Холодный ядерный синтез

Традиционно для получения ядерной энергии применяют цепную реакцию деления ядер плутония или урана-235, реже используются другие тяжелые ядра, такие как уран-238 или торий-232. При попадании в ядра нейтронов, они делятся, при этом возникают осколки деления, а также новые нейтроны.

Полученные продукты реакции обладают высокой кинетической энергией, и когда эти осколки сталкиваются с другими атомами, то кинетическая энергия очень быстро переходит в тепло. Именно так работают современные ядерные реакторы, вращающие генераторы, и дающие нам электричество. Первый ядерный реактор был пущен в эксплуатацию в декабре 1942 года в США.

Есть и другой путь высвобождения ядерной энергии, называемый термоядерным синтезом. В процессе синтеза два ядра легких элементов обьединяются в одно более тяжелое, при этом происходит выделение огромного количества энергии. В природе такие процессы идут непрерывно на Солнце и на других звездах, являясь основным источником их энергии.

Атомное ядро обладает положительным электрическим зарядом, и на больших расстояниях между ядрами, эти заряды экранируются электронами, расположенными между ними. Но для осуществления синтеза, по сути - слияния двух ядер в одно, они должны сблизиться, преодолев, дающую о себе знать на малых расстояниях, силу кулоновского отталкивания, чтобы сила сильного ядерного взаимодействия взяла верх и связала их в одно новое ядро.

Чтобы это произошло, нужно затратить энергию порядка 0,1 МэВ, которой соответствует температура порядка 11 миллионов градусов Кельвина. Отметим, что температура ядра солнца составляет примерно 13 500 000 К.

Освоение управляемого термоядерного синтеза может стать началом использования энергии неисчерпаемого источника, однако сегодня это технологически нереально. 

Неуправляемые же термоядерные реакции позволили создать термоядерные бомбы невероятной разрушительной силы. Первая термоядерная бомба была произведена в США, и испытана 1 ноября 1952 года на острове Эниветок.

В марте 1989 года мир потрясло сообщение об эпохальном открытии двух американских ученых электрохимиков, Мартина Флейшмана и Стэнли Понса, которые, как они сами заявили, воспроизвели реакцию холодного ядерного синтеза, то есть синтеза при комнатной температуре. 31 марта 1989 года, они выступили с презентацией в Университете Юты. Докладчики имели хорошую репутацию и заслуживали доверия ученых, которые пришли послушать доклад.

Электрохимик Мартин Флейшман уже обладал международной известностью. Он преподавал в Даремском университете, был профессором электрохимии в Саутгемптоне, президентом международного электрохимического общества, а в 1986-м году стал членом Королевской академии наук. Его соратник Стэнли Понс возглавлял к тому времени факультет химии в Университете Юты.

Исследователи утверждали, что в их устройстве ядра дейтерия сливаются друг с другом несмотря на обычные температуру и давление. «Реактор холодного синтеза» представлял собой простой калориметр с водным раствором соли. Через этот раствор ученые пропускали электрический ток. 

Вода, конечно, была не простой H2O, а тяжелой, D2O (в молекуле обычной воды H2O содержится легкий изотоп водорода – протий, а в молекуле тяжелой воды D2O – дейтерий, с виду тяжелая вода выглядит как обычная). Катод был изготовлен из палладия, а в состав соли, растворенной в тяжелой воде, входили дейтерий и литий.

Через раствор непрерывно в течение нескольких месяцев пропускали постоянный ток, шел электролиз, при этом на аноде непрерывно выделялся кислород, а на катоде — тяжелый водород. 

Понс и Флейшман утверждали, что обнаружили, периодическое возрастание температуры электролита на десятки градусов цельсия, а временами и больше, и это несмотря на то, что источник питания отдавал все время стабильную мощность. Ученые объяснили это явление поступлением внутриядерной энергии, которая, по их мнению, выделялась при слиянии ядер дейтерия внутри кристаллической решетки палладия.

