Дополнение №19 (4 апреля 2010 г.)
Новый источник ядерной энергии
Постановка задачи.
В предыдущей работе «Физические принципы нового источника энергии» был описан новый источник ядерной энергии. Однако в этой работе были использованы математические понятия, которые мало знакомы физикам, что затрудняет понимание работы. В связи с этим, встает задача более четкого изложения механизма работы нового источника энергии.
Цель работы.
Описать физические принципы, лежащие в основе нового источника энергии, используя только хорошо определенные физические понятия.
Содержание.
Работа содержит 5 основных частей:
I. новый физический эффект, который лежит в основе данного источника энергии,
II. условия, при которых реализуется данный эффект,
III. условие, благодаря которому эффект может найти практическое применение,
IV. эксперименты, в которых можно обнаружить эффект,
V. механизм работы нового источника энергии.
I. Работа источника энергии основана на использовании эффектов естественного и обратного бета-распада. В ядрах рабочего вещества будет осуществляться оба эффекта: из них составлен рабочий цикл, в котором будет происходить выделение энергии.
Реакция естественного бета-распада уже используется для получения энергии. Вместе с тем, использование в источниках энергии реакции обратного бета-распада представляется нереальным сразу по двум причинам:
1. реакция протекает с поглощением энергии (реакция эндотермическая),
2. вероятность осуществления реакции мала (мало сечение взаимодействия нейтрино с нуклонами).
Однако эти 2 свойства характеризуют лишь один из возможных каналов реакции обратного бета-распада, а именно, канал, который осуществляется посредством слабого взаимодействия.
Между тем, может существовать другой канал, в котором реакция обратного бета-распада осуществляется за счет магнитного взаимодействия нейтрино и кварков.
В данном источнике будет использоваться именно магнитный канал реакции обратного бета-распада, который будет реализоваться в результате взаимодействия магнитного момента кварков с анапольным моментом нейтрино. Требуемая для осуществления реакции энергия будет черпаться не из кинетической энергии нейтрино, а из магнитной энергии взаимодействия нейтрино и кварков.
Итак, новый физический эффект, который делает возможным создание данного источника энергии, – это взаимодействие анапольного момента нейтрино с магнитным моментом кварков, которое приводит к эффекту обратного бета-распада.
II. Для того, чтобы магнитное взаимодействие нейтрино с кварками действительно имело место и могло служить причиной обратного бета-распада, должны быть выполнены 2 условия:
1. нейтрино должно обладать анапольным моментом,
2. энергия взаимодействия анапольного момента нейтрино с магнитным моментом кварка должна превышать характерную энергию реакции бета-распада ~1 Мэв.
1. В данной работе наличие у нейтрино анапольного (тороидального) момента принимается в качестве гипотезы, справедливость которой может быть подтверждена предлагаемыми экспериментами.
После обнаружения у нейтрино массы, данная гипотеза представляется вполне естественной. Действительно, если гравитация и электромагнетизм имеют единую природу, то любая частица, которая обладает массой, должна обладать также, хотя бы одним электрическим или магнитным моментом. Анапольный момент является наиболее слабым магнитным моментом, поэтому нейтрино, как наиболее легкая частица, вероятно, обладает именно анапольным моментом.
Абсолютную величину анапольного момента нейтрино положим равной Т ~ е*10^-34 см2 (е – элементарный заряд). Анапольный момент такой величины соответствует наличию у нейтрино тороидальной структуры с характерным размером (10^-17 - 10^-16) см.
Отмечу, что в Стандартную Модель анапольный момент нейтрино не входит, однако, указанное значение анапольного момента приписывается электрону.
Для справки. Можно показать, что нейтрино действительно обладает тороидальной структурой, и тем самым, обосновать наличие у нейтрино анапольного момента. Нейтрино построено на основе одностороннего тора (поверхности Клейна). Именно благодаря тому, что тор является односторонним, знак анапольного момента зависит только от ориентации заполняющих тор электрических силовых линий. Для нейтрино и антинейтрино эти ориентации различны, что приводит к разному знаку анапольного момента. Это объясняет, почему нейтрино притягивается и взаимодействует только с d-кварками, а антинейтрино – с u-кварками. Различие знаков анапольного момента является единственным отличием нейтрино и антинейтрино.
