Семиков С.А. "Субатомные источники энергии"

СУБАТОМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

На море-океане, на острове Буяне
лежит бел-горюч Алатырь-камень.
Зачин русских народных сказок

В настоящее время самое ценное в мире – это энергия. Именно за источники энергии (энергоресурсы), в том числе за нефть и газ развёртывается основная борьба, зачастую перерастающая в военные конфликты. Одно время казалось, что выход – в источниках атомной энергии. Однако затраты, связанные с эксплуатацией атомных электростанций (АЭС) и необходимость захоронения ядерных отходов, а также печально известные аварии АЭС, заставляют относиться к атомным станциям с подозрением, а в некоторых странах они вообще запрещены, как вредные для человека. Проблема ещё и в том, что атомную станцию не уместишь под капот машины, т.е. проблематично создать компактный источник атомной энергии, да к тому же ещё и экологичный, безопасный, хотя такие проекты и существуют [1, 2]. Но пока минимальные габариты атомных станций сравнимы с размером небольшого дома, а потому их устанавливают только на ледоколах и подводных лодках (АПЛ). Поэтому нужен компактный источник субатомной энергии (как в сказке Э. Успенского про дядю Фёдора и портативное ядерное солнце и трактор или как в фильме «Железный человек»), напоминающий по свойствам сказочный алатырь-камень, согласно древним книгам, служивший источником энергии, жизни и расположенный на севере, где обычно и плавают атомоходы [3, 4].

Впрочем, компактные источники атомной энергии существуют (например, изотопные источники). Есть даже атомные (ядерные) батарейки типа таблеточных, например, в кардиостимуляторах (рис. 1.а). Обычно в них источником энергии служит стронций ⁹⁰Sr, цезий ¹³⁷Cs (с характерными периодами бета-распада порядка десятков лет), а также плутоний ²³⁸Pu [5, 6], причём мощность батарей составляет от нескольких ватт до киловатт (как на советском «Луноходе» [7]). При этом срок службы атомных батарей, в отличие от обычных батареек и аккумуляторов, составляет десятки лет, а при использовании изотопов с более длинным периодом полураспада (например, радия с T_1/2~1000 лет) батарея может стать практически вечной.

Однако эффективность таких батарей не так уж велика, и обычно не сравнится с эффективностью (КПД) и мощностью двигателя внутреннего сгорания, сжигающего бензин или другое топливо в таком же объёме. Особенно нужны компактные источники атомной энергии в космосе – для космических кораблей, и особенно для предполагаемых звездолётов, которые можно разогнать до световых и сверхсветовых скоростей, лишь применяя сверхмощные электростанции, занимающие малый объём [8]. Действительно, уже сейчас основные источники космических кораблей – это солнечные батареи и изотопные источники. Кстати, и военные, в том числе в военной технике, в оружии (например, в портативных лазерных ружьях), давно применяют энергокапсулы и компактные атомные батареи. Но до гражданского населения все эти технологии доходят с большим запозданием и в сильно упрощённом, облегченном виде. Так было, например, с радиотелефонами и сотовыми телефонами, начинка которых была исходно разработана для военных целей, а затем, спустя десятки лет, получила мирное применение и повсеместное распространение.

Современные атомные источники, например, изотопные, работают примерно так же, как атомные станции, перерабатывая тепло, полученное в результате ядерного распада, деления, в электроэнергию. Но, в отличие от атомных станций, в этом случае реакция не цепная, и скорость реакции нельзя регулировать. Некоторая масса радиоактивного вещества просто распадается, выделяя тепло. Это тепло, поскольку оно не перерабатывается полностью в электроэнергию, просто уходит вовне, приводя к тепловому загрязнению и существенно снижая КПД атомного источника энергии. В компактных атомных батарейках реакции альфа- и бета-распада приводят к выделению электроэнергии напрямую. Вылетающие из эмиттера частицы (электроны и альфа-частицы) заряжают при попадании пластины-электроды коллектора (рис. 1), создавая достаточный потенциал [9]. Таково было устройство первых примитивных атомных батарей, но в них попусту терялась огромная начальная кинетическая энергия электронов и альфа-частиц (~1 МэВ). Поэтому в современных устройствах применяют системы рекуперации энергии, перерабатывающие кинетическую энергию частиц в электрическую (давно применяемые в вакуумной и СВЧ-электронике [10]). При этом, поскольку электроны вылетают с большой энергией, они при ударе о пластины создают лавинный процесс, как в фотоэлектронном умножителе (ФЭУ), напоминающий разряд молнии. Энергичные электроны, как в сказке П. Бажова «Серебряное копытце», выбивают при попадании в металл рентгеновские, гамма-лучи и по нескольку вторичных электронов с энергией того же порядка. При попадании на каждую новую пластину или фольгу эти электроны, в свою очередь, порождают новые электроны с меньшей энергией, а гамма- и рентгеновские лучи по механизму обратного фотоэффекта и ядерного фотоэффекта порождают дополнительные электроны (рис. 1). И так много раз: несколько каскадов, пока сформированная в них лавина электронов низкой энергии не осядет на последний электрод (коллектор). Отрицательный заряд снимается с коллектора, а положительный – с эмиттера и промежуточных электродов (теряющих электроны), часто через цепь конденсаторов и резисторов (обеспечивающих оптимальное соотношение потенциалов на пластинах). Тем самым батарея создаёт достаточно большой заряд и потенциал, способные приводить в движение небольшие устройства. Но у этих источников КПД не слишком велик, и остаётся заметный загрязняющий фон. Конечно, альфа- и бета-излучение не так опасны: их задерживает даже слой фольги, тонкие пластины, а для защиты от гамма-лучей приходится применять толстые свинцовые листы. Однако все реакции распада сопровождаются гамма-излучением (хотя у ¹³⁷Cs оно слабое), да и тормозное излучение, возникшее при бомбардировке металлических электродов электронами, является гамма-излучением.

