Холодний синтез міф та реальність
Холодний синтез: міф та реальність
Законодавці штату терміново виділили $5 млн на заснування Національного інституту холодного синтезу, а університет запросив у Конгресу США ще 25 млн. Так розпочався один із найгучніших наукових скандалів XX століття. Друк та телебачення миттєво рознесли новину світом.
Так що ж це все-таки, міф чи реальність?
Джерело дешевої енергії
Флейшман і Понс стверджували, що вони змусили ядра дейтерію зливатися один з одним за звичайних температур і тисків. Їхній «реактор холодного синтезу» був калориметром з водним розчином солі, через який пропускали електричний струм. Правда, вода була не простою, а важкою, D2O, катод був зроблений з паладію, а до складу розчиненої солі входили літій та дейтерій. Через розчин місяцями постійно пропускали постійний струм, так що на аноді виділявся кисень, а на катоді — важкий водень. Флейшман та Понс нібито виявили, що температура електроліту періодично зростала на десятки градусів, а іноді й більше, хоча джерело живлення давало стабільну потужність. Вони пояснили це надходженням внутрішньоядерної енергії, що виділяється при злитті ядер дейтерію.
Паладій має унікальну здатність до поглинання водню. Флейшман і Понс увірували, що всередині кристалічних ґрат цього металу атоми дейтерію настільки сильно зближуються, що їхні ядра зливаються в ядра основного ізотопу гелію. Цей процес йде з виділенням енергії, яка, згідно з їхньою гіпотезою, нагрівала електроліт. Пояснення підкупувало простотою і переконувало політиків, журналістів і навіть хіміків.
Фізики вносять ясність
Проте фізики-ядерники та фахівці з фізики плазми не поспішали бити у літаври.Вони чудово знали, що два дейтрони в принципі можуть дати початок ядру гелію-4 і високоенергійному гамма-кванту, але шанси подібного результату вкрай малі. Навіть якщо дейтрони вступають у ядерну реакцію, вона майже напевно завершується народженням ядра тритію і протона або виникненням нейтрону і ядра гелію-3, причому ймовірності цих перетворень приблизно однакові. Якщо всередині паладію справді йде ядерний синтез, він повинен породжувати велике число нейтронів цілком певної енергії (близько 2,45 МеВ). Їх неважко виявити або безпосередньо (за допомогою нейтронних детекторів), або побічно (оскільки при зіткненні такого нейтрона з ядром важкого водню має виникнути гамма-квант з енергією 2,22 МеВ, який знову піддається реєстрації). Загалом гіпотезу Флейшмана та Понса можна було б підтвердити за допомогою стандартної радіометричної апаратури.
Однак із цього нічого не вийшло. Флейшман використав зв'язки на батьківщині та переконав співробітників британського ядерного центру в Харуеллі перевірити його «реактор» щодо генерації нейтронів. Харуелл мав надчутливі детектори цих частинок, але вони не показали нічого! Пошук гамма-променів відповідної енергії теж обернувся невдачею. Такого ж висновку дійшли фізики з Університету Юти. Співробітники Массачусетського технологічного інституту спробували відтворити експерименти Флейшмана та Понса, але знову ж таки безрезультатно. Тому не варто дивуватися, що заявка на велике відкриття зазнала нищівного розгрому на конференції Американського фізичного товариства (АФО), яка відбулася в Балтіморі 1 травня того ж року.
Sic transit gloria mundi
Але й дисиденти, навіть серед наукової еліти. Ексцентричний нобелівський лауреатДжуліан Швінгер, один із творців квантової електродинаміки, настільки увірував у відкриття хіміків із Солт-Лейк-Сіті, що на знак протесту анулював своє членство в АФО.
Проте академічна кар'єра Флейшмана та Понса завершилася — швидко та безславно. У 1992 році вони пішли з Університету Юти і на японські гроші продовжували свої роботи у Франції, поки не втратили цього фінансування. Флейшман повернувся до Англії, де мешкає на пенсії. Понс відмовився від американського громадянства та оселився у Франції.
Піроелектричний холодний синтез
Холодний ядерний синтез на настільних апаратах не тільки можливий, а й здійснений, причому у кількох версіях. Так, у 2005 році дослідникам з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі вдалося запустити подібну реакцію у контейнері з дейтерієм, усередині якого було створено електростатичне поле. Його джерелом служила вольфрамова голка, приєднана до піроелектричного кристала танталату літію, при охолодженні та подальшому нагріванні якого створювалася різниця потенціалів 100-120 кВ. Поле напруженістю 25 ГВ/м повністю іонізувало атоми дейтерію і так розганяло його ядра, що при зіткненні з мішенню з дейтериду ербію вони давали початок ядрам гелію-3 і нейтронам. Піковий нейтронний потік склав близько 900 нейтронів за секунду (у кілька сотень разів вище за типове фонове значення). Хоча така система має перспективи як генератор нейтронів, говорити про неї як джерело енергії не можна. Подібні пристрої споживають набагато більше енергії, ніж генерують: в експериментах каліфорнійських учених в одному циклі охолодження-нагрівання тривалістю кілька хвилин виділялося приблизно 10-8 Дж (на 11 порядків менше, ніж потрібно для нагріваннясклянки води на 1 ° С).
На цьому історія не закінчується.
На початку 2011 року у світі науки знову спалахнув інтерес до холодного термоядерного синтезу, або, як його називають вітчизняні фізики, холодної термояди. Приводом для цього ажіотажу стала демонстрація італійськими вченими Серджіо Фокарді та Андреа Россі з Університету Болоньї незвичайної установки, в якій, за словами її розробників, цей синтез здійснюється досить легко.
