Лекции по "Концепции современного естествознания"

     Ядерные реакторы. С точки зрения энергетики представляет интерес осуществление управляемой реакции деления, протекающей при стационарной концентрации нейтронов. В принципе она может быть осуществлена путем введения в активную зону реактора с надкритической массой веществ, поглощающих нейтроны (реакторы на быстрых нейтронах). большее распространение получили более легко осуществимые и относительно менее опасные реакторы на медленных нейтронах, в основе которых лежат эффекты резкого увеличения вероятности реакции (3) в случае малых скоростей нейтронов и потери способности к их поглощению у изотопа . Реактор на медленных нейтронах представляют собой совокупность стержней из слабо обогащенного урана и замедлителя (вещества, способного эффективно уменьшать скорость образовавшихся при делении быстрых нейтронов, но не поглощающего их). Вылетающие из урановых стержней нейтроны отдают свою энергию замедлителю и попадают в другой стержень уже с малой скоростью, при которой из поглощение невозможно, а реакция вынужденного деления - весьма вероятна. 

     Стационарный режим работы реактора не является устойчивым и невозможен без внешнего управления. Управление  процессами в реакторе осуществляется за счет механических перемещений поглотителей нейтронов, возможные скорости которых намного меньше характерных скоростей рождения нейтронов в реакции (3). Управление оказывается возможным благодаря существованию значительно более медленного процесса рождения запаздывающих нейтронов , обусловленных слабыми ядерными взаимодействиями.

Выделяющаяся в реакторе тепловая энергия передается жидкому охладителю и впоследствии преобразуется в тепловую, электрическую или механическую форму.

     Несомненным преимуществом атомных электростанций является высокая энергетическая эффективность уранового топлива (отношение энергоотдачи к массе вещества), что приводит к значительному удешевлению его транспортировки и, следовательно, производимой энергии. К недостаткам использования ядерных реакторов в интересах энергетики следует отнести прежде всего экологическую опасность их топлива и продуктов, возникающих после деления, обусловленную их радиоактивностью. Так проблема утилизации отходов ядерного горючего и демонтажа отработавших запланированный срок ядерных котлов до сих пор не решена.

     Термоядерный синтез. Для осуществления реакции синтеза достаточно сблизить нуклоны на расстояние, достаточное для “включения” ядерных сил притяжения. Этому препятствуют электрические силы отталкивания, приводящие к возникновению потенциального барьера реакции (рис. 13_2), для преодоления которого нуклонам необходимо сообщить весьма значительную кинетическую энергию. В земных условиях температуру, обеспечивающую “поджигание” термоядерной реакции, удается получить за счет цепной реакции деления урана . “Водородная бомба”  представляет собой объем с ядерным горючим (обычно дейтерий), помещенный внутрь урановой бомбы, играющей роль запала, поджигающего реакции ядерного синтеза:

(4)    

     Реакции термоядерного синтеза по-видимому являются источником, поддерживающим горения звезд. В пользу этого говорят данные астрономических наблюдений о химическим составе звезд (в основном легкие элементы - водород, гелий, являющиеся сырьем для реакций синтеза) и из температуре (температура Солнца K достаточна для поддержания реакций водородного цикла:

(5)       .

     При более высоких температурах начинается “горение” ядер более тяжелых элементов(реакции гелиевого, углеродного, аргонового циклов), которое происходит с меньшим по сравнению с (5) энерговыделением, но играет решающую роль в процессах синтеза ядер тяжелых элементов нашей Вселенной.

     Исходная для водородного цикла (5) реакция превращения водорода в дейтерий протекает весьма медленно, т.к. входящий в нее процесс распада протона на нейтрон и позитрон обусловлен не сильными, а слабыми ядерными взаимодействиями. О реальном протекании такой реакции модно судить по наличию возникающих в ее результате легких частиц - нейтрино. Эксперименты по регистрации приходящего с Солнца нейтринного потока весьма сложны (нейтрино слабо взаимодействуют с веществом и пролетают сквозь него, “не оставляя следа”; помимо “солнечных” нейтрино имеется сильный фон, создаваемый прилетающими из дальнего космоса частицами) и до сих пор дают отрицательные результаты. Отсутствие приходящих с солнца нейтрино можно либо отнести к ошибкам в весьма сложном эксперименте,  либо рассматривать как указание на протекание на солнце отличных от (5) реакций, либо как свидетельство о том, что реакции горения водорода на нашей звезде уже прекратились, а ее свечение - есть результат эффекта пленения излучения в плотной горячей плазме.

