Интенсификация процессов ХТЯ и ХЯС
Дата: 21/02/2020
Тема: Атомная наука


А.В.Косарев, д.т.н., профессор, Оренбург

Исходя из представлений, что процессы холодной трансмутации ядер (ХТЯ) и холодного ядерного синтеза (ХЯС) объясняются в рамках уже давно известных закономерностей ядерной физики, предложены способы интенсификации этих процессов. Холодная трансмутация ядер связывается с электронным захватом на наводороженных поверхностях и закономерностями нейтронной физики.



Холодный ядерный синтез связывается с физическими условиями кавитирующих жидкостей, при которых обеспечивается производство частиц высоких энергий и высокая плотность частиц мишеней. И эффект электронного захвата и максвелловское распределение, приводящее к получению частиц высокой энергии описаны и используются в теории ядерной физики, но их проявления не вносили весомого вклада в энергетику процессов. Внимание на них не заострялось.

Развитие экспериментальной и производственной практики привели к проявлению в физических условиях наводороженных поверхностей и кавитирующих жидкостей явлений ХТЯ и ХЯС. Но на сегодняшний день при наличии явных успехов экспериментаторов, процессы ХТЯ и ХЯС наблюдаются на грани своего проявления и стабильности. Предлагаются способы управления физическими условиями с целью стабилизации и интенсификации процессов ХТЯ и ХЯС.

 

Ключевые слова: ХТЯ, ХЯС, электронный захват, наводороженные поверхности, нейтронная физика, кавитация, Максвелловское распределение, туннельный эффект, физические условия, интенсификация.

 

Уже как минимум три десятка лет внимание исследователей приковано к загадочным явлениям ядерной физики, так и не находящих однозначного толкования. Это явления связанные с гидродинамической и акустической кавитацией, эффектом Росси, биотрансмутацией ядер. Главной проблемой для исследователей стала трудная воспроизводимость, а вернее даже не воспроизводимость заявленных экспериментов. Это стало причиной того, что тема новых явлений не получила признания в широкой научной среде и держалась лишь на энтузиазме небольшой группы подвижников. Лишь в последнее время в результате успешных работ, в первую очередь Пархомова А.Г. и Корниловой А.А., наметились направления обещающие успех.

Параллельно развиваются исследования загадочных явлений «сверхединичности», наблюдаемых в процессах гидродинамической и акустической кавитации. Подробно они перечислены в [8] и в [23].

Ниже излагается понимание новых загадочных явлений, опираясь на устоявшиеся и общепризнанные положения ядерной физики. Показана причина слабой воспроизводимости и неустойчивости результатов экспериментов, намечены пути интенсификации ХТЯ и ХЯС


1. Исходные положения и позиция автора 

К настоящему времени предложено свыше 100 гипотез и механизмов по объяснению новых явлений. [20]. Все они противоречат и друг другу и достаточно прочно установленным фактам ядерной физики.

В ранее опубликованных статьях [10, 11, 12, 13] мною излагается понимание новых загадочных явлений с опорой на существующие устоявшиеся положения ядерной физики, на твёрдо установленные экспериментальные данные. А накопленные знания свидетельствуют о том, что существуют только два канала проникновения вещественной частицы в зону сильного взаимодействия, ведущее к превращению ядер сопровождающихся, в том числе, и выделением энергии. Первый, это преодоление кулоновского барьера для заряженных частиц и второй, для нейтрального нейтрона вход в ядро всегда открыт. Нужно только в него попасть. Если речь идёт о холодной трансмутации ядер, при которой энергии взаимодействия недостаточны для преодоления кулоновского барьера, то остаётся только нейтронный канал.

В указанных выше работах я пытаюсь показать, что ХТЯ и ХЯС не являются новыми явлениям ядерной физики. Они известны и изучены ядерной физикой давно. Электронный захват с рождением нейтрона и последующие возможные реакции нейтронной физики изучены теоретически и подтверждены экспериментально. [1, 27]. Для физиков ядерщиков не является противоречивой и возможность появления частицы высокой энергии в хвосте максвелловского распределения, способной преодолеть кулоновский барьер. Однако эти эффекты носили столь мало вероятностный характер, что воспринимались экзотическими, малозначащими для ядерных технологий и ядерной энергетики.

Ситуация изменилась с развитием технологической практики. Эффекты заметно проявились в новых и неожиданных физических условиях кавитации и наводороженных поверхностей. Последовательное развитие технологий и экспериментальной техники привели к возникновению благоприятных условий для проявления ХЯС и ХТЯ, что и стали наблюдать практики и экспериментаторы. При кавитации условия благоприятны для преодоления кулоновского барьера, а в условиях наводороженных поверхностей для интенсификации электронного захвата.

Проблема для понимания заключалась в том, что случайно найденные физические условия вызывали реакции ХЯС и ХТЯ на грани их проявления. Это и стало причиной нестабильности результатов экспериментальных работ и скептического отношения большинства физиков - ядерщиков. Трудности с интерпретацией результатов экспериментов связаны ещё и с тем, что при граничном проявлении загадочных явлений на них накладывались и другие случайные явления. Необходимо, например, иметь в виду и такое явление как ливни заряженных частиц, возникающих в атмосфере Земли под воздействием космических частиц сверх высоких энергий.

Всегда есть вероятность возникновения ядерных процессов в экспериментальной установке под воздействием ливней частиц высоких энергий. Эти события не зависят от условий и целей опыта, но могут влиять на результат. И только многократные повторные эксперименты отделят случайность от искомой закономерности. Сложность анализа экспериментов по ХЯС и ХТЯ связана ещё с таким моментом. Реакции одного типа порождают вследствие своего течения, реакции другого типа. Например, реакция ХЯС, как и положено реакции синтеза, протекает с выделением нейтронов.

