Слияние холодного и горячего

Холодный синтез до сих пор скрывается за густым туманом, не давая даже должного основания утверждать, что он вообще существует. С другой стороны, горячность трудно сдержать и взять под полный контроль.

1. Обложка ежемесячного номера журнала «Время», посвященного холодному синтезу.

Ведь есть этот холодный синтез или нет? – может спросить посторонний человек, любопытный к миру и науке, но не очень основательно знакомящийся с предметом. Наверное, все потому, что после откровений Мартина Флейшмана и Стенли Понса, объявивших 25 лет назад, что им удалось получить энергию за счет ядерного синтеза в «батарейке», наполненной тяжелой водой с палладиевым катодом, представители официальной науки так и не высказались твердо и единодушно, это обман. Хотя многие сомневались, многие исследовательские центры сделали и пытаются построить «холодный» реактор.

Перспективный опыт. Может быть

Статус «открытия» Флейшмана и Понса до конца не изучен. Неясна и правда о довольно известном продолжателе темы “холодного синтеза” последних лет – устройстве под названием Energy Catalyzer (E-Cat). Эта структура была построена изобретателем Андреа Росси (2) с помощью команды под руководством Серджио Фокарди. По словам создателей, он должен работать по принципу холодного синтеза никеля и водорода с получением меди и выделением тепловой энергии, которая затем преобразуется в электричество. За каждую минуту работы реактора мощностью 1 тыс. ватт (который через несколько минут падает до 400), 292 грамма воды при 20°С превращаются в пар при 101°С. Устройство несколько раз демонстрировалось публике, однако самостоятельных исследований разработчики не допускают.

2. Андреа Росси со своим E-Cat

По данным PhysOrg, эксперименты, проведенные с января по апрель 2011 года, были неверны и не имеют реальных доказательств. Разработчики не допустили дополнительных измерений. Тем не менее компания предприимчивого «изобретателя» ведет учет закупок устройств с ноября 2011 года.

3. Профессор Йошиаки Арата

С другой стороны, в мае 2013 года группа независимых экспертов опубликовала в архивах портала arXiv отчет о своих испытаниях двух типов реакторов E-Cat HT и E-Cat HT2 продолжительностью 96 и 116 часов соответственно. Реактор проверяли самые серьезные ученые – физики из Болонского университета Джузеппе Леви и Эвелин Фоски, Торбьерн Хартман из лаборатории Сведберга, физик-ядерщик Бо Хёйстад, Роланд Петтерссон из Упсальского университета и Ханно Эссен из Королевского технологического института. в Стокгольме. Они были испытаны в лабораториях Росси в Италии с декабря 2012 года по март 2013 года. Измерения показали, что тепловая энергия производится как минимум на один порядок выше мощности любого известного химического источника энергии. Так это…?

Ученые всего мира разделились. Большинство не верит, что такая реакция вообще возможна. Однако за два года мошенничество в Италии никому не удалось доказать.

Ожидается, что вскоре международная исследовательская группа проведет дальнейшее детальное исследование E-Cat. Они должны закончиться в марте, и вскоре после этого будет опубликована первая настоящая статья об изобретении Росси. В любом случае, американская компания Cherokee Investment Partners теперь хочет инвестировать в устройство Росси и представить его на рынках Китая и Америки.

Итальянская идея холодного синтеза была самой громкой в ​​последние годы. Были, конечно, и другие попытки доказать его осуществимость. Метод, анонсированный в 2005 году группой физиков из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, заключается в быстром нагреве кристалла с пироэлектрическими свойствами (при нагревании он создает электрическое поле). В описываемом эксперименте с одной стороны кристалл нагревался в диапазоне температур от -34 до 7°С. В результате между торцами кристалла создавалось электрическое поле порядка 25 ГВ/м, ускоряющее ионы дейтерия, которые сталкивались с покоящимися ионами дейтерия. Измеренная энергия ионов достигла 100 кэВ, что соответствует достижению температуры, достаточной для осуществления синтеза. Экспериментаторы наблюдали нейтроны с энергией 2,45 МэВ, что свидетельствует о термоядерном синтезе. Масштаб явления не настолько велик, чтобы его можно было использовать в энергетических целях, но позволяет построить миниатюрный источник нейтронов. В 2006 году этот эффект был подтвержден в Политехническом институте Ренсселера.

СМИ сообщили, что в мае 2008 года Йошиаки Арата (3), профессор физики Осакского университета в Японии, провел успешный и воспроизводимый эксперимент, который показал, что после воздействия дейтерия под высоким давлением в системе дополнительное тепло выделяется после воздействия на порошок палладия и оксида циркония. генерируется (по сравнению с контролем с легким водородом). Ядра соседних атомов будут достаточно близко, чтобы образовать ядро ​​атома гелия. Однако многие ученые сомневаются в ядерном происхождении наблюдаемого тепла и сравнивают этот опыт со знаменитым экспериментом Флейшмана и Понса в 1989 году.

Приручить реакции синтеза

Сегодня все больше и больше исследовательских центров, включая НАСА, сообщают о своих экспериментах по холодному синтезу. Беда в том, что никто не может объяснить механизм реакции холодного синтеза, а повторные эксперименты бывают удачными, а иногда и нет.

