1. Кавитация, сонолюминесценция и ядерный синтез?

                В последние годы интерес к явлению сонолюминесценции (СЛ) значительно возрос, на что указывает большое число публикаций по изучению этого феномена. Это связано с двумя основными причинами – открытием так называемой «однопузырьковой» СЛ и сообщением об обнаружении потока нейтронов с энергией 2,5 МэВ, возникающего при кавитации в дейтерийрованном ацетоне, и который может являться следствием реакции термоядерного синтеза в кавитационном пузырьке [1,2].

В связи с развернувшейся полемикой о природе СЛ [3] автор решил вернуться с результатам своих экспериментов [4] почти двадцатилетней давности, но, по ряду причин, не отраженных в широкой печати.

В работе описан очень простой эксперимент, который любой желающий может повторить буквально на кухне. Возьмите стеклянный медицинский шприц объемом не менее 20 см³ и массивным металлическим штоком, и медленно заполните его глицерином  (без иглы) на 0,5 объема, не допуская при этом разрыва столба жидкости. Закройте пальцем отверстие для иглы. Зайдите в ванную, и, выключив свет, дайте глазам адаптироваться к темноте в течение минуты. Быстро растяните и отпустите шток. Голубая вспышка, которую вы увидите, и есть та самая сонолюминесценция.

Конечно, требуется некоторый навык для повторения этого фокуса, да и стекло часто лопается от гидроудара, но зато вы получили физический эффект, однозначного объяснения которому нет. А возможно, вы создали термоядерную установку!

Из методики «эксперимента» понятно, что «соно», т.е. звук, тут ни при чем. Различные виды СЛ – акустическая, гидродинамическая, «однопузырьковая», лазерная и пр. имеют в своей основе единый механизм, основанный на концентрации энергии в малом объеме. Впрочем, как будет показано далее, объем не обязан быть совсем уж микроскопическим.

После экспериментов со шприцем вы увидите, что глицерин в нем содержит множество мелких воздушных пузырьков размером до миллиметра (или всего несколько, как повезет). Они образовались в результате дегазации жидкости при снижении статического давления. Пузырьки практически неподвижно «висят» в жидкости, т.к. вязкость глицерина почти в 1000 раз выше, чем у воды. Если медленно перемещать шток шприца, то можно убедиться, что пузырьки, изменяя свой объем, сохраняют сферическую форму. Это очень существенно, т.к. основным аргументом у оппонентов тепловой теории СЛ служит именно нарушение сферичности пузырька и его расщепление. Такое явление действительно имеет место, но оно происходит либо вблизи стенки сосуда, либо вблизи другого пузырька, когда нарушается сферическая симметрия течения жидкости. Одиночный же пузырек сохраняет свою форму. Этому способствуют силы поверхностного натяжения и, вероятно, реологические свойства жидкости.

 2. Есть ли альтернатива термояду?

На создание установок управляемого термоядерного синтеза (ТЯС) уже потрачена сотня миллиардов долларов и почти 50 лет исследований. Только США и Япония выделяют на эти исследования $500 млн. в год.  Международный проект ИТЭР потребует от 5 до 13 миллиардов долларов, и реализуется только через 15 лет, и опять же, это будет всего лишь опытный реактор.

Не кажется ли вам, что кто-то нашел неплохой источник субсидий? Настолько неплохой, что имеет смысл и дальше «исследовать термояд», пресекая все альтернативные методы получения энергии из реакций ядерного синтеза?

Один классик сказал, что энергетика - это физика плюс экономика. По выражению Л.А. Арцимовича, термояд заработает тогда, когда он нужен будет людям.

Я бы добавил сюда и политику. Действительно, когда стала нужна термоядерная бомба, ее сделали за несколько лет.

А управляемый синтез, значит, сегодня не нужен?

Или просто не умеем?

Между тем, идею использования кумулятивных зарядов для подрыва термоядерного боеприпаса "кухонного образца" впервые высказал отец американской водородной бомбы Эдвард Тейлор. По его словам, достаточно взять кусок 2-х дюймовой водопроводной трубы, внутрь поместить ампулу с тритием, а по концам трубы разместить кумулятивные заряды, и кухонный термояд готов. Там же было предостережение: при удачной конструкции кухонного термоядерного боеприпаса экспериментатор рискует испариться вместе с окружающим ландшафтом.

