Управляемый ядерный синтез   

На фигуре № 1 представлена аксонометрическая проекция цилиндрического излучателя. На фигуре 2 показан цилиндрический излучатель в разрезе. Фигура 3 – вид сверху. На всех представленных здесь фигурах толстые стрелки обозначают направление радиальных колебаний стенок цилиндрического излучателя. Иначе говоря, авторы перечисленных патентов собирались получить сосредоточение энергии звуковых колебаний в геометрических центрах симметрии излучателей.

Теоретически в подобных излучателях увеличение амплитуды давления звуковой волны было бы обратно пропорционально расстоянию от геометрического центра симметрии излучателя или квадрату расстояния, для сферического излучателя:

                       P ≈ 1/x       или      P ≈ 1/x² ,                       (1)

(Смотрите фигуру № 4, на которой штриховой линией показан график гиперболического нарастания амплитуды давления при подходе к геометрической оси цилиндрического излучателя).

Из формул № 1 видно, что при   x → 0 P → ∞

Таким образом, как ранее указывалось, расчет величин давления и температуры на заключительном этапе схлопывания абсолютно полой кавитационной полости само по себе уже даёт бесконечно большие значения. А если к тому же схлопывание этой абсолютно полой кавитационной полости производить сфокусированными звуковыми волнами, то значение величин t и p на заключительном этапе процесса будет иметь расчетные значения пропорциональные ∞² (или ∞³ для сферического излучателя). Поэтому-то существует вероятность, что при соответствующих размерах излучателей в их геометрических центрах удастся получить условия, достаточные для протекания реакций ядерного синтеза, даже несмотря на наличие газов в кавитационных полостях.

В принципе это правильные рассуждения.

 Однако ошибка исследователей состоит в том, что при использовании для возбуждения радиальных колебаний стенок излучателей синусоидального или любого иного электрического сигнала, полупериоды которого имеют равные длительности и равенство абсолютных амплитуд, значительного усиления явления сонолюминесценции в геометрических центрах симметрии получить не удастся. 
Подобная ошибка в частности была допущена авторами нашумевшей работы группы Талейархана и др. Эти исследователи для порождения и схлопывания кавитационных пузырьков в геометрическом центре симметрии цилиндрического излучателя использовали синусоидальные (гармонические) звуковые волны частотой 19,3 кГц. В результате авторы указанной работы взбили пену из множества кавитационных пузырьков вблизи геометрического центра симметрии цилиндрического излучателя. А пена, как известно, является хорошим звукоизолятором, из-за этого группе Талейархана не удалось сосредоточить непосредственно в геометрическом центре симметрии цилиндрического излучателя энергию, достаточную для возбуждения кавитационного ядерного синтеза – пена экранировала прохождение звука. Поэтому, не смотря на достаточно основательные математические выкладки, которые, казалось бы, свидетельствуют о возможности соносинтеза при коллапсе газового пузырька, группе Талейархана на практике не удалось получить бесспорные экспериментальные доказательства протекания ядерных реакций в кавитационных процессах. И причина неудачи исследователей из этой интернациональной группы кроется именно в использовании гармонических звуковых волн. (Эту работу и мои комментарии к ней можно посмотреть здесь).

(Примечание: в 2006 г. к аналогичному выводу о невозможности использовать синусоидальные волны для усиления кавитации пришли исследователи Е.А. Смородов и Р.Н. Галиахметов. Смотрите их статью: "Расчет установки для кумуляции энергии в газовых пузырьках", скачанную из ИНТЕРНЕТА.)

Действительно, если тщательно разобраться, то можно прийти к однозначному выводу о том, что получить стоячую волну, вызванную синусоидальным сигналом, в цилиндрическом или сферическом излучателях невозможно, если в геометрическом центре симметрии излучателя происходит процесс выделения энергии.

Для того, что бы понять, почему в сферическом или цилиндрическом излучателях невозможно эффективно использовать стоячие волны, вызванные синусоидальным сигналом, для возбуждения процессов сонолюминесценции и получать за счет этого реакций ядерного синтеза, используем широко распространенный в математике приём «рассмотрение от противного». Сделаем допущение, которое потом в процессе логического анализа приведёт нас к противоречию с этим самым, сделанным ранее, допущением.

Мы сейчас мысленно представим (сделаем допущение, противоречащее экспериментальным фактам), что при использовании стоячих звуковых волн в центрах симметрии цилиндрического или сферического излучателей наблюдается очень мощный выход энергии – происходят ядерные микровзрывы.

Здесь будет уместно напомнить, что собой представляет стоячая волна в строгом математическом смысле. Смотрите книгу: Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнев «Справочное руководство по физике» (для поступающих в вузы и для самообразования). Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1984; с изменениями 1989. Стр. 328:

«Частным случаем интерференции волн являются стоячие волны. Стоячая волна в простейшем случае образуется в результате наложения двух волн, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, если интерферирующие волны удовлетворяют следующим условиям: их частоты, амплитуды и направления колебаний должны быть одинаковыми».

В этом определении я специально подчеркнул слова: частоты и амплитуды должны быть одинаковыми.

В случае же с фокусировкой звуковых волн в сферическом или цилиндрическом излучателях и получения за счет этого ядерных микровзрывов эти условия изначально, по определению, не выполняются. В силу того, что изначально мы пытаемся получить в центре симметрии дополнительный выход энергии от ядерных реакций (в этом, собственно говоря, и состоит наша конечная цель). В жидкости одновременно распространяются две волны: Первичная (набегающая) волна, распространяющаяся от стенок излучателя к центру симметрии излучателя и Обратная волна, распространяющаяся из центра симметрии после схлопывания кавитационной полости (после ядерного микровзрыва). Причем обратная волна будет иметь бо’льшую энергию (бо’льшую амплитуду) по сравнению с набегающей волной, распространяющейся от стенок излучателя.

