Концепция нейтринного реактивного двигателя на основе анизотропного источника нейтрино. Введение.
Предлагаю Вашему вниманию препринт статьи "Анизотропный источник нейтрино". Автор - к.т.н.Пономаренко А.В.
Краткое содержание:
"Рассмотрена возможность создания высокоинтенсивного источника с угловой анизотропией выхода нейтрино. В качестве источников нейтрино предложено использовать радионуклиды, распадающиеся в процессе электронного захвата. Определен перечень радионуклидов, имеющих максимальный выход нейтрино, при минимальных сопутствующих рентгеновском и гамма-излучении, а так же минимальном энерговыделении в источнике. Рассмотрены методы получения радионуклидов для таких источников. Угловая анизотропия выхода нейтрино обеспечивается ядерной поляризацией радионуклида. Определен метод оптической накачки ядерной поляризации как обеспечивающий высокую степень поляризации в высокоинтенсивных источниках нейтрино. Рассмотрена возможность использования таких источников для повышения выхода нейтрино в заданном направлении, например, при калибровке детекторов солнечных нейтрино. Показана возможность использования таких источников в качестве реактивных двигателей малой тяги для космических аппаратов в тех же приложениях, для которых сейчас используются ионные двигатели. Практическая возможность использовать нейтрино для создания реактивной тяги рассмотрена автором впервые в мире еще в 1987 г. Показано, что высокоинтенсивные анизотропные источники нейтрино могут быть созданы уже на сегодняшний день, российские организации ИРМ, Белоярская АЭС и ФИАН располагают соответствующими технологиями для изготовления такого источника в рамках возможного совместного проекта."
Введение.
Основная суть идеи заключалась в том, что радиоактивные изотопы, испытывающие бета-распад или электронный захват (К-захват), испускают нейтрино при бета-плюс распаде и К-захвате и антинейтрино при бета-минус распаде. В дальнейшем нейтрино и антинейтрино мы будем называть для общности нейтрино. В процессе бета-распада и К-захвата нейтрино, естественно, испускается изотропно. Еще в 1957 году в экспериментах Ву и др. по исследованию эффекта несохранения четности в слабых взаимодействиях, было показано, что поляризованные ядра бета-излучателей испускают бета-частицы в направлении, противоположном направлению магнитного поля, а нейтрино преимущественно по направлению поля. В эксперименте использовался бета-гамма активный источник 60Co, помещенный в магнитное поле. У ядра 60Co величина спина J = 5 и, соответственно, большой магнитный момент, что позволяло получить достаточно большую степень поляризации ядер в магнитном поле. Источник 60Co, помещался в магнитное поле кругового тока, под действием которого спины ядер выстраивались вдоль направления поля. Для того, чтобы тепловое движение не уничтожило поляризацию, 60Co охлаждался до низкой температуры ~0.01о K. Измерялось количество бета-частиц распада 60Co до 60Ni , испущенных по направлению магнитного поля (спинов ядер) и в противоположном направлении. Вся установка зеркально симметрична относительно плоскости, в которой расположен круговой ток. При зеркальном отражении импульс (полярный вектор) меняет направление на противоположное, а напряженность магнитного поля, магнитный момент, спин (аксиальные вектора) направления не меняют. Если бы пространственная четность сохранялась, что эквивалентно зеркальному отражению, одинаковое количество электронов должно было бы регистрироваться как по направлению магнитного поля, так и в противоположном направлении.
Однако оказалось, что электроны испускаются преимущественно в направлении противоположном направлению магнитного поля (спинов ядер), т.е. тем самым было доказано, что в слабых распадах четность не сохраняется. Соответственно, по закону сохранения импульса, нейтрино преимущественно вылетают в противоположном направлении. Заметим, что спин у антинейтрино всегда направлен по импульсу (положительная или правая спиральность), у нейтрино против импульса (отрицательная или левая спиральность).