Выделившиеся нейтроны захватываются окружающими ядрами и это приводит к реакциям ХТЯ. Последние могут вызвать цепочку превращений, в том числе не исключены и реакции деления. Отсюда и многообразие проявлений в том числе “странных” излучений. Когда производится анализ экспериментов по новым явлениям ядерной физики (ХЯС и ХТЯ) необходимо чётко разделять реакции синтеза лёгких элементов (ХЯС) от реакций трансмутации, связанных с искусственной радиоактивностью и распадом (ХТЯ). Первые определяются физикой преодоления кулоновского барьера, вторые нейтронной физикой. Холодный ядерный синтез (ХЯС) и холодная трансмутация ядер (ХТЯ) принципиально различные явления ядерной физики и соответственно проявляются в различных физических условиях. [13].

Зайцев Ф.С. в своём докладе на семинаре РУДН [5] упоминает о электронном захвате, называя его известным процессом, но не видит такую возможность ядерных превращений для объяснения ХТЯ. Это можно объяснить тем, что Зайцевым Ф.С., как и практически всеми специалистами в области ядерной и теоретической физики, электронный захват воспринимается экзотическим, малозначащим эффектом.

Из той информации, что мне удалось почерпнуть только один физик - Черепанов А.И. [25, 26] последовательно и убеждённо отстаивает взгляды на то, что именно электронный захват лежит в основе процесса ХТЯ. Но его не слышат. Возможно это связано с тем, что Черепанов А.И. особый упор делает на магнитные закономерности, видя в них основу всех материальных проявлений. Для него и слабое и сильное взаимодействие имеют магнитную природу. Это пока не находит понимания, хотя и веских доводов против тоже нет. Отметим, что для Черепанова А.И. неразличимость явлений ХЯС и ХТЯ естественна. Он не признаёт кулоновский барьер. У него и ХЯС и ХТЯ связаны с магнитными явлениями. Для тех же авторов, которые признают реальность кулоновского барьера, такое смешение понятий не допустимо. Отметим, что на наш взгляд реальность кулоновского барьера, создаваемого ядром, доказана Резерфордом уже при экспериментальном открытии ядра.

Проявление ХЯС в условиях кавитации связывается мною с физическими условиями кавитирующих жидкостей, при которых обеспечивается производство частиц высоких энергий и высока плотность частиц-мишеней. Высокая плотность частиц-мишеней способствует интенсификации проявления туннельного эффекта. [10,13].

Моя позиция состоит в том, что в своих представлениях и выводах я отталкиваюсь только от тех принятых теоретических положений, которые опираются на многочисленные эксперименты и практику, а так же на эксперименты пока не находящие убедительного объяснения, но твёрдо установленные. Накопленных ядерной физикой знаний достаточно для понимания явлений ХТЯ и ХЯС.

Я говорю только о твёрдо установленном эффекте электронного захвата, приводящего к образованию нейтронов, не вдаваясь в детали эффекта. В физических условиях наводороженной поверхности е-захват становится значительным и стабильным источником ультрахолодных нейтронов, порождающих цепочки хорошо изученных закономерностей нейтронной физики. [1, 27]. Говорю о большой вероятности ХЯС в условиях кавитации. [10, 13]. Я лишь исследую тот путь, который нащупали физики экспериментаторы.

 

2. Интенсификация процессов холодной трансмутации ядер.

В данном пункте рассмотрим ядерные реакции и превращения протекающие в физических условиях наводороженных поверхностей. Здесь в результате заметного проявления электронного захвата производятся медленные нейтроны и начинают действовать известные и хорошо изученные закономерности нейтронной физики. Задача данного пункта попытаться выяснить управляющие параметры, влияющие на интенсивность производства медленных нейтронов, и найти возможные пути интенсификации ядерных процессов нейтронной физики, отличных от условий цепных ядерных реакций.

 

2.1. Физика холодной трансмутации ядер.

Реальные успехи в изучении ХТЯ начались со случайного открытия профессора Пиантелли. “Началось всё в августе 1989 года. Профессор Франческо Пиантелли работал с бактериями в водородной среде на никелевой подложке. Он заметил, что бактерии гибнут и связано это с повышением температуры никелевой подложки. Он продолжил исследования в физической лаборатории  университета Сиены и обнаружил эффект аномального выделения тепла в никель-водородных системах. В 1990 году  F. Piantelli получает четыре успешных повторений эксперимента в Сиене, а в 1991 году начинает сотрудничать с профессором физики S. Focardi  из Болонского университета ... ”. [17].  В период с 1993 по 1997 гг. в сотрудничестве с группой экспертов в области катализа и гидрирования Пиантелли установил некоторые виды энергетических вкладов различных явлений, происходящих в поверхностной области металлического никеля в присутствии водорода (выделено автором данной статьи). [17]. 

В 2007 году началось сотрудничество Фоккарди и Росси. Исследователи пришли к выводу, что причиной тепловых явлений стали какие-то взаимодействия связанные с поверхностной структурой никеля и присутствием на этой поверхности водорода. Видимо с целью усиления эффекта тепловыделения и возникла мысль использовать наводороженные нано структуры никеля. Нано структуры позволяли получить большие поверхности для реакции. Мысль оказалась продуктивной и в 2011 году Росси представил свой реактор Е-Сат и был получен патент. Согласно патентной заявке, которую подали Росси и его соавтор Фоккарди, в реакторе происходит «экзотермическая реакция между водородом и никелем, с выделением меди».

Все попытки воспроизвести установку Росси в других лабораториях оканчивались безрезультатно, что охладило интерес и вызвало много подозрений. Но в 2015 году Пархомовым А.Г. из  МГУ был успешно проведён эксперимент на реакторе, аналогичном Е-Сат НТ Андреа Росси. Пархомов А.Г. упростил конструкцию реактора по сравнению с экспериментальной установкой в Лугано (см. Рис. 1) .

Рис.1. Реактор А.Г. Пархомова (упрощенный вариант экспериментальной установки Е-Сат Росси). Рисунок взят из [18].

В опыте Пархомова А.Г. удалось в 2,5 раза превысить выходную энергию над затраченной.

