千瓦厚能源与生态实验室分享 http://blog.sciencenet.cn/u/kiwaho 太阳文火炖地球,洒遍人间光和热。新鲜的能量随手可汲,何必舍近求远挖地球?自由能源万岁!

博文

Citius-Altius-Fortius, 更快、更高、更强—脉冲的力量!

已有 8894 次阅读 2016-6-30 04:42 |系统分类:科研笔记| 能量, 能源, 功率, 脉冲, 占空比

理想无止境的奥运精神是人类对能量极限的崇拜:Citius(更快)Altius(更高)Fortius(更强)

然而,撇开体育,单纯从科学的角度来看:能量泄放速率是否存在极限呢?达到极限后出现什么奇葩现象呢?这就大有文章可做!

再直白一点,能量泄放速度就是功率嘛,国际标准单位就是瓦特Watt,等价于每秒焦耳J/s

既然时间参数做功率的分母,能量泄放极限速度的追求,当然只能以脉冲方式实现。

早泄、快泄的楷模,非激光莫属。当今大科技的帕瓦Petawatt,1015W)脉冲激光,早把前几代的太瓦(Terawatt)、吉瓦(Gigawatt)和兆瓦(Megawatt)甩在后面。

激光的极高脉冲功率,靠的是将大量基态原子或分子,用光泵不停激发到高能态,直至出现尽可能多的粒子数反转,再一霎那触发高能粒子同时退激,与此同时自动集中释放全部光子,强大功率的激动时刻就这样产生了。

深奥的激光原理,一个比喻就能说明白:就像一大批高台跳水运动员齐刷刷站在跳台边,只等发令枪一响,就同时“倒栽葱”般跳下。

除了激光之外,还有很多方式可以实现壮观的尖峰时刻。

最简方案仅需将一只耐高压电容器,充电到上万伏特之后,在一截短电线上放电,或气体电弧放电,就能产生与脉冲激光相当的极高功率峰值。这样的小装置,一般人也能玩。

核物理玩的Z-pinch也就这么回事,只不过是超大号尺寸。下图为中国聚龙一号高能脉冲放电进行时。钨丝线在放电瞬间肢解为高度电离的等离子体plasma,并放出大量高能X射线。图中放电盘直径33米,仅高压电容器1440台就占据另外好几个大房间,文艺范的记者们把这一壮观景象描写为“电蛇狂舞”!

这玩意玩的确实心跳,泻起来那是一瞬间的酣畅淋漓,而前戏确是费时费力的,殊不知仅把这上千只大电容充满电也得蛮长时间。

聚龙脉冲.jpg

2015天津港的那次震惊中外的大爆炸,也可看成化学上的巨脉冲能量释放。

既然速度有光速c做极限,那么功率理论上也应存在极限

当一切都无不用其极时,自然会想到量子理论Heisenberg测不准原理,即动量与位置不可同时精确测得,或等价于能量与时间不可都准确测量。

即:δE*δt 。δE、δt分别为能差、时差、约化Plank常量1.0546*10-34Js

追求尽可能高的功率时,恨不得能差δE泄放不耗时间δt = 0,这样就得到无穷大的脉冲功率。可惜脉宽为0那叫纯数学,不是物理。上述不等式,物理限定了时差的最低消费:δt ℏ/δE

因而,极限功率:W =  δE/δt ≤ δE2/。姑且称之为魏氏功率极限-Weir's power limit

这个结果的得出,与具体的能量释放装置和方式无关,激光也罢、储能元件如电容放电也罢、化学反应也罢,就算是核反应,都普适上式的极限公式。

有了上述公式,先看看一颗渺小的氢原子的尖峰功率有多大。

将基轨氢原子激发到2轨后退激,算得跃迁时间不足0.5fs,得到能量落差13.6 –(13.6/4)= 10.2eV

则一颗氢原子的尖峰功率=(10.2*1.60218*10-192/1.0546*10-34= 0.045瓦。

具体设备的尖峰功率,还取决于多少能量载体参与能量的跃迁

假设1摩尔的氢原子(1克重)参与能量释放的话,将原子总数即Avogadro常数6.022*1023乘以单原子尖峰功率,那么不管这1克氢原子以什么方式搞搞震,其功率“恨天高”的上限算出来为2.71*1022瓦= 2.71*107帕瓦。

恕我无法将这么大个数,以合适中文单位表达,但可用英文单位表达成27.1Zettawatt。中国人表达数量级的翻番往往很被动,西方早已在字典里为10的-24次方到+24次方准备好了单词,国人只好跟风造字了,帕瓦落地才不久,18、21、24次幂的中文字尚未造好。

原子核的能级落差比化学反应还要高出百万倍,套用极值公式得出的结果更强悍。原子弹基于链式反应,而1链套1链也是要耗时的,故而实际尖峰功率相对理论值要低得老远。

挑战能量早泄快泄极限的后果是什么?

