Холодный ядерный синтез – основа энергетики будущего

Долгое время считалось, что реакции ядерного синтеза не могут протекать при низких температурах. Однако, начиная с опытов М. Флейшмана и С. Понса, все больше и больше исследователей в разных лабораториях мира наблюдали проявление таких реакций. Тем не менее, теоретического обоснования данным явлениям до сих пор нет, а, как известно, непонятное пугает. Некоторым теоретическим аспектам проблемы холодного ядерного синтеза, а также возможным способам более эффективной технической реализации этих реакций посвящена эта статья.

Содержание

• 1. Что такое холодный ядерный синтез (ХЯС) - немного истории

• 2.    Частицы, ответственные за прохождение ХЯС. Их природа, масса и энергия связи с веществом.

• 3.    Экпериментальные    данные,    подтверждающие

• 4.    Возможные способы получения энергии ХЯС.

существование частиц ХЯС.

Литература

1. Что такое холодный ядерный синтез (ХЯС) -немного истории

Первые сообщения о прохождении реакции ядерного синтеза при комнатных температурах (опыты М. Флейшмана и С. Понса) появились около двадцати лет назад в 1989г. В них говорилось, что в опытах по электролизу тяжелой воды (с добавлением LiOD) в электролизере с палладиевым катодом, платиновым электродом и источником (аккумулятором) авторы обнаружили характерные черты реакции синтеза между ядрами дейтерия – выделение тепла, образование трития и генерацию нейтронов. Утверждалось, что выделение тепла, дополнительно к вложенному в электролизер, увеличивалось пропорционально плотности тока на поверхности 82

Доклады независимых авторов 2010 выпуск 14 палладиевого электрода и объему электрода. При плотности тока порядка 0,5А/см^2 выделение тепла в объеме электрода достигало 10Вт/см^3 и наблюдалось в течении 120 часов, составив 4МДж/см^3 (~100эВ на ядро), что трудно объяснить химическими процессами, поскольку расходуемым материалом, который регулярно восполняли, была тяжелая вода. По отношению к полному энерговкладу в электролизер, при максимальной плотности тока и массивных электродах (диаметр 0,4см, длина 10см) дополнительное энерговыделение достигало 50% . В одном из экспериментов даже произошло разрушение электрода.

Если бы наблюдаемое выделение тепла определялось D-D синтезом, оно сопровождалось бы излучением 10^^12 – 10^^13 нейтронов в секунду. Однако, было зарегистрировано примерно 10^4 актов синтеза в секунду в 1см^3 материала электрода. Таким образом, при насыщении палладия дейтерием в его кристаллической решетке наблюдается слияние ядер дейтерия. Выделение же тепла, по-видимому, было связано с совершенно другими процессами и не имело разумных объяснений.

Попытаемся выяснить, чем были вызваны акты синтеза дейтерия и аномальное выделение тепла в данных экспериментах.

2.    Частицы, ответственные за прохождение ХЯС. Их природа, масса и энергия связи с веществом.

Чтобы понять, в результате чего происходит процесс ХЯС, необходимо обратиться к статье [1]. В ней в таблице №1 располагаются в соответствии с различными квантовыми числами наблюдаемые частицы (то есть частицы вещества) и виртуальные частицы (то есть различные градации кривизны пространства). Квантовые значения масс наблюдаемых частиц изменяются от массы электрона m(e) (n=0) до частицы массой 7x10^^20 m(e) (n=12). Массы же виртуальных частиц принимают значения от 7x10^^20 m(e) (n=0) до 2x10^^--42m(e) (n=12), то есть различаются на 62 порядка, что соответствует размерам от 10^^--31см до 10^^31см. Эти «частицы» или градации кривизны пространства ответственны за наличие различных структур во Вселенной, в том числе темной энергии и темной материи. Что же касается данной статьи, то нас будет интересовать виртуальная частица с квантовым числом n=7. Ее масса составляет 0,36 m(e) или 184 кэВ. Эти частицы, не имеющие электрического заряда и обладающие положительной кривизной (поле притяжения), взаимодействуют с наблюдаемым веществом только гравитационно. Они группируются вокруг ядер атомов вещества (так называемое «гало») в количестве, пропорциональном атомной массе. Их предельное число ограничено моментом вращения ядра и стабилизируется, начиная приблизительно с ядер меди (z=29). Границы этой оболочки или гало имеют размеры порядка 5x10^^-12см для тяжелых ядер, а масса достигает 12 – 15 МэВ.