Загалом працює цей апарат так. У металеву трубку з електричним підігрівачем поміщаються нанопорошок нікелю та звичайний ізотоп водню. Далі тиск нагнітається близько 80 атмосфер. При початковому нагріванні до високої температури (сотні градусів), як кажуть вчені, частина молекул H2 поділяється на атомарний водень, далі вступає в ядерну реакцію з нікелем.
Внаслідок цієї реакції породжується ізотоп міді, а також велика кількість теплової енергії. Андреа Россі пояснив, що при перших випробуваннях приладу вони отримували від нього близько 10-12 кіловат на виході, у той час як на вході система вимагала в середньому 600-700 ват (мається на увазі електроенергія, що надходить у прилад при включенні його в розетку) . По всьому виходило, що виробництво енергії в даному випадку було набагато вище витрат, адже саме цього ефекту свого часу чекали від холодної термоотрути.
Тим не менш, за повідомленням розробників, в даному приладі поки що вступає в реакцію далеко не весь водень і нікель, а дуже мала їх частка. Проте вчені впевнені, що те, що відбувається всередині, є саме ядерними реакціями. Доказом цього вони вважають: поява міді у більшій кількості, ніж могла б складати домішка у вихідному паливі (тобто нікелі); відсутністьвеликої (тобто вимірної) витрати водню (оскільки він міг би виступати як паливо в хімічній реакції); теплове випромінювання, що виділяється; ну і, звісно, сам енергетичний баланс.
Що ж це за така невловима холодна термоотрута, довести можливість протікання якої багато вчених намагаються вже не один десяток років? Щоб зрозуміти сутність цієї реакції, і навіть перспективність подібних досліджень, давайте спочатку поговоримо у тому, що таке взагалі термоядерний синтез. Під цим терміном розуміють процес, у якому відбувається синтез важчих атомних ядер із легших. При цьому виділяється величезна кількість енергії, значно більша, ніж при ядерних реакціях розпаду радіоактивних елементів.
Подібні процеси постійно відбуваються на Сонці та інших зірках, через що вони можуть виділяти світло і тепло. Так, наприклад, що секунди наше Сонце випромінює в космічний простір енергію, еквівалентну чотирьом мільйонам тонн маси. Ця енергія народжується під час злиття чотирьох ядер водню (простіше кажучи, протонів) у ядро гелію. При цьому на виході внаслідок перетворення одного грама протонів виділяється у 20 мільйонів разів більше енергії, ніж при згорянні грама кам'яного вугілля. Погодьтеся, подібне дуже вражає.
Але невже люди не можуть створити реактор, подібний до Сонця, для того щоб виробляти велику кількість енергії для своїх потреб? Теоретично, звичайно, можуть, оскільки пряма заборона такого пристрою не встановлює жоден із законів фізики. Тим не менш, зробити це досить складно, і ось чому: цей синтез вимагає дуже високої температури та такого ж нереально високого тиску. Тому створення класичного термоядерного реактора виходить економічно невигідним — на те, щоб запустити його,Необхідно буде витратити куди більше енергії, ніж він може виробити за наступні кілька років роботи.
Не зупинившись на досягнутому і капнувши ще глибше, журналісти також з'ясували, що ідея представленого проекту належить досконалій іншій людині — італійському вченому Франческо П'янтеллі. Схоже, саме на цьому, безславно і закінчилася чергова сенсація, і світ вкотре втратив «вічний двигун». Але як, не без іронії, втішають себе італійці, якщо це лише вигадка, то, принаймні, вона не позбавлена дотепності, адже одна справа розіграти знайомих і зовсім іншу, спробувати обвести навколо пальця цілий світ.
В даний час всі права на цей пристрій належать американській компанії Industrial Heat, де Россі очолює всю науково-дослідну та конструкторську діяльність щодо реактора.
Існують низькотемпературна (E-Cat) та високотемпературна (Hot Cat) версії реактора. Перша для температур приблизно 100-200 °C, друга для температур близько 800-1400 °C. В даний час компанія продала низькотемпературний реактор на 1МВт неназваному замовнику для комерційного використання і, зокрема, на цьому реакторі Industrial Heat проводить тестування та налагодження для того, щоб розпочати повномасштабне промислове виробництво таких енергетичних блоків. Як заявляє Андреа Россі, реактор працює головним чином за рахунок реакції між нікелем та воднем, у ході якої відбувається трансмутація ізотопів нікелю із виділенням великої кількості тепла. Тобто. одні ізотопи нікелю переходять на інші ізотопи. Проте було проведено низку незалежних випробувань, найбільш інформативним із яких було випробування високотемпературної версії реактора у швейцарському місті Лугано. Про це випробування вжеписали тут.
При тривалій безперервній роботі немає можливості цілодобово підливати воду. Тому довелося відмовитися від використаної в попередніх експериментах калориметрії, заснованої на вимірюванні маси води, що випарувалася. Визначення теплового коефіцієнта в цьому експерименті проводиться шляхом порівняння споживаної електронагрівачем потужності за наявності та відсутності паливної суміші. Без палива температура 1200оС досягається за потужності близько 1070 Вт. За наявності палива (630 мг нікелю +60 мг алюмогідриду літію) така температура досягається за потужності близько 330 Вт. Таким чином, реактор виробляє близько 700 Вт надлишкової потужності (COP
3,2). (Пояснення А.Г. Пархомова, більш точне значення СОР вимагає більш детального розрахунку)