2. Оценим энергию взаимодействия анапольного момента нейтрино с магнитным моментом кварка, для случая, когда кварк расположен в центре тора, на основе которого сформирован анапольный момент нейтрино. Данное расположение означает совмещение точек приложения магнитного момента кварка и анапольного момента нейтрино, и соответствует максимальной величине энергии взаимодействия.
Линейный размер кварка положим равным а ~ 10^-17 см, а средний радиус тора, на основе которого образовано нейтрино, r ~ 10^-16 см. С точностью до коэффициентов порядка единицы (отношение скорости кварка к скорости света, отношение заряда кварка к элементарному заряду), магнитный момент кварка равен m = е*а, а создаваемая этим моментом напряженность магнитного поля Н ~ m / r^3.
Таким образом, энергия взаимодействия анапольного момента нейтрино с магнитным моментом кварка, в случае их практически полного совмещения, имеет величину
W ~ (T * rot H) ~ е*10^-34 * 1/ r * (е*а / r^3) ~ е^2 / 10^-13 (СГС) ~ 1,5 Мэв.
Неучтенные коэффициенты меньше единицы, однако, обусловленное этими коэффициентами уменьшение найденной величины может быть компенсировано уменьшением параметра r: в действительности размер нейтрино лишь незначительно превышает размер кварков.
Вывод раздела II: нейтрино, вероятно, обладает анапольным моментом, а энергия взаимодействия анапольного момента нейтрино с магнитным моментом кварка имеет достаточную величину, чтобы осуществлялась реакция обратного бета-распада.
III. Чтобы взаимодействие анапольного момента нейтрино с магнитным моментом кварков можно было использовать на практике, сечение взаимодействия должно быть достаточно большим.
Большая величина сечения магнитного взаимодействия нейтрино и кварков достигается благодаря тому, что в реакции будут участвовать нейтрино, скорость которых равна скорости нуклонов в ядрах рабочего вещества. В этом случае нейтрино будет пересекать нуклоны с близкой к нулю скоростью, вследствие чего нуклон успеет совершить большое число колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению распространения нейтрино, и один из кварков с вероятностью близкой к единице окажется на пути нейтрино и попадет в отверстие тора, на основе которого образовано нейтрино.
Столкновение нейтрино с кварком произойдет независимо от того, в какую часть нуклона попадет нейтрино, поэтому сечение взаимодействия нейтрино и кварка посредством их анапольного и магнитного моментов может достигать площади сечения нуклона ~10^-26 см^2. Этой величины достаточно, чтобы данное взаимодействие можно было использовать в практических целях.
Для справки. Кварки представляют собой части единой поверхности (поверхности Боя), на основе которой образованы адроны. Данная поверхность содержит 3 части, которые неотделимы друг от друга и носят название лепестков. У нейтрона два лепестка находятся в зарядовом состоянии -1/3 (d-кварк), а третий лепесток – в состоянии +2/3 (u-кварк), тогда как у протона два лепестка находятся в зарядовом состоянии +2/3 (u-кварк), а третий лепесток – в состоянии -1/3 (d-кварк). Преобразование нейтрона в протон (и обратно) заключается в изменении зарядового состояния одного лепестка, когда на лепесток «надевается» нейтрино (антинейтрино). При этом кварк и нейтрино (антинейтрино) обмениваются электрическими силовыми линиями, которые имеются на лепестке и на поверхности одностороннего тора, в результате чего заряд лепестка изменяется на 1 и кварк переходит в другое зарядовое состояние. Данный переход соответствует вынужденному переходу нуклона в другое зарядовое состояние, обладающее большей энергией. Одновременно с данным переходом происходит рождение электрона или позитрона. В совокупности эти два процесса и составляют эффект обратного бета-распада.
IV. Для того, чтобы проверить существование эффекта магнитного взаимодействия нейтрино с кварками, необходимо создать источник нерелятивистских нейтрино, скорость которых будет совпадать со скоростью нуклонов в атомных ядрах v ~ 1/4 с ~ 75 000 км/сек (с - скорость света).
Такой источник можно создать, используя эффект преобразования в пару нейтрино-антинейтрино двух фотонов, энергия которых совпадает с массой нейтрино. Для реализации данного эффекта необходимо, чтобы сталкивающиеся пучки фотонов имели достаточно большую интенсивность.