Во-вторых, надо учитывать, что жидкость в центре симметрии излучателя перед схлопыванием кавитационной полости стоячими волнами, уже была сильно сжата набегающей волной повышенного давления. А затем в момент схлопывания кавитационной полости, когда происходит ядерный микровзрыв (допущение, сделанное нами), слои жидкости окажутся сжаты еще больше, из-за этого изменятся условия распространения звуковых волн. С учетом нелинейной характеристики потенциальной энергии взаимодействия молекул жидкости, становится ясно, что начальная скорость распространения обратной волны, порожденной ядерным микровзрывом, и распространяющейся из центра симметрии излучателя, будет существенно больше, чем скорость набегающей волны, которой ранее осуществляли схлопывание кавитационных полостей. А, кроме того, частота Обратной волны, порожденной ядерным микровзрывом, будут существенно больше частоты Первичной звуковой волны, порождающей этот микровзрыв при схлопывании кавитационной полости.

В-третьих, в силу высоких давлений возле центра симметрии будут проявляться сильные нелинейные эффекты, при которых характерно появление дополнительных гармоник. (Можно сказать, что в нелинейных средах волны взаимодействуют между собой, причем часто это взаимодействие происходит таким образом, что нам чисто интуитивно очень трудно предсказать динамику этого взаимодействия. И тем более трудно сделать прогнозы динамики взаимодействия в среде, нелинейность которой имеет градиент – в центре излучателей нелинейные эффекты очень сильные, на периферии, ближе к стенкам излучателей, они существенно уменьшаются).

Все эти факторы (разные амплитуды и скорости встречных волн, разные частоты и появление дополнительных гармоник) в своей совокупности противоречат условиям существования стоячей волны в классическом смысле этого понятия.

Таким образом, мы пришли к противоречию, из которого следует вывод: если в геометрическом центре симметрии излучателей происходят ядерные микровзрывы, то в жидкости, заполняющей излучатель, не может быть стоячих волн. При ядерных взрывах в излучателях будет полный хаос, но никак не стоячая волна.

С другой стороны будет верно и обратное утверждение: нам не удастся использовать стоячие волны для эффективного усиления явления сонолюминесценции и, как следствие, для получения за счёт этого реакций ядерного синтеза, т.к. в этом случае произойдет расфокусировка энергии звуковых волн.

Т.е., говоря иными словами, мы не можем для получения ядерных микровзрывов в геометрических центрах симметрии излучателей использовать электрический сигнал синусоидальной формы или любой иной биполярный электрический сигнал, в котором совпадает длительность полупериодов.

(Если бы только что приведенный тезис был неверным, т.е., если бы в природе существовала возможность получения в цилиндрических сосудах с помощью стоячих звуковых волн реакций ядерного синтеза, то окружающий мир превратился бы для человечества в сплошную техногенную катастрофу. Ибо человечество создало вокруг себя огромное число цилиндрических емкостей, заполненных жидкостями, достаточно вспомнить хотя бы простой многокилометровые городские водопроводы, трубы которых имеют весьма приличный диаметр, или железнодорожные цистерны. Малейшее сотрясение этих цилиндрических емкостей могло бы привести к возникновению в этих ёмкостях самоподдерживающихся стоячих звуковых волн, вызывающих в геометрических центрах симметрии ёмкостей ядерные микровзрывы. Причем этот процесс был бы саморазгоняющимся, а финальная его стадия – взрыв, приводящий к разрушению цилиндрической емкости. Однако, насколько мне известно, нигде в мире не наблюдаются подобные взрывные явления в тысячекилометровых трубопроводах или при транспортировке десятков тысяч железнодорожных цистерн. С другой стороны формулы № 1 и вся физика, сопутствующая им, слишком просты, что бы в них была какая-нибудь ошибка. Поэтому остаётся только одна возможность для объяснения неудач экспериментаторов, пытавшихся получить выделение энергии от ядерных микровзрывов посредством фокусировки стоячих волн, это – изначальная несовместимость реакций ядерного синтеза и стоячих волн.)

Здесь, пожалуй, для наглядности будет уместно привести следующую электротехническую аналогию: Мы можем рассматривать явление усиления сонолюминесценции с помощью фокусировки энергии звуковых волн в геометрических центрах симметрии цилиндрического или сферического излучателя и получения за этот счет реакций ядерного синтеза как некий нелинейный ядерный усилитель. См. фиг. № 5, где это явление условно обозначено операционным усилителем. (Для большей наглядности на изображении операционного усилителя нарисовано стилизованное изображение атома).

Фиг. № 5.

Период биполярного импульса, вызывающего один цикл работы излучателя (один акт порождения и схлопывания кавитационной полости в центре симметрии излучателя),  равен:    ₁ + ₂ + ₃, т.е. состоит из трех этапов.

Вначале каждого периода колебаний передний фронт A – B биполярного импульса тока вызывает резкое радиальное растяжение стенок излучателя в течение времени ₁ достаточном для того, чтобы бегущая волна пониженного давления [см. фиг. № 7 ] успела распространиться со скоростью v₁ близкой к обычной скорости звука (для данной жидкости) от стенок к центру симметрии излучателя и сформировать в нем кавитационные полости, ещё до того, как позже к центру симметрии подойдет бегущая волна повышенного давления. (При этом из-за радиального растяжения происходит упругая деформация стенок излучателя и в них запасается энергия.)

