Три с половиной миллиарда градусов, и всем плевать...

3,7 миллиарда градусов, и всем плевать

2 июля 2006 года

19 июня прошлого года один читатель разместил на форуме Agoravox статью под названием:

2 миллиарда градусов. Человечество открывает абсолютный огонь, и всем плевать!

Статья вызвала более 300 откликов. Поскольку один читатель указал мне на существование этого форума, я принял в нём участие. Всех, кого интересует содержание дискуссии, отсылаю к архиву:

http://www.agoravox.fr/article.php3?id_article=10680

Я сижу перед чистым листом и пытаюсь понять, что писать, какой тон выбрать, на каком уровне изложения остановиться. Действительно, перед лицом подобных событий чувствуешь себя немного ошеломлённым, или, точнее говоря, отсутствием событий, по существу.

Прежде чем вернуться к этой теме, для тех, кто следил за моими высказываниями и публикациями на сайте о «Z-машине» и этом открытии, скажу, что около 25 июня меня посетил журналист. Он ушёл, сказав, что представит статью своему редактору. Реакция была немедленной и простой:

- Я не видел этого в AFP или агентстве ТАСС, ни в одном информационном агентстве.

Это правда. Однако прошло три месяца с момента распространения этой новости, а пресса во всех странах и информационные агентства так и не отреагировали. Это ... ошеломляет и ... пугает.

Поэтому я начну излагать эту историю с самого начала, для читателей, которые только присоединяются.

Всё началось 9 марта 2006 года с новости, опубликованной на сайте Futura-Science:

http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php

На самом деле эта статья основывалась на очень официальном объявлении, размещённом на сайте лаборатории Sandia, расположенной в Нью-Мексико, США. Для тех, кто не знает, Sandia — это обширный комплекс лабораторий, работающих в основном над проектами оружия различного рода. Для ориентира: в США две лаборатории на протяжении десятилетий систематически конкурируют в разработке ядерного (и другого) оружия:

Sandia
Лос-Аламос (именно там была создана первая атомная бомба на «месе»)

Сайт Лос-Аламоса, Нью-Мексико, США, где была создана первая атомная бомба

Продолжая излагать историю и обращаясь к прошлому, находим это объявление лаборатории Sandia от 8 марта 2006 года:

http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/index.html

Вот это самое объявление:

«Two billions degrees Kelvin» на английском означает «два миллиарда градусов абсолютной температуры»

На самом деле это объявление последовало вскоре после публикации сенсационной статьи, авторами которой являются Малкольм Хейнс (Imperial College, Лондон), всемирно известный специалист по физике плазмы, Дини (ответственный за эксперименты на Z-машине в Sandia) и ещё четыре исследователя. Статья была опубликована в престижном журнале Physical Review Letters 24 февраля 2006 года. Две ссылки выше относятся только к сообщениям в СМИ. Ключевым документом является упомянутая статья. Ввиду её важности, после покупки я выложил её для скачивания на своём сайте.

Статья Малкольма Хейнса, Дини и других в формате pdf

Вот её первая страница:

«Over 2 x 109 Kelvin» означает «более двух миллиардов градусов по шкале Кельвина»

Обратите внимание на дату первой подачи статьи — 13 мая 2005 года. Таким образом, эта работа ссылается на экспериментальные результаты, полученные до этой даты.

Именно этот документ представляет интерес, и я подверг его тщательному анализу. Я сделал этот анализ для учёных (и научных журналистов) и предварил его популярным резюме. Научно ориентированный читатель может обратиться к этому анализу. Однако данная страница, данный материал предназначен для самой широкой аудитории. Тем, кто не является учёным или не имеет научной подготовки, рекомендую пропустить эту ссылку.

Мой анализ статьи Хейнса и Дини от 24 февраля 2006 года

Прежде чем вернуться к общим вопросам термоядерного синтеза (генерирующего нейтроны и «анейтронного»), к синтезу в токамаке, таком как ITER, или к «инерциальному удержанию» и т.д., что является темой этого материала, который я постараюсь изложить максимально доступно, несколько слов о главном в упомянутой статье.

