Предуведомление редактора.
Речь пойдет о возможности холодной термоядерной реакции. Как правило, все эти попытки не более чем шарлатанство (как это происходит у Росси). Однако несколько лет назад японский физик Арата вроде бы предложил некую установку для ее проведения.
По поводу Араты. Он 1924 года рождения, то есть ему 86 лет, свои опыты начал в 1989 году. Его эксперимент от мая 2008 г. был последним в серии. Странным образом, этот как бы сенсационный результат нигде в серьезных специализированных физических источниках за 4 истекших года не был опубликован. Равно как в таких общенаучных, как Science,Nature, Scientific American и даже в газете NYT, хотя, казалось бы, тут была сенсация. Об этом опыте есть пока только в двух итальянских журналах с каким-то самурайским уклоном. Сам Арата японский националист, демонстративно говорит только на японском и принципиально не хочет публиковаться на английском. Получил за это какую-то медаль от микадо.
У меня сложилось впечатление, что он после своего увлечения холодным синтезом сильно потерял репутацию и, как мне кажется, давно не профессор ун-та в Осаке.Хотя в свое время одна аудитория там носила его имя.
Это если можно так сказать, социологические доказательства.
Физическая сторона дела специалистам известна в тысячу раз лучше, чем мне. Но интуитивно мне кажется, что в экспериментах Араты есть некие артефакты. Как, скажем, блики от линзы, которые ложно можно принять за летающие тарелки.
Припоминаю, что в экспериментах Понса-Флейшмана регистрировался поток нейтронов, который как бы свидетельствовал о реакции синтеза. Потом выяснилось, что чисто случайно в соседней лаборатории проводили опыты с ураном, оттуда нейтроны и шли.
Мне кажется, что понятие катализа все же из химии и к ядерным реакциям если и применимо, то условно. Во всяком случае, у Араты нет механизма (или я его не понимаю), как же палладий и оксид циркония содействуют преодолению кулоновского барьера.
Проверка экспериментов Араты в случае не подтверждения поставит на лишних расходах и на толпе мошенников крест. А в подтверждение я, конечно, не верю. Прошло 4 года — и где другие опыты Араты, где повторение в других лабораториях?
Я нашел кое-какие цифры. Повторить установку будет недорого.
Палладий с цирконием по 500 дол,(ну, так было в 2008 г.), дейтерий — 400, столько же, сама установка — 1000, в общем примерно 3000. Плюс заработная плата и пр. накладные расходы, наверное всего где-то 10 тыс.
А эффект от experementum crusis будет большой.
Представленная статья — прекрасный образец точного физического мышления. Смысл ясен и без некоторых формул и графиков.
С почтением — Валерий Лебедев.
1. Введение.
Выделение энергии при слиянии лёгких ядер составляет содержание одной из двух ветвей ядерной энергетики, которая до сих пор реализована только в оружейном направлении в виде водородной бомбы — в отличие от второго направления, связанного с цепной реакцией деления тяжёлых ядер, которое используется как в оружейном воплощении, так и в качестве широко развитого промышленного источника тепловой энергии. Вместе с тем с процессом слияния лёгких ядер связаны оптимистические надежды создания мирной ядерной энергетики с неограниченной сырьевой базой. Однако проект управляемого термоядерного реактора, выдвинутый Курчатовым 60 лет назад, сегодня представляется, пожалуй, ещё более отдалённой перспективой, чем это виделось в начале этих исследований. В термоядерном реакторе планируется осуществить синтез ядер дейтерия и трития в процессе столкновения ядер в плазме, разогретой до многих десятков миллионов градусов. Высокая кинетическая энергия сталкивающихся ядер должна обеспечить преодоление кулоновского барьера. Однако, в принципе, потенциальный барьер, препятствующий протеканию экзотермической реакции, может быть преодолён без использования высоких температур и/или высоких давлений, используя каталитические подходы, как это хорошо известно в химии и, тем более, в биохимии. Такой подход к осуществлению реакции синтеза ядер дейтерия был реализован в серии работ по так называемому «мюонному катализу», обзору которых посвящена обстоятельная работа [1]. В основе процесса лежит образование молекулярного иона, состоящего из двух дейтронов, связанных вместо электрона мюоном – нестабильной частицей с зарядом электрона и с массой ~200 электронных масс. Мюон стягивает ядра дейтронов, сближая их на расстояние порядка 10-12 м., что делает высоко вероятным (порядка 108 с-1) туннельное преодоление кулоновского барьера и слияние ядер. Несмотря на большие успехи этого направления, оно оказалось тупиковым в отношении перспектив извлечения ядерной энергии ввиду нерентабельности процесса: получаемая на этих путях энергия не окупает затрат на производство мюонов.