Конечно, Тейлор несколько преувеличил. Более реальная схема для получения сверхвысоких давлений и плотностей была применена в атомной бомбе для сжатия делящегося материала и достижения надкритической плотности.

Для создания эффекта имплозии – «взрыва внутрь» - устройство окружают блоками из специальной химической взрывчатки (содержащей в основном гексоген).Каждый блок по конструкции похож на кумулятивный заряд, применяемый в гранатомётах, только в результате взрыва формируется не узкая струя а, наоборот, широкая, направленная к центру шара (использованы материалы из http://naturalist.rarib.ru/abom.htm). Каждый блок имеет высокоточный быстрый электродетонатор (критрон). Взрыв химического ВВ должен обеспечить равномерную ударную волну, направленную к центру, и это является одной из основных трудностей при конструировании бомбы. На рисунке красным цветом показана полая сфера из делящегося материала, зелёным - отражатель, синий квадратик обозначает источник нейтронов. В реальных устройствах используется ещё несколько слоёв, позволяющих сформировать имплозивную ударную волну и препятствующих преждевременному разлёту делящихся материалов. После детонации блоков химической взрывчатки (на рисунке слева они коричнево-жёлтые) расположенный под ней слой отражателя устремляется к центру и толкает перед собой ядерную взрывчатку. В результате в несколько раз возрастает её плотность и толщина стенок шара и достигается мгновенная критичность (чему помогает расположенный в центре источник нейтронов). Первое реально взорванное ядерное устройство было сделано именно по такой схеме.

Тем не менее, такая схема не годится для зажигания термоядерного топлива. В термоядерной бомбе используется взрыв делящегося материала для получения необходимых температуры и плотности плазмы. Одна из схем бомбы приведена на нижнем рисунке. Описание можно посмотреть на сайте http://nuclear-weapons.nm.ru/theory/sloika.htm .

Рассмотрим принцип лазерного инерциального термояда.

В опытных установках, имеющихся у США, Франции, Японии и России, небольшая (несколько миллиметров) сильно охлаждённая сферическая мишень, содержащая те же изотопы водорода и/или гелий-3, облучается коротким и чрезвычайно мощным (до нескольких МДж) лазерным импульсом. В простейшем случае (прямое сжатие) облучается поверхность мишени, изготовленной из пластика, бериллия (с примесью меди), или золота, внутри которой находятся упомянутые изотопы в виде льда и газа. Облучённый лазерами поверхностный слой мишени взрывается, создавая реактивный импульс, направленный в том числе и к центру мишени. Вещество мишени одновременно сжимается и разогревается, в результате чего возникают условия для термоядерной реакции. Обычная инерция заставляет вещество двигаться к центру даже после того, как первоначальный импульс перестал действовать - отсюда название "инерциальное удержание".

Перспективно использование так называемого непрямого сжатия, когда сферическая мишень заключается в металлический цилиндр (hohlraum), имеющий на порядок большие размеры и довольно сложную конструкцию (см. рисунок). Лазерные лучи в этой схеме облучают внутренние (!) стенки цилиндра через прозрачные окошки в его торцах, в результате чего металл интенсивно излучает (в числе прочего) мягкие рентгеновские лучи, облучающие сферическую мишень более равномерно, чем если бы на неё непосредственно светили лазерные лучи. Разумеется, вся эта сложная (и надо думать недешёвая) конструкция превращается в плазму и приходит на ум поговорка "топить ассигнациями" (топить хольраумами...). На первый взгляд такую изящную вещь и вправду жалко, но экономисты и другие информированные оптимисты подразумевают, что при массовом производстве цена изделия бесконечно приближается к оптовой цене сырья, из которого оно производится. Так что здесь беспокоиться нечего.

Инерциальное удержание позволяет достичь гораздо больших плотностей, чем магнитное (к настоящему времени в Ливерморе достигнута плотность для дейтерия порядка 100 г/см^3), при сравнимых температурах. Только время удержания топлива в необходимых для реакции кондициях очень мало (наносекунды). Энергия выделяется в виде коротких импульсов маленьких термоядерных взрывов (теоретически эквивалентных десяткам килограммов тротила каждый).