Таким образом, современные источники атомной энергии столь же нерациональны, как сжигание банкнот в печке. Энергия, конечно, при этом выделяется, но те же деньги можно «вложить» более рационально и получить больше энергии. Именно так Д.И. Менделеев говорил о нефти [11, 12], которую прежде просто сжигали как топливо, получая энергию, но попусту теряя ценные углеводороды и сильно загрязняя окружающую среду копотью, дымом. Так же сжигали и природный газ. А Менделеев предвидел огромные возможности применения нефтяной и газовой химии в быту и технике, предвосхитив органический синтез, благодаря которому у нас теперь есть пластмассы, синтетические смолы, резины, битумы и прочие продукты нефтяной и газовой химии, а в качестве топлива применяют только самые лёгкие фракции нефти [12]. Вот почему нефть называют «чёрным золотом». То же самое можно сказать о ядерном топливе, об изотопах элементов, нарабатываемых в ядерных реакторах. Из них можно не только намного эффективней добывать энергию, но и получать попутно ценные, дефицитные элементы и синтезировать новые вещества. Так же и получение энергии становится более эффективным, если обеспечить управляемую реакцию ядерного синтеза или распада. Т.е. надо использовать не естественный распад элементов, а индуцированный – управлять распадом и синтезом [13], как мы управляем в химических реакторах скоростью и направлением химических реакций. Это позволит произвольно включать-выключать атомные источники энергии, экономя атомное топливо и снижая загрязнение (в том числе тепловое и радиационное) в моменты, когда электричество не требуется.

Современные методы управления скоростью ядерных реакций крайне грубы и, если сравнивать с химией, аналогичны простому нагреву. Так же как нагрев наращивает скорость химических реакций, так и в ядерных реакциях применяют нагрев до миллионов кельвинов, например, в устройствах термоядерного синтеза. А в реакциях деления урана, плутония применяют аналог нагрева, но не теплом, а ударами нейтронов, возникших при делении ядер в цепной ядерной реакции: удары нейтронов, разбивающие ядра, аналогичны ударам атомов (усиливающимся при нагреве), приводящим к делению и реакциям молекул. Так же как полено постепенно разгорается всё ярче (в ходе своего рода цепной реакции) от жара, зажигающего всё новые участки дерева, так и ядерное топливо разогревается оттого, что всё больше ядер поглощают всё больше образуемых в реакции нейтронов. Но есть и много более эффективные способы осуществления реакций. Например, в химии повсеместно распространён метод катализа, когда, благодаря катализаторам, скорость химических реакций, в том числе реакций деления, нарастает на порядки, причём без особого нагрева. Достаточно вспомнить, что в растениях и животных химические реакции протекают при низких температурах, благодаря наличию ферментов (энзимов) [14, 15]. Примерно так же можно управлять скоростью ядерных реакций, если по совету Р. Бэкона найти тонкий агент, который способен разрушать атомы [13], а точнее атомные ядра, огромную прочность, «неделимость» которых осознал уже сам Бэкон, в то же время предвидевший возможность их разрушения. При этом разделить ядро на части, т.е. осуществить реакцию деления, распада можно грубым ударом (так ядра разрушаются осколками деления, нейтронами), либо точным разрезом, ударом в нужную точку, концентратор напряжений. Примерно так разбивают закалённое бронестекло лёгким единичным точечным ударом в точно заданном месте, хотя намного более сильные удары пуль не могут разбить это стекло.

