Термоядерный синтез – это процесс, в котором ядра лёгких атомов сливаются друг с другом, образуя ядра более тяжёлых атомов. При таком слиянии, по представлениям современной ядерной физики, выделяется большое количество энергии. Настолько большое, что освоение термоядерного синтеза может подарить человечеству неиссякаемый источник энергии, который навсегда снимет проблему производства электроэнергии такими затратными и не экологичными технологиями как ГЭС, ТЭС, АЭС. Отсюда такой повышенный интерес физиков, и не только, к созданию промышленной технологии по управлению термоядерным синтезом. РФ занимает в этом ряду одну из ведущих позиций, как в области теоретических исследований, так и в сфере технологической. Наши токамаки (тороидальные камеры с магнитными катушками) на текущий момент являются безусловными лидерами в мировой гонке за обуздание термояда. Но, не смотря на то, что базовая идея термоядерного синтеза достаточно проста, получить действующую установку термоядерного синтеза с положительным энергобалансом вот уже более 60 лет не удаётся. Это при том, что в это же самое время, та же самая ядерная физика смогла разработать 4 поколения атомных электростанций и добиться впечатляющих успехов в области управляемого расщепления тяжёлых атомных ядер.
Давайте попробуем поискать причины такого фатального «невезения» термоядерного синтеза. И начнём свой поиск с анализа его фундаментальной идеи, которая состоит в том, что при слиянии нескольких ядер лёгких атомов в одно ядро тяжёлого атома выделяется энергия. Для этого рассмотрим модель самого простого синтеза одного атома гелия из двух атомов водорода. Как известно, ядро атома гелия состоит из двух протонов и одного нейтрона (He3), или двух протонов и двух нейтронов (Не4). Следовательно, собрать один атом гелия из двух стандартных атомов водорода не получиться. Так как, стандартный атом водорода состоит из одного протона и одного электрона (банально не хватит строительного материала). К счастью в природе встречается изотоп водорода, содержащий в составе своего ядра кроме протона ещё и один нейтрон. Такой изотоп получил название дейтерий и прекрасно подходит для синтеза атомов гелия. Одного атома водорода и одного атома дейтерия как раз хватит для сборки одного атома гелия-3, а двух атомов дейтерия достаточно, чтобы собрать один атом гелия-4. При этом, прежде чем начать «сборку» атома гелия, не плохо разобраться – а какие силы действуют внутри атома и с чем нам придётся столкнуться при «склеивании» протонов и нейтронов.
Итак, атом состоит из ядра и электронных оболочек. В состав атомного ядра входят положительно заряженные протоны (количество протонов определяет атомный вес элемента и точно соответствует его номеру в таблице Менделеева) и электрически нейтральные нейтроны (количество нейтронов в составе атомного ядра одного и того же элемента может быть разным и такие элементы называются изотопами). На электронных оболочках размещаются отрицательно заряженные электроны, количество электронов, соответствует количеству протонов в ядре. Поэтому атом в целом электрически нейтрален и подвержен действию четырёх фундаментальных сил взаимодействия – гравитации, электромагнетизму, сильному и слабому ядерному взаимодействию. Протоны и нейтроны в составе ядра связывают гравитация и сильные ядерные взаимодействия. При этом необходимо учитывать, что в ядрах, содержащих больше одного протона, начинает работать электромагнитная сила, которая всегда отталкивает одноимённые заряды. Исходя из этого, можно сделать предположение, что сумма сил гравитации и сильного ядерного взаимодействия по абсолютной величине точно равна электромагнитной силе. Иначе собрать в атомных ядрах больше одного протона было бы не возможно. Равенство этих сил объясняется очень простой логикой. Если сумма сил гравитации и сильного ядерного взаимодействия больше электромагнитной силы, то протоны и нейтроны под действием этих сил коллапсируют (упадут сами на себя). И вследствие этого, скорее всего, разрушатся, ну или, по крайней мере, образуют какую-то новую стабильную частицу (в реальной жизни никаких других стабильных частиц в составе атомного ядра не наблюдается). Если сумма сил гравитации и сильного ядерного взаимодействия меньше электромагнитной силы отталкивания, то протоны просто разлетятся в разные стороны и никогда не образуют стабильное ядро атома (такое допущение тоже противоречит реальной картине мира). В таком случае предположение о равенстве величин электромагнитных сил и суммы сил сильного ядерного взаимодействия и гравитации в составе атомного ядра остаётся единственно верным. Учитывая, что величина гравитационного взаимодействия между протонами пренебрежительно мала (меньше на два порядка) по сравнению с электромагнитной силой отталкивания между этими же протонами, можно допустить, что сильное ядерное взаимодействие равно электромагнитному и противоположно ему по знаку. Уравновешенность этих сил позволяет ядру атома стабильно существовать неопределённо длительное время.
За удержание электрона на атомной орбите отвечают та же самая сила электромагнитного притяжения и некая «центробежная» сила отталкивания. Кулоновское притяжение обусловлено противоположными знаками зарядов протона и электрона и хорошо описано в таком разделе физики как электростатика. Эта сила притягивает электрон к протону в составе ядра и не даёт ему улететь под действием центробежной силы, которая направлена в противоположную сторону. В рамках планетарной модели атома центробежная сила обусловлена вращением электрона вокруг ядра атома. При этом абсолютная величина центробежной силы должна быть равна величине электромагнитного притяжения по тем же самым соображениям. Оставим пока за скобками тот факт, что планетарная модель атома не объясняет, откуда электрон черпает энергию для своего движения по орбите атома и тем самым явно нарушает закон сохранения энергии. Нам пока достаточно того, что мы выяснили абсолютную величину этой силы и её направление. А как она называется – центробежная, сильная, слабая или мюонная не принципиально.