Реально мишени пока не удаётся поджигать при помощи лазеров, пока их сжигали только при подземных ядерных испытаниях (в 1986 г. в США); при лазерном термояде пока сгорает лишь незначительная часть топлива. Совершенствование технологии несомненно преодолеет эту проблему, однако перед создателями термоядерных электростанций, как я понимаю, стоит проблема посложнее: низкий КПД лазеров. Большая часть энергии, утилизированной после микровзрыва, будет уходить на накачку лазеров на следующий импульс. Строящийся в Ливерморе прототип реактора в лучшем случае выйдет на замкнутый энергетический цикл. Так или иначе, термояд станет конкурентоспособной отраслью энергетики очень нескоро (видимо, не раньше конца 21 - начала 22 века).

Столь длинное вступление мы сделали, что бы показать, что во всех реально работающих ядерных устройствах, где требуются сверхвысокие давления и плотности, используется имплозия, т.е. взрыв внутрь.

3. «Теплый» ядерный синтез?

Почему же не удается зажечь термоядерное топливо без использования «обычной» атомной бомбы?

Причина очевидна – не достигаются необходимые условия для горения.  А знаем ли мы сегодня, какие должны быть эти условия? Ведь реально «работает» лишь термоядерная бомба, т.е. мы знаем заведомо достаточные условия, а вот необходимые?

Обратимся к авторитетам.

Академик Е.П. Велихов: «Мы до сих пор не понимаем, почему нам удается в токамаках поддерживать температуру 100 млн. градусов. Это в общем-то чудо. Казалось бы, физика плазмы базируется на простых законах. Здесь не надо теории относительности, не надо квантовой механики. Все можно рассчитать на основе закона Ньютона и уравнений Максвелла. Но сделать это на самых современных терафлопных компьютерах не получается».

Атомные бомбы делают уже 60 лет. Однако даже сейчас в ядерной бомбе все рассчитать невозможно - последнее слово за экспериментом, считает один из создателей советского атомного оружия Лев Альтшулер.

Из его же интервью:

- А сейчас существует точная теория процессов, происходящих с веществом при таких давлениях, или все равно нужны дальнейшие эксперименты?

- Есть такие, я бы сказал, полуэмпирические теории как для металлов, так и для ионных кристаллов. Имеются несколько теорий внешне более точных, учитывающих оболочечную структуру атома, но они противоречат экспериментам. Как, например, применить волновую квантовую теорию, если в сжатом до сверхвысоких давлений веществе волновые функции атомов перекрываются?

- Наверное, и атомную бомбу сегодня, владея только чистой теорией, сделать нельзя?

- Вроде бы все известно: возьмите определенное количество урана и плутония, доведите их почти до надкритического состояния, а потом с избытком увеличьте и массу, и плотность. Но вот насколько и как? Этого вы точно не посчитаете.

Как видим из этих высказываний, степень изучения вопроса далека от совершенства.

Тем не менее, по-видимому, решение задачи осуществления управляемого синтеза упирается в три неизвестных параметра: температура, плотность и время существования плазмы.

В бомбе все параметры заведомо достаточны: температура в десятки млн. градусов, давление миллионы атмосфер (хотя кто его измерял?), время существования – доли микросекунд.

В «Токамаках» время существования плазмы исчисляется десятками минут, температура – десятками млн. градусов, а вот плотность - мала.

В установках лазерного синтеза велика и плотность, и температура, но время существования составляет всего лишь наносекунды.

А может быть существует некая золотая середина, где при времени удержания в десятки-сотни наносекунд не требуется слишком уж больших температур и плотностей? Этакий «теплый» ядерный синтез. (Термин не мой, где-то я его уже видел).

Давайте посмотрим, почему обычное химическое ВВ не позволяет достигать «термоядерных» условий. Причин здесь две. Первая – трудности фокусировки сходящейся ударной волны (УВ). Какие бы быстрые электродетонаторы мы не применяли, всегда моменты подрыва отдельных зарядов будут несколько различны, хотя бы из-за разницы в составе ВВ. Это приводит к искажению сферической формы УВ, и, как следствие, размыванию фокуса.

Вторая причина – ограниченная скорость горения химического ВВ, а следовательно, импульсной мощности. По оценкам, по этому параметру ВВ должны быть мощнее на порядок.

По всей видимости, эти ограничения непреодолимы в реальных технических устройствах.

Тем не менее, создание сходящейся сферической УВ является, пожалуй, единственной реальной возможностью для достижения необходимых нам температур плотностей плазмы. Вопрос только в том, как ее создать.