Много интересных фактов представлено в докладе Пархомова А.Г. на сочинской конференции. [16]. Во-первых, активная зона реактора заполняется опять же никель - литий - водородным топливом. Пархомов А.Г. говорит о температуре  подогрева смеси до 1200ºС и более. При таких температурах в активной зоне появлялось избыточное тепловыделение. Ассортимент элементов после работы реактора стал значительно больше чем перед началом работы, т.е. возникло много новых элементов.

В [22] описаны, наряду с работами Росси, результаты работы группы японских исследователей, опубликованные в 2018г., по теме эффекта Росси. Отметим, что и в этих исследованиях фигурируют различные нано композиты, в том числе с присутствием никеля и водорода. Причём из публикации следует, что избыточное тепловыделение отмечалось в системах с присутствием никеля. Также указывается, что производилось повышения температуры рабочей среды реактора до 200-300 ºС.

Отметим исключительную важность физических условий наводороженности поверхности для проявления ХТЯ. Как верно отметил Просвирнов А.А. [17]: “Известно, что концентрация Н2 в поверхностном слое превышает примерно в 10 раз концентрацию Н2 в глубине образца. Из этого можно сделать вывод, что все процессы НЭЯР происходят в поверхностном слое и площадь поверхности играет определяющую роль в интенсификации процессов НЭЯР”. В [11] мною сделано обоснование повышения эффективности электронного захвата в условиях отрицательного поверхностного потенциала.

Поверхностный заряд структуры никеля упорядочивает движение орбитального электрона атома водорода. Орбитальный электрон может двигаться только в плоскостях параллельных поверхности и совершать колебательные движения плоскости орбиты возле срединного значения, что увеличивает вероятность электронного захвата протоном. Во всех успешных экспериментах по ХТЯ создавались условия большой удельной поверхности на единицу массы наводораживаемого агента. Пархомов А.Г использовал микро порошок, японские исследователи нано плёнки, а А. Росси использовал наноструктуры с развитой поверхностью. Наноструктуры А. Росси изображены на Рис. 2.

Увеличение удельной поверхности на единицу массы наводораживаемого никеля в отмеченных выше экспериментах достигалось: [17].  

- уменьшением диаметра песчинок порошка;

- пористостью материала;

- формированием специальной поверхности песчинок порошка (см. Рис. 2).

Рис.2.  Топливо Е-Сат [17].

Странно, но даже Черепанов А.И., единственный кто связывает реакции ХТЯ (НЭЯР, LENR) с эффектом электронного захвата, не отмечает важность физических условий наводороженной поверхности, на чём давно настаивает Просвирной А.А. Возможно Черепанову А.И. это представляется очевидным, но ведь для большинства электронный захват для ХТЯ вообще не представляет интереса. И только Просвирнов А.А. увязывает достижения экспериментаторов с наводороженностью поверхности.

Просвирнов А.А. высказывает и другое важное предположение, “что для инициации НЭЯР необходимо достигнуть некой критической температуры, при которой колебания решетки твердого Ni могут вызвать реакцию. Здесь важно не допускать плавления, так как это приведет к затуханию реакции. Этот параметр остается самым сложным на сегодняшний день, так как часто приводит к разрушению экспериментальной ячейки. У Пиантелли его ячейка уже работает годами, правда небольшой мощности. Проработавшая год 1 МВт установка А.Росси изредка давала сбои и требовала вмешательства ...”. [17].   

Нами в [11] высказан возможный механизм влияния температуры на интенсивность электронного захвата на наводороженной поверхности.

Подводя итог данному пункту выпишем последовательную цепочку физических условий и механизмов приводящих к проявлению холодной трансмутации ядер. На наводороженных поверхностях (наиболее изучены никель наводороженные поверхности) создаются физические условия для заметного проявления эффекта электронного захвата. [11]. В результате электронного захвата возникают ультрахолодные нейтроны, которые захватываются ядрами окружающих элементов (изотопов). Начинают протекать различные цепочки ядерных превращений в соответствии с закономерностями нейтронной физики. Появляются новые изотопы и элементы, выделяется тепло. Проявляются соответствующие этим реакциям излучения. Слабость излучений связана с малой энергией нейтронов.

 

2.1.1. Физика  трансмутации ядер в биологическиз системах

В русле закономерностей нейтронной физики, объясняющих явления холодной трансмутации ядер, лежит и удивительное явление биологической трансмутации, открытое в экспериментах Корниловой А.А. Физика трансмутации ядер в биологических системах достаточно подробно изложена мною в [12]. Схожий результат по трансмутации новых элементов в опытах Корниловой А.А. и Пархомова А.Г. указывает на единую физику процессов ядерных превращений, на то что биофизические условия клеточных мембран микробиологических культур создают те же физические условия для интенсификации электронного захвата, что и физические условия наводороженных неорганических поверхностей.

Рис.3. Схема билипидного слоя биологической мембраны

Биологические мембраны формируются в водной среде методом само сборки из фосфолипидных молекул. Фосфолипидная молекула изображена на Рис. 3 слева. Рисунок взят из [21], где обозначен под номером 3.18. Молекула фосфолипида состоит, как видно на рисунке, из полярной (гидрофильной) головки и двух гидрофобных углеводородных хвостов. В силу этих свойств фосфолипидные молекулы в водной среде образуют билипидные мембраны как изображено на Рис. 3 справа. Рисунок взят из [21], где обозначен под номером 5.15в. Мембрана своими полярными гидрофильными головками обращены к водной среде и между головками мембраны и молекулами воды возникают гидратационные силы связи. По поверхности биологической мембраны молекулы воды (а стало быть и атомы водорода) расположены непрерывным слоем и относительно упорядоченно. Таким образом биологическая мембрана в живой клетке является наводороженной поверхностью.