Ещё один пример – это рассечение кристаллов [8, 13, 16] или разрубание полена. Произвольный удар ведёт только к отделению осколков или щепок, портит инструмент и приводит к пустой трате энергии. Напротив, опытный дровосек ударяет по бревну под углом, а для расщепления полена ударяет вдоль волокон. Так и опытный геолог, кристаллограф, огранщик камней, ударяет так, чтобы кристалл разделился по плоскостям спайности с минимальными затратами энергии, а получившиеся при делении части обладали бы такой же совершенной структурой, что и исходный кристалл [16, 17]. Вот и в случае ядер, представляющих собой по одной из гипотез протон-нейтронный кристалл (где протоны и нейтроны – это тоже кристаллоидные комплексы из электронов и позитронов), при разделении ядер по плоскостям спайности можно получить наибольший выход энергии (рис. 2) [18]. Причём, если в исходном кристалле были напряжения (напоминающие напряжения в нестабильных ядрах), тогда удар в правильном месте приводит к выделению наибольшей энергии и образованию наиболее стабильных ядер-осколков. При таком делении можно получить, во-первых, максимум энергии, а во-вторых, в качестве продуктов ядерной реакции – не опасные радиоактивные отходы, а более лёгкие и дефицитные элементы, причём стабильные, без следов радиации. Ведь, как показывают опыт и теория, чем более стабильны продукты реакции, тем больше энергии выделяется (так и в автомобилях: чем полнее сгорание топлива, чище выхлоп, тем выше КПД двигателя). Так и в оружии сила выстрела заметно выросла после изобретения бездымного пороха Д.И. Менделеевым [11], которого на это вдохновили книги Жюля Верна, поведавшего о пироксилине – нитроцеллюлозном «порохе», у которого продукты сгорания – это пары воды, углекислый газ и оксиды азота, почти без следов сажи (мелкодисперсного углерода). Так и в ядерных реакциях наибольшего энерговыделения следует ожидать, когда в реакции получаются чётно-чётные, а особенно магические и дважды магические ядра, обладающие наибольшей стабильностью. Для таких реакций следует применять протонно-избыточные ядра. Обычно такие ядра альфа-радиоактивны или бета-плюс радиоактивны [19].

Реакции деления можно вызвать специфическими воздействиями на ядро, в том числе воздействием электрического, магнитного поля, электромагнитного излучения (в т.ч. лазерного). Действительно, воздействуя на кристалл электромагнитным полем с частотой равной собственной частоте f₀ колебаний нуклонов в ядре или колебаний электронов и позитронов в ядре, можно легко вызвать реакцию деления или распада ядра (рис. 2). Правда, для этого придётся применить рентгеновские и гамма-излучатели, т.к. собственные частоты таких колебаний лежат в рентгеновском и гамма-диапазоне. Видимо, поэтому многие ядра испытывают распад при облучении гамма-лучами: ядро переходит в возбуждённое состояние, а затем испытывает распад [19, 20]. Такими излучателями могут быть либо радиоактивные ядра, либо ускорители, в которых электроны, разогнанные до энергии E, излучают при осаждении на металлическую мишень тормозное излучение с частотой f=E/h или немного меньше: f~E/h, где h – постоянная Планка. Таким образом, подбирая ускоряющий потенциал U и энергию E=eU электронов, можно достичь резонансной частоты f₀, необходимой для разрушения ядра.

Есть также ещё один способ генерации рентгеновских и гамма-лучей – это проектируемые лазерные импульс-компрессоры на эффекте Ритца [8, 13]. Кроме того, один из простейших способов разделения ядер – это воздействие сильным (например, импульсным) электрическим полем, разделяющим положительные и отрицательные заряды, т.е. слои из позитронов и электронов в ядре (рис. 2). Теоретически, это позволяет производить полную дезинтеграцию ядер, выделяющую намного больше энергии [8, 18], чем при обычном делении ядер – ядро как бы взрывается, распадается на тонкие слои, напоминая распад монетного столбика. При этом каждая монетка представляет собой двойной электрон-позитронный слой с зарядом 0, ±1, ±2, так что эти слои можно легко разделить дополнительным поперечным воздействием, ударом (напоминающим поперечный рывок, разделяющий монетный столбик),– например, лазерным [8] – за счёт пондеромоторной силы, или импульсным электрическим и магнитным полем (рис. 2).

Получившиеся двойные слои оказываются нестабильны и быстро распадаются на отдельные электроны, позитроны и электрон-позитронные пары. И подобные реакции «взрыва» ядра, действительно, известны, например, при попадании в ядра некоторых видов мезонов, гиперонов и т.д. Такие реакции полной дезинтеграции аналогичны реакциям полного сгорания (без твёрдых или жидких продуктов, например, в том же бездымном порохе), поскольку образуются не радионуклиды, а электроны, позитроны и мелкие агломераты из них (рис. 2). Энергию этих частиц-фрагментов легко преобразовать в электроэнергию внутри МГД-генераторов (рис. 3) или аналогов ФЭУ, но с предварительным разделением электронов и позитронов электрическим полем с пропусканием через цепочки электродов, как в атомных батареях (рис. 1). Ещё эффективней окажется комбинация МГД-генераторов и цепочек из электродов, как в ФЭУ, но, в отличие от ФЭУ, не расходующих электроэнергию, а вырабатывающих её из кинетической энергии электронов, позитронов и тормозного гамма- и рентгеновского излучения от бомбардирующих электроды частиц. При этом магнитное поле в МГД-генераторах должно быть очень сильным, как в сверхпроводящих магнитах, иначе размеры установок непомерно вырастут.