В 1938 г. А. И. Алиханов и А. И. Алиханьян предложили использовать для прямого эксперимента реакцию К-захвата в 7Be: ядро 7Be захватывает электрон из К-оболочки атома и испускает нейтрино, превращаясь в ядро 7Li.При этом если нейтрино существует, то 7Li получает импульс, равный и противоположный по знаку импульсу нейтрино.Первый успешный опыт с этой реакцией был выполнен американским физиком Дж. Алленом в 1942 г.
В 1948 г. в пионерской работе /3/ было теоретически показано, а в /4,5/ экспериментально подтверждено, что, во-первых, анизотропия в угловом распределении радиоактивного α-, β или γ- излучения имеет место при ядерном спине I > 1/2 ; во-вторых, интенсивность радиоактивного излучения на единицу телесного угла от угла θ к оси квантования ядерных спинов зависит лишь от cos2 (θ) (интенсивность F(θ) оказывается полиномом следующего вида: F ( θ ) =a0+ a2 cos2 θ + а4cos4θ + ..., где коэффициенты a2, а4, зависят от ядерной квадруполяризации g и обращаются в нуль
при g= 0. Экспериментальные значения асимметрии F(00)/F(900)в работе /4/ для ориентированных ядер Co-60 достигали 1,45.
Первая идея расчетной оценки возможности реализации практической установки, обеспечивающей анизотропный поток нейтрино, относилась к 1987 году. В ней автор предложил объединить источник нейтронов, при воздействии которых на родительский изотоп, образуется дочерний бета-активный изотоп, являющийся источником нейтрино. При этом, родительский изотоп находится в поляризованном состоянии, дочерний бета-активный изотоп частично сохраняет ядерную поляризацию. Частично-поляризованный дочерний бета-активный изотоп испускает анизотропный поток нейтрино, который создает реактивную тягу, т.к. вторичные бета-частицы и гамма-кванты поглощаются в конструкционных материалах агрегата. В качестве источника нейтронов рассматривался, в частности, ядерный реактор и вариант с установкой лазерного термоядерного синтеза.
Основной проблемой, подчеркнем, при принципиальной возможности создания таких источников нейтрино, является их малая сила тяги на затрачиваемую тепловую мощность. Это понятно, т.к. в ядерном реакторе тратится не менее 220 МэВ (энергия акта деления) на один нейтрон, который можно использовать для получения дочернего ядра бета-излучателя. В термоядерном реакторе, например, на принципе лазерного синтеза D-T мишени - будет расходоваться не менее 17 МэВ на нейтрон.
На самом деле, тратиться гораздо больше, т.к. есть потери и не все нейтроны взаимодействуют с материнскими ядрами мишени, в которой образуются дочерние бета-изотопы. Для установки на основе ядерного реактора с материнским изотопом Li-7 в мишени и дочерним бета-активным изотопом Li-8 ( максимальная энергия бета-частицы и антинейтрино - 13 МэВ, период полураспада 0,83 с), была получена оценка удельного импульса тяги на единицу мощности реактора 4.0 10-5 (кг м /c)/(МВт с), для термоядерной установки на основе ЛТС - 3.4 10-4 (кг м /c)/(МВт с). Это очень маленькие величины, не имеющие практического значения, т.к. в последнем случае при тепловой мощности реактора в 10 ГВт, тяга составит всего 3.4 н .
Вторая идея связана с пространственным и временным разнесением места производства дочернего радионуклида и использованием радионуклидов, в которых радиоактивный распад происходит путем электронного захвата (К-захват). Такие радионуклиды испытывают ядерное превращение путем захвата электрона с одной из электронных оболочек с превращением протона в ядре в нейтрон и испусканием нейтрино. При этом возбуждение снимается последующим каскадным испусканием рентгеновского и гамма-излучения. Имеется целый ряд радионуклидов, в которых реализуется чистый электронный захват и энергия фотонного излучения значительно меньше энергии испускаемых нейтрино. Это обеспечивает радиационную безопасность при получении, обращении и транспортировке радионуклида. В этом перечне имеется ряд радионуклидов, обладающих относительно большим периодом полураспада, позволяющим накапливать радионуклид при производстве в течение длительного времени. Так же имеются радионуклиды, имеющие не высокую максимальную энергию фотонного излучения, позволяющую хранить радионуклиды в радиационно-безопасных контейнерах минимальной массы. Минимальные энергия и выход вторичных частиц позволяет так же минимизировать теплоотвод от контейнера.