Вот тут мы и подходим к основной идее «теплого» синтеза. Поскольку мы решили искать золотую середину между условиями  плазмы «Токамака» и лазерного синтеза, время существования плазмы примем равным 10-100 нс. Соответственно и ее плотность, согласно условию Лоусона, можно снизить на один-два порядка, а при этом, возможно, импульсной мощности современных химических ВВ будет достаточно, если соблюсти условия сохранения сферической формы УВ.  

Идеальной сферой можно считать газовый пузырек в вязкой  жидкости в условиях невесомости. Вязкость нужна для того, что бы возникающие под действием случайных сил высшие моды колебаний пузырька быстро затухали.

При вязкости в 1 Па*с (глицерин при комнатной температуре) даже в обычных условиях (без невесомости) пузырьки газа диаметром до 2-3 мм практически сферичны. Глицерин хорош еще и тем, что коэффициент поверхностного натяжения (фактор, обеспечивающий сферическую форму) один из самых больших из всех известных жидкостей (кроме жидких металлов, но у них мала вязкость).

Кстати, раз уж зашла речь о выборе жидкости, весьма перспективными, хотя и совершенно не изученными с точки зрения динамики пульсации пузырьков, являются органические гели, например, растворы ПВС или ПАА  в воде. Их реологические свойства позволяют получить «вмороженный» пузырек идеально сферической формы, способный, тем не менее, к радиальным пульсациям.

 Сферу мы нашли. Теперь необходим способ ее сжатия, такой, чтобы образовалась сферическая ударная волна в газе, заполняющем пузырек.  Раз мишень из ядерного топлива в центре такого «реактора» не разместить, пусть сам газ будет топливом. Или окружающая жидкость содержит топливо, ее пары все равно попадут внутрь пузырька.

Остается  решить вопрос о способе сжатия пузырька и о параметрах самого пузырька (состав газа, начальный радиус и давление). Это требует некоторых оценочных расчетов, поэтому приводится отдельно, в разделе «Статья 1».

4. О достоверности компьютерных расчетов вообще и в физике в частности.

Где-то в вебе я встретил выражение: «компьютер убивает физику». Конечно, без компьютерных расчетов в физике не обойтись. Однако посмотрите, как сегодня пишутся диссертации. Берется исходный материал, обычно даже не из собственных экспериментов, а из баз данных автоматизированных (производственных или научных) измерительных систем. Выбирается некая математическая модель процесса, строится система уравнений. И, ничтоже сумняша, диссертант решает ее с помощью «сертифицированных программных пакетов» - Mathcad, MSExcel, StatSoft «Statistica», да мало ли их сегодня (в основном пиратских)!

А допустимо ли это? По какому алгоритму считает программа? В каких условиях алгоритм правильно работает? Например, в MS Excel встроена хорошая подпрограмма «Поиск решения». В справке говорится, что она использует алгоритм нелинейной оптимизации Generalized Reduced Gradient (GRG2), разработанный Леоном Ласдоном (Leon Lasdon, University of Texas at Austin) и Аланом Уореном (Allan Waren, Cleveland State University). Но сам-то алгоритм является интеллектуальной собственностью разработчиков! Его у них не попросишь! Поэтому результаты подобной «оптимизации» непредсказуемы.

Так и рождаются компьютерные открытия в физике.

Поэтому, по моему мнению, лучше уж алгоритм решения разрабатывать самому, да и программу писать тоже, хоть на Бейсике или С++ под ДОС. Пусть внешнее оформление не так симпатично и работать неудобно, но зато можно быть уверенным, что ты получаешь именно то, что следует из принятой модели.

Второй вопрос о выборе самой модели.

Что бы рассчитать параметры некоторого физического процесса, нужна его математическая модель. А если явление новое, неизученное, откуда возьмется модель? Выдвигаются лишь правдоподобные гипотезы, на основании которых строится математическая модель, рассчитываются параметры явления, а затем эти параметры сравниваются с экспериментом.

В нашем же случае (имеются в виду пульсации пузырька с большой амплитудой колебаний)  даже правдоподобную модель построить сложно. Слишком велики диапазоны изменения плотностей, давлений и геометрических  размеров. Ну, разве можно применять уравнения газовой динамики для областей нанометровых размеров и при плотности вещества на порядки большей, чем плотность воды?  Как учитывать потери энергии, например со световыми квантами СЛ, если физический механизм их излучения неизвестен? Как работают механизмы испарения и конденсации пара в таких условиях?  

