodík
Od miliardy stupňov
, fúzia
bóru
a
vodíka
(ľahkého):
Fúzia "a-neutrónová" Bór - Vodík
"A-neutrónová", pretože
žiadne neutróny
. Tieto neutróny, vysielané rýchlosťou relativistickou, zabezpečujú, že tokamaky (Iter je tokamak) zabezpečujú, že táto fúzia spôsobuje rádioaktivitu "aktiváciou" okolitých štruktúr. Tieto neutróny, navyše, nemôžu byť zastavené "magnetickým zadržaním". Nič ich nezastaví, okrem fyzických prekážok. Ako zdôraznil Nobelovcovi Gennes, ukážu sa veľmi agresívne voči štruktúre supravodivého magnetu, ktorý zabezpečuje zadržanie, ktorý stojí veľké peniaze a nemôže byť pravidelne nahradený.
Energia sa prenáša jednoducho pomocou jadier hélia, jednoduchého hélia. Kde je rádioaktivita? Nie je. Kde sú "jadrové odpady"? Odpoveď: hélium. Môžete byť žijúci vedľa jadrového reaktora "a-neutrónového". Buď by vyvrhla svoje hélium cez komíny, v tom prípade by tento plyn stúpal. Je ľahký, hélium. Alebo by sme ho mohli získať na balóny, veľmi lacno. V súčasnosti je hélium drahé. Tu si môžeme predstaviť vozidlá v podobe balónov naplnených héliom, poháňané slnečnou energiou, napríklad. Alebo tieto letecké zariadenia, alebo vozidlá by fungovali s elektrickými generátormi fúzie "a-neutrónového", miniaturizovanými.
Teraz je potrebné odpovedať na otázky, ktoré si čitatelia zákonné položili. Aká je teplota?
Budeme definovať absolútnu teplotu T plynu. Uvediem, že to je jeho
definícia
. Plynom je súbor častíc s hmotnosťou m. Častice, ktoré sa pohybujú všetkými smermi. Tento pohyb sa nazýva tepelné pohyb. Vzduch, ktorý dýchate, je zložený z molekúl, ktoré sa v priemere pohybujú rýchlosťou 400 metrov za sekundu. Je to priemerná hodnota. Je tu niektoré rýchlejšie a niektoré pomalšie, ale výraznú chybu by ste urobili, ak si ich predstavíte všetky pohybujúce sa rovnakou rýchlosťou. Prečo tieto molekuly vzduchu nezrania váš škvrny? Pretože sú objekty veľmi malé hmotnosti. Molekula vzduchu v plnej rýchlosti by nepoškodila mušku. Už to cítite?
V tokamaku je absolútna teplota 100 miliónov stupňov. Jadra vodíka sa pohybujú skoro tisíc kilometrov za sekundu. Ide o ich rýchlosť tepelného pohybu. Pre študentov fyziky, pozri ohraničenie vpravo:
Všetci fyzici
:
Definícia absolútnej teploty v plyne:
k je konštanta, ktorú nazývame Boltzmannovou konštantou a má hodnotu
k = 1,38 10
-23 N
Budeme robiť vysokú fyziku. Hmotnosť jedného atómu vodíka, jedného protónu, je:
m = 1,67 10
-27
kilo
Vstúpime do tokamaku. Teplota (dokým to funguje): 100 miliónov absolútnych stupňov. Obsah
- Deutérium. Hmotnosť jadra: 3,34 10
-27
kilo
- Tritium. Hmotnosť jadra: 5 10
-27
kilo
Polovica a polovica. Priemerná hmotnosť jadier: 4,17 10
-27
kilo
S absolútnou teplotou 100 miliónov Kelvinov je priemerná rýchlosť tepelného pohybu týchto jadier:
Jedna frakcia, mocniny desiatky, druhá odmocnina. Už máte viac ako polovicu fyziky v dosahu vašich neurónov. Teraz to, čo sa nachádza v tokamaku, je zmes jadier s kladným nábojom a elektrónov s negatívnym nábojom. Prostredie je kolizívne. To znamená, že ióny, elektróny vymieňajú veľa energie medzi sebou. Môžeme povedať, že obsah tokamaku je zmes dvoch plynov:
- Plyn iónov, jadier vodíka
těžkého s priemernou hmotnosťou 4,17 10
-27
kilo
- "Plyn elektrónov", zložený
z častíc s hmotnosťou 0,9 10-30 kilo
Kolízie smerujú k vytvoreniu termodynamického rovnováhy. To znamená, že ak je prostredie zmesou rôznych druhov častíc, sú všetky na tej istej teplote. Majú rovnakú absolútnu teplotu: tu 100 miliónov stupňov. Ale čo je teplota elektrónov, teplota "plynu elektrónov". Definuje sa rovnakým spôsobom.
Boltzmannova konštanta sa nezmení. Ak sú dva plyny, ktoré "spoluvystupujú", v stave "termodynamickej rovnováhy", potom sú teploty rovnaké. To znamená, že priemerné kinetické energie (tepelného pohybu) sú rovnaké.
Pretože elektróny sú ľahšie, sú rýchlejšie, ale ešte sme nepríliš relativistickí.