Что касается энергии связи этой частицы с барионом, то ее можно оценить как гравитационную энергию GM^2/R самой тяжелой из наблюдаемых частиц массой (7x10^^20 m(e)), которые, согласно принципу неопределенности, виртуально существуют внутри кварков бариона, в радиусе R, равном размеру частицы массой 184 кэВ. Эти оценки дают энергию порядка 10 – 15 эВ, что сравнимо с энергиями химических связей. Однако, для того, чтобы отделить эту частицу от ядра, необходимо приложить механическую энергию. Для более тяжелых ядер эта энергия из-за вращения ядра несколько ниже и может составлять 5 – 7 эВ.

Отделившись от ядра, эта частица в свободном состоянии существует недолго. Ее пробег в конденсированной среде порядка 1 мм. Об этом говорят размеры хондр, образующихся при ударе метеоритов, имеющих при столкновении удельную энергию, приходящуюся на атом железа, порядка вышеуказанной [2]. После чего она вновь захватывается одним из ядер и вещество приходит в равновесное состояние, однако, при прохождении через вещество, она рассеивает часть своей энергии, что выражается в разогреве близлежащих атомов. Этим объясняется как бы неизвестно откуда взявшееся тепло в опытах Флейшмана и Понса. Этим же объясняется и энергия «из ниоткуда», выделяющаяся при ударе высокоскоростного уранового снаряда о броню. Закон сохранения энергии при этом не нарушается. Просто в данном случае в тепловую энергию переходит часть энергии этих частиц-полей, а не, к примеру, известная всем энергия химических связей. Хотя и в том и другом случае вещество, отдающее эту энергию, становится чуть легче.

Проходя через вещество, атомная масса которого, а, следовательно, и электрический заряд ядра достаточно велики, эти частицы лишь разогревают его. Но, если на пути данной частицы попадутся атомы дейтерия, ее энергии (184 кэВ) окажется вполне достаточно для их поляризации и слияния с образованием трития.

3.    Экпериментальные данные, подтверждающие существование частиц ХЯС.

В силу того, что частицы, о которых шла речь выше, живут в свободном состоянии недолго и быстро поглощаются веществом, оставляя лишь косвенные свидетельства в виде трансмутации ядер и термического разогрева, экпериментальное определение их параметров является крайне затруднительным.

Однако, в 2009г. появилась публикация томских исследователей [3] в которой приводились восстановленные спектры энергии электронов, возникающих в момент электрического разряда в воздухе атмосферного давления. Дело в том, что электроны разных энергий обладают разной проникающей способностью и, следовательно, имеют различную потерю энергии на момент регистрации. Восстановив спектр с учетом различных потерь электронами различных энергий, можно получить исходное распределение электронов по энергии. Экспериментально установлено, что максимум этого восстановленного спектра приходится на энергии 180 - 190 кэВ.

Причем, эксперимент также показал [4], что появление таких энергичных электронов происходит скачком при увеличении напряженности электрического поля выше порога E=170 кВ/см. Если учесть, что длина свободного пробега электрона в воздухе атмосферного давления составляет около L= 0,7x10^-4см, получим энергию электрона, необходимую для ударного отделения этих частиц от ядер атомов воздуха. Она равна произведению этих двух величин и составляет 12 эВ, что близко к вышеуказанной оценке энергии связи частиц массой 184 кэВ с ядром атома.

В результате взаимодействия электронов с этими частицами (их массы близки по порядку величины) энергия электронов резко возрастает, что мы и наблюдаем по форме восстановленного спектра.

4.    Возможные способы получения энергии ХЯС.

Очевидно, что в опытах Флейшмана и Понса, как и в других последующих экспериментах, сечение собственно реакции ХЯС было крайне мало и подтверждало лишь принципиальную возможность прохождения такой реакции. Выделение тепла происходило за счет рассеяния частиц массой 184 кэВ на атомах среды как бы «вхолостую».

Основной вопрос состоит в том, КАК сделать протекание этой реакции более эффективным. Прежде всего, как сообщить атомам среды (металла, кристалла) энергию порядка 5-7 эВ на атом в относительно большом (несколько см^3 и более) объеме, не разгоняя их до космических скоростей? Ответ один – приложить давление. Если материал плотностью 5-7 г/см^3 подвергнуть давлению 100кбар, потенциальная энергия, запасенная каждым атомом, будет составлять около 1 эВ.

В экспериментах немецких ученых [5] в 2006г. образцы графита и других кристаллов, находящихся под давлением около 80кбар были подвергнуты бомбардировке высокоэнергичными ионами урана. При этом происходило полное объемное разрушение кристалла. Причем, раздельное воздействие более высокого давления или более интенсивного облучения подобного эффекта не давали.

Комбинированное воздействие приводит к тому, что ионы урана «сбивают» частицы массой 184 кэВ с ядер атомов среды, а их взаимодействие и передача дополнительной энергии атомам кристаллической решетки, уже обладающим потенциальной энергией (вызванной давлением), приводит к разрушению кристалла. Происходит своего рода цепная реакция, своеобразным «агентом» которой выступают данные частицы.