Фиг. № 7.

По прошествии промежутка времени ₁ полярность электрического тока на диаграмме см. фиг. № 6 резко меняется (фронт C - D) и стенки излучателя подвергают резкому радиальному обжатию в течение времени ₂, несколько меньшим того времени, которое ранее было затрачено на распространение бегущей волны пониженного давления и формирование ею кавитационных полостей в геометрическом центре симметрии цилиндрического излучателя. Т.е.  ₁ больше чем ₂. При этом высвобождается энергия, которая ранее была затрачена на совершение упругой деформации радиального растяжения стенок излучателя, а, кроме того, из-за изменения направления тока мы ещё и сильно подпираем стенки излучателя электромагнитным полем. Здесь также следует обратить внимание на то обстоятельство, что на диаграмме, показанной на фигуре № 6, амплитуда “D” электрического тока, ответственного на этапе ₂ за сжатие стенок излучателя, существенно больше амплитуды “B” электрического тока, ответственного на этапе ₁ за растяжение стенок излучателя. Т.е. для формирования волны сжатия, схлопывающей кавитационную полость, используется ток с амплитудой больше, чем на формирование предшествующей волны разряжения. Поэтому амплитуда волны повышенного давления будет изначально существенно больше по сравнению с амплитудой волны разряжения. В результате этого возникает бегущая волна повышенного давления , распространяющаяся с постепенно нарастающей скоростью от стенок к центру симметрии излучателя. Смотрите фиг. № 8, на которой изображено одновременное распространение волны  разряжения и волны повышенного давления в направлении центра симметрии излучателя.

Фиг. № 8.

Таким образом, промежуток времени ₂ – это время, в течение которого бегущая волна повышенного давления успеет распространиться со скоростью, превышающей звуковую, от стенок к геометрическому центру симметрии излучателя.

Далее, как это видно из диаграммы, изображенной на фигуре № 6 в электрическом сигнале, применяемом для возбуждения колебаний стенок излучателя, следует резкий спад электрического тока и в цикле работы излучателя следует самый продолжительный этап: ₃. В течение этого времени в излучателе должны прекратиться звуковые колебания, вызванные ядерным микровзрывом, порожденным схлопыванием кавитационных полостей, или же амплитуда этих колебаний должна стать настолько малой, чтобы они уже не могли препятствовать повторению рабочего цикла, т.е. новому акту порождения-схлопывания кавитационных полостей.

По окончании этапа ₃ весь процесс возбуждения колебаний стенок излучателя многократно повторяется.

Такой способ возбуждения колебаний стенок излучателя обладает значительным преимуществом по сравнению со способами, в которых возбуждение излучателя осуществляется синусоидальным сигналом или прямоугольным меандром.

Дело в том, что при таком способе возбуждения колебаний энергия схлопывания пузырьков бегущими волнами на оси цилиндрического излучателя может оказаться во много раз больше, в сравнении с той, которая будет наблюдаться при использовании стоячих звуковых волн. Это объясняется тем, что передний фронт бегущей волны сжатия, подпираемый последующими слоями жидкости, по мере приближения к оси цилиндра (сферы) может приобрести скорость, существенно бо'льшую, чем скорость распространения звука для данной жидкости, имеется в виду скорость распространения звука в воде при давлении Pстат. (Это явление обусловлено тем, что давление в волне сжатия будет очень сильно нарастать по мере её движения к геометрической оси цилиндрического излучателя. При больших давлениях меняются упругие свойства жидкости – возрастает сила отталкивания между молекулами. Кинетическая энергия, распределенная по всей массе жидкости, заключенной в полости цилиндрического излучателя будет передана небольшому слою жидкости, окружающему пузырьки квазивакуума, возникшие на оси цилиндрического излучателя. На фигуре № 9 показано распределение значений давления в цилиндрическом излучателе за миг до схлопывания пузырьков. Высота гребней несколько превышает границу, определенную гиперболой. Таким образом, почти вся энергия колебаний стенок излучателя сфокусируется в очень малом объёме. При таких условиях энергия схлопывания пузырьков, как я уже отмечал ранее, окажется существенно больше, что во много раз повышает вероятность протекания ядерных реакций.
(Здесь надо учитывать одну тонкость: скорость распространения волны пониженного давления будет иметь скорость близкую к обычной скорости звука, в то время как волна сжатия будет иметь скорость существенно бо'льшую особенно на заключительном этапе своего распространения. Поэтому, с учетом указанной особенности длительность этапа ₁, в возбуждающих биполярных импульсах надо подбирать таким образом, что бы волна повышенного давления не нагоняла бы и не разрушала бы волну разряжения до того, как в центре симметрии не успели образоваться пузырьки квазивакуума.)

Причем нет необходимости пассивно ждать завершения этапа ₃, т.е. того момента, когда звуковые колебания, вызванные ядерным микровзрывом, самостоятельно прекратятся в излучателе. Упорядоченная по своей структуре Обратная звуковая волна, порожденная ядерными микровзрывами, может быть легко применена для генерации электроэнергии непосредственно стенками излучателя, путем использования обратного пьезоэффекта, если излучатель изготовлен из пьезоматериалов, или явления электромагнитной индукции, если для работы излучателя используются электромагниты. Этим самым «мы одним выстрелом убиваем трех зайцев» - во-первых, вырабатываем электроэнергию, во-вторых, уменьшаем длительность этапа ₃ (за счет эффективного отсоса энергии колебаний Обратной волны, порожденной ядерным микровзрывом, и трансформации её в электроэнергию). И как следствие повышаем общую эффективность работы источника ядерной энергии – увеличиваем за счет уменьшения этапа ₃ частоту следования актов порождения-схлопывания кавитационных полостей, максимально приближая её к частоте синусоидального сигнала.