Таким образом, создание источника нерелятивистских нейтрино требует решения 2-х задач:
1. измерение массы нейтрино,
2. создание мощного источника излучения на частоте, равной массе нейтрино.
Масса нейтрино, вероятно, располагается на границе дальнего инфракрасного и террагерцового диапазонов. Если это соответствует действительности, то используемые в настоящее время методы измерения массы нейтрино не способны привести к успеху. Поэтому имеет смысл предпринять сканирование указанных диапазонов с помощью экспериментальных установок, в которых будут сталкиваться интенсивные пучки излучения. Частотный интервал, в котором будет наблюдаться генерация потоков нерелятивистских нейтрино и антинейтрино, и будет соответствовать массе нейтрино.
Данные эксперименты целесообразно осуществить, поскольку с их помощью не только будет определена масса нейтрино, но и подтверждено наличие у нейтрино анапольного момента, а также существование взаимодействия анапольного момента нейтрино с магнитным моментом кварков.
Кроме того, экспериментальные установки явятся уменьшенными копиями предлагаемого источника энергии, и их создание станет первым шагом для реализации данного источника.
Мощные источники террагерцового диапазона уже созданы, поэтому к сканированию данного диапазона можно приступить немедленно.
V. Рабочий цикл данного источника энергии будет состоять из 2-х процессов бета-распада: один из этих процессов будет естественным, а другой – обратным, причем эти процессы будут иметь разный знак (в одном из них будут рождаться электроны, а в другом – позитроны). После завершения данного цикла, ядра рабочего вещества будут возвращаться в исходное состояние, и будет происходить рождение пар электрон-позитрон. Энергия электронов и позитронов, которые будут рождаться ядрами рабочего вещества в обеих частях рабочего цикла, и составит энергетический выход данного источника.
Таким образом, работа данного источника энергии будет осуществляться путем циклического изменения нуклонного состава ядер рабочего вещества: в источнике будет происходить регулярный процесс преобразования протонов в нейтроны и обратно.
Энергия, за счет которой осуществляется циклическое преобразование ядер рабочего вещества, будет иметь магнитную природу. Именно энергия взаимодействия магнитного момента кварков с анапольным моментом нейтрино компенсирует энергию, которая будет расходоваться ядрами рабочего вещества на рождение электронов и позитронов, генерируемых в процессе данных преобразований.
Вырабатываемая данным источником энергия будет получаться в процессе взаимодействия анапольного и магнитного моментов нейтрино и кварков. Сначала магнитная энергия взаимодействия данных частиц преобразуется в энергию электрона (позитрона) и нуклон переходит в другое зарядовое состояние, обладающее большей энергией. Затем нуклон возвращается в исходное состояние, и при этом происходит рождение позитрона (электрона). В итоге, ядра рабочего вещества будут оставаться, в среднем, неизменными и, вместе с тем, будет происходить рождение электрон-позитронных пар.
Количество ядер рабочего вещества и частота следования рабочих циклов могут быть достаточно большими, поэтому мощность данного источника также может быть сделана чрезвычайно большой.
Приложение №1.
Дополнительные замечания относительно механизма работы и практической реализации предлагаемого источника энергии.
1.1. Отличительной особенностью данного источника энергии является то, что ядра рабочего вещества будут испытывать циклические изменения нуклонного состава (в отличие от известных источников ядерной энергии, в которых происходят необратимые изменения атомных ядер).
Благодаря этой особенности, источник будет обладать следующими важными достоинствами:
1. отсутствует необходимость пополнять рабочее вещество,
2. источник можно сделать свободным от радиоактивных отходов.
Еще одной особенностью является то, что совмещение магнитных моментов нейтрино и кварков будет осуществляться с точностью менее 10^-18 метров. Вследствие этого данный источник можно отнести к аттотехнологии и наименовать субъядерным или кварковым.
1.2. Принцип работы источника энергии можно изложить в виде следующих 4-х пунктов:
1. Работа источника энергии осуществляется путем циклического изменения нуклонного состава ядер рабочего вещества в результате реакций естественного и обратного бета-распадов.