Накопив достаточное количество радионуклида, его можно погрузить на объект, требующий разгона (например, на космический корабль), и в нем подвергнуть ядерной поляризации. Поляризация ядер радионуклида приведет к анизотропному испусканию антинейтрино, вследствие чего будет формироваться реактивная тяга.
Методы поляризации ядер вещества хорошо разработаны и известны. Это может быть динамическая поляризация ядер радиочастотным методом, оптическая ядерная накачка с использованием лазера, адиабатическое размагничивание и другие методы. Во всех случаях радионуклид помещается в магнитное поле и дополнительно происходит воздействие на него радиочастотного поля или оптической электромагнитной волны для осуществления прямой или не прямой ядерной поляризации. При непрямой ядерной поляризации, происходит ядерная поляризация ядер другого вещества, которое при контакте с основным веществом передает ядерную поляризацию путем спин-спинового взаимодействия. Оптический метод поляризации спиновых систем, известный в научной литературе под названием «оптическая накачка» или «оптическая ориентация», был впервые предложен в 1950 г. французским ученым Альфредом Кастлером, за что ему в 1966 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Этот метод особенно актуален, т.к. не требует глубокого охлаждения и сверхсильных магнитных полей. В качестве примера, ниже будет более подробно рассмотрена ядерная поляризация щелочного элемента рубидия ( так же разработаны варианты установки на основе натрия) в газовой фазе с помощью метода оптической накачки, с последующей передачей ядерной поляризации основному газу.
При распаде радионуклида путем электронного захвата, требуется только снимать тепло, выделяющееся при поглощении рентгеновского и гамма-излучения, испускаемого радионуклидом, в конструкционных материалах объекта.
продолжение следует...
Краткое содержание:
"Рассмотрена возможность создания высокоинтенсивного источника с угловой анизотропией выхода нейтрино. В качестве источников нейтрино предложено использовать радионуклиды, распадающиеся в процессе электронного захвата. Определен перечень радионуклидов, имеющих максимальный выход нейтрино, при минимальных сопутствующих рентгеновском и гамма-излучении, а так же минимальном энерговыделении в источнике. Рассмотрены методы получения радионуклидов для таких источников. Угловая анизотропия выхода нейтрино обеспечивается ядерной поляризацией радионуклида. Определен метод оптической накачки ядерной поляризации как обеспечивающий высокую степень поляризации в высокоинтенсивных источниках нейтрино. Рассмотрена возможность использования таких источников для повышения выхода нейтрино в заданном направлении, например, при калибровке детекторов солнечных нейтрино. Показана возможность использования таких источников в качестве реактивных двигателей малой тяги для космических аппаратов в тех же приложениях, для которых сейчас используются ионные двигатели. Практическая возможность использовать нейтрино для создания реактивной тяги рассмотрена автором впервые в мире еще в 1987 г. Показано, что высокоинтенсивные анизотропные источники нейтрино могут быть созданы уже на сегодняшний день, российские организации ИРМ, Белоярская АЭС и ФИАН располагают соответствующими технологиями для изготовления такого источника в рамках возможного совместного проекта."
Введение.