Кроме того, необходимо обратить внимание на то, что на диаграмме, изображенной на фигуре № 6, у положительного электрического выброса ответственного за формирование в излучателях бегущей волны повышенного давления, передний фронт C-D – крутой. Это отнюдь не случайно. Ведь схлопывание кавитационных полостей осуществляется передним фронтом бегущей волны повышенного давления и чем он будет круче, тем интенсивнее протекает явление сонолюминесценции. Поэтому следует обратить особое внимание вопросу формирования крутизны переднего фронта C-D возбуждающего импульса.

Бегущие звуковые волны разряжения-сжатия, порожденные биполярными электрическими импульсами, диаграмма которых изображена на фигуре № 6, будут обладать уникальными и в какой-то мере взаимоисключающими свойствами:

Во-первых, дальнобойностью, характерной для звуковых волн низкой частоты,

а, во-вторых, за счет максимально крутого переднего фронта C - D положительного выброса электрического сигнала бегущие волны повышенного давления приобретут высокую разрешающую способность, свойственную волнам высокой частоты. В совокупности эти свойства позволят лучше сконцентрировать энергию бегущей волны повышенного давления на кавитационных полостях.

Специальная адаптивная электроника, ориентируясь на амплитуду электрического напряжения, генерируемого стенками излучателя в процессе воздействия на них Обратной волны, порожденной ядерным микровзрывом, периодически слегка варьирует длительность этапов ₁, ₂, ₃ в возбуждающих импульсах оптимально подстраивая энергетическую установку на получение максимальной мощности. (Создание электронных адаптивных цепей уже сугубо рутинная задача, практически лишенная какого-либо творческого начала. Поэтому на этом чисто техническом вопросе автор останавливаться не будет.)

По сути дела, подобные цилиндрические или сферические излучатели, радиальные колебания стенок которых осуществляется биполярными электрическими сигналами, по своей форме напоминающим диаграмму, изображенную на фигуре № 6, представляют собой дешевые компактные импульсные ускорители на встречных высокоплотных пучках.

Теперь рассмотрим общую схему термоядерной энергетической установки, работающей с применением явления сонолюминесценции [см. фиг. № 10]. Она напоминает обычную двухконтурную энергетическую установку уранового ядерного реактора, только вместо последнего используется цилиндрический или сферический звуковой излучатель – на фигуре обозначен цифрой № 1.

Фиг. № 10.

Первый контур заполнен тяжелой водой с растворенными в ней солями ⁶Li и газами дейтерием и тритием. Цифрой № 2 обозначена зона звукового облучения жидкости (зона протекания реакций ядерного синтеза). Цифрой № 3 обозначена труба, по которой из излучателя вытекает нагретая жидкость. Цифрой № 4 обозначен теплообменник. Цифра 5 - устройство насыщения тяжелой воды газами дейтерием и тритием. Цифра 6 – центробежный насос, прогоняющий тяжелую воду сквозь излучатель. Пар из теплообменника 4 поступает на турбину 7 электрогенератора 8. Цифрой 9 обозначен еще один теплообменник, нагретая вода от которого поступает по трубе 10 на бытовые нужды населения, живущего рядом со станцией (отопление, водопровод). Цифрами 11 и 12 обозначены еще два центробежных насоса. Кроме того, как и в случае с традиционным урановым реактором, вокруг звукового излучателя и первого контура располагается радиационная защита, предотвращающая выход излучений из устройства. (На рисунке она не показана.)

Очень интересная идея была предложена М.А. Маргулисом - автором изобретения: «Способ получения высокотемпературной плазмы и осуществления термоядерных реакций» (уже упоминавшийся мной патент № 2096934 RU). Однако это изобретение было плохо проработано его автором в инженерном отношении, в частности в предложенном им описании и формуле изобретения фигурирует ряд трудно, или непонятно каким образом, осуществляемых технологических процессов. Например, он предлагает использовать «специальное дозирующее устройство, которое подаёт газовый пузырек» в зону звуковых колебаний с плотностью мощности не менее 10¹⁴ Вт · см ^-3 - можно подумать, что какое-то устройство способно выдержать длительное пребывание в зоне с такой плотностью мощности, характерной для протекания ядерных реакций. (Читатель может ещё раз посмотреть чертёж из описания патента М.А. Маргулиса). Затем каким-то непонятным образом М.А. Маргулис предлагает удалять кавитационный пузырёк из области с указанной мощностью и заменить его новой порцией газов.

Я уже не говорю о том, что автор патента № 2096934 RU не описал в своей работе структуру электрических импульсов, аналогичных тем, которые представлены в этой статье на фигуре № 6.

Тем не мене в своём изобретении, как я уже отмечал, Маргулис М.А. выдвинул весьма перспективную идею: усиления процесса сонолюминесценции, протекающей в геометрических центрах симметрии цилиндрических или сферических излучателей, постоянным электрическим полем.

Теперь можно рассмотреть его идею, более правильно оформив её с инженерной точки зрения (см. фиг. № 11).

Фиг. № 11.