     Проблема управляемого термоядерного синтеза. Главной проблемой в  осуществлении коммерческого производства энергии за счет реакции синтеза состоит в удержании горячей плазмы, в ограниченном объеме реактора: при ее контакте со стенками атомы последних разрушаются. На звездах проблема удержания “решается” весьма просто: сильное гравитационное поле не дает плазме покинуть зону реакции. В условиях Земли, очевидно, такой способ удержания неосуществим.

     В течение нескольких десятилетий проблему удержания пытаются решить, заменяя гравитационные силы более мощными - магнитными. Плазма помещается в неоднородное магнитное поле (“магнитные бутылки”), где заряженные частицы совершают квази периодическое движение между областями сгущения линий (аналогично тому, как космические частицы движется между магнитными полюсами Земли). Другой, более распространенной конфигурацией плазменного шнура в магнитном поле является тор (“Пристонский бублик”). Описанные устройства токамаки до сих пор не оказались работоспособными из-за разрушения конфигурации удерживающего магнитного поля дополнительными полями, генерируемыми сильными токами в плазме.

     Другой подход к решению проблемы получил название лазерного термоядерного синтеза и состоит в облучении интенсивном дейтериевой мишени лазерным излучением, вызывающем частичное испарение ее поверхность, сжатие и, как следствие, разогрев до около солнечных температур. Основные сложности связаны с наличием принципиальных ограничений на предельную мощность лазеров, их низким КПД, проблемой фокусировки на небольшой мишени и синхронизации срабатывания нескольких лазеров.

     В последние годы обсуждаются возможности осуществления термоядерного синтеза в значительно более “мягких” (по сравнению с горячей плазмой) условиях за счет процессов ядерного катализа. убедительных экспериментальных данных о возможности реализации такого подхода пока не получено.

     Реализация управляемой реакции термоядерного синтеза явилась бы настоящим переворотом в современной энергетике, поскольку запасов дейтерия, содержащегося в 1км океанской воды в принципе достаточно для  обеспечения сегодняшних энергетических потребностей человечества  в течение 1 года ( при этом практически вся вода, оставшаяся после извлечения ничтожной примеси “тяжелой составляющей” может быть возвращена в океан. 

14. Гравитация и геометрические свойства пространства

     Весьма слабые гравитационные силы на современном этапе развития Вселенной играют определяющую роль в процессах космического масштаба, где электромагнитные взаимодействия оказываются в значительной степени скомпенсированными за счет существования равного количества разноименных зарядов, а коротко действующие ядерные силы проявляются только областях сосредоточения плотного и горячего вещества. Современное понимание механизма возникновения гравитационных сил стало возможным лишь после создания Теории Относительности, т.е. почти через три столетия после открытия Ньютонам закона Всемирного тяготения.

     Силы инерции.  Созданию современной теории гравитации предшествовало осознание глубокой связи, существующей между силами тяготения и псевдосилами инерции. Последние с классической точки зрения не являются мерой реального взаимодействия между телами, а вводятся в неинерциальных системах отсчета чисто формально для обеспечения возможности записи в них уравнений движения, совпадающих по форме со Вторым законом Ньютона. Так все пассажиры внутри равноускоренно движущегося автобуса относительно связанной с ним неинерциальной системы отсчета “летят к стенке” с одинаковым ускорением (равным ускорению автобуса), оставаясь “на самом деле” неподвижными относительно “хорошей” инерциальной системы отсчета, связанной с Землей. Для объяснения этого явления с точки зрения находящегося в автобусе наблюдателя приходится предположить, что при ускорении на все объекты действуют силы инерции, пропорциональные их массе и приводящие к одинаковым ускорениям:

(1)     .

