Механизм преодоления кулоновского барьера в низкоэнергетических ядерных реакциях
Дата: 06/11/2015
Тема: Атомная наука


Евгений Андреев1,2  (evgalexandr@mail.ru), Геннадий Савинков2 (genksav@yandex.ru), 1Институт физики НАНУ, 2НИП «Nucleon», Киев, Украина
                                               
Цель данной короткой статьи - дать большинству исследователей LENR (многие из которых не являются физиками-ядерщиками)  максимально доступное для понимания представление о механизме преодоления кулоновского барьера в низкоэнергетических ядерных реакциях, изложенное в работе Е.Андреева «О Кулоновском барьере в LENR–процессах». Приносим извинения перед профессионалами за сделанные здесь упрощения.


«Только мелкие секреты нужно прятать,
большие хранит в тайне неверие толпы»
                                     Маршалл Маклюэн

В настоящее время  во всём мире уже началась гонка за первенство в освоении LENR-технологий,  которое может дать лидеру мощнейший технологический отрыв от геополитических конкурентов. Табу на исследования LENR снято уже в США, Франции, Италии, Китае, Японии, большой экспериментальный и теоретический потенциал накоплен в России.


Экспериментальные результаты исследователей многих стран четко указывают: обнаружен новый класс ядерных процессов  со своими закономерностями. Основное их отличие в том, что при взаимодействии двух нуклидов в специфических условиях нарушаются некоторые из устоявшихся представлений  ядерной физики. Что делать?
Назрела необходимость уточнения и изменения одной из парадигм в физике элементарных частиц. Эта мысль очень хорошо сформулирована еще в 1966 году  Д.Гамовым: «Следующая большая революция в физике произойдет в понимании самого существа элементарных частиц.  ...это подразумевает возникновение концепций,  которые будут так же отличаться от современных, как сегодняшние отличаются от таковых классической физики».

Как само направление, так и попытки его легализации тяжело воспринимаются официальной наукой и вызывают с её стороны  естественное неприятие  и сопротивление.
На суд читателя выносится очень простая мысль: в «школьном» законе Кулона таится структура элементарных частиц, если убрать из него ложное представление о точечности электрического заряда.

Как обычно, восприятию мешает психологический барьер, базирующийся на убеждениях:

1. Природа не столь проста, как вы думаете!
2. Не могут одновременно заблуждаться столько великих умов!
3. Вся ядерная энергетика основана на теориях, венцом которых есть Стандартная Модель, потому они априори правильны!

Позиции адептов LENR осложняет то, что при большом количестве частных моделей теряется целостная картина. Множество подходов (более 100) не смогли описать явление в целом, фрагментарно объясняя некоторые его стороны. Многочисленные феномены LENR исследователи пытаются объяснить инструментарием той сферы науки, которой они занимались.

Получается тот же эффект, когда муравьи пытаются исследовать слона, ползая, кто по уху, кто по хоботу, кто по спине или ноге.  Представления о локальном устройстве слона правильны, но целостной картины не получается.

Даже гениальный итальянский изобретатель А. Росси, совершивший прорыв в практике  LENR и обладающий наибольшим количеством информации, пока не может со своей неординарной командой однозначно объяснить суть процессов в его E-Cat реакторе.

Много серьезных ученых (в их числе даже Нобелевские лауреаты) убеждены, что нужна другая физика, иная физическая парадигма. Наша группа разделяет эту точку зрения и пытается внести свой скромный вклад в общее дело. Мы знакомы с большинством работ российских и зарубежных исследователей LENR и проблем, в них затрагиваемых.

Попытаемся ответить на часть сформулированных там вопросов:

1. Как преодолевается Кулоновский барьер?
2. Как избыточная ядерная энергия преобразуется в тепловую?
3. Почему мало классической ядерной радиации?
4. Что такое «странное излучение», его биологические последствия?
5. Каковы механизмы «холодной трансмутации» ядер?
6. Какова роль атомной решетки в катализе процесса слияния ядер?
7. Почему возникает характерное рентгеновское излучение?
8. Почему много различных методик воспроизводят феномен, но количественные характеристики энерговыделения пока оставляют желать лучшего?
9. Что происходит в реакторах типа Росси?

