Рукин М.Д., Волков Ю.В., Черняев А.Ф.

 

МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ В ЗЕМНЫХ И СОЛНЕЧНЫХ ОБОЛОЧКАХ

(статья 2)

 

В научно-технических исследованиях и разработках, направленных на решение пробле­мы термоядерного синтеза элементов, широко применяются емкостные накопители энергии, яв­ляющиеся одним из главных элементов, исполь­зуемых в сильноточных диодных ускорителях. Согласно современным оценкам энергия драйве­ров, применяемых в инерциальном термоядерном синтезе (ИТС), должна быть равна примерно 1-10 Мдж, а их мощность - от 10 до 100 Твт [1]. Хотя лазерные драйверы исключительно хорошо удов­летворяют задаче концентрации энергии, фоку­сируемой на небольших мишенях, их разработка требует больших затрат. В последние годы в ка­честве драйверов для ИТС стали применяться импульсные мощные диодные ускорители элек­тронов, которые стали модифицироваться для ускорения легких ионов. Однако мощности имеющихся установок недостаточны для исполь­зования их при решении

энергетических проблем.

Уже давно был поставлен вопрос: нельзя ли снизить физические параметры ИТС, используя, например, идею катализа. Исследования (С. Джонс, Лос-Анджелес, 1986 г.) показали, что мю-катализ позволяет произвести до 150 циклов ре­акций синтеза за время жизни мюона [2]. В связи с заманчивой перспективой использования мю-катализа в ядерной энергетике возникло большое число новых и интересных вопросов. Но при этом не надо забывать, что 150 циклам соответствует выделение энергии в количестве 2.5 Гэв, а на про­изводство одного мюона на современных ускори­телях затрачивается не менее 8 Гэв. Эффектив­ность процесса может возрасти, если попытаться объединить ИТС с мю-катализом.

Совсем недавно [3] появились совершенно новые идеи и результаты. Стало ясно, что роль катализатора могут играть не только мюоны, но также и электроны, которые в решетках минера­лов могут приобретать несколько иные свойства, чем свободные или почти свободные электроны. Например, в решетках некоторых кристаллов эффективная масса электрона может на два по­рядка отличаться от массы свободного электрона. Свойства симметрии и тесное расположение атомов водорода в вакансиях решетки минералов также могут сыграть определенную роль в дос­тижении выгодного для процесса синтеза фазах волновых функций электрона и водорода. Вполне возможно, что данный процесс происходил и происходит в природе. Его изучение и техниче­ское воспроизведение позволит повысить необ­ходимые  характеристики до уровня практическо­го использования в энергетике.

Целью настоящей работы является начать проведение модельных исследований электронно-­ионного синтеза минералов в условиях сильного сжатия вещества, создаваемого на установках ИТС, с помощью электровзрыва и в ионных ус­корителях. С одной стороны, эти исследования должны привести к расшифровке физических процессов в мишенях для ИТС с разными мине­ралами в качестве е-катализаторов, их образова­нием и превращениями, а с другой стороны - изу­чение процессов природного и искусственного минералообразования имеет большое значение при поисках, оценке и изучении месторождений полезных ископаемых. Можно предполагать, что среди множества микрообразцов  минералов, ко­торые остаются после взрыва капсулы с мише­нью, могут оказаться уникальные в техническом отношении микрокристаллы вещества. Модели­рование процессов в капсуле методом Монте-Карло [4] и методом физических аналогий позво­лит сократить расходы и затраты на аналогичные научные разработки.

Существуют разные методы получения вы­соких давлений и температур в минеральных об­разцах. Прежде всего укажем на методы лазерно­го «взрыва», использующего нелинейные эффек­ты взаимодействия пучков света со средой и «обляционное сжатие» мишеней в результате ак­тивного "испарения" внешних оболочек [1]. Для проведения анализа процесса имплозии мишеней необходимо знать особенности поведения веще­ства в условиях экстремальных давлений и тем­ператур. В простых моделях обычно принимается уравнение идеального газа, но для детального изучения процессов имплозии и разработки структуры и состава исходных мишеней необхо­димо более точное моделирование с учетом про­цессов соударений и квантовых эффектов. При этом часто используются эмпирически установ­ленные уравнения состояния для некоторых эле­ментов (см., например, [5] ) или модель Томаса-Ферми-Дирака. Если сжатие мишени осуществля­ется путем облучения со всех сторон пучками бы­стрых заряженных частиц, то необходимо счи­таться с проявлениями радиационных эффектов [6]. Канал быстрой заряженной частицы в веще­стве (или «трек») сам является моделью мишени, в которой на короткое время создаются экстре­мальные условия состояния вещества [7]. Иссле­дования радиационных эффектов в твердых телах проливают свет на многочисленные процессы, происходящие в минералах, если минералы нахо­дятся в экстремальных условиях. Из имеющихся моделей особого внимания заслуживают две: модель клиньев смещения и модель тепловых клиньев. Последняя имеет много общего с моделью «Броуновского движения» и может моделироваться методом Монте-Карло [4].