Через цилиндрический сосуд 1 протекает диэлектрическая жидкость 2, насыщенная газами дейтерием и тритием. Снаружи на сосуде закреплён цилиндрический излучатель 3, колебания которого возбуждаются от внешнего источника электрических сигналов, которые по своей форме напоминают сигналы изображенные на фигуре № 6 (этот внешний источник на фигуре 11 не показан). Вдоль геометрической оси цилиндрического сосуда 1 расположены соосно два электрода 4, на которые от внешнего источника 5 подаются биполярные импульсы. Импульсные бегущие звуковые волны разряжения-сжатия, вызванные в жидкости колебаниями цилиндрического излучателя, циклически порождают в геометрическом центре симметрии кавитационные полости, которые на фигуре № 11 показаны цилиндриком 6. Затем на второй стадии, в момент схлопывания кавитационного цилиндрика бегущей волной повышенного давления, вдоль оси цилиндрика образуется токопроводящая плазма. Электрическое поле, берущее начало на электродах 4, вызывает поляризацию этой плазмы (движение её зарядов) или даже электрический пробой вдоль оси цилиндрического сосуда. В результате подобного движения электрических зарядов (протекания электрического тока) плазма получит дополнительный разогрев, в соответствии с законом Джоуля‑Ленца. Одновременно плазменный цилиндрик будет продолжать подвергаться радиальному обжатию бегущей волной повышенного давления - возникнет своеобразный ПРИНУДИТЕЛЬНЫЙ "пинч-эффект". В результате всего этого вероятность протекания реакций ядерного синтеза повышается ещё больше. Для уменьшения эрозии электродов 4, обусловленной воздействием кавитации, они удалены из зоны непосредственного сфокусированного звукового воздействия излучателя 3.

А для уменьшения электрохимической эрозии электродов, как уже указывалось, электрическое напряжение, подаваемое на электроды 4, носит переменный характер в виде биполярных импульсов, периодически меняющих свою полярность после каждого акта схлопывания кавитационных полостей. (На фигуре № 12 совместно показаны временные диаграммы биполярных электрических импульсов, порождающих в излучателях бегущие волны разряжения-сжатия, и биполярные импульсы, подаваемых на электроды 4. Указанная фигура даёт представление о синхронизации этих двух видов импульсов: передний фронт C-D в электрическом импульсе, вызывающий в цилиндрическом излучателе бегущую волну повышенного давления, впоследствии схлопывающую кавитационные полости, порождает, с некоторым запаздыванием, биполярные импульсы, подаваемые на электроды 4).

Фиг. № 12.

Однако угроза кавитационной и электрохимической эрозии электродов 4 все-таки остаётся, что является недостатком устройства, изображенного на фигуре № 11, т.к. снижает его надёжность. Можно надеяться, что удастся получить реакции управляемого ядерного синтеза по более простой безэлектродной схеме, обойдясь лишь одной фокусировкой звуковых бегущих волн разряжения-сжатия.

(Следует также напомнить, что в 1950—55 крупный советский физик П.Л. Капица разработал СВЧ генераторы нового типа, дающие мощность до 300 квт в непрерывном режиме, и обнаружил, что при высокочастотном разряде в плотных газах образуется стабильный плазменный шнур, предполагаемая температура электронов в котором 10⁵—10⁶ К. В своё время эта работа (опубликована в 1969 г.) открыла новое направление исследований в области осуществления управляемого термоядерного синтеза. В связи с этим можно попытаться использовать в представленном здесь устройстве для увеличения протекания термоядерных реакций СВЧ излучение, подаваемое на электроды № 4. Однако надо осознавать, что процесс схлопывания кавитационных полостей это быстро протекающий процесс, поэтому имеет смысл подавать СВЧ излучение на электроды № 4 только в момент коллапса пузырьков).

Как бы там ни было, представленные здесь рассуждения открывают прекрасную возможность получения реакций управляемого ядерного синтеза. Причем позволяют это сделать способами, гораздо более простыми и несравненно более дешевыми, чем при использовании ТОКАМАКов и прочих грандиозных сооружений.

Более того, вполне возможно, что рассмотренные здесь устройства окажутся весьма компактными, из-за этого их в дальнейшем можно будет использовать непосредственно на автономных транспортных средствах, чего никогда не приходится ожидать от других традиционных проектов установок ядерного синтеза.


Теперь обсудим некоторые, чисто технические вопросы изготовления звуковых излучателей и схемы электронных цепей, порождающие электрические импульсы необходимого профиля.


Вначале рассмотрим возможные конструкции излучателей.

Здесь существует несколько возможностей:

Во-первых, использование пьезоэлектрических материалов. Излучатель принципиально может представлять собой следующее устройство (см. фигуру № 13): полый цилиндр с относительно тонкими металлическими стенками № 1, внутренняя полость которого в последствии заполняется жидкостью № 2, где будут производить порождение и схлопывание кавитационных полостей. Этот цилиндр № 1 используется также в качестве одного из электродов, на который подаётся электрическое напряжение, заставляющее вибрировать излучатель. Второй электрод в конструкции излучателя представлен внешним толстостенным металлическим цилиндром № 3. Зазор между этими металлическими цилиндрами заполнен веществом № 4, обладающим пьезоэлектрическими свойствами.

Фиг. № 13.