С 1998 года в Sandia (и в других ядерных державах: России, Китае, Англии, Франции, но не с такими мощными средствами) проводились эксперименты по сжатию плазмы. Целью было, сжимая материю электромагнитными силами (об этом будет подробнее ниже), нагреть её так, чтобы она начала излучать рентгеновские лучи. Z-машина и все подобные установки изначально не были предназначены для достижения термоядерного синтеза. Это были просто мощные источники рентгеновского излучения, используемые на 100 % в военных целях, чтобы тестировать устойчивость боеголовок к интенсивному потоку рентгеновских лучей, возникающему при взрыве атомной бомбы в космическом вакууме. Эта бомба является ключевым элементом противоракетного оружия, предназначенного для уничтожения хрупких систем наведения и инициирования взрыва бомб посредством этого мощного облучения. С 1998 года эксперименты в Sandia показывали, что температура ионов должна быть аномально высокой. Но её не измеряли. Измеряли, исходя из рентгеновского излучения, электронную температуру. Температура ионов выводилась. Позже мы увидим, как именно. Странно, но эти эксперименты приводили к ионным температурам, которые должны были быть значительно выше электронной температуры (в сто раз!). Системы «двух температур» вы можете найти ... у себя на кухне. Это ... неоновые трубки. Ионы неона (атомы неона, потерявшие электроны) холодны, находятся при обычной температуре. Вы можете положить руку на трубку и не обжечься. Зато электроны находятся при тысячах градусов (мы вернёмся к этому позже). В экспериментах Sandia явления можно было объяснить только в том случае, если «газ ионов» был намного горячее газа электронов.
В 2005 году исследователи, работавшие с Z-машиной, смогли провести прямые измерения температуры ионов, которые описаны в статье Хейнса, Дини и других. Они подтвердили ранее рассчитанные значения. Эта температура, как следует из заголовка, составляет «более 2 миллиардов градусов по шкале Кельвина». Но если углубиться в статью (и в мой анализ, выполненный на двух уровнях), видно, что эта температура растёт во время измерений и фактически переходит от 2,66 миллиарда градусов к 3,77 миллиарда градусов. Эти измерения на 100 % надёжны (измерение температуры по уширению спектральных линий из-за эффекта Доплера является классическим методом в физике и особенно в астрофизике. Артефакты исключены).
Дополнительно Хейнс и его коллеги (он теоретик) задаются вопросом о механизме, обеспечивающем такой нагрев ионов. Они ссылаются на магнитогидродинамические (МГД) неустойчивости. Мы вернёмся ко всему этому позже.

Содержание дебатов показало, что для подавляющего большинства читателей и участников термоядерный синтез сводился к реакции смешивания двух изотопов водорода:

Дейтерий + Тритий, дающие гелий и нейтрон, с выделением энергии 14 МэВ (мегаэлектронвольт)

См., например, статью в Википедии:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire

В ней вы найдёте лишь одну иллюстрацию схемы термоядерного синтеза:

Схема термоядерного синтеза двух изотопов водорода, дейтерия и трития, при ста миллионах градусов

Видно, что именно нейтрон уносит наибольшую часть энергии: в четыре раза больше, чем ядро гелия.

Читателям теперь придётся запомнить другие схемы термоядерного синтеза.

Начиная с 500 миллионов градусов, это синтез лития и водорода (лёгкого):

«Анейтронный» синтез лития и водорода

Начиная с одного миллиарда градусов, это синтез бора и водорода (лёгкого):

«Анейтронный» синтез бора и водорода

Анейтронный, потому что нет нейтронов. Именно эти нейтроны, испускаемые с релятивистской скоростью, приводят к тому, что в токамаках (ITER — это токамак) термоядерный синтез порождает радиоактивность, «активируя» окружающие конструкции. Кроме того, эти нейтроны невозможно остановить с помощью «магнитного удержания». Их ничто не останавливает, кроме физических преград. Как подчёркивал нобелевский лауреат де Женн, они окажутся чрезвычайно агрессивными по отношению к структуре сверхпроводящего магнита, обеспечивающего удержание, который стоит огромных денег и не может периодически заменяться.

Энергия переносится просто ядрами гелия, обычным гелием. Где же радиоактивность? Её нет. Где «ядерные отходы»? Ответ: гелий. Вы могли бы жить рядом с анейтронной термоядерной электростанцией. Либо она выбрасывала бы гелий через трубы, и тогда этот газ поднимался бы вверх. Гелий лёгкий. Либо его собирали бы для наполнения воздушных шаров, что недорого. Пока гелий очень дорог. Здесь можно было бы представить себе транспортные средства в виде воздушных шаров, наполненных гелием и движимых, например, солнечной энергией. Если только эти летательные аппараты или транспортные средства не будут работать на миниатюрных генераторах электричества с анейтронным термоядерным синтезом.