Огромное количество минералов [8] обра­зовано в природе при определенных термобари­ческих условиях [9], что имеет большое значение для выяснения их генезиса. Моделирование про­цессов искусственного синтеза минералов с по­мощью технических устройств, предназначав­шихся первоначально для ИТС, поможет разо­браться в сложных эффектах минерагении на микроуровне. Можно предполагать, что при вы­ходе за пределы физических природных условий синтеза могут появиться минералы с новыми, не­известным ранее, свойствами. Особый интерес представляют минералы, в дефектах решетки ко­торых может локализоваться молекулярный во­дород различного изотопного состава: Н, НД, Д, НТ, Т. Приведенные виды изотопов водорода бу­дут сильно взаимодействовать с электронами глубоких уровней из валентной зоны минерала, для которых эффективные массы достаточно ве­лики из-за сильной связи с ядром близко распо­ложенного элемента. Система должна быть от­крытой - водород может входить в решетку и уходить из нее. Необходимые для начала катали­тического процесса условия могут быть рассчи­таны лишь при точном знании кристаллического поля в окрестности дефекта и его поведения при изменении условий.

Другим направлением модельных исследо­ваний синтеза минералов является поиск минера­лов с необычными физическими и химическими свойствами. Здесь прежде всего встает задача по­лучения минералов более твердых, чем алмаз. Необходимо ответить на вопросы: возможно ли это?

И если возможно, то как наладить производ­ство нового вещества? Даже если бы удалось по­лучить новое вещество с такими свойствами пу­тем применения пучков заряженных ионов от ус­корителя, то высокая стоимость не позволит применять его на практике. Но снижение стоимо­сти нового минерала как практически полезного вещества - это, все-таки, совсем другая задача, и вопрос о постановке ее решения представляется пока несвоевременным. Есть теоретические ука­зания на возможность создания минерала с плотноупакованной структурой и твердостью, НА ПОРЯДОК превосходящей твердость алмаза [10]. Одна из задач моделирования - проверить обос­нованность таких предположений.

В настоящее время синтез искусственных минералов (алмазов) также производится с по­мощью взрывов ВВ. Явление взрыва представля­ет собой процесс бурной химической реакции с повышением температуры и давления газов, образованных при протекании реакции. Чем боль­ше выделяется газа и выше температура, тем большее давление развивается в результате взры­ва. Действие ВВ может быть заменено действием электрического разряда [11]. Законы изменения давления в канале разряда определяются уравне­ниями разрядной цепи, включающий и рабочий промежуток. Концентрация энергии в области искрового разряда превышает концентрацию энергии в области химического взрыва и движением потоков заряженных частиц можно управ­лять, пользуясь законами электронной оптики, что позволяет обеспечить на поверхности сверх­высокие давления. Относительная безопасность, управляемость, возможность менять параметры в широких пределах и производить разряд как в вакууме, так и в конденсированных средах, - де­лают электровзрывной метод практически удоб­ным. Импульсные генераторы с энергией порядка 100 Мдж соответствуют примерно нескольким килограммам мощных ВВ (7.3 Мдж на 1 кг ВВ). Уменьшение времени разряда соответствует уве­личению мощности и создает более высокие параметры на рабочем интервале. Электровзрыв­ные синтезаторы могут использоваться как на стадии поисков и научных исследований, так и на стадии промышленного производства нового минерального сырья.

Однако на стадии «поисков» и научных ис­следований, а также в случае широкопрофильных задач, по видимому, более перспективен компьютерно-управляемый универсальный синтезатор минералов. Устройство последнего более всего походит на телевизор или монитор компьютера. Предполагается, что область экрана разбита на клетки, соответствующие клеткам таблицы Д.И.Менделеева, в которых на внутренней сто­роне экрана располагаются «элементы» (металлы - в чистом виде, другие элементы - в виде каких-либо «стандартных» соединений, например, оки­слов и т.п.). Электронный луч, управляемый по­лями, выбивает электроны соответствующего элемента по команде извне. Ионы разгоняются полем до нужной величины скорости и ударяют о верхний слой мишени-минерала, развивая во время удара необходимые «температуру» и «давление». Синтез продолжается длительное время под контролем ПРОГРАММЫ - СИНТЕ­ЗАТОРА. Естественно, что прежде технического исполнения такое устройство должно пройти все стадии его компьютерного моделирования как традиционными методами, реализующими урав­нения математической физики, так и новыми ме­тодами, например, Монте-Карло.

Преимущества универсального синтезато­ра  - в возможности решения большого класса научно-исследовательских задач, программная управляемость процессами, безопасность в экс­плуатации, отсутствие «шума» и взрывов. Глав­ный из недостатков – большая длительность процесса и необходимость поддержания условий вакуума.

