, ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время ультразвуковые технологии используются в промышленности, в научных исследованиях, в медицине. Автор планирует написать серию статей о новых эффектах ультразвуковой кавитации, которые были обнаружены в результате долголетней экспериментальной работы в этой области. В этой первой статье речь пойдет о результатах экспериментальных исследований автора в области воздействия ультразвука на ход ядерных реакций.
В экспериментах наблюдались следующие эффекты из области ядерной физики:
На основе обнаруженных эффектов созданы, например, ультразвуковая технология ликвидации ядерных отходов, ультразвуковой генератор тепла, в котором используются ядерные реакции синтеза легких ядер. Отличительной особенностью ультразвуковой технологии является то, что при этом не возникают побочные явления отрицательно воздействующие на окружающую среду. Поэтому далее возникает альтернативное решение проблемы получения энергии.
Человек способен слышать звуки с частотами от 12 - 20 колебаний в секунду (далее Гц) до 16000 - 20000 Гц (16 - 20 кГц). Поэтому звук с частотой выше 20 кГц называют ультразвуком. Верхняя граница ультразвука весьма условна и зависит как от природы упругой среды, так и от физических параметров состояния среды. Так, в газообразных средах при нормальных условиях необходимое примерное равенство длины волны звука и длины свободного пробега молекул соблюдается при частоте 1000000000 Гц (109 Гц). В жидкостях и твердых телах определяющим является примерное равенство длины волны звука и межатомных расстояний, которое соблюдается при частотах 1012 - 1013 Гц. Иногда для удобства ориентации частотный диапазон ультразвука условно разделяют на следующие поддиапазоны: низкочастотный ультразвук с частотой до 105 Гц, среднечастотный ультразвук с частотой от 105 до 107 Гц и высокочастотный 107 до 109 Гц. Диапазон частот звука от 109 до 1013 Гц принято называть гиперзвуком.
Амплитуда звуковых колебаний измеряется в единицах давления (в международной системе единиц это Н/м2, которая имеет специальное название Па "Паскаль"). Человеческое ухо весьма чувствительный инструмент, способный регистрировать звуки с амплитудой в очень широком диапазоне от 2 • 10-5 Па (граница слышимости) до 20 Па (граница болевого ощущения в ушах). Звук, который используется для технологических целей в водных растворах, начинается с амплитуды примерно 50 кПа и выше. В процессах, в которых начинают проявляться необычные ядерные эффекты, нижняя граница амплитуды колебаний еще выше и начинается примерно от 1700 кПа (для сравнения: нормальное атмосферное давление равно 103,5 кПа).
Часто амплитуду звукового давления заменяют другой равноценной величиной, называемой силой звука, которую обычно измеряют в дБ "Децибелл". Число децибелл силы звука определяется из уравнения:
Д = 20 • lg P/P0 , где Р - амплитуда измеряемых звуковых колебаний, а Р0 - амплитуда звуковых колебаний на границе слышимости. Таким образом, граница болевых ощущений в единицах дБ будет равна 20 • lg 20/2 • 10-5 , т.е. 120 дБ, а нижняя граница "технологического звука" - примерно 190 дБ. Иными словами, эта единица измерения говорит только о том, во сколько раз одна величина больше или меньше другой, принятой за реперную точку.
Следующей единицей измерения силы звука или в другой формулировке интенсивности излучения звука является энергетическая характеристика. Это средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Размерность этой единицы измерения силы звука в системе СИ - Вт/м2 . Переход от давления к энергии осуществляется делением квадрата давления в паскалях на 2 • r • c, где r - плотность среды, в которой распространяется звук [кг/м3], с - скорость распространения звука [м/сек]. В этих энергетических единицах измерения уже знакомые нам величины: граница слышимости - 10-16 Вт/м2 ; нижняя граница "технологического звука" - 830 Вт/м2; нижняя граница обнаружения ядерных эффектов - 106 Вт/м2 . Как видите, это более выразительная единица измерения силы звука. Миллионами ватт измеряются мощности электрических станций.
Каким же образом инициируются ядерные эффекты в звуковом поле? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо хотя-бы коротко осветить явление кавитации в жидкости. Период колебаний обычно делится на два полупериода. В одном полупериде осуществляется процесс разрежения, а в другом полупериоде - процесс сжатия. Если растягивающие напряжения превышают предел прочности жидкости на разрыв, то жидкость разрывается и в местах разрыва образовываются вакуумные полости. Первоначальная неопределенная форма полости под действием сил поверхностного натяжения жидкости преобразуется в сферу. Вакуум внутри сферы быстро заполняется насыщенным паром жидкости и растворенными в ней газами. Для образования этих полостей, как называемых кавитационных пузырьков необходимо иметь как минимум граничную амплитуду звуковых колебаний, которые способны разорвать жидкость. Прочность жидкости на разрыв зависит от природы жидкости, от ее чистоты и частоты звука. Например, теоретическая прочность воды на разрыв равна 1500 атм. (150 МПа). Прочность реальных жидкостей значительно меньше, так для обычной водопроводной отстоявшейся воды она не превышает 1 - 2 атм.