(Сферические, так же как и цилиндрические, пьезоизлучатели можно изготовить из цирконата-титаната свинца, ЦТС, - керамики, которой в процессе обработки можно придать любую форму. Технология создания полого сферического излучателя аналогична созданию веретенообразной полости однопузырькового кавитационного реактора - см. текст после фигуры № 40).
Однако, вещества, обладающие пьезоэффектом не достаточно стойкие к радиации, и поэтому не очень хорошо подходят для термоядерного реактора. А кроме того, явление обратного пьезоэффекта имеет малый КПД. В связи с этим рассмотрим возможность осуществления фокусировки, в том числе и сферической, на основе электромагнитных излучателей:

Другой способ возбуждения радиальных колебаний цилиндрического излучателя отличается, тем, что вместо переменного электрического поля предполагается использовать переменное магнитное поле. Подобные т.н. "магнитострикционные" излучатели уже существуют и описаны в литературе. Однако можно предложить и другие конструкции электромагнитных излучателей, две из них рассматриваются ниже.
Принципиальная конструкция такого излучателя показана на фигуре № 15, где цифрами 1 обозначены разрезы стенок цилиндрического излучателя (в данном случае он изготовлен из ферромагнитного сплава). Цифрами 2 обозначены стены массивного внешнего цилиндра (он также изготовлен из ферромагнетика). Между внешней поверхностью цилиндрического излучателя и стенками внутренней полости большого (охватывающего) цилиндра имеется зазор 3.

Фиг. № 15.

Обмотки на цилиндрическом излучателе подключены последовательно и питаются от источника постоянного тока. На фигуре № 17 схематично показано такое последовательное соединение обмоток (цифрой 1 обозначен цилиндрический излучатель). Витки обмотки 2 намотаны в одну сторону, витки обмотки 3 имеют иное направление намотки. Та часть провода обмоток, которая закрыта излучателем, на фигуре показана штриховой линией). Обе обмотки подключены последовательно (направление тока в питающих проводах «снизу - вверх») однако направление токов в обмотках 2 и 3 будет разное, что и изображено на фигуре № 17 символами «+» и «∙» в окружностях, нарисованных рядом с указанными обмотками.

Фиг. № 17.

У внешнего массивного цилиндра излучателя тоже имеется аналогичное число выступов с бортиками, только они направлены внутрь, навстречу выступам внутреннего цилиндра. На эти выступы также наматываются витки проволоки. Общая конструкция излучателя (взаимное расположение малого и большого цилиндров) показана в поперечном разрезе на фигуре № 19.

Фиг. № 19.

Фиг. № 21.

Нас в дальнейшем будет интересовать такая характеристика этого сигнала включения как крутизна переднего фронта A – B.

Мы условимся считать, что такой резкий сигнал включения с направлением электрического тока сверху – вниз, протекающего по катушке, вызывает в цилиндрическом излучателе своим передним фонтом радиальное растяжение стенок излучателя и как следствие в жидкости, заполняющей внутреннюю полость излучателя, начнет распространяться по направлению к геометрическому центру симметрии бегущая волна пониженного давления. Эта волна позже сформирует в геометрическом центре симметрии излучателя необходимые нам кавитационные полости.

Спустя время τ₁ быстрое перемещение подвижного контакта трехпозиционного переключателя SA₁ в крайне правое положение отключит L от источника GB₁ и подключит к катушке L более высоковольтный источник GB₂ другой полярности. При этом временная диаграмма электрических токов будет примерно такой, как это представлено на фигуре № 23.

Фиг. № 23.

При замыкании ключа SA на цепь, параллельную вольтметру, состоящую из амперметра и дросселя будет подан сигнал включения (вольтметр покажет резкий скачек напряжения). Однако порожденный этим скачком напряжения электрический ток, проходящий через амперметр и дроссель, будет иметь существенно меньшую скорость нарастания значения, т.е. крутизна переднего фронта электрического тока будет существенно меньше крутизны переднего фронта сигнала включения напряжения (см. фиг. № 25).

Обойти указанную трудность: медленное нарастание электрического тока в цепи, содержащей большую индуктивность, можно, если обратить внимание на одну особенность формы графика тока. Дело в том, что угол наклона графика тока в момент времени t₀ зависит от значения электрического напряжения сигнала включения (см. фиг. № 26 и № 27), где изображены временные диаграммы напряжений и соответствующих токов.

Электронная схема, представленная на фигуре № 28 работает так: вначале электрический ток через катушку L не проходит, т.к. подвижный контакт трехпозиционного переключателя SA₁ находится в среднем положении, так, что цепь разорвана. В это время высоковольтный конденсатор малой ёмкости C₃ заряжается от высоковольтного источника напряжения. Затем происходит срабатывание переключателя SA_3, при этом высоковольтный источник напряжения оказывается отключенным от цепи, а C₃ подключается к цепи. Высоковольтный диод VD₂ имеет такую полярность подключения к цепи, что оказывается запертым высоким напряжением конденсатора C₃, не давая последнему возможности разряжаться через относительно низковольтный гальванический элемент GB₂.

Теперь, если передвинуть подвижный контакт трехпозиционного переключателя SA₁ в крайне правое положение, то цепь замкнется и по катушке L потечет электрический ток. На фигуре № 29 показаны временные диаграммы напряжения, приложенного к концам катушки, и электрического тока, протекающего по ней.

Фиг. № 29.

Острый пик на графике напряжения обусловлен подключением к L высоковольтного конденсатора малой ёмкости C₃. После разряда C₃ через L, диод VD₂ откроется и в цепь подключится гальванический элемент GB₂ (горизонтальный участок графика напряжения после пика, обусловленного C₃). А временная диаграмма тока по своей форме приближается к прямоугольной, именно этого мы и добивались.

