Энергоинформ / Точка зрения
/ Горячий бозе-конденсат как основа термоядерного синтеза
Горячий бозе-конденсат как основа термоядерного синтеза
Термоядерная энергетика, в которую еще сравнительно недавно так искренне верили, постепенно превратилась в «остров невезения» современной физики. На фоне прочих впечатляющих успехов более полувека неудач в осуществлении УТС так и остаются немым упреком ядерщикам. Правительства боятся появления у конкурентов неиссякаемого источника энергии и продолжают финансировать эти исследования. Чиновники от физики стараются подогревать эти страхи руководства и сообщают об очередных промежуточных «обнадеживающих» результатах, порой беззастенчиво привирая — благо в правительстве с ядерщиками не густо.
Промывать косточки нашим физикам — дело неблагодарное, шкура у них толстая. Гораздо важнее попытаться понять причину их неудач; ведь над этой проблемой работали тысячи компетентных и талантливых людей, которые за десятки лет испробовали буквально все возможности. Что же они могли упустить?
Для осуществления термоядерной реакции необходимо приблизить друг к другу положительно заряженные атомные ядра, чему препятствует сила электростатического отталкивания, возрастающая по мере их сближения. Логично, что чтобы преодолеть этот потенциальный барьер, ядра должны иметь достаточную кинетическую энергию — и очень высокую: для реакции дейтерий-тритий примерно 0,1 МэВ, и этой энергии эквивалентна температура порядка миллиарда градусов. Допускаются варианты, что реакция может произойти и при меньшей температуре в силу разброса величин энергии ядер и вероятности туннелирования. Так или иначе, но современная теория допускает возможность термоядерной реакции только при очень высоких температурах — порядка сотен миллионов градусов. Чтобы попытаться понять, так ли это, рассмотрим вкратце существующие виды термоядерного синтеза и происходящие при этом процессы, и по возможности — наглядно.
Итак, нам надо ядра как-то сблизить... Известно, что находясь в автобусе, люди стремятся при возможности сохранить за собой некоторое пространство. Как можно без лишних церемоний заставить их сблизиться? Первый способ — направить автобус по бездорожью, и в результате «болтанки» люди будут вынуждены натыкаться друг на друга. Второй способ — еще более грубый: можно резко затормозить, и потерявшие равновесие пассажиры далее они будут сближаться в силу инерции своего тела. В термоядерном синтезе, как и в жизни, более «грубый» способ оказывается более действенным.
Под более «грубым» способом подразумевается инерциальный термоядерный синтез, который с успехом осуществляется и в термоядерных бомбах, и в установках с лазерным сжатием. Суть его заключается в том, что посредством ядерного заряда или мощного лазерного импульса создается ударная волна и получившие импульс ядра сближаются уже в силу собственной инерции; можно сказать, что в этом случае плазма сжимает сама себя.
Под первым способом, менее «грубым», подразумевается тепловой термоядерный синтез, безуспешные попытки достижения которого продолжаются уже более полувека, но с которым связываются надежды термоядерной энергетики. При этом виде синтеза пытаются заставить сблизиться ядра в результате теплового движения; это достигается методом магнитного удержания плазы на тороидальных установках, называемых токамак.
Принято считать, что в обоих случаях синтез становится возможным благодаря нагреванию до температуры в сотни миллионов градусов — как это происходит при термоядерном взрыве, так это ожидается и в токамаке. Но что же такое, простите, температура, и, в частности, плазмы? Это показатель, характеризующий среднюю величину относительных, а не абсолютных скоростей заряженных частиц. Ведь тепловое движение хаотично, а если направления и скорости частиц совпадают, то речь уже может идти не о температуре, а об общей поступательной скорости. Ведь астероид может перемещаться на огромной скорости, оставаясь абсолютно холодным. К чему этот «ликбез»? При инерциальном синтезе направления и величины импульсов соседних ядер различаются очень мало — ведь в этом случае воздействие общее для всех и происходит в попутных направлениях. Так можно ли говорить, что в момент сжатия плазма обладает огромной температурой?
Если это тепловое движение, то импульсы частиц должны быть направлены равномерно во все стороны, и следовательно, создаваемое ими давление никак не может быть направлено только вовнутрь. Судите сами — водитель резко затормозил, а пассажиры, вместо того, чтобы дружно упасть вперед — кто вправо, кто влево, а кто назад... Каким же образом разогретая до температуры в миллионы градусов плазма будет сжимать сама себя? Это же абсурд. При инерциальном синтезе огромные температуры появляются позднее — как следствие синтеза, а не предваряют его, так как при инерциальном сжатии просто не может быть никаких миллионов градусов. Очевидно, что реакцию делает возможной только огромное давление.
