ЭНЕРГЕТИКА ПУЧКОВОГО ЗАЖИГАНИЯ ПЛАЗМЫ В ВОДЕ

Вачаев А.В., Иванов Н.И., Павлова Г.А.

Магнитогорская государственная горно-металлургическая академия им. Г.И.Носова

Экспериментами, выполненными на энергоустановках с использованием водяной плазмы, возбуждаемой пучковым способом в специальном реакторе, показана возможность преобразования метрики исходного материала (воды или водно-минеральных смесей - пульп, суспензий и т.п.) с получением электрической энергии и элементов, отсутствующих в исходном материале. Разработанной схемой процесса, названного дейтонизацией, предусматривается, что под воздействием пучка заряженных частиц (разряд конденсатора) молекулы воды распадаются на атомы водорода, кислорода, гидроксильной группы с последующей полной ионизацией водорода, кислорода, диссоциацией гидроксильной группы с ионизацией составляющих группу элементов с последующим преобразованием элементов на уровне элементарных частиц.

Описанный механизм диссоциации и ионизации молекул и атомов представляет собой фазовые превращения, начиная с переходов 1 и кончая переходами 4 рода. Четких границ между ними практически провести не удается, но для отдельных элементов, например водорода, можно определить температурные интервалы существования устойчивых состояний - молекулярного, атомного, дейтонного и т.д.

Попытки использования традиционных термохимических моделей для описания фазовых переходов для рассматриваемого случая не дали удовлетворительных результатов, т.к. традиционная термохимия рассматривает состояние вещества на ионном уровне, при котором индивидуальные характеристики и свойства материалов остаются неизменными, хотя кластерная и (или) кристаллическая структура их может существенно меняться. Кроме того, эти изменения довольно инерционны во времени и не могут конкурировать по скорости реакций с процессами на уровне фазовых переходов в сильных электромагнитных полях, возбуждаемых высокоэнергетическими пучками заряженных частиц в некотором реакционном объеме /1,2,3/.

Нами показано, что дейтонизация воды развивается по схеме/4/:

H₂O H + OH H + O (1)

р+е		8п+8р
ег		8е
		8

Из перечня элементарных частиц, образующихся при дейтонизации элементов молекул воды, стабильны электрон е, протон р и нейтрино . Время жизни нейтрона n при этом равно 1,11*10³ с, после чего дополнительно имеем (по схеме) .Но, несмотря на это, последняя схема в используемом нами реакторе вряд ли реализуется, т.к. время пребывания вещества в дейтонном состоянии в реакционной зоне (порядка 0,02 с) на 4-5 порядков меньше, чем время преобразования нейтрона по приведенной схеме.

Как видно из (1) полная диссоциация воды и составляющих ее элементов (водорода и кислорода) проходит в три стадии: отрыв атома водорода, образование гидроксильной группы и последующая ее диссоциация. Можно предположить, что дейтонизация водорода в данном случае идет параллельно с диссоциацией гидроксильной группы, а дейтонизация элементов водорода и кислорода — после дейтонизации отщепленного ранее атома водорода.

Исследованиями термодинамики системы из четырех фаз (вода, водород, гидроксильная группа, кислород) установлено, что система относится к сильно полярным, для которых -фактор равен 0,525,а парахор П=1,586 /5/.Расчет критических параметров системы при этих данных показывает, что плотность системы в реакторе равна плотности воды, критическое давление Р_к= (32,12...36, 75) *10⁵ Па.

Расчет критических температур, выполненный по методике, предлагаемой Ю.Б.Румером и М.Ш.Рывкиным/1/, дает следующие величины:

- температура диссоциации воды на водород и гидроксильную группу с дейтонизацией водорода со степенью его ионизации равна Т_н=14298К;

- температура диссоциации гидроксильной группы с последующей дейтонизацией продуктов (водорода и кислорода) диссоциации со степенью ионизации всех продуктов реакции ;

- температурный интервал диссоциации и ионизации =0,6 =30926,6 К.

