Константин агафонов о ядерном парадоксе, законе сохранения энергии и перспективах энергетики
В статье Ивана Алюминина о философии и ядерном парадоксе была подвергнута сомнению справедливость закона сохранения энергии: на этот раз в связи с известным энергетическим «парадоксом», появляющимся при анализе прямых и обратных термоядерных реакций.
Создатель склонен видеть в этих реакциях «вечный цикл кругооборота энергии», за которым «стоит Что-то, предание о Котором мы сохранили с древности».
Вторых объяснений «парадокса» ни создатель, ни участники дискуссии статьи, к сожалению, не приводят. Ввиду принципиальной и практической важности озвученной неприятности ниже делается попытка восполнить данный пробел.
1. Сущность неприятности
В изложении Ивана Алюминина неприятность сводится к следующему. Главным процессом, неизменно протекающим в изученном нами космосе, есть термоядерный синтез гелия из изотопов водорода.
Благодаря ему Вселенная наполнена энергией, которая, например, позволила для происхождения судьбы на Земле. Появляется естественный вопрос: что произойдёт, в случае если ядерное горючее везде закончится, и вероятно ли это?
Отметим, что любое составное либо сложное ядро атома владеет внутренней энергией E = mс2 либо эквивалентной массой m меньшей, чем сумма энергий либо весов составляющих его нейтронов (и нуклонов протонов).
Разность либо «недостаток» этих весов определяет отрицательную энергию связи нуклонов в составном ядре. По данной причине при образовании сложного ядра из более лёгких элементов обязана освобождаться лишняя энергия; и напротив, дабы разбить ядро на составные части, ему нужно сказать энергию, превышающую энергию связи.
В частности, синтез гелия из трития и дейтерия (изотопы водорода) осуществляется в соответствии с реакции, 50-летние попытки выполнения которой в промышленных масштабах до сих пор остаются сладкой мечтой об энергетическом эдем:
(1) 12H + 13Hn + 24He + 17,6 МэВ; тут в левой части представлены исходные изотопы водорода, справа – приобретаемые в следствии реакции ядро гелия, нейтрон n и энергия.
«Логика и закон сохранения энергии» посоветовали И. Алюминину, что обратное превращение гелия в изотопы водорода кроме того в совершенном случае потребует энергии не меньше 17,6 Мэв. И тут он обнаруживает несоответствие с фактом облучения гелия потоком стремительных протонов p, которое описывается реакцией
(2) p + 24He p + p + 13H
и осуществляется фактически без затрат энергии.
В данной реакции один протон выбивает из ядра гелия второй, превращая его в тритий, а сам потом способен без затрат энергии объединиться с нейтроном, оставшимся от реакции (1), и образовать ядро дейтерия в соответствии с реакции
(3) p + n12H.
Налицо, так, «гелия» изотопов и кругооборот водорода, не вписывающийся, но, в рамки «примитивного толкования» автором закона сохранения энергии.
Процесс в соответствии с реакции (2) И. Алюминин уподобляет фазовому превращению воды из жидкого состояния в парообразное, которое в природе осуществляется как бы «само собой», за счёт тепловой энергии внешней среды.
2. превращения энергии и Закон сохранения
Реакциям (1) – (3) возможно сопоставить и другую, более несложную и наглядную аналогию. При сжигании спиленного дерева в паровозной топке выделяется тепловая энергия, применяемая для исполнения большой работы.
Обратный процесс не требует эквивалентных затрат энергии: в природе дерево вырастает как бы «само собой», за счёт энергии внешней среды.
Наряду с этим оказывается, что оба процесса — прямой и обратный — осуществляются в полном соответствии с законом превращения и сохранения энергии. Действительно, в случае если иметь в виду не примитивное, а строгое (см., к примеру, отечественный сайт) его толкование в двух известных формах, именуемых первым и вторым законами либо началами термодинамики.
В соответствии с первому закону термодинамики, тепловая энергия Q, подводимая к рабочему телу в термодинамическом цикле, постоянно распределяется: одна часть её идёт на исполнение нужной работы A тепловой машиной, вторая на увеличение внутренней энергии W внешней среды:
(4) Q = A + W.
Из этого направляться, что внутренняя энергия внешней среды a priori имеется теплота, которая не может быть преобразована в работу (рассеянная теплота). Это событие обуславливает справедливость второго закона термодинамики, исключающего возможность преобразования рассеянной теплоты в работу (вечный двигатель второго рода либо монотермический двигатель).
Наряду с этим основное содержание второго закона термодинамики возможно выразить в виде известного соотношения Карно для подсчёта предельно вероятного термического КПД цикла:
(5) A/Q = 1 – TO / TH.
Оно прямо говорит о необходимости включения в схему тепловой автомобили, как минимум, двух теплообменников: нагревателя рабочего тела с температурой TH и охладителя с температурой TO; в качестве последнего значительно чаще и употребляется окружающая среда.