Встаёт вопрос об инициации квантового перехода атома водорода в состояние нейтрона на биологических мембранах. В условиях наводороженных поверхностей неорганических веществ (никель, например) инициация перехода обеспечивается подогревом. У японских исследователей нагрев производился до температуры 200 – 300 ºС [22], у Пархомова А.Г. до 1200 ºС. В установке А. Росси (прототипе установки Пархомова А.Г.) температура примерно та же. Температура же биологических культур составляла +32ºС. В чём причина такой разбежки по температуре? Причина видится в различном материале поверхностей, используемых для наводораживания. А. Росси и Пархомов А.Г. используют для наводораживания поверхность никеля, следуя за Пиантелли. Японские исследователи [22] используют для наводораживания поверхности из нанокомпозитов. У них избыточная мощность наблюдалась в системах H – Pd ·Ni  H – Cu · Ni. Присутствие в составе наводораживаемой поверхности палладия или меди приводят к существенному снижению температуры инициации реакции до 200 - 300 ºС. В условиях биологических мембран реакция протекает в термостате при температуре +32ºС. [3, 4]. Авторы [14] так же не упоминают о подогреве.

 

Рис.  4.  Структурная химическая формула головка липида.  [21, стр. 124].

Рассмотрим рисунок - 4, на котором изображена структурная химическая формула головка липида, которая на Рис. 3 изображена в виде кружка. Мы видим, что поверхность биологической мембраны представляет собой поверхность из атомов углерода со связанными с атомами углерода атомами водорода. То есть биологическая мембрана представляет собой идеальную наводороженную углеродную поверхность. При этом, как следует из экспериментов, в физических условиях наводороженной углеродной поверхности интенсивный е-захват и инициация реакций происходят уже при температуре +32ºС. 

Получается, что никель не лучший материл для использования в реакторах ХТЯ. Он принёс лишь дополнительные трудности с реализацией ХТЯ. А. Росси и Пархомов А.Г. использовали никель вслед за Пиантелли, у которого никелевая пластинка для целей трансмутации оказалась случайно. У меня нет полной информации об опытах Пиантелли. Я пользуюсь тем что изложено у Просвирнова А.А. в [17]. И тем не менее можно сделать некоторые выводы. У Пиантелли никелевая пластина не имела никакого отношения к избыточному теплу приведшему к гибели микроорганизмов. Для инициации реакции ХТЯ

в физических условиях наводороженной поверхности никеля (согласно экспериментов А. Росси и Пархомова А.Г.) требуется температура свыше 1000 ºС. У Пиантелли речь идёт о температуре гибельной для микроорганизмов, т.е о температуре в районе 100 ºС. Пиантелли скорее всего наблюдал биологическую трансмутацию в условиях микробиологических культур. Видимо и в экспериментах Корниловой А.А. в результате биотрансмутации температура поднималась до уровня гибельного для микро культур. По этой причине она вероятно и использовала термостат.

2.2. Возможные способы интенсификация процессов холодной трансмутации ядер

Из изложенного выше следует, что важнейшим направлением интенсификации ХТЯ является увеличение удельной поверхности на единицу массы наводороженного агента. В качестве второго направления можно проверить эффективность различных материалов для наводораживания. Представляется интересным объединить достижения Пархомова А.Г. и Корниловой А.А. и использовать в установке Пархомова А.Г., проработавшей 7-мь месяцев вместо насыщенного водородом никелевого порошка, насыщенный водородом порошок угольной пыли. Технология получения угольной пыли в использованием различных дробилок уже давно применяется на угольных электростанциях. Так что получить угольную пыль тонкого помола не представляет трудностей.

Расчёты показывают что, если кусочек угля диаметром 15 мм раздробить на частицы размером 50 мкм, то суммарная площадь поверхности полученных частиц в 300 раз будет больше поверхности исходной частицы. Угольная пыль представляет собой порошок с размерами частиц от самых мелких пылинок в 0,1 мкм до более крупных (300...500 мкм). Тонкость помола характеризуется остатками на стандартных ситах с ячейками размером 50; 90; 200; 500 и 1000 мкм. Остаток на сите обозначается обычно буквой R. Так, запись R90 =10 % означает, что остаток на сите с размером ячеек 90 мкм составляет 10 % исследуемой порции пыли, а вся остальная пыль проходит через ячейки этого сита. Характеристикой тонины помола является удельная поверхность пыли, т.е. суммарная поверхность частиц 1 кг пыли, м. кв. /кг. Поверхность частиц 1 кг пыли колеблется для пыли разных марок углей в значительных пределах. От 2000 м. кв. /кг для пыли из угля марки антрацит при нормативной тонкости помола R90 = 7 % до 300 м. кв. /кг для пыли бурого угля при нормативной тонкости помола R90 = 60 %.

Возможно использование угольной пыли в реакторах ХТЯ позволит значительно снизить температуру инициации реакций ХТЯ и отказаться от подогрева.

 

3. Интенсификация процессов холодного ядерного синтеза

В этом пункте рассмотрим ядерные реакции и превращения протекающие в физических условиях кавитирующих жидкостей.       

Сверхединичность в физических условиях кавитации остаётся одним из неразгаданных явлений физики. Толчком к выявлению нового физического эффекта здесь так же послужила случайность. В кавитирующей жидкости стали наблюдаться многочисленные эффекты превышения снимаемой тепловой мощности над подводимой к устройствам электрической мощности. Наиболее полно и подробно эти эффекты описаны в [8, 23].

 

3.1. Физика холодного ядерного синтеза

Как известно ядерная физика для осуществления реакции синтеза лёгких ядер требует выполнения двух условий: наличие у лёгкого ядра энергии достаточной для преодоления кулоновского барьера и плотности обеспечивающей вероятность попадания высокоэнергетичного лёгкого ядра в сечение сил ядерного взаимодействия, радиус действия которых имеет порядок 10-15 метра.