Оперируя термодинамическими категориями, для полярных соединений (с >0,1) возможно определение теплот переходов по формуле Лайоша /5/:

(2)

дающей точность расчетов порядка 10 %; здесь - теплота ионизации элементов, подвергающихся дейтонизации. Соответственно температурам переходов имеем:

- диссоциация воды на водород и гидроксильную группу с дейтонизацией водорода: =+7,0357 кДж/моль;

- диссоциация гидроксильной группы с дейтонизацией продуктов реакции: =-0,992 кДж/моль.

Практически полученные результаты свидетельствуют, что выделение энергии при дейтонизации начинается только тогда, когда в пределах реакционной зоны все элементы будут полностью дейтонизированы, чего обычными физико-химическими методами воздействия на вещество добиться невозможно. Об этом свидетельствуют и данные о длительности процессов плазмообразования в плазмохимических реакторах /3/.Полагая течение плазмы в реакторе стационарным и одномерным с равномерным перемешиванием продуктов реакции, по аналогии с конверсией метана по схеме Касселя, константы скоростей реакций диссоциации воды по схеме (1) могут быть записаны в виде уравнений:

k_i= (d[H₂O])/([Н₂0]dt)=L_iexp(-E_ai/RT_i), (3)

где L_i - предэкспоненциальный множитель, концентрация i-того компонента в смеси;

E_ai - энергия активации диссоциации (дейтонизации) i-того компонента;

T_i - температура i-того процесса преобразования метрики исходной среды.

Согласно (3) время протекания процесса определится как , т.е. оно равно времени индукции диссоциации (или дейтонизации) преобразований в системе. При такой трактовке время полного завершения отдельного (i-того) этапа конверсии воды до элементарного состава записывается как:

t_i(T)= t_oiexp(E_i/RT_i), (4)

откуда можно после ряда преобразований /6/ перейти к уравнению скорости протекания реакций:

dT/dt=[(T_i-T_i-₁)*10⁴]/[exp(E_i/RT_i) ], (5)

где T_i-1 - начальная температура i-того этапа конверсии.

Этот же вывод следует из анализа уравнения движения, записанного в виде формализованного уравнения Лагранжа:

d²T/dt² – m_iL_i(dT/dt)=St_0i exp(E_i/RT_i), (6)

где m_i=r_iV_i; r_i - плотность плазмы;V_i - объем реакционной камеры.

Повышение энергии воздействия на среду (воду), вводимой пучком заряженных частиц со скоростями, соизмеримыми со скоростями движения электронов /7/ и обеспечивающими подъем температуры до 10⁵-10^б К за время t_п=8*10^-9-5*10^-12 с, ведет к коренному изменению механизма ионизации воды и дейтонизации водорода и кислорода. Процесс полной деструкции воды до элементарных частиц можно считать одностадийным, т.к. устойчивость гидроксильной группы (ОН) при Т=10⁵-10⁶К стремится к нулю. В этом случае для определения энергетического эффекта реакции дейтонизации формулой (2) воспользоваться не представляется возможным из-за отсутствия информации о протекании процесса.

Для случая пучкового зажигания плазмы воспользуемся уравнением импульсов моментов количества движения Лагранжа, дополненного уравнением инварианта уравнения r-функции Вейерштрасса с периодами и /6/:

где

- частота колебаний плазмы;

- относительная магнитная проницаемость плазмы и магнитная постоянная;

-относительная электрическая проницаемость и электрическая постоянная;

М - масса плазмы;

V- объем реактора;

Е,Н - напряженность электрического и магнитного полей реактора.

Следует заметить, что система уравнений (7) представляет собой незамкнутую систему с открытым правым концом без каких-либо начальных и граничных условий, что предполагает весьма трудоемкое решение, при выполнении которого предпочтение следует отдавать интегрированию справа, т.е. начиная с открытого конца.

