CC BY
60
УДК 53.01
КАВИТАЦИЯ: УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ
О. Б. Хаврошкин1
Предложен метод увеличения температуры и давления в схлопывающемся пузырьке за счет применения центрифугирования. На основе предлагаемого метода рассматривается возможность не только продвинуться в изучении акустического (кавитационного) нуклеосинтеза (Sono-Fusion), но и других актуальных проблем, например, механокрекинга тяжелых углеводородов.
Ультразвуковая техника и кавитация не только обычная составляющая современной технологии [1, 2], но и инструмент многих физических исследований [3-5]. К наиболее актуальным направлениям в настоящее время следует отнести поиск метода эффективного соно-крекинга тяжелых углеводородов, синтез алмазов при кавитации и инициирование ядерных реакций синтеза или Sono-Fusion [6-9]. Наиболее экстремальные параметры кавитации необходимы при проведении Sono-Fusion [8-11]. При этом для создания в ядре схлопывающейся кавитационной полости с высокотемпературной плотной плазмой с параметрами по температуре Т ~ 107 — 108 К и давлению Р ~ 10 атм. и более используют различные аппаратурно-методические подходы [2, 9-12].
Известны простейшие соотношения, следующие из уравнения Рэлея [1] и описываю щие значительную часть стадии схлопывания кавитационного пузырька:
г
■Ртах — Q
Tma.x — То
Q
(7-1)^0
Q
г - 1
3(г-1)
'Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.
где: Q - давление газа в пузырьке при максимальном радиусе; 7 - показатель адиабаты; Ро - давление в жидкости; То - температура окружающей жидкости.
Соответственно для увеличения Ртах, Ттах достаточно повысить Ро, что и делается в некоторых технологических процессах [2]. Однако это усложняет оборудование даже при Р0 « 5 - 105 Па, а на стадии схлопывания, когда плазменное ядро внутри полости обжимается ударными волнами со сверхзвуковой скоростью, передать энергию сжатия от общего объема жидкости, например, тяжелой воды на основе дейтерия D-i, к центральному ядру невозможно по физическим ограничениям: Kw > К) (Kw - скорость ударной волны, Vo - скорость звука). Поэтому перспективное использование жидкости, находящейся под высоким давлением Ро, требует нового физического и аппаратурного решения.
Один из главных барьеров при реализации Sono-Fusion - развитие гидродинамических неустойчивостей поверхности стенок на заключительной стадии схлопывания ка-витационного пузырька. Для частичного решения этой проблемы проводилась кавитация D20 на специальных микрозародышах из титана и интерметаллидов, насыщенных дейтерием [12]. Был зарегистрирован выход нейтронов, превышающий статистический фон (превышение > 10 раз), так как зародыш блокировал раннее наступление неустойчивости сходящихся стенок полости. Дальнейший прогресс метода мог быть обеспечен применением дейтерированных зародышей из делящихся материалов, например урана, что экологически неприемлемо.
С другой стороны, параметры Р, Т полости зависят от отношения Rmax/Pmin и Q (упругости паров дейтерий-содержащей жидкости), Pmax, Rmin - соответственно максимальный и минимальный радиус кавитационной полости. Поэтому дальнейший прогресс по Sono-Fusion основывался на значительном увеличении этого отношения и снижения упругости паров [9]. Для этого использовалась жидкость с малым Q (тяжелый ацетон СзБвО), а микрозародыши кавитационных пузырьков формировались на основе треков от атомных ядер и частиц. Зарегистрирован уровень выхода нейтронов от D-D реакций синтеза, не требующий статистических методов его подтверждения, то есть параметры Р, Т достигли ~ 107 К и 106 атм [9, 11].
Дальнейшее продвижение по интенсификации кавитации связывают либо с усилением ударных волн, воздействующих на объем D20 с пузырьками расчетных размеров, либо с использованием одиночного большого пузыря 1 — 5 см3). В первом случае выход нейтронов сопоставим с [12], второй еще не реализован и не учитывает проблем неустойчивости. То есть существующие методы получения кавитационных процессов
на основе дейтерий-содержащей жидкости, обеспечивающие стабильное получение процессов схлопывания с Р, Т параметрами свыше 107 атм и 106 К, эту задачу не решают. Дальнейший прогресс требует управления параметрами кавитации тяжелой воды по Р, Т в диапазоне Р та Ю5 — 107 атм, Т « 106 — Ю10 К; что решается применением известных методов образования кавитационных пузырьков и ультрацентрифуги. Предлагаемая схема реализации Sono-Fusion поясняется рисунком.
Рис. 1. 1 - двухкамерная, тороидной формы кювета; 2 - тяжелая вода; 3 - ротор центрифуги; 4 - схлопывающаяся кавитационная полость, образованная сфокусированным в объеме 2 лазерным импульсом; 5 - схлопывающаяся кавитационная полость, образованная электроразрядом; 6 - схлопывающаяся кавитационная полость, образованная при обтекании неподвижного кавитатора тяжелой водой; 7 - фокусируемый лазерный импульс; 8 свободная поверхность воды; 9 - электроды-разрядники; 10 - кавитатор; 11 - кронштейн фиксации кавитатора; 12 - внешняя цилиндрическая поверхность кюветы 1; 13 - внутренняя цилиндрическая поверхность элемента статора 14, сопряженная через незначительный зазор с поверхностью 12; 15 - ось вращения.