Помимо вполне реального механизма мюонного катализа за последние три десятилетия неоднократно появлялись сообщения о якобы успешной демонстрации холодного синтеза в условиях взаимодействия ядер изотопов водорода внутри металлической матрицы или на поверхности твёрдого тела. Первые сообщения такого рода были связаны с именами Флейшмана, Понса и Хокинса [2-4], которые изучали особенности электролиза тяжёлой воды в установке с палладиевым катодом, продолжая электрохимические исследования с изотопами водорода, предпринятые в начале 80-х годов [5]. Флейшман и Понс обнаружили избыточное выделение тепла при электролизе тяжёлой воды и задались вопросом, не является ли это следствием реакций ядерного синтеза по двум возможным схемам:
2D + 2D → 3T(1.01 MeV) + 1H(3.02 MeV)
Или (1)
2D + 2D → 3He(0.82 MeV) + n(2.45 MeV)
Эти работы породили большой энтузиазм и серию проверочных работ с переменными и неустойчивыми результатами. (В одной из недавних работ этого рода ([6]) сообщалось, например, о взрыве установки, предположительно, ядерного характера!) Однако со временем в научном сообществе сложилось впечатление о сомнительном характере выводов о наблюдении «холодного синтеза», главным образом, ввиду отсутствия выхода нейтронов или их слишком малого превышения над уровнем фона. Это не остановило сторонников поисков «каталитических» подходов к «холодному синтезу». Испытывая большие трудности в публикации результатов своих исследований в респектабельных журналах, они стали собираться на регулярные конференции с автономным изданием материалов. В 2003 году состоялась уже десятая международная конференция по «холодному синтезу», после чего эти собрания меняли названия. В 2002 г. под эгидой SpaceandNavalWarfareSystemsCommand (SPAWAR) в США был издан двухтомный сборник статей. В 2012 году был переиздан обновлённый обзор Эдмунда Шторма «A Student’s Guide to Cold Fusion», содержащий 338 ссылок – доступен в Интернете [7]. Сегодня это направление работ чаще всего обозначают аббревиатурой LENR – LowEnergyNuclearReactions.
Заметим, что общественное доверие к результатам этих исследований дополнительно подрывается отдельными пропагандистскими выбросами в СМИ сообщений о более чем сомнительных сенсациях на этом фронте. В России и сейчас существует массовое производство так называемых «вихревых генераторов» тепла (электро-механических нагревателей воды) с оборотом порядка миллиардов рублей в год [8]. Изготовители этих агрегатов уверяют потребителей, что эти устройства производят тепла в среднем в полтора раза больше, чем потребляют электроэнергии. Для объяснения избытка энергии они прибегают, в том числе, к разговорам о холодном синтезе, якобы протекающем в кавитационных пузырьках, возникающих в водяных мельницах. В СМИ в настоящее время очень популярны сообщения об итальянском изобретателе Андреа Росси [9] («со сложной биографией», как некогда сказал С.П.Капица о В.И.Петрике), который демонстрирует телевизионщикам установку, производящую каталитическое превращение (трансмутацию) никеля в медь за счёт, якобы, слияния ядер меди с протонами водорода с выделением энергии на киловаттном уровне. Детали устройства держатся в секрете, но сообщается, что основу реактора составляет керамическая трубка, заполненная порошком никеля с секретными добавками, которая разогревается током в условиях охлаждения протекающей водой. В трубку подаётся газообразный водород. При этом обнаруживается избыточное выделение тепла с мощностью на уровне единиц киловатт. Росси обещает в ближайшее время (в 2012 г.!) показать генератор с мощностью ~ 1 МВт. Некоторую респектабельность этой затее (с отчётливым привкусом аферы) придаёт Болонский университет, на территории которого всё это разворачивается. (В 2012 г. этот университет прекратил сотрудничество с Росси — ред.).