Уникальное свойство, присущее палладию, заключается в способности поглощать водород. Понс и Флейшман были убеждены в том, что именно внутри кристаллической решетки этого металла атомы дейтерия сближаются на столько сильно, что их ядра сливаются в новые ядра – в ядра основного изотопа гелия. 

Согласно их гипотезе, энергия, выделяемая в процессе синтеза, и нагревала электролит. Такое объяснение подкупало простотой. Оно мгновенно убедило журналистов, политиков, и даже некоторых химиков.

Но специалисты по физике плазмы и опытные физики-ядерщики и не спешили с выводами. Они понимали, что два дейтрона принципиально могут дать начало ядру гелия-4 и высокоэнергичному гамма-кванту, но вероятность подобного исхода весьма и весьма мала. Пусть даже верно, что дейтроны вступают в ядерную реакцию, но она с очень большой долей вероятности завершится рождением ядра трития и протона либо возникновением нейтрона и ядра гелия-3, притом вероятности этих превращений почти равны.

Если бы внутри палладия действительно шел ядерный синтез, то он должен был бы порождать значительное число нейтронов с вполне конкретной энергией порядка 2,45 МэВ. Их легко обнаружить либо с помощью нейтронных детекторов, либо косвенно, поскольку при столкновении такого нейтрона с ядром тяжелого водорода должен возникнуть гамма-квант с энергией 2,22 МэВ, который опять-таки легко поддается регистрации. Короче говоря, гипотезу Понса и Флейшмана можно было бы подтвердить, проведя проверку с помощью обычной радиометрической аппаратуры.

Но ничего не вышло. Флейшман попросил сотрудников британского ядерного центра в Харуэлле протестировать его «реактор» на наличие генерации нейтронов. Харуэлл располагал очень хорошими сверхчувствительными детекторами нейтронов, но в результате тестов они не показали ничего из заявленного! Поиск же гамма-лучей соответствующей энергии тоже обернулся отрицательным результатом.

К аналогичному выводу пришли и физики Университета Юты. Попытку воспроизведения эксперимента Понса и Флейшмана предприняли и сотрудники Массачусетского технологического института, и опять же безрезультатно. В итоге, на конференции Американского физического общества, прошедшей в Балтиморе 1 мая в том же 1989 году, заявка на эпохальное открытие потерпела сокрушительное фиаско. New York Times писала о некомпетентности горе-химиков из Юты.

Академическая карьера Понса и Флейшмана быстро завершилась. В 1992 году они уволились из Университета Юты и продолжили свои исследования во Франции на деньги японцев, пока не лишились финансирования и от них. Флейшман вернулся в Англию, а Стэнли Понс отказался от гражданства Америки и переехал во Францию.

Практика все же показывает, что холодный ядерный синтез не просто возможен, но и реально осуществлен, притом в нескольких версиях. Например, в 2005 году исследователи из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса (Брайан Нараньё, Сет Паттермэн и Джим Джимзевски) запустили реакцию в контейнере с дейтерием, умещающемся на ладони, внутри которого создавалось электростатическое поле.

Источником поля служила вольфрамовая игла, соединенная с пироэлектрическим кристаллом танталата лития, на котором при охлаждении и последующем нагревании получалась разность потенциалов от 100 до 120 кВ. Электрическое поле напряженностью около 25 ГВ/м ионизировало атомы дейтерия, и до такой степени разгоняло его ядра, что в результате, при столкновении с мишенью из дейтерида эрбия, они рождали ядра гелия-3 и нейтроны.

Максимальный нейтронный поток составил около 900 нейтронов в секунду, что в 400 раз превышает типичное фоновое значение. Такая система, безусловно, имеет некоторые перспективы в качестве карманного генератора нейтронов, однако говорить о ней как о серьезном источнике энергии нельзя. Дело здесь в том, что такие устройства потребляют намного большее количество энергии, чем производят.

В экспериментах ученых из Калифорнии в одном цикле охлаждения-нагревания, длительностью всего несколько минут, выделялось примерно 8-10 Дж, что на 11 порядков меньше, чем необходимо для нагрева 200 мл воды на 1 градус.

При создании статьи использованы материалы сайта http://electricalschool.info