Таким образом, дополнительную энергию в смесь рабочей среды и атомов дейтерия, находящуюся под высоким давлением, можно подавать импульсами энергичных ионов, облучающих образец, либо мощными импульсами электроразрядов.

Однако данные способы получения энергии ХЯС требуют относительно высоких давлений, что неприемлемо для больших объемов рабочей среды, и носят скорее теоретический характер. Для работы в области давлений на порядок ниже (10кбар) необходимо в качестве дополнительной энергии использовать энергию химических реакций, происходящих под давлением. Остановимся на это подробнее.

В 1988г. в институте синтетических полимерных материалов АНСССР, Москва, была установлена возможность протекания экзотермических химических реакций с взрывной скоростью в конденсированной твердой фазе без образования в системе газов[7]. При сжатии в специальных наковальнях под давлением 10-20кбар смесей твердых веществ, способных к экзотермическому взаимодействию, между ними начинается реакция с взрывной скоростью. Примеры инициируемых давлением взрывных реакций термитных смесей:

2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe

3Mg + Fe2O3 = 3MgO + 2 Fe

Mg + CuO = MgO + Cu

2Al +3CuO = Al2O3 + 3Cu

Si + 2CuO = SiO2 + 2Cu

Выделяемая при этом энергия столь велика, что стальные толстостенные наковальни разрушаются. Время протекания реакции на несколько порядков ниже, чем для такой же реакции, инициируемой нагреванием без давления. Процесс вызывается одним только повышением давления. Начальная температура в рабочей зоне близка к комнатной, в то время как без повышения давления для взаимодействия термитных смесей необходима температура около 1100 гр.C.

Отличие описанных реакций от традиционных взрывных взаимодействий заключается в том, что они протекают одновременно во всем объеме твердой фазы и не образуют газовой фазы. Таким образом, существует возможность непосредственного перехода химической энергии термодинамических нестабильных твердых систем в механическую без участия газов.

В статье [6] приводятся численные значения масс образцов, подвергавшихся давлению и значения энергий данных химических реакций. Важным является также то обстоятельство, что при сжатии и детонации обычных взрывчатых веществ (аммиачная селитра, бихромат аммония) даже с большим выделением энергии разрушения наковален никогда не происходило. Это наводит на мысль о том, что здесь мы имеем дело со стационарным вариантом уранового снаряда.

На основании данных, приведенных в [6] можно сделать некоторые численные оценки вышеуказанных процессов. Так для реакции магния с окисью меди масса образца составляет всего 0,6 г, а объем соответственно около 0,1 см^3.

При давлении 10кбар энергия, запасенная в образце до взрыва близка к 100 Дж или в среднем около 0,1 эВ на атом. Во время взрыва выделяется 2,5 кДж энергии только химической реакции. Это, кстати, в пересчете на кинетическую энергию соответствует скорости образца около 3 км/с. То есть, механическая энергия увеличивается в 25 раз и составит минимум 2,5 эВ на атом меди. Реально же она раза в 4-5 выше за счет взаимодействия с частицами, о которых шла речь выше и благодаря которым и происходит разрушение массивных прочных наковален.

Теперь попытаемся оценить интенсивность прохождения реакции ХЯС при наличии в данной смеси атомов дейтерия. Если в опытах Флейшмана и Понса тепловыделение составляло максимум 10 Вт/см^3 в секунду, то в случае термитной смеси в объеме 0,1 см^3 за время порядка 1 мкс или 10^-6с (таково время протекания взрывной реакции) выделяется около 10 кДж. То есть интенсивность появления частиц массой 184кэВ в единице объема за единицу времени возрастает на 10 порядков. Таким образом, если в опытах Флейшмана и Понса интенсивность реакции ХЯС составляла 10^4 событий в секунду, в данном случае она может составить 10^^14 событий в секунду и более, поскольку энергия, выделяющаяся в результате ХЯС, также в свою очередь повышает концентрацию частиц массой 184 кэВ.

В качестве технической реализации конечно целесообразно не осуществлять взрыв во всем объеме образца, а применять комбинированный способ, при котором рабочее вещество было бы взрывобезопасным и включало бы вкрапления (размером ~0,1 мм) из термитных смесей, обогащенных дейтерием. Давление при этом не доводилось бы до критического значения, а взрывная реакция происходила бы локально в небольших объемах и инициировалась бы либо потоком энергичных ионов, либо излучением лазера.

Конечно же, на этом пути необходимо преодолеть огромное количество технологических трудностей, но, похоже, принципиальная возможность осуществления реакции ХЯС с большим энергетическим выигрышем имеется и над ее технической реализацией надо неустанно работать.