2. Новые эксперименты по «метало-кристаллическому катализу».
На протяжении последних десятка лет поиски условий протекания «холодного синтеза» сдвинулись от электрохимических опытов и электрического разогрева образцов к «сухим» экспериментам, в которых осуществляется проникновение ядер дейтерия в кристаллическую структуру металлов переходных элементов – палладия, никеля, платины. Эти опыты относительно просты и представляются более воспроизводимыми, чем ранее упомянутые. Интерес к этим работам привлечён недавней публикацией [10], в которой делается попытка теоретического объяснения холодным ядерным синтезом феномена избыточного образования тепла при дейтерировании металлов в условии отсутствия, казалось бы, необходимого при таком синтезе испускания нейтронов и гамма -квантов.
В отличие от столкновения «голых» ядер в горячей плазме, где энергия столкновения должна преодолеть кулоновский барьер, препятствующий слиянию ядер, при проникновении ядра дейтерия в кристаллическую решётку металла кулоновский барьер между ядрами модифицируется экранирующим действием электронов атомных оболочек и электронами проводимости. А.Н.Егоров [11] обращает внимание на специфическую «рыхлость» ядра дейтрона, объём которого в 125 раз превышает объём протона. Электрон атома в S-состоянии имеет максимальную вероятность оказаться внутри ядра, что приводит к эффективному исчезновению заряда ядра, которое в этом случае иногда называют «динейтроном». Можно говорить о том, что атом дейтерия часть времени находится в таком «свёрнутом» компактном состоянии, в котором он способен проникать в другие ядра – в том числе в ядро другого дейтрона. Дополнительным фактором, влияющим на вероятность сближения ядер в кристаллической решетке, служат колебания.
Не воспроизводя соображений, высказанных в [10], рассмотрим некоторые имеющиеся экспериментальные обоснования гипотезы о протекании холодного ядерного синтеза при дейтерировании переходных металлов. Имеется довольно подробное описание техники экспериментов японской группы под руководством профессора Yoshiaki Arata (Osaka University)[12].
Схема установки Араты представлена на рис.1:
Рис1. Здесь 2- контейнер из нержавеющей стали, содержащий «образец» 1, представляющий собой, в частности, засыпку (в палладиевой капсуле) из окиси циркония с покрытием из палладия (ZrO2-Pd); Tinи Тs – положения термопар, измеряющих температуру образца и контейнера, соответственно.
Контейнер перед началом опыта прогревается и откачивается (обезгаживается). После его охлаждения до комнатной температуры начинается медленный напуск водорода (Н2) или дейтерия ( D2) из баллона с давлением порядка 100 атмосфер. При этом контролируется давление в контейнере и температура в двух выделенных точках. В течение первых десятков минут напуска давление внутри контейнера остаётся близким к нулевому за счёт интенсивной абсорбции газа порошком. При этом происходит быстрый разогрев образца, достигающий максимума (60-700С) через 15-18 минут, после чего начинается охлаждение образца. Вскоре после этого (около 20 минуты) начинается монотонный рост давления газа внутри контейнера.
Авторы обращают внимание на то, что динамика процесса заметно отличается в случаях напуска водорода и дейтерия. При напуске водорода (рис.2) на 15-й минуте достигается максимальная температура 610С, после чего начинается остывание.
При напуске дейтерия (рис.3) максимальная температура оказывается на десять градусов выше (710С) и достигается несколько позже – на ~ 18-й минуте. Динамика охлаждения также обнаруживает некоторое различие в этих двух случаях: в случае напуска водорода температуры образца и контейнера ( Tinи Тs) начинают сближаться раньше. Так, через 250 минут после начала напуска водорода, температура образца не отличается от температуры контейнера и превосходит температуру окружающей среды на 10С. В случае же напуска дейтерия, температура образца через те же 250 минут заметно (~ на 10С) превышает температуру контейнера и примерно на 40С температуру окружающей среды.
Рис.2 Изменение во времени давления Н2 внутри контейнера и температур Tinи Тs.