Пусть вдумчивый читатель не смущается отсутствием большого числа строгих формул, мы постараемся акцентировать внимание на образное представление субъядерных объектов, причин и деталей их преобразований.


Новый подход к пониманию механизма ядерных преобразований в твердом теле

В классической ядерной физике принято рассматривать термоядерную реакцию в недрах звёзд на основе протон-протонного цикла. Условием преодоления кулоновского барьера является высокая кинетическая энергия протонов при температуре в десятки миллионов градусов и огромном давлении в зоне реакции.

Таким образом, в физике и мировоззрении ученых господствует единственный, силовой, вариант преодоления барьера. На Земле он реализован при взрыве термоядерной бомбы и в ускорителях элементарных частиц. Из этого подхода родилась и живёт до сих пор идея управляемой термоядерной реакции, которая должна протекать в экстремальных (близких к звездным) условиях. Десятки построенных за 60 лет  токамаков и других устройств, миллиарды долларов затраченных на их создание, к сожалению, так и не приблизили человечество к дешёвой энергии.

Образно говоря, сторонники УТС предлагают открывать запертую дверь вышибанием самой двери. Главное, сильнее разогнаться…. А, может открыть запертую дверь ключом или, в крайнем случае, подобрать отмычку? Может не обязательно дверь вышибать, а обратиться за подсказкой к природе?!

Заметим, что для большинства представителей классической науки ядерный синтез начинается с дейтериевой плазмы, что сказалось на предпочтениях экспериментаторов, проводящих исследования с дейтерием, а не с обычным водородом.

Заслуга инженера Росси в том, что он продемонстрировал  возможность участия протонов в ядерных взаимодействиях при «земных условиях», что стимулировало поиски новых подходов.

       
Модель некинетического преодоления кулоновского барьера

В работе «О Кулоновском барьере в LENR–процессах» предложена простая и оригинальная идея преодоления кулоновского барьера: не надо искать квантово-механических условий резкого возрастания проницаемости сферического барьера. Отталкивающее поле протона  изначально имеет в себе «дефекты» - специфические туннели притяжения.

Основные положения:

1. Электромагнитное и ядерное взаимодействия имеют единую природу.

Для доказательства  разложим общеизвестное выражение закона Кулона для потенциала по степеням 1/R в ряд Тэйлора, где первый член будет определять взаимодействие заряженных частиц на атомных  расстояниях, а член с 1/R2 будет определять взаимодействие нуклонов на фермиевском (~ 10-15 м) масштабе.



То есть, исторически возникшее понятие ядерного взаимодействия можно интерпретировать как нелинейную часть распределения электростатического потенциала, проявляющегося на фермиевских масштабах. Иначе говоря, закон Кулона это только первый член в  разложении  потенциала неточечного элементарного заряда протона  по мультиполям. Таким образом, мы объединяем электрическое и сильное ядерное взаимодействия.

2. Кулоновский барьер не является сферически симметричным.

Экспериментально наблюдаемый барьер сферичен потому, что протон с  большой скоростью вращается вокруг трёх осей, а мы воспринимаем  только усреднённый результат. Именно поэтому протоны  в обычных условиях всегда отталкиваются. Но экспериментальные данные (Jefferson Lab, USA, 2003-2015) уверенно говорят о несферичности протона.  Это выглядит логично, поскольку три кварка в пространстве могут выстроиться в линию или плоскость. Кроме того, они связаны друг с другом  круговыми относительно спина токами. Поэтому, хотя существует представление об асимптотической свободе кварков, направление спина нанизывает кварки, как спица клубки ниток.


Рис. 1.Трехмерный вид изоповерхностей зарядовой плотности протона при одинаковых положительных (периферийная область) и отрицательных значениях r=0.03 (отн.ед.).

3. Протон в решетке твердого тела может остановить свое «кувыркание».

Когда протон попадает в решётку, он взаимодействует с межатомными полями с напряжённостью порядка 105 В/м. За счёт спин-решёточной релаксации часть энергии «кувыркания» отдается в решетку и остается обычная одноосная прецессия, которая задает усредненное направление ориентации спина.  