Далее рассмотрим реакции синтеза, у которых в ходе реакции ядра-реагенты соединяются, образуя более массивное ядро. В таких реакциях для получения стабильных продуктов следует, напротив, применять нейтронно-избыточные ядра, поскольку с ростом атомного номера доля нейтронов в ядре растёт. Остаётся выяснить, как осуществить ядерную реакцию таким образом, чтобы соединять ядра с наименьшими затратами. Другими словами, требуется найти катализаторы ядерных реакций или физические методы управления реакциями, например, с помощью электрических полей, лазерного излучения и т.д.

Первый способ – это применение катализаторов. Он же и самый простой. В химии катализаторы – это вещества, повышающие скорость химических реакций, но при этом сами не расходуемые. Наиболее известный катализатор – это платина (а также никель) в виде порошка, а также активированный уголь. Механизм действия катализаторов очень прост – молекулы реагентов из раствора прилипают к поверхности твёрдого катализатора. При этом поверхность активного вещества может приводить к ионизации молекул, разделению их на атомы, а также к локальной концентрации рассеянных в растворе молекул реагентов, соответственно повышая скорость реакций. Кроме того, поверхность сковывает движения реагентов, из-за чего они проще реагируют друг с другом, находясь рядом достаточное время для образования химической связи. Так же и в ядерных реакциях можно применить катализаторы. Ими могут служить частицы или поверхности с отрицательным зарядом. Например, если несколько отрицательных частиц (электронов, мю- или пи-мезонов) кольцом окружают два ядра, расположенные по обе стороны от кольца, тогда сила притяжения ядер этими частицами может превзойти силу кулоновского отталкивания ядер, и они могут сблизиться на расстояние достаточное для протекания ядерных реакций, т.е. до радиуса действия ядерных сил (рис. 4). Из закона Кулона легко найти условие, при котором возможно такое сближение. Если атомный номер ядер, участвующих в реакции, равен Z, тогда число отрицательных частиц (электронов) n, достаточное для катализа ядерной реакции определится как n=Z/4cos²α, где α – угол между линией, соединяющей ядра и линией электрон-ядро. В свою очередь угол α, при котором реализуется неустойчивое равновесие системы электронов, зависит от Z и n, для двух электронов – sinα=0,5/Z^1/3, для трёх – sinα=0,76/Z^1/3, для четырёх – sinα=0,8/Z^1/3, а большее число электронов маловероятно. Отсюда находим, что для ядерного синтеза из двух одинаковых ядер максимальный заряд ядра Z при двух электронах не должен превышать Z=7 (азот), при трёх – Z=10 (неон), при четырёх – Z=14 (кремний).

Интересно, что некоторые физики (например, В.М. Петров [21]) предполагают, что таким же образом устроено ядро дейтерия, а также молекула водорода. Т.е. молекулярный водород, или молекула водорода из одного атома дейтерия и одного атома трития, под внешним индуцирующим воздействием теоретически может образовать ядро гелия и нейтрон. Интересно, что подобные реакции холодного ядерного синтеза (ХЯС) в молекулярном водороде и воде иногда якобы наблюдались в экспериментах. После соединения ядер в реакции синтеза получившееся ядро, за счёт выделяемой энергии синтеза, отбрасывает отрицательные частицы, которые далее служат катализаторами при синтезе новых ядер. Отметим, что и ажурная конструкция атомного остова может способствовать синтезу ядер. В частности, прежде мы высказывали гипотезу об электронах в форме вытянутых игл [22, 23] (с диаметром ~10^-15 м и длиной ~10^-12 м). Такие электроны вместе с позитронами той же формы могут образовывать ажурный каркас с шагом электрон-позитронной решётки равным длине «игл» ~10^-12 м. В этом каркасе электрон-позитронные грани атомного остова напоминают фермовые сварные конструкции, снежинки (и конструкции в игре «городки» [13]), т.к. иглы электронов и позитронов соединяются концами (рис. 5). На такой электрон-позитронной поверхности ядра должны проще вступать в реакцию, так же как в химических реакциях, где поверхность оказывает каталитическое воздействие. Так и при ядерном синтезе поверхность атомного остова сковывает движение ядер, направляет и ориентирует их: ядра могут сближаться, двигаясь, как по жёлобу, внутри двугранного угла остова. Этот способ катализа ядерных реакций будет эффективней грубого столкновения высокоэнергичных ядер, при котором атомный каркас разрушается, а ядра сталкиваются случайным образом, отчего значительная часть энергии теряется попусту – на возбуждение, разрушение и ориентирование ядер, а также на сопутствующее таким реакциям вредное гамма-излучение. Именно кристаллический порядок в ядрах ведёт к появлению ядерных сил, но, в отличие от атомного остова, электроны и позитроны в ядрах и нуклонах плотно упакованы. «Иглы» частиц уложены плотными штабелями (рис. 5), а не просто соединены концами, и подобны по строению жидким кристаллам (смектикам [9]), у которых в слоях при низкой температуре наблюдается и дальний порядок. В итоге размер ядра оказывается на пять порядков меньше размера атома. Интересно, что атом как раз моделируют с помощью магнитных игл, плавающих в воде на поплавках в поле центрального магнита [24]. Это, как отмечалось [25], объясняет формирование электронных оболочек – упорядоченных слоёв электронов в атомах [26], а также – движение электронов в магнитном поле возле узлов равновесия. «Иглы» электронов и ядер скользят по грани атомного остова, так же как иглы – по поверхности воды, колеблясь возле положений равновесия.