Если инерциальный синтез существует, а теплового, простите, как бы и нет (факт — вещь упрямая); если для инерциального синтеза необходимо только сближающее ядра огромное давление, но не высокая температура, то следующим шагом будет логично задаться вопросом: а каковы могут быть причины такого положения вещей?
Почему одноименные заряды отталкиваются? Положительно заряженные протоны испускают в направлении ближайших одноименных зарядов кванты электромагнитного взаимодействия — фотоны, которые выступают в качестве переносчиков этого вида взаимодействия и «расталкивают» одноименные заряды. Фотон представляет собой поперечную волну и этот вид волн нам хорошо знаком с детства; чтобы их увидеть, достаточно бросить в речку камень.
У поперечных волн есть одно свойство, которой мы так же не раз наблюдали в детстве — при определенных условиях они способны гасить друг друга. У борта лодки волнение заметно ослабевает — набегающие волны гасятся отражаемыми от борта, и это происходит именно потому, что они являются зеркально симметричными. А возможна ли ситуация, когда испускаемые фотоны так же погасят друг друга — ведь тогда электростатическое отталкивание исчезнет, и протоны легко преодолеют кулоновский барьер? Какие для этого необходимы условия?
Ответ очевиден — должна соблюдаться полная зеркальная симметрия и волн, и их источников. Здесь в наших поисках самое время сказать «тепло», ведь известно, что два протона с антипараллельными спинами в сильном взаимодействии не участвуют. Значит, для их сближения необходима именно зеркальная симметрия! Так же для того, чтобы волны погасили друг друга, у них должны совпадать их длины. Энергия испускаемого фотона и связанная с ней длина волны напрямую зависят от энергии протона, и таким образом, для реакции синтеза необходимо, чтобы протоны обладали равными энергиями.
В целом из вышесказанного выходит, что для реакции синтеза необходимо не только сближение ядер, но и организованное, «единым строем», их перемещение. Иначе говоря, какую бы энергию не имели ядра, их относительные друг от друга скорости должны быть малы. Это невозможно при тепловом движении, которое по определению хаотично.
Здесь мы сталкиваемся с очередным затруднением. Состояние, когда частицы перемещаются не хаотично, а «единым строем», известно давно — это бозе-конденсат. Однако такого состояния до сих пор удавалось добиваться только охлаждением до очень низких температур. Каким же образом может образоваться «строй» при очень высоких температурах?
Вспомним, что каждая частица имеет двойственную — корпускулярно-волновую природу: является и дискретным квантом и волной одновременно. Каждой частице может быть поставлена в соответствие волна де Бройля или материальная волна, длина которой тем больше, чем меньше импульс частицы. Гелий переходит в сверхтекучее состояние — бозе-конденсат, когда длины волн де Бройля становятся очень велики и сопоставимы по значению со средним межатомным расстоянием. Волны как бы образуют единую сеть, которая охватывает атомы и соединяет их в единое целое. Добиться такого эффекта можно только охлаждением до очень низких температур, «растягивающих» длины материальных волн до межатомных расстояний.
При высоких температурах длины волн де Бройля, напротив, очень малы, так как их длина обратно пропорциональна энергии частиц. Но ведь можно добиться такого же соотношения, как и в холодном бозе-конденсате, сделав наоборот: создать колоссальное давление и сблизить ядра, чтобы средние расстояния между ними стали сопоставимы с длинами их волн де Бройля!
После открытия в 2003 году фермионного конденсата выяснилось, что пара фермионов может подвергаться конденсации и вести себя подобно бозону даже если они не связаны в одну молекулу, а просто движутся вместе неким коррелированным образом — а это уже вполне возможно и в плазме.
Тогда напрашивается вопрос: если такое экзотическое состояние, как горячий бозе-конденсат, в природе имеет место, то почему при всех впечатляющих достижениях современной физики оно до сих пор не обнаружено? Вполне возможно, что это явление обнаружили не физики, а астрономы. Речь идет о релятивистских струях.
Релятивистские струи или джеты — струи плазмы, вырывающиеся с огромными и даже околосветовыми скоростями из центров активных галактик, квазаров и радиогалактик. Они представляют собой часть материи, не поглощенной черной дырой, которая выбрасывается двумя, как правило симметричными, узкими потоками. Единого представления о механизме формирования джетов нет.
Еще более непонятно, каким образом эти потоки преодолевают чудовищные расстояния — до нескольких сотен килопарсек, сохраняя при этом устойчивость. Каким образом возмущения, неизбежные в любой плазме, не рассеивают эти потоки на таких значительных расстояниях? Ведь на такой дальности их устойчивость уже нельзя объяснить воздействием магнитного поля черной дыры. Причина, на мой взгляд, может быть только одна — плазма в джетах конденсируется.