Из соотношения направляться, что эффективность преобразования теплоты в работу тем выше, чем больше разнятся между собой охладителя и температуры нагревателя. А эффективность преобразования теплоты во внутреннюю энергию внешней среды разумеется определяется соотношением
(6) W/Q = TO / TH;
другими словами, наоборот тем выше, чем ближе температура нагревателя к температуре среды-охладителя.
Видно, что громаднейшая эффективность преобразования теплоты во внутреннюю энергию достигается в условиях температурного равновесия TO = TH, в то время, когда теплообмен вероятен только в ходе массообмена. Это и отмечается в природе, например, в растительном и животном мире.
Так, в природе в равной мере реализуются два значительно разных процессах теплообмена — при высоком и низком температурных градиентах либо напорах.
В первом (при TOTH), довольно стремительном ходе выделяется свободная энергия, талантливая создавать нужную работу; ему соответствует ядерная реакция (1) синтеза процесс и гелия сжигания дерева в паровозной топке.
Во втором (при родных значениях TO и TH), медлительно протекающем ходе мы имеем дело с повышением внутренней энергии внешней среды в следствии распада вещества на составляющие элементы; ему соответствуют ядерные реакции (2) и (3) воспроизводства изотопов водорода из гелия под действием космических частиц p и процесс естественного роста дерева.
И в том, и в другом случаях «трудятся» не божественные силы, а превращения энергии и закон сохранения в виде соотношений (5) и (6).
3. Тупиковые направления в энергетике
Из сообщённого в прошлом разделе направляться, что процесс преобразования теплоты равновесной внешней среды в работу принципиально вероятен, но должен быть организован в два этапа: на начальной стадии рассеянная теплота преобразуется во внутреннюю энергию какого-либо вещества, на втором в следствии химических либо ядерных превращений это вещество возможно использовано как действенное горючее для теплового двигателя.
Такая схема энергообеспечения — с применением природных кладовых горючего — и преобладает сейчас везде на практике.
Величина, обратная термическому КПД цикла
Q/A = TH / (TH — TO),
именуется тепловым коэффициентом.
Она характеризует эффективность преобразования работы в теплоту и может изменяться в широких пределах: от нескольких единиц в тепловых насосах, применяющих внутреннюю энергию внешней среды (вода, грунт либо воздушное пространство) для обогрева помещений (рис. 1), до бесконечности в процессах самопроизвольного (при A = 0) химического либо ядерного превращения вещества.
Следовательно, возможность действенного извлечения теплоты из внешней среды не есть чем-то необыкновенным, а имеется превращения энергии закона и прямое следствие сохранения.
И в Российской Федерации с её холодным климатом широкое использование тепловых насосов в качестве универсальных совокупностей отопления представляется особенно актуальным.
Но рассчитывать на решение энергетической неприятности посредством тех же тепловых насосов или других аналогичных устройств нет оснований: они производят теплоту, требующую затраты работы, и исходя из этого энергетически негодную для исполнения её.
Иными словами, тепловая энергия, добываемая тепловым насосом из внешней среды, не есть работоспособной. Более детально, на примере теплогенератора Потапова, данный вопрос рассмотрен на отечественном сайте.
Возвратимся к ядерной реакции синтеза (1) и зададимся вопросом: из-за чего она в далеком прошлом реализована в водородной бомбе и была недостижимой в ТОКАМАКе? Смеем высказать предположение, что неприятность кроется в методе запуска реакции.
Реакция горения топливной смеси в поршневом дизеле, к примеру, запускается легко: для этого топливную смесь в цилиндре сжимают, создавая над ней работу A и повышая тем самым внутреннюю энергию W смеси.
В соответствии с уравнению (4), это ведет к нарушению баланса между содержащейся в смеси теплотой Q (левая часть уравнения) и возросшими параметрами правой части уравнения. Рвение умной природы устранить такое неравенство и приводит к самопроизвольному воспламенению топливной смеси.
Подобным образом, по-видимому, запускается реакция (1) и осуществляется процесс взрыва в водородной бомбе.
В противном случае обстоит дело в ТОКАМАКе. Тут к рабочей плазме из трития ядер и смеси дейтерия предварительно подводят конкретно тепловую энергию Q, повышая тем самым температуру плазмы.
При неизменном количестве рабочей (вакуумной) камеры это сразу же ведет к внутренней энергии и увеличению W плазмы, и работы A, затрачиваемой на разгон трития и частиц дейтерия. Наряду с этим баланс параметров в уравнении (4) сохраняется, и мы имеем то, что имеем: прожорливый потребитель энергии вместо щедрого генератора её.
Как показывают совершённые теоретические изучения (см. отечественный сайт), увеличение энергии частиц плазмы не содействует преодолению потенциального барьера трития и ядер взаимного отталкивания дейтерия, потому что наряду с этим сам потенциальный барьер кроме этого возрастает.
Опять прибегая к аналогиям, скажем: тут мы являемся свидетелями отчаянных и дорогостоящих попыток физиков обогнать собственную тень в солнечный сутки.