Существует ещё один вид катализаторов – это катализаторы, снижающие энергию активации, т.е. ту энергию, которая необходима для сближения ядер, вступающих в ядерную реакцию, для преодоления кулоновского барьера. Подобно химическим реакциям, ядерные реакции проще протекают не по прямому пути, а через промежуточный этап: вначале происходит соединение с дополнительным реагентом, требующим меньшей энергии активации, а получившиеся продукты уже реагируют с оставшимся реагентом (опять же, с меньшей энергией активации, рис. 6). И в итоге реакция идёт намного быстрее. Также возможны реакции, в которых соединение реагентов происходит не со всем ядром другого реагента, а с более лёгким, половинным ядром, а затем – с другой частью ядра. Это напоминает каталитические реакции, в которых молекулы реагенты вначале разделяются на атомы катализатором, но в случае ядерных реакций можно сразу применить более лёгкие ядра. Или наоборот: применить в качестве реагента более тяжёлые ядра, образующие в реакции утяжелённое ядро, которое затем распадается до более лёгких продуктов. Подобными способами были получены многие трансурановые элементы. Однако во всех этих реакциях всё равно требуется либо столкновение ядер при высокой энергии (например, в компактном ускорителе), либо нагрев до миллионов кельвинов, чтобы сообщить ядрам достаточную энергию для преодоления кулоновского барьера (кулоновского отталкивания).

Поэтому более перспективным кажется применение физических методов катализа для соединения, сковки ядер. Это – уже упомянутый метод плавного сближения ядер при ориентировании нуклонов таким образом, который обеспечивает максимальную интенсивность ядерных сил [8]. Дело в том, что ядерные силы не изотропны, т.е. в разных направлениях, в разных точках ядра интенсивность ядерных сил различна и зависит от взаимного поворота ядер [26]. Это, предположительно, связано с наличием квазикристаллической структуры у ядер и нуклонов (рис. 2, рис. 5) [8, 13, 26]. Поскольку ядерные силы по одной из гипотез имеют электрическую природу, как показал В. Мантуров [27], тогда сила электрического взаимодействия мультиполей, которую и принимают за ядерное взаимодействие, будет зависеть от взаимной ориентации ядер и достигнет максимальной величины, когда электроны в подобии кристаллической электрон-позитронной решётки будут располагаться напротив позитронов и наоборот. Т.е. более высокой интенсивности взаимодействия можно добиться, сближая ядра не быстро (как в термоядерных реакциях), а плавно, чтобы ядерные силы, имеющие электрическую мультипольную природу, успели сориентировать ядра таким образом, при котором величина ядерных сил достигнет максимума, а потенциальный барьер и, соответственно, энергия активации примут минимальную величину.

Кроме того, можно предложить способ синтеза, состоящий в одновременном соединении множества ядер, например, применяя ядра, встроенные в кристаллическую решётку (т.к. ориентация ядер предположительно привязана к ориентации атомов в кристалле). Это могут быть тонкие одноатомные слои графита (графен), плёнки твёрдого водорода, литиевая фольга, плёнки фтора, которые одинаково ориентируются и заряжаются, например, от электризации при разрезании, расщеплении кристаллов по плоскостям спайности, или при обстреле пучком электронов, что позволит понизить кулоновский барьер. А затем две плёнки разгоняются электрическим полем до столкновения друг с другом, так что происходит одновременное соединение многих упорядоченно ориентированных атомных ядер (рис. 7). В итоге выход реакции (т.е. число элементарных реакций и выделяемая энергия с учётом всех затрат) может оказаться достаточно высоким. При этом наиболее перспективными будут плёнки опять же из изотопов с преобладанием числа нейтронов над числом протонов. А именно, изотопы водорода (дейтерий ²H, D – 0,01 %), лития (⁷Li – 93 %), бериллия (⁹Be – 100 % и ¹⁰Be), бора (¹¹B – 81 %), углерода (¹³C – 1 %), азота (¹⁵N – 0,4 %), кислорода (¹⁸O – 0,2 %), фтора (¹⁹F – 100 %) [5, 28]. Они наиболее предпочтительны, т.к. велико содержание этих изотопов в природе (указано в скобках), так что машины можно будет заправлять обычной бумагой, древесиной, грунтом, водой и т.д. Литий особенно перспективен, так что литиевые батарейки могут быть не только химическими, но и атомными. Кстати, литий – это как раз серебристо-белый металл, вспыхивающий огнём при попадании в воду, а в переводе с латинского «литий» означает «камень», «скала», так что литий и впрямь может претендовать на звание бел-горюч алатырь-камня. С другой стороны, проще и эффективней окажутся реакторы, работающие на менее распространённых или получаемых искусственно радиоактивных изотопах водорода (³H), бериллия (¹⁰Be), углерода (¹⁴C) [28].