Первой была идея термоядерного синтеза. Она была очевидной для преодоления кулоновского барьера отталкивания. Однако по причине чрезвычайной неустойчивости горячей плазмы проблема управляемого термоядерного синтеза не решена до сих пор. А вот идея холодного ядерного синтеза изначально представлялась не приемлемой, т.к. холодная среда на первый взгляд с очевидностью не может обеспечить лёгкие ядра необходимой энергией. Это и стало причиной неприятия самого понятия холодный ядерный синтез. Однако это только на первый взгляд. Теплофизика [6, 15] подсказывает возможность осуществления ядерного синтеза и в условиях относительно холодной среды, при этом не противореча требованиям ядерной физики. Рассмотрим зависимость Максвелловского распределения по скоростям и энергиям частиц многомолекулярной системы. Функция распределения по скоростям имеет следующий аналитический вид:

 

где: n - количество частиц газа в единице объёма, T - температура газа в состоянии равновесия, k - постоянная Больцмана, m - масса частиц газа, ν - скорость частиц газа, dn - число частиц, скорости которых лежат в интервале от ν до  ν + dν.

Функция распределения “определяет долю молекул единицы объёма газа, скорости которых заключены в интервале скоростей, равном единице, включающем данную скорость”. [6]. В равновесной термодинамической системе параметры средней скорости, температуры и среднеквадратичной энергии связаны однозначными зависимостями. Отсюда формула (1) для распределения для энергий частиц имеет аналогичный вид. График зависимости функции распределения изображён на Рис. 5. Из графика на рисунке -5 видно, что всегда в равновесной термодинамической системе имеется вероятность нахождения частиц обладающих большой скоростью и соответственно кинетической энергией. Концентрация частиц, обладающих энергией для преодоления кулоновского барьера и превышающих её, находится из формулы:

 

В (2) Eaкинетическая энергия активации ядерного синтеза, необходимая частице (ядру) для преодоления кулоновского барьера. Для преодоления потенциального барьера сталкивающимся протонам (ядрам водорода) должна быть сообщена энергия Ea  ≥ 10кэВ, что соответствует температуре ≥ 108 °К.  [28]. Наглядно место энергии активации и место частиц, обладающих энергией активации, изображено на рисунке 5 (заштрихованные участки).

 

Рис. 5. Распределение Максвелла по энергиям частиц  (Рисунок взят из Интернет поисковика)

Из графика (Рис. 5) так же видно, что с ростом температуры системы график распределения вытягивается вправо, в сторону больших скоростей (энергий). Количество частиц системы обладающих большой скоростью и соответственно кинетической энергией растёт с ростом температуры и находятся они в хвосте Максвелловского распределения.

Отсюда следует основная идея механизма холодного ядерного синтеза. В системе большого числа свободных частиц всегда имеются, с отличной от нуля вероятностью, высокоэнергетичные частицы способные преодолеть кулоновский барьер и инициировать реакцию ядерного синтеза. Необходимо заметить, что и в горячей плазме реализуется Максвелловское распределение по скоростям и в реакцию синтеза вступают наиболее быстрые ядра. Даже в горячей плазме имеются частицы со скоростью близкой к нулю и естественно они не участвуют в реакциях синтеза.

Эта идея снимает противоречие между холодным ядерным синтезом и термоядерным синтезом. Но проблема для ядерного синтеза в холодной среде воды, содержащей лёгкие ядра водорода состоит в том, что молекул из хвоста распределения Максвелла с энергией достаточной для преодоления кулоновского барьера, ничтожно мало. Отсюда вероятность сильного взаимодействия ядер водорода в воде практически равна нулю. 

Решение проблемы было найдено случайно практиками, наблюдавшими многочисленные эффекты сверхединичности и сонолюминесценции в условиях кавитирующей воды. [8, 23]. Механизм решения проблемы видится следующим. При адиабатном схлопывании пузырьков пара в процессе кавитации его температура резко повышается до 1000 °С и более (по различным литературным данным). Это приводит к увеличению количества высокоэнергетичных частиц из хвоста Максвелла, способных инициировать реакцию синтеза. С другой стороны кавитационных пузырьков большое множество. Совместное действие этих двух факторов (увеличение быстрых частиц с ростом температуры при схлопывании кавитационных пузырьков и огромного количества последних) приводят уже к реальной вероятности ядерного синтеза. Но так как число таких реакций в среде кавитирующей жидкости (воды) всё же очень мало в сравнении с массой воды в теплогенераторе, то выделившейся энергии хватает на разогрев воды на 20 - 50 °С.

При нахождении количественных параметров и зависимостей между ними, необходимых для расчёта холодного ядерного синтеза, нужно различать общую термодинамическую систему кавитатора и подсистему объёма кавитационных пузырьков. Общая термодинамическая система представляет собой таким образом 2-х фазную среду: жидкую фазу и паровую фазу кавитационных пузырьков. В подсистеме кавитационных пузырьков, в среде свободных частиц пара, формируется Максвелловское распределение по скоростям и энергиям частиц. Здесь возникают быстрые высокоэнергетичные частицы их хвоста распределения Максвелла, способные к преодолению кулоновского барьера и вступления в реакцию синтеза. Формула (2) для концентрации высокоэнергетичных частиц действует именно в подсистеме кавитационных пузырьков. Поэтому необходимо определить количественные характеристики этой подсистемы: плотность кавитационных пузырьков, их средние размеры, концентрацию пара в них, совокупный объём и температуру. Исходя из этих количественных параметров находится количество высокоэнергетичных частиц с единице объёма и во всей подсистеме. А вот в качестве ядер - мишеней для высокоэнергетичных ядер водорода служат все ядра водорода и кислорода в объёме камеры кавитации, то есть во всей термодинамической системе объёма кавитатора. Под ядром - мишенью понимаются все те ядра с которыми может столкнуться (попасть в сечение сильного взаимодействия) высокоэнергетичное ядро вне зависимости от их энергии.

Наиболее надёжным способом нахождения количественных характеристик подсистемы кавитационных пузырьков и всей термодинамической системы является экспериментальная работа.

Допустим, что нам известно производство кавитационных пузырьков в единице объёма воды nкав.пуз [шт/сек] и их диаметр. Это нужно в конечном итоге для оценки производства высокоэнергичных ядер и следовательно мощности производства энергии холодного ядерного синтеза. Для этого потребуются математические зависимости параметров процесса кавитации от физических условий и различных факторов. Очевидно, что чем больше общий объём кавитирующей жидкости и плотность пузырьков кавитации тем интенсивнее холодный ядерный синтез (ХЯС) и выше сверхединичность. 