Теперь нужно ответить на вопросы, которые справедливо задают читатели. Что такое температура?

Мы определим абсолютную температуру T газа. Уточню, что это его определение. Газ — это совокупность частиц, имеющих массу m. Частицы движутся хаотично во всех направлениях. Это движение называется тепловым движением. Воздух, которым вы дышите, состоит из молекул, которые в среднем перемещаются со скоростью 400 метров в секунду. Это среднее значение. Есть более быстрые и более медленные молекулы, но мы не совершим большой ошибки, если представим, что все они движутся с одинаковой скоростью. Почему эти молекулы воздуха не разрывают вам лёгочные пузырьки? Потому что это объекты очень малой массы. Молекула воздуха на полной скорости не причинила бы вреда даже мухе. Понимаете?

В токамаке абсолютная температура составляет 100 миллионов градусов. Ядра водорода движутся со скоростью около тысячи километров в секунду. Это их скорость теплового движения. Для начинающих физиков см. врезку справа:

Все физики

Определение абсолютной температуры в газе:

k — это константа, называемая постоянной Больцмана, которая равна

k = 1,38 10

Мы займёмся высокой физикой. Масса атома водорода, протона, составляет:

m = 1,67 10

килограмм

Войдём в токамак. Температура (пока он работает): 100 миллионов градусов абсолютной температуры. Содержание:

Дейтерий. Масса ядра: 3,34 10

килограмм

Тритий. Масса ядра: 5 10

килограмм

Пополам. Средняя масса ядер: 4,17 10

килограмм

При абсолютной температуре сто миллионов градусов по шкале Кельвина средняя скорость теплового движения этих ядер составляет:

Дробь, степени десяти, квадратный корень. У вас уже более половины физики в пределах досягаемости ваших нейронов. Теперь то, что находится в токамаке, представляет собой смесь ядер с положительным зарядом и электронов с отрицательным зарядом. Среда является столкновительной. Это означает, что ионы и электроны обмениваются большим количеством энергии друг с другом. Можно сказать, что содержимое токамака — это смесь двух газов:

Газ ионов, ядер тяжёлого водорода со средней массой 4,17 10

килограмм

«Газ электронов», состоящий из частиц с массой 0,9 10-30 килограмм

Столкновения стремятся установить состояние термодинамического равновесия. Это означает, что если среда представляет собой смесь различных видов частиц, то все они находятся при одной и той же температуре. У них одинаковая абсолютная температура: здесь сто миллионов градусов. Но что такое электронная температура, температура «газа электронов»? Она определяется так же.

Постоянная Больцмана не меняется. Если два «сосуществующих» газа находятся в состоянии «термодинамического равновесия», то температуры равны, что означает равенство средних кинетических энергий (теплового движения).

Так как электроны легче, они быстрее, но мы ещё далеко не в релятивистской области.

Все физики

пределение абсолютной температуры в газе:

k — это константа, называемая постоянной Больцмана, которая равна

k = 1,38 10

-23

ы займёмся высокой физикой. Масса атома водорода, протона, составляет:

m = 1,67 10

-27

килограмм

Войдём в токамак. Температура (пока он работает): 100 миллионов градусов абсолютной температуры. Содержание:

Дейтерий. Масса ядра: 3,34 10

-27

килограмм

Тритий. Масса ядра: 5 10

-27

килограмм

Пополам. Средняя масса ядер: 4,17 10

-27

килограмм

Газ ионов, ядер тяжёлого водорода со средней массой 4,17 10

-27

килограмм

«Газ электронов», состоящий из частиц с массой 0,9 10-30 килограмм

Так как электроны легче, они быстрее, но мы ещё далеко не в релятивистской области.

Нагревание газовой среды до высокой температуры означает увеличение скорости теплового движения ионов. В плазме лития при 500 000 K скорость теплового движения ядер лития составляет 1330 км/с. В плазме бора при одном миллиарде градусов она составляет 1516 км/с.

Детали расчёта во врезке:

Литий при 500 000 K

емпература в газе:

k — это константа, называемая постоянной Больцмана, которая равна

k = 1,38 10

Скорость теплового движения в газе при абсолютной температуре T:

Масса ядра лития: 7 масс нуклона (протона и нейтрона), то есть:

1,67 10

килограмм = 1,17 10

килограмм

Что даёт нам скорость теплового движения:

1330 км/с

Бор при одном миллиарде K

Скорость теплового движения в газе при абсолютной температуре T:

Масса ядра лития: 11 масс нуклона (протона и нейтрона), то есть:

1,67 10

килограмм = 1,83 10

килограмм

Что даёт нам скорость теплового движения:

1516 км/с

Не кажется ли вам, что теперь всё становится немного понятнее?