Охлаждение реагентов в виде плёнок до предельно низких температур, с одной стороны, позволяет работать с отвердевшими газами лёгких элементов (водород, азот, кислород) и почти исключает тепловые движения, повороты атомов. Конечно, в этом случае пространственно электрон-позитронные решётки всё равно не совпадают, но это не так страшно. Ведь ядра уже сориентированы по углам поворота, а для максимизации ядерных сил F при смещении примерно на полшага решётки (рис. 5), т.е. на размер порядка одного электрона или позитрона, требуется существенно меньше энергии и времени. Так что мультипольные электрические силы взаимодействия ядер будут успевать их смещать таким образом, чтобы ядерные силы достигали насыщения, максимума, а энергия активации минимизировалась.

Прежде исследователи уже не раз отмечали и возможность протекания ядерных реакций в живых организмах, которые часто аккумулируют, накапливают в себе радиоактивные изотопы и теоретически тоже способны осуществлять цепные реакции деления, распада и холодный термоядерный синтез, применяя ядерный катализ – аналог химического [13, 15, 22]. Примерно так живые организмы осуществляют путём химического катализа и органический синтез при низких температурах. В частности, грибы накапливают радиоактивные изотопы, например, упомянутый цезий-137 [5]. Вполне возможно, что этот изотоп применяется живыми существами для той же цели, что и человеком – для выделения тепла, для образования свободных электронов и генерации электротока (для биохимических реакций), а также с целью наработки жизненно важных для живых существ редко встречающихся микроэлементов, гораздо менее распространённых, чем радиоактивные изотопы [29, 30]. Действительно, для грибов, лишайников, в которых метаболизм, а значит и выделение тепла, предельно замедлены, и которым тепло жизненно важно для роста и протекания биохимических реакций, накопление изотопов и локальные очаги тепла в точках концентрации изотопов весьма полезны. Это объясняет, зачем грибы накапливают ядовитые радионуклиды: для них это – подобие изотопного источника тепла и электроэнергии у «Лунохода» (для функционирования в тени и гибернации холодной «лунной» ночью). Возможно, такой изотопный нагрев и позволяет грибам и лишайникам существовать даже глубоко под землёй (с близкой к нулю среднегодовой температурой) и в полярном поясе, достаточно вспомнить олений мох (лишайник ягель). Не случайно грибы так любят поселяться на радиоактивных почвах атомных могильников, в местах аварий АЭС (Чернобыль) или заводов по производству изотопов (Челябинск-40). Подобно моллюскам, поглощающим ядовитые иглы актиний, грибы поглощают опасные ядерные отходы, причём с пользой для себя. Возможность биоядерных реакций рассматривал, в частности, отечественный исследователь Б.В. Болотов, кстати, заявлявший об экспериментальном осуществлении холодного ядерного синтеза, причём многими способами. Не исключено, что и накопление радиоактивных веществ в естественном ядерном реакторе в Окло связано с накоплением, концентрацией радионуклидов живыми существами – растениями, грибами, бактериями [29]. Таким образом, и в области создания ядерных батарей и осуществления низкотемпературных ядерных реакций методом катализа можно применить методы бионики, разобравшись, как работают природные ядерные реакторы.

Можно предложить и ещё один способ осуществления низкотемпературных ядерных реакций в компактных ядерных батареях – это применение новых типов ускорителей, которые при сравнительно низком энергопотреблении и малых размерах (настольные ускорители) позволят осуществить эффективные (т.е. с выходом энергии, превышающим затраты на разгон частиц) ядерные реакции при столкновении ядер-реагентов. Также можно применить реакторы, создающие радиоактивные изотопы-реагенты при бомбардировке мишени высокоэнергичными электронами (рис. 8). В качестве таких ускорителей могут служить ускорители прямого действия (разгоняющие электроны для бомбардировки ядер) на генераторе Ван-де-Граафа, работающего от двигателя внутреннего сгорания или электромотора с аккумулятором. Также сгодятся лазерные ускорители, способные работать от портативных дизель-генераторов или бензиновых электрогенераторов (рис. 8). Лазер потребуется также для испарения (абляции) полученных реагентов с мишени и подачи их в реактор. Т.е. реактор получается в итоге гибридным: для запуска ядерного генератора применяют бензиновый двигатель или электромотор (стартёр) с аккумулятором, а после начала работы вырабатываемой энергии оказывается достаточно для работы лазера и генератора Ван-де-Граафа. Именно такие гибридные двигатели, вероятно, найдут применение в автомобилестроении. И вместо бензозаправочных станций появятся атомозаправочные станции (атомоколонки), которые тоже будут называться АЗС, но, вместо марок бензина, дизельного топлива и газа, водители будут выбирать марку изотопного топлива. Впрочем, не исключено, что в качестве топлива будет применяться тяжёлый лёд, тоже претендующий на звание «алатырь-камня», преобразуемого в атомном конвертере изо льда в пламень [1, 29, 31]. Может быть, именно на это намекали создатели фильма «Кин-дза-дза», в котором воду превращали в топливо «Лутц», по созвучию с популярной в СССР аббревиатурой ЛУТС (Лазерный Управляемый Термоядерный Синтез).