Таким образом, нам удалось установить, что в составе атома действуют равные по величине, но противоположные по направлению силы, обеспечивающие его стабильное существование в материальном мире. И значения этих сил достаточно надёжно вычисляются с использованием инструментария электростатики. Теперь, вооружённые знаниями о силах действующих внутри атомов, можем приступить к сборке одного атома гелия из двух атомов водорода.
Итак, берём один атом водорода и один атом дейтерия и пытаемся их соединить.
В результате сразу же обнаруживается вопиющее несоответствие общепринятому определению термоядерного синтеза. Термоядерный синтез – это слияние лёгких ядер в тяжелые ядра. Т.е. в термоядерном синтезе не участвуют атомы элементов, а только ядра этих атомов. Правильно вот так:
Соответственно на выходе термоядерного синтеза мы получаем не атомы нового вещества (например, гелия), а только ядра его атомов. Но ведь ядра атомов без соответствующего количества электронов в атомной оболочке это точно не атомы. И сколько не «склеивай» таких ядер - на выходе термоядерного синтеза всё равно не получишь ни грамма вещества. В этой связи возникает вопрос - а как же тогда выгорание водорода в гелий в звёздах типа нашего Солнца? И весь последующий термоядерный синтез элементов периодической таблицы вплоть до железа? На лицо некое противоречие реального термоядерного синтеза общепринятой в современной астрофизике модели рождения и жизни звёзд, которая утверждает, что в недрах звёзд формируются атомы всех элементов вплоть до железа. Нас же начинают терзать смутные сомнения, что с термоядерным синтезом что то не так. По крайней мере, предлагаемая для термоядерного синтеза формула H + H2 = He3 (где Н и Н2 ядра водорода и дейтерия, а Не3 ядро гелия), точно не работает в природных реакторах. И выгорание водорода в гелий в звёздах проходит по какой-то другой формуле. А может быть термоядерного синтеза лёгких ядер в тяжёлые вообще не существует в природе, и синтез тяжёлых атомов из более лёгких происходит в рамках других физических или химических процессов? Косвенно это предположение подтверждается большими запасами дейтерия в составе обыкновенной воды, которая умудряется накапливать этот изотоп без всяких термоядерных реакций. Но вернёмся к нашему классическому синтезу одного ядра гелия из двух ядер водорода. После «склеивания» двух нейтронов и одного протона образуется некоторое избыточное количество энергии. Величина которой для нашего случая в многочисленных экспериментах достаточно точно измерена и составляет 5,5 МэВ (мегаэлектрон-вольт). Как уже отмечалось выше сильное взаимодействие удерживает в составе атомного ядра протоны и нейтроны, которые вместе называют нуклонами. И согласно экспериментальным данным у лёгких ядер с увеличение количества нуклонов энергия связи растёт, а у тяжёлых падает. При этом величина энергии связи для нуклонов дейтерия равна примерно 1 МэВ, а для нуклонов гелия-3 – 7 МэВ. Исходя из этих абсолютно достоверных и ни кем не оспариваемых фактов, констатируем, что энергия связи трёх нуклонов ядра гелия-3 больше энергии связи двух нуклонов дейтерия и одного нуклона водорода. Т.е. при слиянии ядра водорода и ядра дейтерия их суммарного запаса энергии связи не хватает для сборки одного ядра гелия-3. Согласно этим расчётам лишней энергии нет и взяться ей вроде бы неоткуда. Напротив слияние одного протона водорода и двух нуклонов дейтерия требуют дополнительной энергии – примерно 6 МэВ.
Настало время вытащить из рукава главный козырь термоядерного синтеза. Оказывается, при реальном термоядерном синтезе масса нуклонов синтезированного ядра всегда меньше суммы масс нуклонов исходных ядер. Т.е. если мы перед синтезом ядра гелия-3 взвесим нуклоны исходных ядер водорода и дейтерия, то их суммарная масса будет больше массы нуклонов ядра гелия примерно на 0,8%. Что это за «лишняя» масса и куда она исчезает в результате термоядерного синтеза достоверно не установлено. Однако в современной квантовой физике такая разность масс называется «дефектом масс» и при подстановке в знаменитую формулу Е=mc2 даёт ту самую лишнюю энергию. То что это чистейшей воды метафизика, допускающая превращение массы в энергию, апологетов термоядерного синтеза не смущает. Другого подобного прецедента столь бесцеремонного нарушения закона сохранения массы наука не знает со времен средневековых алхимиков, пытавшихся превратить свинец в золото. Как учит нас история развития человечества - природа ни когда и ни кому не позволяла нарушать свои фундаментальные законы. Не получится и на этот раз.
Подводя итог, резюмируем – термоядерный синтез в основе своей содержит ошибочную теоретическую базу, нарушающую один из фундаментальных законов природы – закон сохранение массы. Поэтому декларируемые сторонниками термоядерного синтеза цели не достижимы. Получить энергию на выходе термоядерного синтеза НЕ ВОЗМОЖНО! А причиной фатального невезения термоядерного синтеза всё-таки является системная ошибка.
