Протон и бор — суперсинтез
При бомбардировке изотопа бора 11B протонами может идти реакция ядерного синтеза p 11B → 3α + 8,7 МэВ. В качестве источника энергии эта реакция хороша тем, что бор не слишком редкий элемент, он широко применяется в промышленности, добыча налажена. Правда, придётся разделять изотопы (в природном боре нужного изотопа 80%, остальное 10B), но этот процесс освоен, есть даже несколько вариантов. И ещё хорошо то, что на выходе нет нейтронов, от которых трудно защититься, а есть существенно более безобидные α-частицы, то есть ядра гелия-4 (они заряжены, а заряженные частицы тормозятся лучше). Однако для начала реакции требуется в 30 раз более высокая температура, чем в дейтерий-тритиевой схеме. Это само по себе — проблема, кроме того, из-за электромагнитного излучения плазмы уменьшается выход полезной энергии. Теоретические расчёты тем не менее показали, что если удастся нарушить тепловое равновесие электронов и положительных ионов, причём уменьшив электронную температуру (энергию электронов), то радиационные потери можно понизить. До сих пор реакция p11B наблюдалась только в плазме, которая создаётся мощными лазерными импульсами, и на ускорителях.
Сотрудники Национального института термоядерных исследований (Япония) и Tri Alpha Energy Technologies (США) впервые продемонстрировали реакцию p11B в плазме с магнитным удержанием. Они использовали сверхпроводящий стелларатор LHD (Large Helical Device), в котором магнитное поле полностью создаётся внешними катушками, а не катушками и током, текущем в плазме, как в токамаке. Бор поступал в камеру в виде порошка, туда же инжектировались протоны. Протекание ядерной реакции обнаруживалось по появлению α-частиц. Для практического применения реакции p11B в реакторе потребуется найти решение сложных технических проблем, на фоне которых проблемы токамака могут показаться шуточками.
Magee R. M. et al. First measurements of p11B fusion in a magnetically confined plasma. Nat. Commun. 14, 955 (2023). При подготовке реферата использована публикация «Реакция синтеза p11B в стеллараторе» в рубрике «Новости физики в сети Internet (по материалам электронных препринтов)» УФН, 2023, вып. 4, с. 462, ведущий рубрики Ерошенко Ю. Н. (с разрешения редакции УФН).
Звёздная метла для галактической пыли
В галактиках, кроме звёзд, планет, межзвёздного газа и элементарных частиц, есть ещё пыль. Часть её концентрируется в самом диске галактики, а часть располагается над диском (у галактики невозможно сказать, где низ и где верх, поэтому будем считать, что вся она «над») и даже за его пределами в радиальном направлении. Пыль возникает в самой галактике, главные её источники — звёзды на поздних стадиях эволюции и оболочки сверхновых звёзд. А вот по каким причинам она покидает галактику, преодолевая гравитацию и сопротивление межзвёздного газа? Астрофизики полагают, что из спокойных галактик без активного звездообразования пыль выметается давлением, создаваемым излучением звёзд.
Сотрудники Института астрономии РАН исследовали этот процесс, построив модель движения трёх типов пылевых частиц — силикатных, графитовых и состоящих из полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Во всех случаях учитывались их плотность, оптические свойства и пористость. Варьировались размеры частиц (от 1 до 100 нм) и места их старта (в плоскости галактики и над нею). Принималось во внимание даже вращение галактики. Выяснилось, что на движение одних пылинок оно влияет, а на движении других не сказывается. Далее оказалось, что разные частицы ведут себя совершенно по-разному: некоторые выметаются из плоскости галактики и образуют «гало» — окружение галактики, а какие-то остаются в её плоскости. Например, силикатные частицы выметаются менее эффективно, а частицы ПАУ — наиболее эффективно. Считалось, что пылинки не заряжены и поэтому магнитное поле галактики на них не влияет.
Важный вывод исследования заключается в том, что подобное движение пыли способствует дифференциации (разделению) частиц разных типов и влияет на состав вещества галактики, а значит, и на другие идущие в ней процессы, в том числе на химическую эволюцию галактических дисков. Полная потеря массы галактики за счёт такого выметания пыли составляет величину порядка 0,03 массы Солнца в год.
Сивкова Е. Э., Вибе Д. З., Шустов Б. М. Выметание пыли давлением излучения звёзд и особенности химического состава дисковых галактик. Астрономический журнал, 2021, № 5, с. 363.
Прозрачный палладий
Во многих учебниках упоминается, что тонкие плёнки золота пропускают свет. На самом деле по мере уменьшения количества вещества на единице площади пропускание света всегда обязано стремиться к 100%. Но есть, кроме толщины, и другие способы влиять на светопропускание.
Светопропускание плёнки палладия толщиной 11 нм при помещении её в водород (в момент времени 60 с) и обратно на воздух (в момент времени 200 с). Кривые 1—8 соответствуют температурам от 300 до 335 К с шагом 5 К. Рисунки (с изменениями) из реферируемой статьи.
Сотрудники ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, Института химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН и Петербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова изучали прозрачность плёнок палладия, взаимодействующего с водородом. Выбор веществ для исследования был не случаен — палладий способен поглощать значительное количество водорода, и водород в нём имеет высокий коэффициент диффузии. Эти свойства используются в технике, например для очистки водорода диффузией через мембраны из палладия. А изменение оптических свойств палладия может служить сенсором водорода.
Авторы статьи изготовили плёнки палладия толщиной 11 нм на стеклянных подложках и при температурах от 300 до 355 К помещали их в среду водорода при давлении 1 атм, при этом плёнки через некоторое время становились полупрозрачными — пропускали 23% света. Потом их возвращали на воздух, и они становились, как им и полагалось, непрозрачными. Пример полученных зависимостей прозрачности от времени и температуры показан на рисунке. Сложный ход кривых указывает на то, что по мере поглощения водорода кристаллическая структура плёнок изменяется: при концентрации водорода до 3% — это α-фаза, при большей концентрации — смесь с β-фазой, а при концентрации более 60% весь образец состоит из β-фазы, которая оказалась при этой толщине полупрозрачной.
Шутаев В. А. и др. Кинетика изменения оптической прозрачности наноплёнок палладия при взаимодействии с водородом. Оптика и спектроскопия, 2023, том 131, вып. 3, с. 419.