     При вращательном движении неинерциальных систем отсчета выражение для силы инерции приобретет более сложный вид (в частности появляется слагаемое, зависящее от скорости движения тела - Криолисова сила наличие которой “объясняет” асимметрию размывания берегов рек, текущих в перпендикулярном вращению Земли направлении и вращение плоскости колебаний  маятника Фуко).

     Особенности гравитационных сил. Принцип эквивалентности. Сформулированный И.Ньютоном  закон гравитации по форме весьма схож с законом Кулона:

(2)       ,

что позволяет по аналогии с электрическим зарядом ввести гравитационный заряд (или гравитационную массу) - меру способности тел участвовать в гравитационных взаимодействиях. Гравитационная масса оказывается строго пропорциональной массе инертной (вводимой как коэффициент пропорциональности между силой и ускорением во втором законе Ньютона). Именно эта пропорциональность позволила измерять гравитационные заряды в тех же единицах, что и инертную массу (коэффициент пропорциональности “спрятан” в гравитационную постоянную).

     Пропорциональность гравитационной силы инертной массе делает ее весьма схожей с силой инерции. В частности при поступательном  движении неинерциальной системы отсчета с ускорением, равным ускорению свободного падения, вдоль направления гравитационных сил наступает полная компенсация сил тяготения и инерции - явление невесомости. Помещенный в закрытый лифт наблюдатель, ощущая исчезновение веса не может решить, что произошло в действительности: либо лифт начал падать вниз с ускорением свободного падения, либо исчезло гравитационное поле Земли.

     Обобщая описанный мысленный эксперимент А.Эйнштейн пришел к формулировке принципа эквивалентности: никаким опытом наблюдатель, помещенный в замкнутую систему отсчета не может установить, движется ли эта система отсчета с ускорением в пустом пространстве или покоится во внешнем гравитационном поле.

     Принцип эквивалентности в значительной степени устраняет “выделенность” инерциальных систем отсчета и позволяет исключить из теории само понятие гравитационных взаимодействий, факт наличия или отсутствия которых установить опытным путем, вообще говоря, оказывается невозможным. Наблюдаемые же на опыте отклонения траектории тел, перемещающихся вблизи массивных объектов трактуются не как результат взаимодействия, а как следствие искривления пространства.

     Искривленное пространство обладает геометрическими свойствами, существенно отличающимися от евклидового. В математическом формализме понятие кривизны пространства тесно связано с видом матрицы его метрического тензора - совокупности чисел , входящих в обобщенное определение скалярного произведения векторов:

(4)     .

Обычно эту совокупность записывают в виде таблицы (матрицы) размерами (где n - размерность пространства):

(5)       .

В частных случаях трехмерного евклидового пространства и четырехмерного псевдоевклидового пространства Минковского метрические тензоры имеют вид:

(6)     ;

(7)       ,

т.е. представляющие их матрицы  диагональны. Такие пространства являются неискривленными. 

     Если же матрица метрического тензора пространства содержит недиагональные элементы, пространство оказывается искривленными. Например, метрический тензор двумерного искривленного пространства - поверхности сферы имеет вид:

(7)         .

     Основные идеи Общей Теории Относительности. Исходя из разработанной им Специальной Теории Относительности А.Эйнштейн сделал вывод о том, что помещенный в неинерциальную систему отсчета наблюдатель должен зарегистрировать наличие искривления пространства. Действительно, находящийся на вращающемся диске наблюдатель, измеряющий отношение длины окружности к радиусу, получит число, отличное от , поскольку с точки зрения покоящегося наблюдателя  эталон длины будет изменять свои размеры при поворотах относительно обусловленной вращением диска скорости (рис. 14_1).

     Учитывая аналогию возникающих в неинерциальных системах отсчета сил инерции с гравитационными, А.Эйнштейн предположил, что массивные тела вызывают вокруг себя локальное искривление четырехмерного пространства-времени:

(8)     .

     Обобщением закона инерции Галилея на случай искривленных пространств является утверждение о том, что мировыми линиями свободных тел являются геодезические (кривые, соответствующие минимальному собственному времени движения между заданными двумя точками). Движение вдоль геодезической в искривленном пространстве с точки зрения трехмерного наблюдателя  воспринимается  как движение по трехмерной кривой с переменной скоростью, что  в рамках классического подхода “объясняется” действием гравитационных сил.