Наиболее важные процессы для получения ядерных эффектов происходят во время полупериода сжатия. Под действием внешнего давления кавитационные пузырьки начинают сжиматься. Сферическая граница пузырька с нарастающим ускорением устремляется к центру и сжимает парогазовую смесь, находящуюся в пузырьке. При обычных параметрах технологического узльтразвука давление в пузырьке достигает величину порядка 10000 атм. и разогревается при этом примерно до 10000 ° С. На этом обычный процесс коллапса кавитационных пузырьков заканчивается. Даже при этих условиях происходит кавитационная эрозия самых прочных материалов, ускоряются некоторые химико-технологические процессы, в том числе, ускоряются химические реакции.
При использовании ультразвука более высокой интенсивности удалось продлить фазу коллапса дальше. С повышением давления в звуковой волне увеличивается скорость движения стенки пузырька. Интересный эффект начинает проявляться после того, стенка пузырька начнет двигаться со скоростью большей, чем скорость распространения звука в среде внутри пузырька, т.е. после преодоления звукового барьера. При этом дальнейшее сжатие и разогрев смеси в пузырьке прекращается и начинается обратный процесс снижения давления и температуры за счет конденсации нагретого вещества на поверхности жидкости. В пристеночном слое жидкости при этом повышается плотность жидкости до величины порядка ядерной плотности за счет инерционных сил, т.к. стенка движется с возрастающим ускорением и дополнительного уплотнения от процесса конденсации. Некоторые ядерные реакции начинают протекать уже в этом уплотненном слое кавитационного пузырька (это так называемые пикноядерные реакции).
Механизм инерционного уплотнения жидкости удобно объяснить с помощью мысельного эксперимента, например с космическим скоростным лифтом, который часто использовал Альберт Эйнштейн. Представте себе космический лифт, который может двигаться с неограниченно увеличивающимся ускорением. Старт пусть начинается для определенности с нулевой скорости и с нулевого ускорения, по мере разгона и скорость и ускорение лифта неграниченно увеличиваются. В лифте установлен прозрачный сосуд из фантастического невесомого материала, обладающего неограниченной прочностью, в который налили 1 литр обыкновенной воду. Старт с нулевым ускорением соответствует состоянию невесомости. При достижении ускорения равного 9,81 м/сек2 получим привычное состояние воды, какое бывает на Земле при нормальныых условиях, т.е. давление воды на дне сосуда будет равно P = r • g • h в [н/м2] (при h = 10 м полусим 1 атм.), где: r - плотность воды при нормальных условиях в [кг/м3], g - ускорение земного тяготения в [м/сек2], h - высота воды в сосуде в [м] . При ускорении а = 107 м/сек2 давление в воде на дне сосуда будет в миллион раз выше. При давлении выше 300 атм. в воде уже начинают проявляться свойства сжимаемости, следовательно начинает увеличиваться плотность воды. При дальнейшем увеличении ускорения космического лифта наступит момент, когда плотность воды достигнет величины, при которой начинаются пикноядерные процессы.
От сюда до понимания процесса кавитационного коллапса остался только "маленький шажок" а именно понять как может кавитационный пузырек достичь такое ускорение, чтобы превратить обыкновенную воду в нейтронизированную материю, которая сегодня сопоставляется лишь с такими компактными космическими объектами как нейтронные звезды, белые карлики и черные дыры.
Давайте более внимательно рассмотрим процесс кавитации. Кавитацию как явление теоретически предсказал Рейнольдс (Reynolds O., Thecauses of the racing of the engines of screw steamers, Investigated theoretically and by experiment, Tr. Inst. Naval Arch. V14 sc. Papers, 1, 56-57, 1873.). Примерно через 20 лет после этого (1893 г.) кавитация была обнаружена практически во время ходовых испытаний эскадренного миноносца английского военно-морского флота "Дэринг". Изучение этого явления английское адмиралтейство поручило лорду Рэлею, который в 1917 году написал статью по этому поводу, хотя в ней ни слова не говорится об истории вопроса (Rayleigh. On the pressure developed in liquid during the collapse of a spherical cavity. Philos. Mag., 1917, 34, p. 94.). Удивительно, что Рэлей ограничился только исследованием времени захлопывания кавитационных пузырьков, да и то в простейших условиях, хотя был достаточно близок к открытию наиважнейшего свойства кавитационных пузырьков, а именно движение стенок пузырька к центру с неограниченно возрастающим ускорением. В этой статье Рэлей приводит цитату из книги Безанта "Гидростатика и гидродинамика" с 1858 г. (Besant's Hydrostatics and Hydrodynamics, 1859, §158.), в которой говорится, что в момент коллапса исчезает некоторая часть жидкости (аннигилирует). Эта цитата настолько важна, что ее стоит переписать в оригинале: "An infinite mass of homogeneous incompressible fluid acted upon by no forces is at rest, and a spherical portion of the fluid is suddenly annihilated; it is required to find the instantaneous alteration of pressure at any point of the mass, and the time in which the cavity will be filled up, the pressure at an infinite distance being supposed to remain constant".