Отметим еще одно возможное применение как модельных, так и практических исследований электронно-ионного синтезатора. Проблема, которая может существенно продвинуться в своем решении, заключается в вопросе о химическом (мине5ралогическом) составе различных геосфер и их физических условиях. Здесь есть по крайней мере три конкурирующие гипотезы. Согласно первой недра Земли химически неоднородны: ядро состоит из железа и никеля с небольшой примесью окиси кремния, мантия сложена силикатами с плотной перовнитовой упаковкой и отягощенных катионами магния и железа, кора континентальная и океаническая – разная по составу и представлена многими минералами (эта сфера наиболее изучена и описана [8]). Согласно второй – недра имеют одинаковый химический состав, но границы геосфер отмечают фазовые переходы (за исключением земной коры). Наконец, третья гипотеза первоначальную роль отводит водороду (гипотеза гибридной Земли). Кроме общих доводов о «распространенности  элементов во Вселенной» последняя гипотеза объясняет удивительное совпадение – границе мантия/ядро соответствуют давления порядка 1-2 Мбар. Естественно поставить вопрос: не связан ли переход мантия-ядро с переходом водорода в металлическую фазу?

Трудности теоретических исследований указанных вопросов и создание хороших моделей синтеза минералов заключены прежде всего в отсутствии данных о потенциалах парных атомных и ионных взаимодействий для тех давлений, при которых изменениями энергий и волновых функций электронов в оболочках пренебрегать нельзя, с одной стороны, а с другой стороны- до области хорошей применимости модели Томаса-Ферми-Дирака еще далеко и нельзя пренебрегать эффектами атомных оболочек. Очевидно, при разработке модели синтезатора минералов без решения этой физической проблемы не обойтись. Впервые при решении ЭТОЙ ЗАДАЧИ мы намерены применить метод последовательных приближений. Одному из авторов (ЮВ) принадлежит идея использовать водородоподобные волновые функции для всех элементов, а их изменения под внешним давлением заменить эквивалентными изменениями при увеличении зарядов ядер. Такой подход позволит решить все задачи о взаимодействии элементов, по крайней мере, в первом приближении.

Методы термобарохимии получили широкое развитие и применения, однако точность и правильность определений давлений в них небезупречны и подвергались критике на Международном геологическом конгрессе в Париже в 1980 году [9], с.5. Развитие модельных исследований электронно-ионного синтезатора минералов позволит сделать более точными определения физико-химических условий минералообразования и повысит эффективность прогнозных оценок месторождений на этой основе. Мы надеемся, что наши скромные попытки продвинуться в этом направлении найдут поддержку и понимание среди коллег. Моделирование процессов минералогенезиса в условиях экстремальных состояний вещества не являются легкой задачей и здесь пока больше вопросов, чем хорошо обоснованных ответов. Недавно появились удивительные экспериментальные результаты физиков А.Сапогина (Екатеринбург, Россия) и Т.Мизуно (Т.Mizuno, Япония), использовавших специальные протонно-проводящие керамики, которые при пропускании через них электрического тока выделяют в тысячи раз больше тепловой энергии, чем потребляемая. В некоторых экспериментах эта величина превышала 50000 (!).  Тепловой элемент СЕТИ, созданный Паттерсоном [12], дает устойчивый выход 1.3 кВт тепловой мощности, в то время как потребляемая электроэнергия была в 960 раз меньше. По видимому, это есть первые указания  на экспериментальные обнаружения каталитического синтеза тяжелых изотопов водорода. Возможность протекания подобных процессов в природе до сих пор не установлена ни геофизиками, ни геологами [13].

Мы надеемся, что модельные исследования помогут пролить свет на эти и другие важные для геоинформатики процессы.

 

ЛИТЕРАТУРА.

1.                 Дюдерштадт Дж., Мозес Г. Инерцианальный термоядерный синтез. М., 1984 г.

2.                 Балашов В.В. Строение вещества. М., МГУ, 1993 г., с.208.

3.                 Sapogin L.G., Kulikov I.V.  Cold Nuclear Fusion in the Unitary Quantum Theory. Chin.J. Nucl.Phys. V.17, №4, p.360 (1995).

4.                 Бинер К., Хеерман Д.В. Моделирование методом Монте-Карло.

5.                 Бушман А.В., Воробьев В.С., Рохель А.Д., Фортов В.Е. О возможности электровзрывного синтеза искусственных алмазов. ДАН, 1990 г., т.315, №5, стр. 1124-1126.

6.                 Динс Дж., Винйфрд Дж. Радиационные эффекты в твердых телах. М., ИЛ, 1960.

7.                 Вайсбурд Д.И., Колочужкин А.М. Распределение ионизационной дозы в треке протона. //Радиационные нарушения в твердых телах и жидкостях //Ташкент: «ДАН», 1993, стр. 83-88.

8.                 Бетехтин А.Г. Минералогия. М., 1950 г.

9.                 Использование методов термобарогеохимии при поисках и изучении рудных месторождений. Под редакцией Н.П.Лаверова. М., Недра, 1982 г.

10.            Степанов А.В. ФТТ, №1, с. 671(1959).

11.            Воробьев А.А. Можно взрывать и без применения взрывчатого вещества //Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция.// М., Энергия, 1970 г., с.486.

12.            Fortean Nimes, №85, 1995 г.

13.            Трейвус Е.Б. Введение в термодинамику кристаллогенезиса. Ленинград, Изд-во ЛГУ, 1990 г.