На рис.1 представлены результаты решения задач по определению энергетической эффективности функционирования реакторов с разными способами зажигания плазмы в воде. Из графиков видно, что наибольшую эффективность имеет импульсно-пучковое зажигание, которое при определенных условиях может обеспечить расщепление дейтонов до элементарных частиц - термоядерную реакцию. Длительность развития процесса дейтонизации в данном случае не превышает 10^-12 10^-10 с, обеспечивая подъем температуры в реакторной зоне до (1000 2500)*10³К и выход энергии 60 70 кДж/моль (без учета ее кумуляции).

Промышленный интерес вызывают процессы дейтонизации при Т=(300 400)*10³К, при которых выход энергии не превышает 30 35 кДж/моль по сравнению с энергозатратными плазмохимическими реакторами, в которых при Т_max=50000К выход энергии не превышает 1 кДж/моль.

Рассматривая обратные процессы, т.е. закалку продуктов реакции дейтонизации, было найдено, что синтез элементов из дейтонов кислорода и водорода в сильных электромагнитных полях обеспечивается магнитным обжатием продуктов на границе реакционного объема, где обеспечивается сближение нейтронов и протонов (или их групп - дейтонов) на расстояние действия сил сильного взаимодействия. Например, образование ядра титана представляется возможным по схеме:

где реакция при Т>100000 К протекает за 10^-9 с.

Учитывая энергию образования элементов, можно утверждать, что синтез и закалка последних из смеси дейтонов и восстановление электронных оболочек (на выходе из реакционной зоны) длится 10^-9-10^-5с, т.е. процесс идет быстрее, чем деструкция воды в плазмохимических реакторах.

Расчетным путем установлено, что избытка элементарных частиц в системе практически не остается, кроме 3-5% от общего числа электронов, образующегося при дейтонизации воды. Более массивные дейтоны после закалки образуют 20-25% твердых веществ за пределами реакционной зоны. Экспериментально установлена их весьма низкая химическая активность, кристаллографическими исследованиями - совершенная симметрия образующихся элементов.

В заключение необходимо отметить, что дейтонизация вещества высокоэнергетическими пучками элементарных частиц отлична по механизму от плазмохимических методов зажигания плазмы и нуждается в глубокой теоретической проработке, на основании чего можно разрабатывать новые технологии.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Румер Ю.Б., Рыбкин М.Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика.М:Наука,1977.552с.

2. Стромберг А.Г., Семченко Д.П.Физическая химия. М.: Высшая школа, 1973.480 с.

3. Артамонов А.Г., Володин В.М., Авдеев В.Г.Математическое моделирование и оптимизация плазмохимических процессов.М.:Химия,1989.224 с.

4. Вачаев А.В.,Иванов Н.И.Энергетика и технология структурных переходов. Магнитогорск:Изд. МГМА,1994.190 с.

5. Морачевский А.Г., Сладков И.Б.Термодинамические расчеты в металлургии: Справочник. М.:Металлургия,1985.136 с.

6. Корн Г., Корн Т.Справочник по математике для научных работников и инженеров. Пер. с англ.М.:Наука,1973.832 с.

7. Физическая энциклопедия, в 3-х т. Т.З /Под ред. А.М.Прохорова. М.: Больш. Росс. Энциклопедия,1992,672 с.

Рис.1. Теоретический выход энергии при полной деструкции воды:

1 - термохимический реактор;

2 - дейтонизация воды при включении реактора «Энергонива»;

3 - стабильная работа реактора;

4 - импульсно-пучковое включение реактора;

5 - импульсно-разрядный реактор;

6 - длительность этапа деструкции воды при разных способах зажигания плазмы.

УДК 66.01:533.9

Вачаев А.В., Иванов Н.И., Павлова Г.А. Энергетика пучкового зажигания плазмы в воде

Рассмотрены термодинамические характеристики работы плазмо-химического реактора, определены температуры стадий деструкции воды и составляющих ее элементов до элементарных частиц и энергетический потенциал реактора. Приведены экспериментальные данные по пучковому зажиганию плазмы в воде, произведено сравнение двух способов и к реализации рекомендовано пучковое зажигание.