2. Большое сечение реакции обратного бета-распада достигается благодаря тому, что в реакции участвуют нерелятивистские нейтрино, скорость которых совпадает со скоростью нуклонов.
3. Взаимодействие, приводящее к реакции обратного бета-распада, имеет магнитную природу: это взаимодействие магнитного момента кварков и анапольного момента нейтрино.
4. Вырабатываемая источником энергия имеет в своей основе энергию, которая выделяется при совмещении анапольного момента нейтрино с магнитным моментом кварков.
Большая величина энергии магнитного взаимодействия нейтрино и кварков будет достигаться благодаря практически полному совмещению анапольного момента нейтрино с магнитным моментом кварков, а большая величина сечения – благодаря тому, что во взаимодействии будут участвовать нейтрино, скорость которых будет совпадать со скоростью нуклонов в ядрах рабочего вещества.
Суть предлагаемого источника энергии заключается именно в том, что в нем осуществляется совмещение анапольного момента нейтрино с магнитным моментом кварков, как в обычном пространстве, так и в пространстве скоростей.
1.3. Последовательность этапов разработки данного источника:
1. создается источник нерелятивистских нейтрино, скорость которых равна скорости нуклонов в ядрах рабочего вещества,
2. поток нейтрино направляется на рабочее вещество, в качестве которого используются изотопы, образовавшиеся в результате естественного бета-распада, и наблюдается эффект обратного бета-распада, обусловленный магнитным взаимодействием нейтрино с кварками в ядрах рабочего вещества,
3. энергия электронов и позитронов, которые образуются в процессах естественного и обратного бета-распадов, преобразуется в полезные виды энергии.
Наибольшую сложность представляет первый шаг: создание источника нерелятивистских нейтрино.
1.4. В качестве рабочего вещества могут быть выбраны любые изотопы, находящиеся в непосредственной близости от границ протонной или нейтронной нестабильности. При облучении потоком нерелятивистских нейтрино или антинейтрино, ядра рабочего вещества будут переходить одну из указанных границ, после чего будут испытывать естественный бета-распад.
Работа источника энергии будет заключаться в том, что ядра рабочего вещества будут совершать циклические переходы через одну или обе границы нестабильности.
В данном источнике будет происходить непрерывное восстановление способности ядер к естественному бета-распаду. Фактически, будет осуществляться управление процессами бета-распада, а инструментом управления явятся потоки нерелятивистских нейтрино (антинейтрино).
В первых источниках в качестве рабочего вещества целесообразно выбрать гелий-3. При взаимодействии с потоком нерелятивистских антинейтрино, ядра гелия-3 будут испытывать обратный бета-распад, и превращаться в ядра трития. При этом будет происходить испускание позитронов. Затем ядра трития будут самопроизвольно превращаться в ядра гелия-3 с испусканием электронов.
В дальнейшем могут быть использованы изотопы с более коротким периодом полураспада.
1.5. В общих чертах, конструкция данного источника энергии будет представлять собой рабочий объем, заполненный веществом с требуемыми свойствами, и пронизанный отверстиями, обладающими волноводными свойствами для электромагнитного излучения резонансной частоты.
В волноводы будут вводиться мощные пучки излучения, частота которого совпадает с массой нейтрино. При столкновении пучков будет происходить преобразование пар фотонов в пары нейтрино-антинейтрино, которые будут взаимодействовать с ядрами рабочего вещества. В результате данного взаимодействия будут рождаться электроны (или позитроны), а ядра рабочего вещества будут переходить в другое зарядовое состояние. Далее эти ядра будут совершать самопроизвольный переход в основное состояние, и в этом переходе также будет происходить рождение позитронов (или электронов).
Образующиеся электроны и позитроны будут собираться на разных поверхностях, благодаря чему между этими поверхностями будет создаваться разность потенциалов. Кроме того, на поверхности, выполняющей функцию катода, позитроны будут аннигилировать, и будет рождаться гамма-излучение, энергия которого также будет преобразовываться в полезные виды энергии.
1.6. Работа источника будет осуществляться в полном согласии с законом сохранения энергии.
Вырабатываемая данным источником энергия будет иметь магнитную природу: в источнике будет происходить преобразование магнитной энергии взаимодействия анапольного и магнитного моментов нейтрино и кварков. Сначала эта энергия будет преобразовываться в энергию электронов и позитронов, а затем энергия этих частиц будет преобразовываться в другие виды энергии.