Основная суть идеи заключалась в том, что радиоактивные изотопы, испытывающие бета-распад или электронный захват (К-захват), испускают нейтрино при бета-плюс распаде и К-захвате и антинейтрино при бета-минус распаде. В дальнейшем нейтрино и антинейтрино мы будем называть для общности нейтрино. В процессе бета-распада и К-захвата нейтрино, естественно, испускается изотропно. Еще в 1957 году в экспериментах Ву и др. по исследованию эффекта несохранения четности в слабых взаимодействиях, было показано, что поляризованные ядра бета-излучателей испускают бета-частицы в направлении, противоположном направлению магнитного поля, а нейтрино преимущественно по направлению поля. В эксперименте использовался бета-гамма активный источник 60Co, помещенный в магнитное поле. У ядра 60Co величина спина J = 5 и, соответственно, большой магнитный момент, что позволяло получить достаточно большую степень поляризации ядер в магнитном поле. Источник 60Co, помещался в магнитное поле кругового тока, под действием которого спины ядер выстраивались вдоль направления поля. Для того, чтобы тепловое движение не уничтожило поляризацию, 60Co охлаждался до низкой температуры ~0.01о K. Измерялось количество бета-частиц распада 60Co до 60Ni , испущенных по направлению магнитного поля (спинов ядер) и в противоположном направлении. Вся установка зеркально симметрична относительно плоскости, в которой расположен круговой ток. При зеркальном отражении импульс (полярный вектор) меняет направление на противоположное, а напряженность магнитного поля, магнитный момент, спин (аксиальные вектора) направления не меняют. Если бы пространственная четность сохранялась, что эквивалентно зеркальному отражению, одинаковое количество электронов должно было бы регистрироваться как по направлению магнитного поля, так и в противоположном направлении.
Однако оказалось, что электроны испускаются преимущественно в направлении противоположном направлению магнитного поля (спинов ядер), т.е. тем самым было доказано, что в слабых распадах четность не сохраняется. Соответственно, по закону сохранения импульса, нейтрино преимущественно вылетают в противоположном направлении. Заметим, что спин у антинейтрино всегда направлен по импульсу (положительная или правая спиральность), у нейтрино против импульса (отрицательная или левая спиральность).
В 1938 г. А. И. Алиханов и А. И. Алиханьян предложили использовать для прямого эксперимента реакцию К-захвата в 7Be: ядро 7Be захватывает электрон из К-оболочки атома и испускает нейтрино, превращаясь в ядро 7Li.При этом если нейтрино существует, то 7Li получает импульс, равный и противоположный по знаку импульсу нейтрино.Первый успешный опыт с этой реакцией был выполнен американским физиком Дж. Алленом в 1942 г.
В 1948 г. в пионерской работе /3/ было теоретически показано, а в /4,5/ экспериментально подтверждено, что, во-первых, анизотропия в угловом распределении радиоактивного α-, β или γ- излучения имеет место при ядерном спине I > 1/2 ; во-вторых, интенсивность радиоактивного излучения на единицу телесного угла от угла θ к оси квантования ядерных спинов зависит лишь от cos2 (θ) (интенсивность F(θ) оказывается полиномом следующего вида: F ( θ ) =a0+ a2 cos2 θ + а4cos4θ + ..., где коэффициенты a2, а4, зависят от ядерной квадруполяризации g и обращаются в нуль
при g= 0. Экспериментальные значения асимметрии F(00)/F(900)в работе /4/ для ориентированных ядер Co-60 достигали 1,45.
Первая идея расчетной оценки возможности реализации практической установки, обеспечивающей анизотропный поток нейтрино, относилась к 1987 году. В ней автор предложил объединить источник нейтронов, при воздействии которых на родительский изотоп, образуется дочерний бета-активный изотоп, являющийся источником нейтрино. При этом, родительский изотоп находится в поляризованном состоянии, дочерний бета-активный изотоп частично сохраняет ядерную поляризацию. Частично-поляризованный дочерний бета-активный изотоп испускает анизотропный поток нейтрино, который создает реактивную тягу, т.к. вторичные бета-частицы и гамма-кванты поглощаются в конструкционных материалах агрегата. В качестве источника нейтронов рассматривался, в частности, ядерный реактор и вариант с установкой лазерного термоядерного синтеза.