Zvýšiť teplotu plynu na vysokú teplotu znamená zvýšiť rýchlosť tepelného pohybu iónov. V plazme lithium pri 500 000 °K má moja rýchlosť tepelného pohybu jadier lithium 1 330 km/s. V plazme bóru pri miliarde °K je to 1 516 km/s
Detail výpočtu v ohraničení:
Z lithia pri 500 000 °K
:
Absolútna teplota v plyne:
k je konštanta, ktorú nazývame Boltzmannovou konštantou a má hodnotu
k = 1,38 10
-23 V
Rýchlosť tepelného pohybu v plyne pri absolútnej teplote T:
- Hmotnosť jadra lithia: 7 krát hmotnosť
nukleóna (proton a neutron), teda:
7 x
1,67 10
-27
kilo = 1,17 10
-26
kilo
To nám dáva rýchlosť tepelného pohybu:
1 330 km/s
Z bóru pri miliarde °K
:
Rýchlosť tepelného pohybu v plyne pri absolútnej teplote T:
- Hmotnosť jadra lithia: 11 krát hmotnosť
nukleóna (proton a neutron), teda:
11 x
1,67 10
-27
kilo = 1,83 10
-26
kilo
To nám dáva rýchlosť tepelného pohybu:
1 516 km/s
Nevyzerá to trochu jasnejšie?
Ale ako vytvoriť tieto rýchlosti tepelného pohybu? No, ak by som sa pokúsil zničiť plazmu a rýchlosť zničenia dosiahla tieto hodnoty, táto kinetická energia by sa premenila na rýchlosť tepelného pohybu. Je to jednoduché. Musí sa zachovať energia. To sa stane, ak nie je príliš veľa rádiových strát počas procesu.
Atómy sa budú navzájom zasahovať. Kolízie rozdelia túto kinetickú energiu do všetkých smerov. V každom prípade proces zničenia ohreje prostredie. Ale bude táto teplota udržiavaná dostatočne dlho, aby sa stala fúzia?
Čo to znamená "dostatočne dlho"?
Dobrá otázka. A to nás viedlo k premýšľaniu o podmienkach, v ktorých môžeme vytvoriť reakcie fúzie. Budeme hovoriť o kritériu Lawsona. Je to veľké slovo pre niečo, čo je vlastne veľmi jednoduché a intuitívne. Hovorí sa, že sa nedá uvařiť omeleta bez zlomenia vajec. Predstavte si, že chcete zlomiť vajcia s hmotnosťou m (neviem, koľko váži vajce, ale to je jedno). Predstavme si teda, že máme nádobu, kde sa vajcia kúlajú a narážajú. Ak má byť náraz medzi dvoma týmito vajcami spôsobovať ich zlomenie, potrebuje:
-
Aby sa tieto vajcia skutočne stretli
-
Aby ich relatívna rýchlosť bola dostatočná na to, aby spôsobila zlomenie škrupinky.
Nech M je hmotnosť vajec. Niekto môže urobiť skúsenosť (zajímavú, vlastne) na určenie, aká musí byť rýchlosť dvoch vajec, ktoré sa stretávajú, aby sa začala omeleta. Označme túto rýchlosť V. Ak je táto rýchlosť rýchlosťou tepelného pohybu vajec, môžeme ju považovať za rýchlosť tepelného pohybu. Ak rýchlosť nie je dostatočná, škrupinka odolá aj pri priamej náraze. A to, čo znamená rýchlosť tepelného pohybu, je teplota. Nahraďte vajcia jadrami a zlomenie škrupinky reakciou fúzie. Bude fúzia, ak teplota prostredia prekročí určitý prah. Pre zmes deutérium-tritium je táto minimálna teplota 100 miliónov stupňov. V skutočnosti, aby sa stala fúzia deutérium a tritium, musia tieto jadrá byť dostatočne blízko, aby sa "reakcia fúzie" stala. To, čo ich bráni, je to, že sú obe s kladným nábojom a odpudivé pod vplyvom elektrostatickej sily.
Videli sme vyššie, že táto rýchlosť tepelného pohybu, teda rýchlosť zrážky, spojená s teplotou jadier vodíka 100 miliónov stupňov, je približne 1000 km/s. Aby sa fúzovalo lítium a vodík, musia sa blížiť proton s elektrickým nábojom a jadro lítia s tromi nábojmi. Práca, ktorú je potrebné vykonať, je väčšia. Takže bude vyššia teplota fúzie: 500 miliónov stupňov. A to bude samozrejme prípad s jadrom bóru (5 jednotkových nábojov) a protonom (jadrom obyčajného vodíka. Ukazuje sa, že táto teplota je potom miliardou stupňov.
Tieto teploty fúzie: 100 miliónov stupňov, 500 miliónov, miliarda môžu zdať nepravdepodobné, ale veci sú viac náhľadné, ak sa rozumie v rámci rýchlostí tepelného pohybu:
1000 km/s 1300 km/s 1500 km/s
Fakt, že komponenty dosahujú tieto rýchlosti tepelného pohybu je nutná, ale nedostatočná podmienka.
Rýchlosti tepelného pohybu sú