Таким образом, в силовом поле электростатического межатомного потенциала поле протона теряет наблюдаемую в обычных условиях сферичность. Анизотропия кулоновского барьера вдоль оси спина задает направление сил притяжения. Если со стороны «туннеля» появится такой же «остановленный» и сориентированный  по спину протон, возникают условия для их слияния. Это и есть протон-протонное взаимодействие в низкоэнергетических ядерных реакциях.

Для подтверждения данной гипотезы с помощью специально разработанной программы “Nucleation” и программного комплекса Maple был проведен расчёт параметров потенциального поля  протона, помещённого в середину куба с ребром из 100 ячеек 100х100х100 (1 млн. ячеек). Расчёты показали, что вдоль оси спинов кварков, составляющих протон, действительно энергия взаимодействия становится отрицательной. Это означает, что силы отталкивания сменяются силами притяжения, чем и обеспечивается слияние нуклонов.



Рис.2.
Зависимость энергии взаимодействия двух протонов от расстояния между центрами при разных взаимных ориентациях. Протоны изображены изоповерхностями зарядовой плотности на масштабе порядка 1 ферми (10-15м). Красным цветом отображены области положительного заряда, голубым – отрицательного. Для ориентаций 1-3 энергия взаимодействия всегда положительна (отталкивание). Для ориентаций 4 в большом диапазоне расстояний энергия взаимодействия отрицательна, что указывает на существование сил притяжения и возможность формирования связанного состояния.


Выводы

Изложенные выше предположения детерминировано приводят к следующим выводам.

1. В селективных для водорода каналах твердого тела (типа структур в стеклах датчиков pH-метров) за счет спин-решеточный релаксации спины протонов ориентируются вдоль оси канала и создают «туннель» сил электроядерного притяжения.

2. Два соседних ориентированных протона в потенциале притяжения с вероятностью 1 образуют связанное состояние дипротона ( 2Не ) с дальнейшим захватом электрона окружения и рождению дейтрона в возбужденном состоянии 2D1* с энергией 1.44 Мэв.  Она меньше энергии развала дейтрона (2.23 Мэв), и время его жизни становится, в идеале, бесконечным.

Уникальность такого состояния еще и в том, что энергия возбуждения сосредоточена во внутренних модах относительного движения протона и нейтрона (компаунд-состояние), а не кинетической энергии поступательного движения центра тяжести системы. Скорость близка к нулю из-за релаксации энергии теплового движения протонов в одномерном канале до начала взаимодействия и симметрии начальных условий. В реальных условиях время жизни возбужденного состояния порядка 10-3 с.

3. Дальнейшая судьба возникшего 2D1* определяется направлением вектора скорости и типом ядер, встречающихся на траектории его движения. Поскольку «размеры» рожденного дейтрона возрастают в 100 – 1000 раз, эффективное сечение взаимодействия с ядрами решетки возрастает на 5-6 порядков. И если:

 (а) Кулоновский барьер дейтрон-ядро меньше 1.44 МэВ, происходит их слияние с нарастанием энергии нового компаунд-состояния. Если же этого не происходит:

(б) энергия возбуждения передается решетке за счет процессов ионизации ее атомов, и превращается в тепло.

Конкуренция процессов (а) и (б) приводит к развитию каскадного слияния ядер решетки (лавина).



Рис.3.
Начало лавинного слияния. Исходные реагенты – ориентированные окружением протоны.

Что же такое  низкоэнергетические ядерные реакции?

Низкоэнергетические ядерные реакции (CF, LENR, LANR, ХЯС) – это класс каскадных преобразований нуклидов (природный нуклеосинтез) при близких к нулю относительных скоростях, когда один из них есть составное ядро с энергией возбуждения выше Кулоновского барьера реагентов. Начало инициируется слиянием ориентированных окружением изотопов водорода.

Заметим, что изложенное в данной статье является всего лишь небольшой частью накопленных представлений и знаний о закономерностях нового класса ядерных реакций. Мы готовы продолжить тему, если у читателей возникнет интерес к столь радикальному подходу.






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

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=6352