Зная концентрацию кавитационных пузырьков и температуру пара при схлопывании пузырьков можно из (2) оценить концентрацию высокоэнергетичных частиц с энергией Ea  ≥ 10кэВ, что соответствует температуре Т ≥ 108 °К.  [28]. Исходя из общего объёма кавитирующей воды можно найти ожидаемую мощность процесса холодного ядерного синтеза установки.

Отметим, что высокая плотность воды (концентрация ядер водорода и кислорода) обеспечивает необходимую величину макросечения реакций синтеза. Оценки показывают, что в 1-ом литре кавитирующей воды создаются необходимые условия для течения реакции синтеза, что и демонстрируют вихревые теплогенераторы.

При достижении необходимой величины макросечения реакции синтеза, каждая быстрая частица попадает в сечение реакции синтеза (в сечение сильного взаимодействия). Согласно физике туннельного эффекта каждая быстрая частица попавшая в сечение реакции имеет вероятность положительного исхода даже при энергии меньше чем Т ≤ 108 °К. При Т = 108 °К вероятность равна единице и снижается до нуля при снижении энергии быстрых частиц. Но если число быстрых частиц попадающих в сечение реакции достаточно велико, то вероятность положительного исхода реакции равна сумме вероятностей всех быстрых частиц.

минимальное число быстрых частиц из хвоста распределения Максвелла, при котором реакция холодного синтеза становится устойчивой. Дальнейшее увеличение объёма камеры кавитации и интенсивности процесса кавитации приводит к увеличению производства энергии холодного ядерного синтеза и сверхединичности. Ещё одной особенностью физических условий кавитирующей жидкости является увеличение влияния туннельного эффекта. Для действия туннельного эффекта быстрой частице необходимо войти в зону сечения сильного взаимодействия и тогда появляется вероятность реакции синтеза уже при энергиях соответствующих температурам Т ≥ 15 ·106 °К  (в ядре Солнца). А для вхождения в зону сечения сильного взаимодействия гораздо важнее плотность ядер - мишеней, а не энергия быстрых частиц. В этом и сказывается преимущество для холодного ядерного синтеза в условиях кавитирующей воды в сравнении с горячей плазмой, имеющей очень низкую плотность. Выход энергии синтеза в результате отдельного акта взаимодействия не зависит ни от туннельного эффекта, ни от плотности ядер - мишеней. Однако с увеличением плотности последних туннельный эффект сказывается всё сильнее. Это связано с тем, что если у нас много частиц - мишеней (высока их концентрация), то дополнительно вступает в реакцию синтеза относительно большое число частиц с энергией от 15 ·106 °К  (в ядре Солнца) до 108 °К, способных преодолеть кулоновский барьер благодаря туннельному эффекту. Дополнительное количество частиц в единице объёма, способных вступить в реакцию синтеза благодаря туннельному эффекту определится из формулы:

 

Где: E1 - энергия быстрой частицы, при которой вероятность туннельного эффекта становится существенно отличной от нуля; E2 = 108 °К, энергия кулоновского барьера.

Число таких дополнительных частиц велико в сравнении с суммой частиц с энергией Ea  100 ·106 °К из-за экспоненциального закона распределения по скоростям.

3.2. Способы интенсификации ХЯС и повышения коэффициента сверхединичности вихревых теплогенераторов

Как отмечалось выше, если увеличивать число кавитационных пузырьков в единице объёма воды и увеличивать температуру пара в схлопывающихся пузырьках, то вероятность ядерной реакции синтеза будет расти. Но в существующих схемах кавитационных теплогенераторов увеличение плотности кавитационных пузырьков в единице объёма воды имеет предел. Это связано с тем, что увеличение объёма и плотности кавитации в вихревых теплогенераторах приводит к срыву потока теплоносителя на обогрев здания. [24]. Использование для создания кавитации сетевых насосов системы отопления стало видимо главной трудностью на пути практиков при реализации технологий ХЯС. С целью снятия этого противоречия предлагается изменение схемы работы теплогенератора. Необходимо выделить кавитатор из схемы подачи горячей воды потребителю. Принципиальная схема изображена на рисунке - 6.

Рис. 6. Принципиальная схема интенсификации сверхединичности

На рисунке - 6 цифры имеют следующее обозначение: 1 - устройство обеспечивающее высокие и сверхвысокие обороты кавитирующего механизма - 6; 2 - кавитатор, выделенный в отдельное устройство для выработки тепловой энергии в реакциях холодного синтеза. В выделенном устройстве кавитатора легко поддерживать необходимые параметры воды (или иного рабочего агента) по температуре и давлению; 4 - циркуляционный насос системы теплоотвода - 5, которая отводит выработанное тепло в кавитаторе к потребителю (преобразователю) тепла - 3.

Для увеличения температуры пара в схлопывающихся кавитационных пузырьках необходимо увеличение температуры воды в кавитаторе при соответствующем росте давления. При этом давление и температура в кавитационных пузырьках не должны превышать параметры критического состояния: для воды P = 221,2 бар (225,6 атм) и T = 374,15 °C.  [2].  При параметрах превышающих параметры критического состояния нет различия между жидкой и паровой фазами и следовательно не наблюдается процесса кипения и соответственно кавитации. Нас интересует не сам процесс кипения, а кавитационное вскипание в процессе адиабатического расширения. Оптимальное соотношение между давлением и температурой в кавитаторе видимо можно найти только экспериментально. Размеры пузырьков в объёме кавитатора из-за роста давления снизятся и соответственно возрастёт их плотность в единице объёма.