后果很严重!很有可能“过把瘾就死物理或化学反应有可能触发核反应、反物质、核同位素生成,甚至逼出真空能等。略举几例:

1、Z-pinch(Z箍缩)

储能电容在气中放电,能检测出中子和氦3。显然物理放电用力过猛,挑战了极限,导致下列核反应发生:

H2 + H2 = n + He3 + 3.268 MeV

随装置尺度不同,中子产率差异巨大。一般小到50焦耳的储能电容,每次脉冲能触发大约1万个中子。为安全起见,业余玩家一定要注意防辐射。

中子弄出来后,100%最终都能被原子捕捉,生成放射性同位素。中子捕捉和同位素衰变又能释放更多能量,平均1中子,大约能带来7MeV至15MeV左右的后发能量。

这后果显然是成倍回报投入的产出,同时各种新元素也创生了。

下图为z-pinch中子生产实验原理图。

small-pinch-neutron.png

雷电是天然超强脉冲系统,上世纪中叶科学家才弄明白原来是个大通量中子源,据此推断之前获得诺奖的C-14测年法不一定靠谱。

早在1922年,Chicago大学的化学家Gerald Wendt和Clarence Irion就发现:将钨丝通过高压电容快速放电能产生氦气,论文出版后遭到核学术权威Ernest Rutherford近2年的质疑打压,以及被嘲讽为民科,并因此失去教职。80多年过去后,新的Z-pinch实验结果终于证实他们的数据没有造假,看来真理在权威面前也只能是受气的小媳妇!

2、水弧爆炸

Peter Graneau将高压电容在水中放电的实验可被很多人再现。可以看到,水雾以远超声速的高速(> 1000m/s)喷射而出,以致洞穿金属板。仔细的能量核算发现,水雾获得动能,甚至大于放电前电容储存的能量。显然脉冲释能搅动了额外神秘能量的释放!权威媒体发表其论文后这么多年来,至今科学社区尚无一个普遍认可的说法。

这可不是普通的电解水制氢,那顶多只需几十伏的电压连续运行,而这是上万伏的储能在水中脉冲急泄。

water-arc.jpg

3、激光诱发反物质

用帕瓦激光脉冲照射物质,竟然可弄出大量反物质正电子!

下图为美国Lawrence Livermore实验室科学家陈慧女士在捣鼓帕瓦激光装置。

petawatt-laser-chinese-girl.jpg

4、Andrea Rossi的镍冷核聚变电炉

意大利科学家Rossi教授自称搞出了镍氢冷核聚变的反应堆,据说1度电的投入,平均可取得6度电的热效率。脉冲固然可带来神秘能量,略有增益,但6倍的放大,我表示严重怀疑!

他神神秘秘的所谓样机,我大胆猜测就是镍电阻丝或金属泡沫的脉冲电炉而已。网上该同志口碑不咋地,最近该技术转让在美国惹上官司了,他起诉受让公司拖欠近9千万美元转让费,受让公司辩解能量放大系数虽然大于1,但并未达到预期值。详情参见本文末尾的参考链接。



5、高次谐波电磁污染

说了一堆好处,别忘提醒下负面影响。

根据Fourier频谱分析可知,脉冲释能会产生大量高强度不同频率的高次谐波污染,致使周边大范围内的电子设备无法正常工作,如电视无法正常收看。

因而若将脉冲技术广泛应用,屏蔽电磁干扰的措施必须到位。

若是特意用于电磁干扰设备,则可以克敌制胜,缺点又变回优点了。

更多例子就不多举了。总之,能量的急释意义非凡!这“抛砖引玉”或“买一送多”的奇迹,不正是能源科技求之不得的吗?(当然啦,男人早泄也能创造出新生命,但这与挑战能量早泄极限无关,大家别想歪了。)

瓶颈在哪里?

要达到理论功率极限并非易事。难就难在如何尽快缩短能量运筹时间,也就是高速开关的性能。

时间啊时间,就是一把杀猪刀。出手不够快,拖久了,再肥的猪也消瘦了,早泄也变成了缓释!