В таких миниатюрных ядерных реакторах-конвертерах ядерные реакции запускаются за счёт бомбардировки ядер высокоэнергичными (порядка 1 МэВ и выше) электронами, приводящими к делению ядер с пониженной стабильностью. Для таких ядер, широко распространённых в природе и обычно принимаемых за стабильные, достаточно небольшого толчка для распада. Так что иллюстрация из фильма «Назад в будущее», где для ядерной топки годится любое вещество, не так уж далека от истины.

В этом случае осколки ядер, возникающие при бомбардировке электронами, могут генерировать электричество либо по каскадному механизму, устроенному наподобие ФЭУ (рис. 1), либо по принципу МГД-генераторов (рис. 3) и индукционных генераторов в виде батареи катушек, в которых поток быстро пролетающих заряженных частиц наводит огромные токи. Если частицы будут делать много оборотов в таком индукционном генераторе, они смогут израсходовать почти всю кинетическую энергию, т.е. ядерную энергию делящихся ядер, выделяемую при распаде.

Интересно отметить, что в фильме «Назад в будущее» такие компактные источники ядерной энергии были способны работать не только на ядерном топливе и ядерных отходах, но и вообще на любых веществах, включая бытовые отходы. И это вполне возможно, если учесть, что в любых веществах содержатся ядра изотопов с избытком потенциальной энергии, т.е. с пониженной стабильностью. Поэтому, если извлечь и разделить эти изотопы, например, с помощью масс-спектрометра, а затем пропустить их через установку индуцированного распада или синтеза, тогда ядерную энергию можно будет получить практически из любого вещества, даже из мусора. Интересно, что в этом фильме, показывающем технику 2015 года, эмблема на установке ядерного конвертера (марки «Mr. FUSION», рис. 9.а) очень напоминает схематичную структуру бипирамидального кристаллоподобного ядра атома. Это ещё раз подтверждает огромные прогностические способности, интуицию научных фантастов, ведь 2015 год уже давно наступил, и как раз к этому времени гипотеза кристаллоподобного строения ядра уже получила ряд подтверждений. Причём эта идея выделения гигантской энергии из вещества, судя по всему, отражена и в древней фантастике – в мифах и сказках. Например, эта идея проглядывает в русской сказке о бел-горючем алатырь-камне, который выделяет огромную энергию («под камнем сокрыта сила могучая, и концу той силе нет»), обладает лечебными свойствами (словно радионуклиды, применяемые в медицине при радиотерапии [12]). Но в то же время алатырь-камень излучает опасность и по описанию напоминает кристалл, кристаллическую модель атома и ядра, которые, подобно алатырь-камню, почти не поддаются расщеплению, истиранию [3, 4].

Действительно, в народных преданиях алатырь-камень ассоциируется с Громовым храмом – с пирамидальной Мировой горой, со склонов которой растекаются реки по всей земле. Этот древний символ вполне соответствует пирамидальной модели атома и потокам реонов, растекающимся от атома и распространяющим все виды взаимодействий [13]. При этом в былинах алатырь-камень называют холодным (как в Холодном Ядерном Синтезе, ХЯС) или, напротив, кипящим, выделяющим огромную энергию [4]. Не случайно и само Солнце называли горюч-камень. Алатырь-камень считали всем камням отцом, расположенным в самом центре мироздания (на полюсе), что вполне естественно, если под алатырь-камнем понимать атомное ядро, расположенное в центре атома, в основе всего сущего, служащее источником электрического, магнитного поля и основой всех атомов, всех минералов. Отсюда же выросли и русские сказки о сундуке на острове Буяне, в котором расположена внутри многих оболочек маленькая игла (как символ ядра и электрона), в которой сокрыта большая сила – разрушительная и целительная. Возможно, что в образе кристалла-алатыря отражено и устройство медицинского лазера, поскольку камень с привязанной к нему «булатной иглой» служит для проведения медицинских операций: под действием камня и иглы края раны сшиваются, кровь свёртывается, а рана запекается [3]. С другой стороны, булатная или золотая игла может символизировать ядро, которое скрыто внутри электронных оболочек атома в буквальном смысле, как иголка – в стоге сена. Причём отдельные соломинки в стоге, имеющем пирамидальную форму, как раз соответствуют вытянутым электронам, образующим ажурный, фермовый каркас атома. Так что в прежних присказках, поговорках, зачинах, как в основной фразе Роберта Фейнмана могла заключаться ключевая информация об атомном устройстве мира [13].