Таким образом, нам удается существенно повысить крутизну электрического тока на участке C – D (см. фиг. № 23), а значит, нам удается повысить и крутизну переднего фронта бегущей ударной волны повышенного давления, схлопывающей кавитационные полости в геометрическом центре симметрии цилиндрического излучателя.

Аналогичным путем (подключением на время переходных процессов высоковольтного конденсатора малой ёмкости) можно повысит крутизну фронта участка A – B (см. фиг. № 23), ответственного за создание в излучателе бегущей волны пониженного давления.

Теперь перейдем к рассмотрению вопроса генерации электроэнергии колеблющимися стенками излучателя.

(Напомню еще раз, что ранее шла речь о двух возможных способах возбуждения колебаний стенок излучателей: переменным магнитным полем и с помощью пьезоэлектрического эффекта. Так вот, здесь я опять же ограничусь рассмотрением генерации электроэнергии в основном на примере излучателя, колебания стенок которого вызываются переменным магнитным полем, а генерирование электрической энергии происходит с помощью явления электромагнитной индукции. Способы генерации электроэнергии и электрические цепи, возбуждающие колебания в излучателях, работающих на пьезоэлектрических материалах, будут во многом аналогичны. И только в тех редких случаях, когда возникнут серьезные отличия, я сделаю небольшие замечания относительно генерации электроэнергии пьезоэлементами).

Итак, в геометрическом центре симметрии цилиндрического излучателя произошло схлопывание кавитационных полостей. При этом в области схлопывания произойдет взрывоподобное выделение «лишней» энергии. После чего из геометрического центра симметрии излучателя начнет распространяться ударная волна повышенного давления, по своей мощности многократно превосходящая ударную волну, с помощью которой ранее было вызвано схлопывание кавитационных полостей.

Далее эта расходящаяся из геометрического центра симметрии ударная волна достигнет стенок излучателя и вызовет их колебания. И уже эти механические колебания стенок излучателя могут быть легко преобразованы в переменное электрическое напряжение (переменный электрический ток) посредством явлений электромагнитной индукции или пьезоэлектрического эффекта.

Для лучшей демонстрации происходящих процессов я ещё раз вернусь к фигуре № 15, где в аксонометрическом разрезе показаны цилиндрический излучатель и внешний охватывающий его массивный цилиндр. Цифрой № 1 обозначены ферритовые стенки излучателя, с пазами в которые уложены «подмагничивающие» провода–обмотки, питаемые от источника постоянного тока. (Т.е. по сути дела стенки цилиндрического излучателя являются постоянным магнитом). Цифрой № 2 на фигуре 15 обозначен аксонометрический разрез внешнего массивного ферромагнитного цилиндра, охватывающего снаружи излучатель. На внутренней поверхности этого охватывающего цилиндра также имеются пазы, в которые уложены провода-обмотки, по которым пропускается переменный ток для возбуждения колебаний стенок излучателя – чтобы вызвать в жидкости, заполняющей полость излучателя, бегущие волны разряжения и сжатия, которые порождают и схлопывают кавитационные полости. (Условно эти провода-обмотки, уложенные в пазы внешнего массивного цилиндра № 2, можно назвать «возбуждающими».) При радиальных механических колебаниях стенок цилиндрического излучателя (т.е. иными словами при колебаниях постоянного магнита, каковыми являются стенки излучателя) меняется зазор, на фигуре № 15 он обозначен цифрой 3.

При этом меняется амплитудное значение вектора магнитной индукции, пронизывающего возбуждающие обмотки, т.е. меняется соответствующий магнитный поток. В результате этого в возбуждающих обмотках возникает переменное электрическое напряжение, обусловленное явлением электромагнитной индукции. Теперь вся проблема состоит в том, чтобы с этих «возбуждающих» обмоток снимать переменное электрическое напряжение, которое генерируется механическими колебаниями стенок цилиндрического излучателя.

Указанная задача решается посредством электронных цепей, изображенных на фигуре № 30.

Фиг. № 30.

Электронный переключатель, изображенный на фигуре № 37 состоит из двух униполярных МДП транзисторов с индуцированными каналами «p» и «n» типами проводимости. Управление работой переключателя осуществляется тактирующими импульсами, подаваемыми на клеммы «D» и «F». Так появление на клемме «D» отрицательного потенциала относительно «F»  откроет транзистор VT_1, и электрический ток может течь от клеммы «A» по направлению к клемме «B». Напротив, появление на клемме «D» положительного потенциала относительно «F»   закроет транзистор VT₁ и откроет транзистор VT_2, в результате чего электрический ток может течь от клеммы «С» по направлению к клемме «А». При отсутствии какого-либо потенциала на клемме «D» относительно «F»  будут закрыты оба транзистора и через клемму «А» вообще не проходит никакого электрического тока. Представленная электронная схема может работать как  двухпозиционный или в некоторых случаях как трехпозиционный механический переключатель (эти механические переключатели для наглядности показаны на фигуре № 37 рядом с электронной схемой и их клеммы обозначены теми же буквами, что и на электронной схеме).

Теперь представлю электронную схему включателей SA₄, SA₅, SA₆, она дана на фигуре № 38.

Фиг. № 38.

Я специально здесь привел только слегка измененное изображение реактора Золотухина и даже не стал менять нумерацию, ниже показана аксонометрическая проекция рабочей камеры реактора – трубки прикреплены к ободу, где они не мешают осуществлять фокусировку звуковых волн. При этом достигается положительный технический результат – улучшаются условия фокусировки.

Фиг. № 40.