目前最快的天价晶体管开关时间,也至少要10纳秒ns以上才能动作,把这个数量级作功率的分母,得出的功率离理论极限差得实在羞愧。

真空管Krytron的火花间隙开关性能就好得多,可比2ns还小。美国高精尖技术实现皮秒ps级开关更是了不得。

业余爱好者玩电容电弧放电要想搞出中子来,人工开关或晶体管开关是不行的,中低档性能的真空管间隙开关勉强能实现。气动冲击机械开关也凑合,就是抖动太厉害。

注意了:倒腾高速开关,不小心有可能要坐牢的。美国颁布的法律,严禁Krytron、Sprytron、Thyratron等类真空管高速开关出口。这是其核不扩散思想的必然体现。Richard Smyth走私此类开关到以色列被法律制裁的案例就是教训,以色列政府最后被逼乖乖退还。

不知将来科技进步后能否搞出飞秒fs级的开关,到那时,快得惊动上帝的能量泄放速率,还真不知道会创造出啥新鲜神话来呢。

开关速度决定的只是脉冲的上升沿,下降沿则要靠其它泄能技术实现,这就相对容易了。正如泄洪时加大决堤口那样,电能的泄放靠加粗连接导线、降低电阻和分布电感等措施即可。

平平淡淡才是真!

一鸣惊人的脉冲当然令人神往。然而毕竟现实物理世界,平平淡淡才是真!靠硬拼可拼得了一时的爽快,但绝对拼不了一世。

能源为人类服务往往只求平均统计效果。例如用电阻炉烧一壶开水,需要的总焦耳量是固定的,理论上与焦耳值是均匀释放还是脉冲释放无关。同样时间内把水烧开,脉冲释能的占空比可以做得很小,而均匀释能的占空比为无穷大

虽然现有技术在释能方式选择上,经时间统计平均后,看不出连续释能和脉冲释能有啥不同功效,反而脉冲方式的成本更高。但未来技术突破谁知道呢?至少通过脉冲方式使用能源多了一份奢望:没准1焦耳能量投入,勾引出2焦耳的核能或者神秘能量呢?这叫Overunity

记得某伟人说过:一个人做一件好事并不难,难的是一辈子做好事。表达的内涵也是这个物理意义,前者是激情的脉冲释放,后者是把脉冲水准做成连续态,那当然吃不消。

参考文献:

1、Demonstration of neutron production in a table-top pinch plasma focus device operating atonly tens of joules

http://www.plasmafocus.net/IPFS/associates/lsotopapers/JPD%202008%20PF-50J%20neutrons%20L%20Soto%20et%20al.pdf

2、Arc-liberated chemical energy exceeds electrical input energy

https://www.researchgate.net/publication/231781707_Arc-liberated_chemical_energy_exceeds_electrical_input_energy

3、中国造出高功率脉冲,触发后大地震动电蛇狂舞 http://tieba.baidu.com/p/3355652938

4、Mass-Producing Positrons https://str.llnl.gov/JulAug09/pdfs/07.09.3.pdf

5、Exporting Nuclear Triggers,The Strange Case of Richard Smyth

http://www.merip.org/mer/mer146/exporting-nuclear-triggers

6、Andrea Rossi sues Industrial Heat for $89M

https://animpossibleinvention.com/2016/04/07/andrea-rossi-sues-industrial-heat-for-89m/

7、Z箍缩 http://baike.baidu.com/item/Z%E7%AE%8D%E7%BC%A9

8、聚龙一号:http://baike.baidu.com/view/15174295.htm

9、妄议核中央—电子轨道跃迁的扭矩和过渡时间的估算

http://blog.sciencenet.cn/blog-2339914-959666.html

10、EXPERIMENTAL ATTEMPTS TO DECOMPOSE TUNGSTEN AT HIGH TEMPERATURES

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja01430a006?journalCode=jacsat




https://blog.sciencenet.cn/blog-2339914-987611.html

上一篇:从美国634例执法致死案,看慎用电警棍的必要性!
下一篇:我發動了科學史上的秋收起義--碩果累累的金秋
收藏 IP: 192.95.176.*| 热度|

35 宁利中 刘炜 武夷山 张忆文 朱晓刚 李颖业 庄世宇 徐令予 杨学祥 晏成和 代恒伟 李延谦 马德义 梁洪泽 陈桂华 林辉 强涛 田云川 azzx hqhv DolbyGeiger wrkng EarlyMuddyBee lyyng dulizhi95 sciguru techsavvy zca1965 aliala gaoshannankai zjzhaokeqin yangb919 xiyouxiyou decipherer zhoutong

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (18 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-29 00:49

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部