По каким-то причинам Рэлей не стал исследовать условия, которые возникают в кавитационном пузырьке при неограниченно возрастающих скорости и ускорении движения стенки пузырька к центру. Почему-то даже давление, возникающее в процессе коллапса пузырьков не стал вычислять сам, а сослался на результаты вычислений Кука.
После Рэлея задача о схлопывании сферического пузырька в жидкости рассматривалась многократно в разных вариациях. Однако при этом не учитывался тот факт, что состояние вещества прямо зависит от скорости деформации и от ускорения.
В данном случае мы можем здесь воспользоваться уравнением Рэлея для скорости стенок пузырька
,
где: Р - давление на внешней границе пузырька в [н/м2],
r - плотность жидкости в [кг/м3],
R0 и R - начальный и текущий радиусы пузырька в [м],
k1 - постоянная величина в [м5/2/сек], k1 = 2,3 ? 10-4 (в данном конкретном случае).
Из данного уравнения видно, что с уменьшеним радиуса пузырька скорость движения стенки пузырька неограниченно возрастает. Дифференцирование уравнения скорости по времени даст нам уравнение ускорения стенки пузырька
,
где: k2 - постоянная величина в [м5/сек2], k2 = -7,97 • 10-8 (в данном конкретном случае).
За счет ускорения происходит уплотнение пристеночного слоя жидкости, который работает в данном случае как сферический поршень. Ускорение, тоже неограниченно возрастает при движении стенки пузырька к центру. В начале движения этот поршень сжимает парогазовую смесь в пузырьке. При переходе к сверхзвуковым скоростям, а это происходит достаточно быстро, информация о движении поршня уже не будет передаваться во внутреннюю полость пузырька. Внутри полости за счет конденсации ее парогазового содержимого на стенку пузырька постепенно образуется абсолютный вакуум. В тот момент, когда поверхность кавитационного пузырька станет равной нулю, движение стенки мгновенно остановится с центрально-симметричным ударом. Описанная ситуация несколько напоминает процесс инерциального сжатия сферических мишений термоядерного синтеза (James J. Duderstadt, Gregory A. Moses. Inertial Confinement Fusion. John Wilev and Sons, New York, 1982).
В нашем случае размер ядра, полученного в кавитационном пузырьке, зависит от энергии, выделенной в коллапсе. Энергия образования ядра будет на определенную величину меньше энергии коллапса. Ядра большей величины не смогут образоваться, ядра меньшей величины будут иметь слишком большую энергию возбуждения и будут рассыпаться.
Эксперименты показали, что деструкция исходных ядер происходит по нескольким направлениям. Во-первых, это деление ядра на фрагменты. Число фрагментов зависит от конечной энергии пузырька. Идентификация получающихся фрагментов не представляет большой сложности. Тем более, что масса фрагментов в экспериментах была достаточно большой для любых аналитических методов. Во-вторых, это соединение ядер, т.е. синтез новых элементов из всевозможных комбинаций ядер, находящихся в растворе.
Идентификация синтезированных нормальных элементов с атомной массой до 240 тоже не вызывает затруднений. Но в этом процессе возникают и более тяжелые элементы с атомной массой 300-400. И тут на первый план выплывает проблема их идентификации. Известно, что синтезированные на ускорителях сверхтяжелые элементы - нестабильны. Последние сверхтяжелые элементы были идентифицированы по цепочке альфа-распадов.
В наших экспериментах при синтезе из раствора ацетата свинца /Pb(CH3COO)2 • 3H2O/ в кавитационном пузырьке все ядра в молекуле ацетата свинца и трех молекулах воды могут объединиться в одно ядро 379Х174. Серией альфа-распадов это ядро превращается в ядро 187Оs. Элемент осмий был определен в независимой акредитованной лаборатории на уровне 0,045 мг/л методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Самопроизвольное деление ядра 379Х174 с последующей серией позитронных распадов также может привести к появлению осмия. Кроме осмия в продуктах синтеза были найдены ближайшие элементы вольфрам, иридий, платина, ртуть, что так же является доказательстввом реальности данного процесса.
Кроме того, в случае кавитационного синтеза существует некоторая вероятность для сверхтяжелых ядер попасть в квазиустойчивое состояние за счет пионной конденсации. При этом получаются ядра с большей плотностью, чем у нормальных ядер (см., например, работы А.Б. Мигдала по этому поводу или Шапиро и Тьюколски). Более 30 лет ученые ведут поиск сверхплотных ядер (ЖТЭФ, т. 72, вып. 4, 1977, стр.1247. А.Б. Мигдал, О.А. Маркин, И.Н. Мишустина, Г.А. Сорокин. Пионная конденсация в области устойчивости аномальных ядер).