«Нормальные» реакции синтеза требуют очень высоких энергий (например, экстремальных температур или столкновений частиц). Ядра атомов заряжены положительно и должны преодолеть электростатические силы, описываемые законом Кулона, чтобы соединиться. Необходимым условием для этого является скорость (кинетическая энергия) ядер. Высокая энергия ядер достигается при очень высоких температурах или при ускорении ядер в ускорителях частиц. Эта реакция происходит в звездах или при взрыве водородной бомбы. В обоих этих случаях реакции, протекающие при огромных температурах (не случайно называемые «термо» ядерными), нами не контролируются. Однако на протяжении десятилетий предпринимались попытки провести этот процесс в контролируемой и контролируемой среде, аналогичной прирученной энергии распада атома.

В результате экзотермической реакции выделяется энергия. За один цикл создания одного ядра гелия из четырех протонов выделяется 26,7 МэВ в виде кинетической энергии продуктов реакции и гамма-излучения (4). Она рассеивается на окружающих атомах и преобразуется в тепловую энергию. Без проведения реакции энергию, выделяющуюся в ходе реакции, можно определить по дефициту массы, т. е. разности масс компонентов и продуктов реакции.

4. Визуализация термоядерного синтеза

Водородный цикл, о котором мы чаще всего говорим в контексте термоядерного синтеза, — не единственный тип термоядерного синтеза. В более массивных и горячих звездах, чем Солнце, происходит синтез углерода, азота и кислорода, производящий почти столько же энергии, сколько в водородном цикле. Происходят также слияния более тяжелых элементов, в гигантах и ​​сверхгигантах, а при взрывах сверхновых образуются ядра даже тяжелее никеля.

Известные науке ядерные синтезы, как видите, бывают разными, но они всегда связаны с высокими энергиями и температурами порядка миллионов кельвинов. Холодный синтез, с другой стороны, опирается на неизвестные или, по крайней мере, неописанные и непроверенные научные процессы. Самое главное для скептиков — проверка, причем многократная, пока не будет достигнута XNUMX% повторяемость.

Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии сообщили в феврале этого года, что впервые в своих испытаниях термоядерного синтеза они смогли произвести в результате реакции больше энергии, чем было затрачено на поставку топлива. Это не означает, что мы сейчас же начнем строить термоядерные электростанции, но это, безусловно, важный прорыв, о котором сообщается в журнале Nature. Частица топлива, состоящего из изотопов водорода, дейтерия и трития, произвела 17 XNUMX штук. джоулей энергии. Это больше, чем потреблялось, хотя — что, к сожалению, существенно ухудшает баланс — на топливо ушел лишь один процент всей энергии, затраченной в эксперименте. И эта информация обязательно обуздает зарождающийся энтузиазм.

В калифорнийской лаборатории, также известной как National Ignition Facility, находится лазер мощностью 350 триллионов ватт (5). Его задача — воспламенить изотопы водорода до температуры реакции синтеза. Суперлазер на самом деле представляет собой пучок из 192 лазерных лучей, ускоренных в ускорителях.

5. Лазер с Лоуренсом Ливерморским национальным зажигательным заводом

6. Модель экспериментального термоядерного реактора с видимым плазменным кольцом внутри

Если говорить об управляемом термоядерном синтезе, то одной из проблем, которые необходимо решить, является управление генерируемой сверхгорячей плазмой (6). Ученые, работающие в Сандийской национальной лаборатории, проводили эксперименты с известными с XNUMX века катушками Гельмгольца, которые создают магнитное поле при протекании тока. Когда создали дополнительное магнитное поле рядом с основным, оказалось, что состояния неустойчивости развиваются гораздо медленнее, что является одним из основных препятствий для поддержания реакции синтеза.

Неустойчивости такого рода, известные как эффекты Рэлея-Тейлора, при попытках “захвата” гигантской горячей плазмы в токамаках (для проведения управляемой термоядерной реакции) до сих пор неизбежно приводили к потере устойчивости поля и, в конечном счете, к “разлив” плазмы. Ученые Sandia заметили, что создание дополнительного поля в катушках исправило эти нестабильности. Ученые, написав о своем открытии в журнале Physical Review Letters, признаются, что не до конца понимают явление, но надеются, что дальнейшие исследования позволят им разработать технологию, которая позволит плазме быть стабильной и, как следствие, сохранять термоядерная реакция гораздо дольше, чем сейчас.

Наука вдвойне беспомощна

Пока что наука вдвойне беспомощна в отношении термоядерного синтеза и перспектив его использования в качестве управляемого источника энергии. С одной стороны, там не очень ясно говорится о холодном синтезе, так что мы не знаем, возлагать ли на него какие-то надежды или оставить это на усмотрение Кунсткамеры. С другой стороны, ему десятилетиями не удавалось освоить стихию горячего синтеза. Может быть, эта беспомощность только кажущаяся и скоро мы обе темы проработаем? У нас есть выбор, следовательно, неизвестно какой – то есть “холодный” и “горячий” синтез, который, в свою очередь, неизвестно как осуществить, чтобы принести мирную пользу.