Если предположить, что термоядерный синтез происходит в состоянии горячего бозе-конденсата, то возможно, что он имеет место и в релятивистских струях. Джеты еще слабо изучены и объяснение может оказаться другим, однако группа учёных во главе с Марией Диаз Триго (Maria Diaz Trigo) из Европейской южной обсерватории (Чили) нашли в джете следы ионизированного железа и никеля.
Никак нельзя обойти такой вопрос: у сторонников теплового синтеза есть один очень веский аргумент — ведь в звездах должна происходить именно такая реакция. Можно предположить, что Солнце и прочие звезды имеют ядро из горячего бозе-конденсата, обеспечивающее непрерывную реакцию синтеза, а после выработки «горючего» и взрыва сверхновой именно из него может образоваться нейтронная звезда. Как ни странно, у такой версии основания.
После первых успешных экспериментов по наблюдению бозе-эйнштейновской конденсации в разреженных газах щелочных металлов в 1996 году Эдуардом Шуряком было показано, что в случае притягивающего взаимодействия между атомами конденсата будет происходить его коллапс: неконтролируемое сжатие с последующим разогревом, разрушением конденсации и взрывом. Недавно это явление было экспериментально обнаружено в парах поляризованного рубидия. Отметим, что математические законы, описывающие коллапс бозе-конденсата и взрыв сверхновых, в принципе, похожи, а потому могут приводить в одинаковым закономерностям. Если мы заменим холодный бозе-конденсат горячим, то все становится на свои места.
Некоторые явления при термоядерном взрыве так же можно истолковать в пользу версии о горячем бозе-конденсате. Было обнаружено, что взрыв происходит с неожиданной задержкой — и она может быть связана с происходящим фазовым переходом. Устойчивость горячего бозе-конденсата может несколько замедлить синтез — и горение действительно происходило не мгновенно, как того ожидали.
Напомню, что главные надежды в достижении управляемой термоядерной реакции связываются с экспериментами на установках токамак, в которых используется метод магнитного удержания плазмы. Уже несколько десятков лет физики долго и безуспешно борются с неустойчивостью плазменного шнура и не могут преодолеть предел Гринвальда — своеобразное «проклятье» токамаков, то есть операционный лимит плотности в устройствах магнитного удержания.
Возникает закономерный вопрос — чем же отличается состояние плазмы в токамаках от более «удачливых» примеров, где горячий бозе-конденсат образуется — при инициации термоядерного взрыва, в установках с лазерным сжатием или джетах? Тем, что в этих трех случаях положительно и отрицательно заряженные частицы ускоряются попутно, а в токамаках магнитное поле ускоряет электроны и ядра во встречных направлениях. Конденсация при этом невозможна. Ведь если встречаются два потока людей, то нет возможности перемещаться строем: часто приходится стакиваться лбами.
К слову сказать, «разбивают лоб» о «монолит» Курчатовского института и одинокие критики этого бесперспективного метода. Подлавливают его идеологов на подтасовках, выступают с обращениями, но это последним как укус комара. Почему же энтузиасты так упорствуют?
Дело в том, что заблуждение относительно метода магнитного удержания плазмы далеко не так безобидно, как могло бы показаться на первый взгляд. Новый международный проект по «токамачной» схеме — ITER, оценивается в сумму порядка 25 миллиардов долларов, и России, участвующей в нем, придется выложить несколько миллиардов на постройку этой установки под Марселем во Франции. Стоит ли вкладывать государственные деньги в безнадежную затею, тем более что объект будет находиться не на нашей территории? И тем не менее в нашей стране у этого проекта есть сильнейшее лобби.
Там, где вступают в игру огромные деньги, «музы молчат». Кто откажется от «освоения» таких огромных средств, от регулярных поездок в Марсель? Кто будет проверять, целевым ли образом эти деньги расходуются — много ли в нашей счетной палате физиков-ядерщиков?
Можете проверить: наши «ученые мужи» даже не гнушаются актами вандализма. Еще в 1961 году академик Константинов записал для Арцимовича обращение: «Почему термоядерная электростанция не будет построена ни в 1980-м, ни в 2000-м году». Оно не потеряло актуальность и до сих пор; о его существовании известно и в сети информацию о том, что таковое обращение было, можно найти. Однако текст его из интернета тщательнейшим образом вычистили. Попробуйте сами найти этот текст и задайтесь вопросом — кому выгодно его отсутствие и кто обладает соответствующим административным ресурсом, чтобы везде его удалить?
Можно задаться и следующим вопросом: если не церемонятся с памятью выдающегося советского физика-ядерщика, то на каком волоске повиснет карьера рядового ученого, открыто усомнившегося в радужных перспективах токамаков?
Они нам говорят, что есть вероятность, что достигнут успеха через 20 лет. Не исключают, что на самом деле это случится и через 60. И все это время они нас будут кормить обещаниями, а мы их...
Источник: Ю.М. Юриков