Поэтому как бы не мудрствовали компьютерные исследователи СЛ в вычислительной математике, ничего хорошего в этом направлении не получится. Здесь все решает только эксперимент. 

Из сказанного понятно, почему статья [2], написанная по данным эксперимента, вызвала целый скандал, а длиннейшие и нудные математические обоснования полученных результатов [5] вообще не вызвали никакой реакции. 

Поэтому в статье мы и не пытаемся получить точное математическое описание пульсации пузырька с большой амплитудой. Речь в ней идет только о временных интервалах и условиях сжатия, когда параметры газа не достигают экстремальных значений. Для простоты считаем процесс сжатия адиабатическим (политропическим). Принцип известный как «не умножай сущностей сверх меры». А ориентировочные оценки проводятся с помощью энергетических соотношений. Джоуль он и в Африке джоуль.

Особый вопрос – устойчивость сферической формы газового пузырька. Исследований на эту тему множество, опять же, чисто математических. А как учитывается в постановке задачи реологические и неньютоновские свойства жидкости? Таких, например, как глицерин или полимерные гели, вязкость которых на несколько порядков выше, чем у воды, да к тому же обладающих неньютоновскими свойствами? Можно ли верить в этом случае расчетам?

А экспериментально проверить это очень просто, как это было показано в «кухонном» эксперименте со шприцем.  

25.12.05 Посмотрите на устойчивость живьем: Видео, mpeg, 950 кб

Комментарии: Данные Саслика и К, ссылка ниже. На видео запечатлены два периода пульсаций (20 кГц) пузырька в концентрированной серной кислоте (вязкость примерно как у глицерина). Конечно,  минимальный радиус и вспышку СЛ при такой съемке не определить, не хватает временного разрешения. Но какая стабильность формы!

8.02.06. Taleyarkhan R. P., West C.D., Lohey R.T., Nigmatulin R.I., Block R.C., Y.Xu. Nuclear Emissions During Self-Nucleated Acoustic Cavitation. Pys. Rev. Lett. 96, 034301            (2006)  Очередная статья тех же авторов, продолжение [2]. Зародыши получаются от альфа-частиц солей урана. Целый набор разных детекторов. Достаточно убедительно. Обсуждение здесь. 

  Наши работы: 1. Расчет установки для кумуляции энергии в газовых пузырьках.                                            S1.pdf, 270 кб

                        2. Экспериментальное обнаружение нейтронов при сжатии дейтериевого пузырька.          S2.pdf, 320 кб

                        3. Оценка нейтронного выхода при ударном сжатии...        pdf, 330 кб

Литература:

1. Gaitan D.F., Crum C.C., Churh C.C., Roy R.A. J. Acoust. Soc. Am. 91. 3166 (1992)

2. Taleyarkhan, R. P., West C.D., Lohey R.T., Nigmatulin R.I., Block R.C. Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation, Science 295, 1868–1873 (2002).

3. http://www.scientific.ru/journal/n270702.html

4. Смородов Е.А. Экспериментальные исследования кавитации в вязких жидкостях. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Москва, Акустический институт АН им. Андреева, 1987.

5. Taleyarkhan, R. P. et al. , Web supplements 1 and 2, http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/295/5561/1868/DC1.

Ниже приводятся ссылки на новые исследования СЛ и ЯС (на 25.12.2005):

 1.R.I. Nigmatulin, I.Sh. Akhatov, A.S. Topolnikov et al. -  Theory of supercompression of vapor bubbles and nanoscale thermonuclear fusion //Physics of Fluids. - 17, 107106 (2005) Это продолжение работы [2]

 2.D.J. Flannigan, K.S. Suslick. Plasma Line Emission during Single-Bubble Cavitation. //Phys. Rev. Lett. 95, 044301 (2005)

Авторы провели опыты по однопузырьковой СЛ в вязкой жидкости (серная кислота). Полученная ими температура - около 20000 градусов. К вопросу об устойчивости сферической формы - Видео

 3.А.Г. Липсон, В.Г. Кузнецов, Дж. Майли. – Выход D-D реакции в процессе электрического пробоя кавитационных пузырьков в диэлектрических дейтерированных жидкостях // Письма в ЖТФ.-2004.- т.30.- Вып.10.- С. 39-45 Неудачная интерпретация опытов из работы [2].