Кстати, и само слово «алатырь» происходит, как полагают, от древнегреческого слова «электрон», что означает «янтарь», создающий электрический заряд и находимый как раз на побережье северных морей [4]. По преданиям алатырь-камень упал с неба, а на гранях камня были высечены законы славянского бога Сварога. Т.е. эти знания о скрытой в атоме энергии могут иметь космическое происхождение, что подтверждает и привязка символики камня к празднику Воздвижения (27 сентября). Предполагают, что этот праздник связан с символикой вавилонского столпотворения (т.е. постройки космической башни или звездолёта [8, 13]) и падения с неба алатырь-камня из звёздного металла (метеоритного железа и «космических металлов» [6]). А в христианской традиции праздник Воздвижения перерос в день воздвижения креста господня (не зря пасха, укладываемая в пирамидальную форму, соответствует формой алатырь-камню), когда все змеи уползают под землю [3]. В этом ключе становятся понятны и сакральные знания горняков и рудознатцев об удивительных устройствах будущего, красочно изложенные в сказах П. Бажова. Кстати, и в сказке А.С. Пушкина о Царе Салтане расположенный на острове Буяне домик с белкой, которая грызёт орешки с золотыми скорлупками, ядра в которых – чистый изумруд,– это, как давно отмечено автором [13], возможный намёк на АЭС, где происходит расщепление атомов в золотых (электронных) оболочках с кристаллическим ядром.

Как отмечалось, эта бипирамидальная модель атома нашла отражение не только в мифах, сказках, но и в ряде игр [13], включая рулетку, которая может символизировать структуру атомов, ядер и законы движения в них электронов и нуклонов. Тут и крестовина (аналог атомной), и золотые «иглы» по краям (символы электронов, имеющих по гипотезе игольчатую форму [22, 23]), и движение шарика (аналога электрона) по спирали с замиранием в одном из узлов, и структура таблицы из номеров ячеек рулетки, отражающая расположение электронов или нуклонов в слоях атома или атомного ядра. Причём порядок чередования цветов (красное-чёрное) в рулетке на некоторых номерах сбивается. Это вполне соответствует нарушению последовательного заполнения протонами и нейтронами у некоторых элементов, в том числе при переходе к новому периоду, новому нуклонному слою. Причём в американской рулетке первый слой, как в атоме, ядре, состоит как раз из двух клеток-частиц – «зеро» и «дабл-зеро» (рис. 9). Будем надеяться, что эти игры с атомами не приведут к катастрофе как в фильме «Терминатор II» или в повести Роберта Шоу «Путешествие в эпицентр».

Таким образом, видим, что прав был Менделеев, который говорил о нерациональном природопользовании и предвидел огромные потенциальные возможности энергоносителей [11] – не только химических веществ, нефти, но и вообще атомов, субатомных частиц и лично разведал ряд нефтяных месторождений на Юге России и открыл новые способы переработки нефти. К сожалению, на этом в итоге сколотила состояние фирма братьев Нобель, а не российские нефтепромышленники. Вот и электродобывающие атомные станции всё чаще устанавливают на территории городов иноземные фирмы, лепя их с такой же лёгкостью, как фитнес-центры (такая практика широко распространена на западе). Кроме того, Менделеев предполагал огромную роль элементарных частиц (много легче атома водорода, которые он относил к элементам нулевой группы таблицы, считал аналогами инертных газов и называл атомами эфира) в осуществлении нового типа реакций. Когда крестьяне и ученики спрашивали у Менделеева, как же ему удаётся достичь таких результатов, мол, «Талан это у тебя, али счастье?», он отвечал просто и с улыбкой: «Да какое счастье! Конечно, братцы, талан. Трудился всю жизнь, вот вам и талан!» [11]. Вот и нахождение новых технологий, как в мультфильме «Незнайка на Луне» для конструирования космических кораблей [8],– это дело не только случая, везения, но и строгого расчёта. Так пусть же поработают и атомные батареи и ускорительные орудия на пользу человечеству и российской науке!

Семиков С.А.

Источники:

1. Атомная энергетика – что дальше? Знак вопроса. 1989. №3. М.: Знание, 1989.

2. Чумаков В. // Техника-молодёжи. 2011. №1.

3. Грушко Е.А., Медведев Ю.М. Энциклопедия русских преданий. М.: Эксмо, 2002.

4. Шапарова Н.С. Краткая энциклопедия славянской мифологии. М.: АСТ, 2001.

5. Популярная библиотека химических элементов. М.: Наука, 1983.

6. Савицкий Е.М., Клячко В.С. Металлы космической эры. М.: Металлургия, 1978.

7. Гэтланд К. Космическая техника. М.: Мир, 1986.

8. Семиков С.А. Гиперсветовые технологии против релятивистских схем // Инженер. 2015. №1.

9. Политехнический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1989.

10. Гапонов В.И. Электроника. В 2-х Т. М.: Физматгиз, 1960.