Если анапольный момент нейтрино и магнитный момент кварка будут иметь одинаковое направление, то взаимодействие между ними будет иметь характер притяжения. Вследствие этого, при сближении нейтрино и кварка энергия системы «кварк + нейтрино» будет уменьшаться. Разность между энергией начального и конечного состояний этих частиц и составит полезный выход данного источника.
В процессе взаимодействия нейтрино и кварк претерпят изменения, следствием которых явится образование пары электрон-позитрон. На осуществление этих изменений и будет расходоваться энергия, выделяющаяся в результате магнитного взаимодействия нейтрино и кварков. Далее энергия электрон-позитронных пар может быть достаточно легко преобразована в любой полезный вид энергии.
Подчеркну, что энергия, которая будет вырабатываться данным источником, будет черпаться из энергии взаимодействия магнитных моментов нейтрино и отдельных частей нуклонов (кварков).
1.7. Графически используемый в данном источнике эффект можно представить в виде резонансного пика на графике зависимости сечения взаимодействия нейтрино с нуклонами от энергии нейтрино. Резонансный пик располагается в области предельно малой энергии: положение и ширина пика определяются абсолютной величиной и разбросом скоростей нуклонов в ядрах рабочего вещества.
С феноменологической точки зрения, используемый в данном источнике эффект аналогичен эффекту дисперсии электромагнитных волн: в данном случае имеет место эффект дисперсии нейтрино.
1.8. Причина, по которой эффект магнитного взаимодействия нейтрино с кварками до настоящего времени не проявлялся в экспериментах, заключается в том, что не были выполнены условия:
1. скорость нейтрино совпадает со скоростью кварка,
2. магнитные моменты нейтрино и кварка ориентированы в одном направлении.
В предлагаемом источнике энергии будут выполнены оба условия.
1.9. Процессы, которые будут осуществляться в данном источнике энергии, будут сопровождаться нарушением четности. Вследствие этого, в рабочем веществе будет вырабатываться пространственный импульс, который может быть использован для создания принципиально нового типа двигателей.
1.10. Описанный источник энергии и импульса, вероятно, реализуется во многих типах космических объектов, начиная от ядра Земли и заканчивая ядрами галактик. Астрофизические аспекты данного источника энергии и импульса предполагается рассмотреть в следующих работах.
Приложение №2.
С целью лучшего понимания процессов, которые будут протекать в данном источнике энергии, опишем грубую механическую модель этих процессов.
Рассмотрим плоскую поверхность, на которой с достаточно большой плотностью, случайным образом вставлены стержни, на которых имеется резьба. Стержни способны вращаться вокруг своей оси, и могут занимать 2 положения, которые различаются энергией. Из положения с большей энергией стержень в течение короткого времени возвращается в исходное положение.
На поверхность падает поток колечек, на внутреннем диаметре которых нарезана такая же резьба. Оси симметрии колечек и стержней параллельны. Скорость колечек относительно поверхности много меньше скорости, с которой поверхность совершает хаотические колебания в своей плоскости. Благодаря этому каждое колечко с вероятностью близкой к единице окажется над вершиной одного из стержней.
Стержни и колечки снабжены спиральными пружинками, которые находятся в растянутом состоянии. Когда колечко оказывается над вершиной стержня, пружинки объединяются и растяжение снимается, после чего образовавшаяся общая пружина накручивает колечко на стержень.
В процессе накручивания, колечко изменяет форму и превращается в шарик определенного цвета, а стержень переходит в положение с большой энергией. Затем стержень возвращается в исходное положение и, за счет запасенной энергии, образует точно такой же шарик другого цвета.
Шарики разных цветов собираются на разных сторонах поверхности, благодаря чему происходит запасание энергии в виде разности потенциалов. Кроме того, при соприкосновении шариков разного цвета происходит выделение энергии в виде микровзрывов.
Если отождествить поверхность с рабочим веществом, стержни – кварки, колечки – нейтрино, пружины – силовые линии магнитного поля, шарики разного цвета – электроны и позитроны, получим достаточно наглядную модель работы предлагаемого источника энергии.