Основной проблемой, подчеркнем, при принципиальной возможности создания таких источников нейтрино, является их малая сила тяги на затрачиваемую тепловую мощность. Это понятно, т.к. в ядерном реакторе тратится не менее 220 МэВ (энергия акта деления) на один нейтрон, который можно использовать для получения дочернего ядра бета-излучателя. В термоядерном реакторе, например, на принципе лазерного синтеза D-T мишени - будет расходоваться не менее 17 МэВ на нейтрон.
На самом деле, тратиться гораздо больше, т.к. есть потери и не все нейтроны взаимодействуют с материнскими ядрами мишени, в которой образуются дочерние бета-изотопы. Для установки на основе ядерного реактора с материнским изотопом Li-7 в мишени и дочерним бета-активным изотопом Li-8 ( максимальная энергия бета-частицы и антинейтрино - 13 МэВ, период полураспада 0,83 с), была получена оценка удельного импульса тяги на единицу мощности реактора 4.0 10-5 (кг м /c)/(МВт с), для термоядерной установки на основе ЛТС - 3.4 10-4 (кг м /c)/(МВт с). Это очень маленькие величины, не имеющие практического значения, т.к. в последнем случае при тепловой мощности реактора в 10 ГВт, тяга составит всего 3.4 н .
Вторая идея связана с пространственным и временным разнесением места производства дочернего радионуклида и использованием радионуклидов, в которых радиоактивный распад происходит путем электронного захвата (К-захват). Такие радионуклиды испытывают ядерное превращение путем захвата электрона с одной из электронных оболочек с превращением протона в ядре в нейтрон и испусканием нейтрино. При этом возбуждение снимается последующим каскадным испусканием рентгеновского и гамма-излучения. Имеется целый ряд радионуклидов, в которых реализуется чистый электронный захват и энергия фотонного излучения значительно меньше энергии испускаемых нейтрино. Это обеспечивает радиационную безопасность при получении, обращении и транспортировке радионуклида. В этом перечне имеется ряд радионуклидов, обладающих относительно большим периодом полураспада, позволяющим накапливать радионуклид при производстве в течение длительного времени. Так же имеются радионуклиды, имеющие не высокую максимальную энергию фотонного излучения, позволяющую хранить радионуклиды в радиационно-безопасных контейнерах минимальной массы. Минимальные энергия и выход вторичных частиц позволяет так же минимизировать теплоотвод от контейнера.
Накопив достаточное количество радионуклида, его можно погрузить на объект, требующий разгона (например, на космический корабль), и в нем подвергнуть ядерной поляризации. Поляризация ядер радионуклида приведет к анизотропному испусканию антинейтрино, вследствие чего будет формироваться реактивная тяга.
Методы поляризации ядер вещества хорошо разработаны и известны. Это может быть динамическая поляризация ядер радиочастотным методом, оптическая ядерная накачка с использованием лазера, адиабатическое размагничивание и другие методы. Во всех случаях радионуклид помещается в магнитное поле и дополнительно происходит воздействие на него радиочастотного поля или оптической электромагнитной волны для осуществления прямой или не прямой ядерной поляризации. При непрямой ядерной поляризации, происходит ядерная поляризация ядер другого вещества, которое при контакте с основным веществом передает ядерную поляризацию путем спин-спинового взаимодействия. Оптический метод поляризации спиновых систем, известный в научной литературе под названием «оптическая накачка» или «оптическая ориентация», был впервые предложен в 1950 г. французским ученым Альфредом Кастлером, за что ему в 1966 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Этот метод особенно актуален, т.к. не требует глубокого охлаждения и сверхсильных магнитных полей. В качестве примера, ниже будет более подробно рассмотрена ядерная поляризация щелочного элемента рубидия ( так же разработаны варианты установки на основе натрия) в газовой фазе с помощью метода оптической накачки, с последующей передачей ядерной поляризации основному газу.
При распаде радионуклида путем электронного захвата, требуется только снимать тепло, выделяющееся при поглощении рентгеновского и гамма-излучения, испускаемого радионуклидом, в конструкционных материалах объекта.
продолжение следует...