Однако и в такой конструкции, которая УЖЕ позволяет обойти патент Золотухина, присутствует обод (кольцевой канал дискового холловского МГД-генератора), довольно большого сечения, не участвующий в фокусировке волн. Поэтому можно предложить ещё одну конструкцию, в которой цилиндрические волны преобразуются в сферические. Аксонометрический разрез такого реактора показан на следующем рисунке:

При этом рабочая камера реактора имеет форму веретена. В такой конструкции уже нет обода (кольцевого канала дискового холловского МГД-генератора), который не принимает участия в создании сферических вол. Только две небольшие локальные области, расположенные вдоль оси реактора, не используются в фокусировке. Через них к рабочей камере реактора и подключают трубки, по которым течет рабочая жидкость, с растворенными в ней D, T, Li.

Конечно, изготовить рабочую камеру такого реактора будет намного сложней: необходимо взять веретенообразную болванку из тугоплавкого, но в тоже время легко поддающегося химическому травлению металла. Установить её в специальную литейную форму, имеющую внутреннюю геометрию, близкую к внешней геометрии линзы повышенной скорости звука, и залить металлом, из которого будет изготовлена линза повышенной скорости звука. После застывания металла на токарных и шлифовальном станках производится доводка внешней поверхности линзы повышенной скорости звука с учетом законов преломления Снеллиуса. Затем вдоль оси веретенообразной болванки просверливают сквозной канал и прокачивают раствор, осуществляющий химическое травление металла, из которого изготовлена болванка – получится необходимая веретенообразная полость.
Это, конечно, сложно, но подобная конструкция однопузырькового реактора, в которой происходит фокусировка цилиндрических волн в сферические, позволит, что называется, «вылизать» геометрию рабочей камеры. Подобный однопузырьковый реактор будет иметь характеристики лучше, чем описанный В.А. Золотухиным.

Существующий уровень техники в данной области представлен патентами №№ 2096934 RU, 2125303 RU, 2258268 RU, 2005/0129161 US.

Исходя из анализа  конструкций, заявленных их авторами, можно сделать вывод, что они организуют принудительную циркуляцию жидкости в первом контуре реактора с помощью специального внешнего насоса -  в одном случае это указывается явно, в других об этом можно судить по косвенным признакам.

Следует, однако, заметить, что в рассмотренных здесь кавитационных реакторах ядерного синтеза возможно использовать часть энергии микровзрывов для прокачивания рабочей жидкости через рабочую камеру реактора.

(Явление  движения жидкости под действием звуковых волн описано в литературе, см. например, «акустический ветер» в Большой Советской Энциклопедии.)

Это позволяет отказаться от использования внешнего специального насоса, прокачивающего жидкость в первом контуре реактора, или уменьшить его мощность.

Для этого необходимо ввести в конструкцию реактора дополнительные элементы, которые пропускают полуволны повышенного давления звуковых волн в одном направлении и препятствуют их распространению в другом направлении. В качестве подобных элементов могут использоваться клапаны, кумулирующие воронки, отражатели и т.д.

Общий принцип работы такого «звукового» насоса демонстрируется на фигуре № 42.

Цифрами № 3  и № 4 обозначены клапаны, пропускающие жидкость только в одном направлении. В камере  1 после микровзрыва 2 создается избыточное давление жидкости, которое открывает клапан 3 и часть жидкости покидает через него взрывную камеру 1. Затем клапан 3 закрывается. Рабочая жидкость в камере 1 остывает, т.е. уменьшает совой объем, и в камере создается разряжение, в результате чего открывается клапан 4, через который в камеру 1 втекает новая порция жидкости. После чего рабочий цикл повторяется.

Однако использование клапанов может оказаться не эффективным, т.к. на их открытие и закрытие, а также остывание жидкости требуется время.

оэтому в случае с кавитационным ядерным реактором для обеспечения циркуляции рабочей жидкости в первом контуре, лучше будет использовать не клапаны, а отражатели и воронки, которые определенным, образом, меняют направление распространения ударных волн повышенного давления, вызванных микровзрывом, см. фиг. № 43.

Где цифрой 1 обозначена взрывная камера, заполненная жидкостью. Цифрой 2 – ядерный микровзрыв, вызванный схлопыванием кавитационной полости. Цифрами 5 и 6 обозначены трубы, по которым течет жидкость.

При этом воронка 7 по отношению к ядерному микровзрыву ориентирована таким образом, что ударная волна повышенного давления входит в широкую часть воронки, а затем сосредотачивается у ее узкого конца и  покидает рабочую камеру, направляясь  в трубу 5 контура. Отражатель 8 напротив, возвращает ударную волну микровзрыва в рабочую камеру, уменьшая этим самым возможность её проникновения в трубу 6 контура.

Таким образом, под воздействием ударных волн ядерных микровзрывов жидкость в первом контуре кавитационного термоядерного реактора приобретает направленное движение.

Отражатель 8 может также вырабатывать электроэнергию от ударной волны ядерного микровзрыва за счет Виллари эффекта или явления электромагнитной индукции.

Возможно также создание звукового насоса только с одной воронкой без специального отражателя см. фиг № 44.

В этом звуковом насосе геометрия взрывной камеры также такова, что условия проникновения ударных волн повышенного давления, возникающих в результате микровзрывов, для трубок 5 и 6 будет различны.

Подобные звуковые насосы могут быть применены и в ранее описанных кавитационных ядерных реакторах.

В этом случае трубки первого контура подсоединяются к рабочей камере реакторов так, как показано на фигурах №№ 45, 46, 47 (стрелками отмечено направление движения жидкости, под действием ударных волн ядерных микровзрывов).