Повышенное давление в кавитаторе - это вторая причина выделения кавитатора в отдельное устройство как на Рис. 6. Встаёт вопрос об оптимальной конструкции кавитирующего механизма. Здесь широкое поле деятельности для изобретателей и конструкторов. Например, выделенный кавитатор из вихревого насоса легко получить сделав перемычку между напором и всасом. Перемычка включается в схему бойлера, в котором происходит отбор тепла из кавитатора в систему отопления (или в преобразователь). Кроме вихревых насосов можно применить объёмные насосы. В [9] Корнилова А.А. говорит о применении плунжерного насоса для создания кавитирующей струи. Объёмные насосы могут оказаться даже эффективнее вихревых, т.к. в объёмных насосах вскипание происходит сразу во всём объёме кавитатора. Но последнее слово за практикой. Объёмные насосы можно изготовлять поршневыми и мембранными. Привод можно обеспечивать при помощи кривошипно-шатунного механизма или с помощью кулачковых механизмов и прочее.

Описанные выше способы увеличения коэффициента сверхединичности связаны с интенсификацией процесса кавитации. Но есть ещё одно направление. Оно связано с видом кавитирующей жидкости. Это не обязательно должна быть вода. Например группа американских исследователей при изучении возможности ХЯС в условиях акустической кавитации использовали смесь ацетона (CH3COCH3) и бензола (C6H6). Об этом ниже.

В качестве кавитирующей жидкости в выделенном кавитаторе можно использовать самые различные жидкости [19] и тем самым иметь самые различные критические состояния и возможные ядерные реакции. Их эффективность для ХЯС необходимо исследовать экспериментально.  

В качестве быстрых ядер и ядер мишеней в кавитирующей воде выступают наиболее вероятно ядра водорода (протоны). В качестве ядер - мишеней могут выступать кроме ядер водорода и ядра кислорода. Отсюда принципиально возможными реакциями холодного синтеза будут реакции протон - протон и протон - ядро кислорода. Однако ядерная физика исключает реакцию синтеза протон - протон в земных условиях. Отсюда принципиально возможной реакцией холодного синтеза в кавитирующей воде будет реакция протон - ядро кислорода. Эта реакция даёт энерговыделение в 0,6 Мэв.

6O + 1H → 17F + γ + 0,6 Мэв.

А вот реакция протон - ядро азота даёт гораздо большее энерговыделение.

14N + 1H → 15O + γ + 7,3 Мэв.

Информация получена из Википедии – CNO-цикл и из [28]. видно последняя реакция даёт гораздо большее энерговыделение. В качестве азот содержащей жидкости можно использовать, например, гидразин (N2H4), который по своим физическим параметрам близок к воде. Можно подобрать множество других неорганических и органических жидкостей. [19].

 

3.3. Способы интенсификации ХЯС в условиях акустической кавитации

Большой объём информации по проблемам акустической кавитации и попытках получения реакций ХЯС в этих физических условиях представлен в [8]. К числу наиболее значимых работ в этом направлении относятся работы группы американских учёных, при ведущей роли Талейархана Рузи. Ими проведены успешные эксперименты по инициации ХЯС в условиях акустической кавитации. [8]. В частности в своих экспериментах они использовали в качестве кавитирующего агента смесь ацетона (CH3COCH3) и бензола (C6H6). Ядерный синтез обнаружен по нейтронному излучению. В тесном сотрудничестве с группой Талейархана Рузи находится российский академик РАН Нигматулин Р.И. Однако в этих экспериментах не получено положительного выхода энергии.

В докладе [7] Климов А.И. вкратце сообщает об экспериментах Альбертини с ультразвуком в 20 кГц в водных растворах. Именно на этих частотах наблюдается акустическая кавитация в воде. При этом Альбертини наблюдал нейтронное излучение и трансмутацию элементов. Эти факты позволяют квалифицировать результаты экспериментов Альбертини как следствие реакций холодного ядерного синтеза в физических условиях акустической кавитации.

Многими исследователями ХЯС в физических условиях кавитации (в том числе и акустической) особое внимание уделяется ударным волнам при схлопывании кавитационных пузырьков. При схлопывании параметры среды по давлению и температуре принимают высокие значения. Эти факторы и выступают по мнению исследователей причиной инициации реакций ядерного синтеза. Нам это представляется сомнительным. Ударная волна при схлопывании кавитационных пузырьков имеет скорость звука в жидкости. Для воды это около 1500 м/сек. Этой скорости и соответствующей ей энергии явно недостаточно для преодоления кулоновского барьера. Возникновение таких энергий в паровом кавитационном пузырьке возможно только в результате действия механизма максвелловского распределения по скоростям и энергиям.

Методы интенсификации ХЯС в условиях акустической кавитации видятся теми же, что и в условиях вихревой кавитации.

4. О минимальном значении коэффициента сверхединичности

Коэффициент сверхединичности имеет минимально допустимое значение ниже которого установка теряет эффективность. По этой причине Климов А.И. постоянно ставит целью иметь коэффициент сверхединичности не ниже 10. Коэффициент сверхединичности определяет дополнительную тепловую энергию, выработанную теплогенератором, в результате энерговыделения в процессах ХТЯ и ХЯС.

Где: Nm - тепловая мощность отведенная от теплогенератора; Nээ -электрическая мощность подведенная к теплогенератору.

Дополнительно выработанная тепловая энергия будет: N = Nm - Nээ. Это энергия ХТЯ или ХЯС. Величина коэффициента сверхединичности определяется именно дополнительно выработанной тепловой энергией по отношению к подведенной электрической энергии. Но вот сама подведенная электроэнергия для своего производства требует значительных дополнительных затрат тепловой энергии. КПД тепловой электростанции составляет 30-40 %. КПД АЭС ещё ниже. Существует КПД подачи топлива.

Уголь теряется при добыче, транспортировке, перегрузке. Газ используется на собственные нужды компрессорных стаций, имеются технологические потери. Есть КПД передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Наконец есть КПД потребителя. У нас это электродвигатель. Все эти потери необходимо определять общим КПД, равным произведению всех частных, учитывающим все потери. Эти потери и лимитируют величину коэффициента сверх единичности. Даже в условиях устойчивых процессов ХТЯ и ХЯС встаёт необходимость их интенсификации.