4. Над чем направляться трудиться
Создатель данных строчков пока не готов предложить перспективную схему ядерного реактора синтеза лёгких элементов как универсального решения проблемы громадной энергетики. светло одно: таковой реактор обязан запускаться путём предварительного сжатия смеси изотопов водорода. И лишь так!
Что касается «малой» либо транспортной энергетики, например, перспективного автомобильного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), то тут мы готовы предложить конкретное ответ. Детально оно представлено на отечественном сайте в виде «Предложения для деловых людей», тут же мы излагаем только главную идею этого проекта.
Главным агрегатом ДВС (рис. 2) есть свободнопоршневой дизель-насос (СПДН). В нём поршни двухтактного дизеля конкретно соединены с плунжерами гидронасосов.
Перемещение поршней-плунжеров синхронизировано посредством реечно-шестерённого механизма, на рисунке не продемонстрированного.
ДВС содержит кроме этого: два пневмогидравлических аккумулятора — большого (ВД) и низкого (НД) давления; основной (силовой) регулируемый гидромотор (ГМ1), вращающий нагрузку, к примеру, колёса автомобиля; вспомогательный гидромотор-расходомер (ГМ2) для привода механизма управления (У), продувочного компрессора и других запасных агрегатов (на рисунке не продемонстрированы); клапаны двух типов — включения К1 и обратный К2.
Аккумулятор НД создаёт работу сжатия газа в дизельной полости СПДН, работа расширения газов воспринимается аккумулятором ВД, разность энергий (давлений) аккумуляторная батарей расходуется на привод вспомогательных механизмов и нагрузки.
Двигатель трудится в автоматическом режиме следующим образом. В случае если положение регулирующего органа гидромотора ГМ1 таково, что развиваемый им вращающий момент Мвр меньше момента сопротивления нагрузки Мс, то циркуляция рабочей жидкости в контуре отсутствует и дизель-насос не работает.
При МврМс нагрузка начинает вращаться и через ГМ1течёт рабочая жидкость. В зависимости от расхода её, замеряемого гидромотором ГМ2и определяемого потребной для нагрузки мощностью, блок управления (У) с той либо другой частотой подаёт команды на проведение в СПДН рабочих циклов «сжатие – рабочий движение».
При каждой таковой команде сперва раскрывается клапан К1, аккумулятор НД подаёт жидкость к плунжерам-поршням и в СПДН происходит цикл сжатия.
После этого происходит рабочий движение (расширение газов в дизельной полости), при котором клапан К1 закрывается и рабочая жидкость от плунжеров-поршней через непроизвольный клапан К2 подаётся в аккумулятор ВД.
Следующая команда на проведение цикла «сжатие – рабочий движение» направляться только по окончании того, как часть жидкости из аккумулятора ВД через гидромоторы перетечёт в аккумулятор НД и схема возвратится в исходное положение.
Для обрисованного привода свойственны преимущества и следующие особенности если сравнивать с классическим автотракторным приводом.
1. Предельное упрощение конструкции в целом и её главных совокупностей, значительное понижение цены, удельной массы и габаритов привода (более, чем вдвое) за счёт отказа от шатунов, коленчатого вала, маховика; схема разрешает реализовать несложную совокупность топливоподачи, в ней всецело отсутствуют охлаждения и системы запуска в классическом выполнении (имеет место «внутреннее» охлаждение цилиндро-поршневой группы в ходе продувки-наполнения).
2. Более высокая (на 20…30%) экономичность привода, которая обеспечивается:
– Отсутствием утрат мощности, которые связаны с преобразованием поступательного перемещения поршней дизеля во вращательное в шатунно-кривошипном механизме;
– Возможность повысить индикаторный КПД дизеля путём повышения степени сжатия до значений 20…30 и более;
– Работой дизеля в оптимальном термодинамическом режиме при любой загрузке по мощности (в отличие от классического дизеля в СПДН цикловая подача горючего не изменяется, а мощность регулируется частотой рабочих циклов);
– Отсутствием в СПДН режима работы на холостом ходу и связанного с ним непроизводительного расхода горючего.
3. СПДН выполняется в виде независимого блока, что снабжает широкую унификацию и свободную компоновку приводов разной мощности и назначения; быть может, целый типаж автомобильного и тракторного парков выстроить на базе одного-двух типоразмеров СПДН.
4. Полная гидрофикация привода, имеющая место в этом случае, принципиально снабжает минимальные затраты на техобслуживание.
5. Схема хорошо подходит для реализации использования и адиабатного цикла разных других горючих, а также универсального горючего будущего — водорода.
Константин Павлович Агафонов, инженер с двумя летним опытом и 47-высшими образованиями работы в разных отраслях индустрии. На данный момент является государственным патентным специалистом в Русском Патентном ведомстве (ФИПС). Связаться с автором статьи возможно по адресу agafonovkp@narod.ru.