При вращении тороидной двухкамерной кюветы 1 с тяжелой водой 2, закрепленной в роторе 3 (см. рис.) на каждый элемент массы т0 воды действует центробежное
ускорение с величиной V2/R ( V - постоянная тангенциальная скорость; R - радиус вращения элемента массы ш0) или uj2R. На жидкость с плотностью р действует давление Р = pxaxZ, где: Z - высота столба жидкости, а - центростремительное ускорение. При Z = 10 см и а ~ 106 g (в современных центрифугах а достигает свыше 106 g [13]) имеем Р > 104 атм. При оценке Р, Т параметров схлопывающейся кавитационной полости 4-6 за счет значения Р эти параметры также необходимо увеличить в 104 — 106 раз, так как кинетическая энергия потока массы 2 сходящихся стенок пузырька у ядра схлопывающейся полости пропорциональна Р. То есть Р, Т параметры превысят Р > 10' атм, а Т > Ю10 К, что гарантирует поддержание реакций синтеза на основе дейтерия с положительным выходом по энергии. Более реальные модели схлопывания выглядят гораздо сложнее [14], но с учетом всех негативных влияний - гидродинамические неустойчивости, несферичность схлопывания, потери на излучение и пр. - уменьшение температуры в ядре по сравнению с теоретической не превышает одного-двух порядков и величина температуры составляет Т > 108 К, что гарантирует выполнение критерия Лоусона [8]. Поскольку, согласно предлагаемому методу, Р, Т параметры схлопывающейся полости независимо от модели описания (расчета) гарантируют запуск реакций синтеза на основе D D реакций, то предлагаемый метод управления параметрами кавитации эффективен. При этом, в отличие от [8, 9, 11], оценки параметров схлопывающейся полости соответствуют не сферически сходящейся полости, а неидеальному случаю [14].
На рис. 1 представлены три наиболее распространенных метода формирования ка-витационных полостей 4-6. Фокусировкой лазерного импульса 7, вводимого в объем 2 через свободную поверхность 8; мощным электрическим разрядом, образующимся в объеме 2 между электродами 9 и профилированным кавитатором 10 на кронштейне 11. В принципе, ускорение в центрифуге можно увеличить и свыше 106 g за счет, например, электростатической разгрузки ротора 3. Для этого на цилиндрических боковых поверхностях 12, 13 кюветы 1 и неподвижного элемента статора 14 нужно поддерживать существование одноименного электрического разряда. Взаимодействие между поверхностями 12, 13 приведет к разгрузке ротора 3.
Предлагаемый метод позволит по-новому попытаться эффективно решить некоторые принципиальные задачи - Sono-Fusion, механокрекинга. Тем более известны и косвенные подтверждения: при кавитации ртути интенсивность люминесценпии возрастает и становится наблюдаемой при дневном освещении. А перевод кавитации с
тяжелой воды на ртуть эквивалентен увеличению тд в 10 раз (без учета низкой упругости паров).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Л. Бергман, Ультразвук и его применение в технике (М., И.Л., 1957).
[2] Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д. Розенберга (М., Наука, 1970).
[3] Физическая акустика. Под ред. У. Мэзона. Т. I—VII (М., Мир, 1966-1974).
[4] А. И. Журавлев, В. Б. Акопян, Ультразвуковое свечение (М., Наука, 1977).
[5] М. А. Маргулис, УФН 170(3), 263 (2000).
[6] Е. М. Galimov, Nature 243, 389 (1973).
[7] Э. М. Галимов, А. М. Кудин, В. Н. Скоробогатский и др., ДАН 393(2), 187 (2004).
[8] О. В. Khavroshkin, V. P. Bystrov, Thermonuclear Model of Sonoluminescence. In: Proceedings of 16th International Symposium on Nonlinear Acoustics, Moscow, 2002 (Moscow State University, Moscow, 2003, Vol. 2), p. 959.
[9] R. P. Talegarkhan, C. D. West, R. J. Nigmatulin, et al., Science 295, 1868 (2002).
[10] О. Б. Хаврошкин, В. П. Быстрое, Прикладная физика N 5, 7 (2007).
[11] R. P. Talegarkhan, J. S. Cho, С. D. Kast, et al., Phys. Rev. E 69, 036109 (2004).
[12] А. Г. Липсон, Б. Г. Дерягин, В. А. Клюев и др., Журн. Техн. Физ. 62(12), 121 (1992).
[13] Т. Svedberg, К. О. Petersen, The ultracentrifuge (N.Y., 1959).
[14] Е. И. Забабахин, Н. Е. Забабахин, Явление неограниченной кумуляции (М., Наука, 1988).
Печатается по рекомендации
Отдела космических излучений Поступила в редакцию 27 февраля 2008 г.