 

Заключение

В своих выводах я опирался на известные знания ядерной физики и эксперименты, в первую очередь Корниловой А.А. и Пархомова А.Г., изложенные с предельной ясностью и честностью, свойственные выдающимся исследователям.

На сегодняшний день, при наличии явных успехов экспериментаторов, процессы ХТЯ и ХЯС наблюдаются на грани своего проявления и стабильности. Это затрудняет выявление управляющих параметров процессов и соответственно их понимание и интенсификацию. Этой ситуацией как всегда пользуется та часть теоретиков, которые готовы по всякому удобному (и не очень) поводу представить новую физику, не оставляющую камня на камне от старой. Ну как минимум из старой физики вывести нечто такое, что старая физика перестаёт быть похожей на себя. На примере ХТЯ и ХЯС это также проявилось. Ситуация только запуталась.

В понимании автора данной статьи новые явления полностью объясняются в рамках уже известных положений ядерной физики. Их проявление стало неожиданным по причине их случайного открытия при поступательном развитии технологий и практики. Как нельзя к месту крылатая фраза Корниловой А.А.: “Время подошло”.

 

Литература

[1]. Бекман И.Н. Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующее излучение. – М.: “ЮРАЙТ”, 2016г., 398с.

[2]. Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. - М.: “Машиностроение”, 1967г., 160с.

[3]. Высоцкий В.И., Корнилова А.А. Ядерный синтез и трансмутация изотопов в биологических системах. – М.: “МИР”, 2003., 161с.

[4]. Высоцкий В.И., Корнилова А.А. Ядерные реакции и трансмутация изотопов в биологических системах (предыстория, текущее состояние, перспективы). // ЖФНН №17-18(5), С. 34 - 42, 2017.      Режим доступа:

      http://www.unconv-science.org/pdf/17/vysotskiy1-ru.pdf

[5]. Зайцев Ф.С., Чижов В.А., Бычков В.Л. Изучение физических механизмов низкотемпературной трансформации нуклидов. Доклад Зайцева Ф.С. на научном семинаре РУДН. 27.12.2018г.   Режим доступа: 

     https://lenr.su/wp-content/uploads/2017/09/ZaitsevFS_RUDN_Svoi-stva-NTN.pdf

[6]. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. – М: Наука, 1976, 480с.

[7]. Климов А.И. Доклад на семинаре в РУДН "Холодный ядерный синтез и шаровая молния". 31.10.2019г.       

[8]. Колтовой Н.А. Книга 12. Часть 4. Холодный ядерный синтез. Кавитация.

        Режим доступа:  https://koltovoi.nethouse.ru

[9]. Корнилова А.А. Столетие новых прорывных технологий открыто.

Режим доступа:  https://www.youtube.com/watch?v=sB_lr0rlSPs

[10]. Косарев А.В. Холодный ядерный синтез в рамках тепло- и ядерной физики.

Режим доступа: http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8749

[11]. Косарев А.В. Эффект Росси - искусственная радиоактивность. Режим доступа:

       http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8778

[12]. Косарев А.В. Явление трансмутации в биологических системах.

Режим доступа:   http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8839

[13]. Косарев А.В. Краткий обзор гипотез по новым явлениям ядерной физики.

Режим доступа:  http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8909

[14]. Курашов В.М., Сахно Т.В. Патент RU №2563511 на изобретение “Микробиологический способ трансмутации химических элементов и превращения изотопов химических элементов”. Бюл. №26 от 20.09.2015г., Роспатент. Приоритет от 15.05.2014г.

[15]. Морс Ф. Теплофизика. – М.: “Наука”, 1968г., 416с. 

[16]. Пархомов А.Г., Алабин К.А., Андреев С.Н., Забавин С.Н., Соболев А.Г., Тимербулатов Т.Р. Анализ изменений изотопного и элементного состава в высокотемпературных никель-водородных реакторах. - Доклад на 24-й Российской конференции по холодной трансмутации ядер и шаровой молнии РКХТЯиШМ-24 (17-24.09.2017г., Сочи-Дагомыс, "Олимпийский").  Режим доступа:  https://www.youtube.com/watch?v=DAnAp4m5LRI

[17]. Просвирнов А.А. Эволюция никель - водородных теплогенераторов.

Режим доступа: http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=7403

[18]. Просвирнов А.А. Алхимики ΧΧΙ века. Александр Пархомов. Режим доступа:

        http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8993

[19]. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Изд-во “Химия”, Ленинградское отделение, 1978г., 392с.

[20]. Ратис Ю.Л. О возможности существования долгоживущего экзоатома "нейтроний".  // ЖФНН №2(1), С. 27 - 42, 2013г.

[21]. Тейлор Д. и др. Биология. / Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. /Пер. с англ. Ю.Л. Амченкова, М.Г. Дуниной и др.). – М.: “Мир”. Том 1, 2001г., 454с.

[22]. Узиков В. Промышленная энергоустановка на низкопороговых ядерных реакциях - реальность.      Режим доступа:  http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8330

[23]. Урпин К.В. О возможности создания «сверхединичных» теплогенераторов. Режим доступа:      http://www.trinitas.ru/rus/doc/0023/001a/00231090.htm

[24]. Урпин К.В. О кавитации подробно. Все работает по законам природы.

Режим доступа:  https://www.youtube.com/watch?v=Ic0NgrBUSU8

[25]. Черепанов А.И. О кавитационной (гидроволновой) технологии и механизме ХТЯ на основе эфира. РУДН, 31.10.2019.  Режим доступа: 

https://www.youtube.com/watch?v=AVxqL9NNsZI

[26]. Черепанов А.И. Ответ А.И. Черепанова на анализ А.Г. Пархомова.

http://lenr.seplm.ru/articles/otvet-ai-cherepanova-na-analiz-ag-parkhomova

[27]. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. – М.: “Наука”, 1972г., 672с.

[28]. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983г. – 945с.







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=9033