Литий при 500 000 K

емпература в газе:

k — это константа, называемая постоянной Больцмана, которая равна

k = 1,38 10

-23

корость теплового движения в газе при абсолютной температуре T:

Масса ядра лития: 7 масс нуклона (протона и нейтрона), то есть:

1,67 10

-27

килограмм = 1,17 10

-26

килограмм

Что даёт нам скорость теплового движения:

1330 км/с

Бор при одном миллиарде K

корость теплового движения в газе при абсолютной температуре T:

Масса ядра лития: 11 масс нуклона (протона и нейтрона), то есть:

1,67 10

-27

килограмм = 1,83 10

-26

килограмм

Что даёт нам скорость теплового движения:

1516 км/с

Не кажется ли вам, что теперь всё становится немного понятнее?

Но как создать эти скорости теплового движения? Ну, если бы я смог заставить плазму схлопнуться (имплодировать) так, чтобы скорость имплозии достигла этих значений, эта кинетическая энергия превратилась бы в скорость теплового движения. Всё просто. Энергия должна сохраняться. Это произойдёт, если во время процесса не будет слишком больших радиационных потерь.

Атомы будут сталкиваться друг с другом. Столкновения перераспределят эту кинетическую энергию во всех направлениях. В любом случае процесс имплозии нагреет среду. Но сохранится ли эта температура достаточно долго, чтобы произошёл термоядерный синтез?

Что означает «достаточно долго»?

Хороший вопрос. И это приводит нас к размышлениям об условиях, при которых можно создать термоядерные реакции. Поэтому мы поговорим о критерии Лоусона. Это громкое название для чего-то в целом довольно простого и интуитивно понятного. Говорят, что омлет не получится, не разбив яиц. Представьте, что вы хотите разбить яйца массой m (я не знаю, сколько весит яйцо, но это не важно). Предположим, у нас есть камера, где яйца катятся и сталкиваются друг с другом. Чтобы столкновение двух таких яиц могло привести к разрыву, необходимо:

Чтобы эти яйца действительно столкнулись
Чтобы их относительная скорость была достаточной для разрушения скорлупы.

Пусть M — масса яиц. Кто-нибудь, возможно, проведёт эксперимент (впрочем, интересный), чтобы определить, какой должна быть скорость двух сталкивающихся яиц, чтобы получился хотя бы зачаток омлета. Назовём эту скорость V. Если эта скорость является скоростью теплового движения яиц, её можно приравнять к скорости теплового движения. Если скорость недостаточна, скорлупа выдержит даже лобовой удар. А раз мы говорим о скорости теплового движения, то говорим и о температуре. Замените яйца ядрами, а разрушение скорлупы — термоядерной реакцией. Синтез произойдёт, если температура среды превысит определённый порог. Для смеси дейтерия и трития эта минимальная температура составляет 100 миллионов градусов. На самом деле, чтобы произошёл синтез дейтерия и трития, эти ядра должны сблизиться достаточно сильно, чтобы произошла «термоядерная реакция». Этому сближению препятствует то, что оба ядра имеют положительный заряд и отталкиваются друг от друга под действием электростатической силы.

Выше мы видели, что эта скорость теплового движения, то есть скорость столкновений, соответствующая температуре ядер водорода в 100 миллионов градусов, составляет около 1000 км/с. Чтобы осуществить синтез лития и водорода, нужно сблизить протон, несущий один электрический заряд, и ядро лития, несущее три заряда. Требуемая работа больше. Поэтому температура синтеза будет выше: 500 миллионов градусов. И тем более это верно для ядра бора (5 элементарных зарядов) и протона (ядро обычного водорода). Оказывается, эта температура составляет один миллиард градусов.

Эти температуры синтеза: 100 миллионов градусов, 500 миллионов, один миллиард могут казаться нереальными, но вещи становятся более осязаемыми, если рассуждать в терминах скоростей теплового движения:

1000 км/с 1300 км/с 1500 км/с

Тот факт, что компоненты достигают этих скоростей теплового движения, является необходимым, но недостаточным условием.

Скорости теплового движения являются

Три с половиной миллиарда градусов, и всем плевать...

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

Mots-clés