Рис. 3 Изменение во времени давления D2 и температур Tinи Тs.
Авторы утверждают, что наблюдаемые различия воспроизводимы. Вне этих различий наблюдаемое быстрое разогревание порошка объясняется энергией химического взаимодействия водорода/дейтерия с металлом, при котором образуются гидридометаллические соединения. Различие процессов в случае водорода и дейтерия авторы трактуют как свидетельство протекания во втором случае (с очень малой, разумеется, вероятностью) реакции синтеза ядер дейтерия по схеме 2D+2D Þ 4He + ~ 24 MeV. Такая реакция совершенно невероятна (порядка 10-6 по сравнению с реакциями (1)) при столкновении «голых» ядер из-за необходимости удовлетворять законам сохранения импульса и момента импульса. Однако в условиях твёрдого тела такая реакция может оказаться доминирующей. Существенно, что при этой реакции не происходит появления быстрых частиц, отсутствие (или дефицит) которых неизменно рассматривался в качестве решающего аргумента против гипотезы о ядерном синтезе. Разумеется, остаётся вопрос о канале выделения энергии синтеза. Как считает Цыганов [10], в условиях твёрдого тела возможны процессы дробления гамма-кванта на низкочастотные электромагнитные и фононные возбуждения.
Опять-таки, не углубляясь в теоретическое обоснование гипотезы, вернёмся к её экспериментальным обоснованиям.
В качестве дополнительного доказательства предлагаются графики остывания «реакционной» зоны в более позднее время (за пределами 250 минут), полученные с более высоким температурным разрешением и для различной «засыпки» рабочего тела.
Из рисунка видно, что в случае напуска водорода, начиная с 500-ой минуты температуры образца и контейнера сравниваются с комнатной. В противоположность этому при напуске дейтерия к 3000-й минуте устанавливается стационарное превышение температуры образца над температурой контейнера, который, в свою очередь оказывается заметно теплее комнатной температуры (~ на 1,50С для случая образца ZrO2-Pd).
Рис. 4 Отсчёт времени начинается с трёхсотой минуты предыдущих графиков.
Другим важным свидетельством в пользу протекания ядерного синтеза должно было служить появление гелия-4 в качестве продукта реакции. Этому вопросу уделялось значительное внимание. Прежде всего, авторы принимали меры к устранению следов гелия в напускаемых газах. Для этого применялся напуск H2/D2 путём диффузии через палладиевую стенку. Как известно, палладий высоко проницаем для водорода и дейтерия и плохо пропускает гелий. (Напуск через диафрагму дополнительно замедлял поступление газов в реакционный объём). После остывания реактора газ в нём подвергался анализу на присутствие гелия. Утверждается, что гелий обнаруживался при напуске дейтерия и отсутствовал при напуске водорода. Анализ проводился масс-спектроскопически. (Применялся квадрупольный масс-спектрограф).
На Fig. 7 представлены результаты анализа. При напуске H2 ни в газе, ни в рабочем веществе не обнаружено ни гелия, ни дейтерия (левая колонка). При напуске D2 и в газе, и в рабочем веществе обнаружен гелий (сверху справа – в газе, внизу справа – в твёрдом веществе). (Масс-спектрометрически гелий почти совпадает с молекулярным ионом дейтерия).
Следующий слайд заимствован из презентации Араты (не говорящим по-английски!). Он содержит некоторые числовые данные, относящиеся к экспериментам, и оценки. Эти данные не вполне понятны.
Первая строка, по-видимому, содержит оценку в молях поглощённого порошком тяжёлого водорода D2.
Смысл второй строки, похоже, сводится к оценке энергии адсорбции 1700 см3 D2 на палладии.
Третья строка, по-видимому, содержит оценку «избыточного тепла», связанного с ядерным синтезом – 29.2 ¸30 кДж.
Четвёртая строка явно относится к оценке числа синтезированных атомов 4Не — 3´1017. (Этому числу созданных атомов гелия должно соответствовать много большее выделение тепла, чем указано в строке 3: (3´1017) ´ (2.4´107 эВ) = 1.1´1013 эрг. = 1.1 МДж.).
Пятая строка представляет оценку отношения числа атомов синтезированного гелия к числу атомов палладия — 6.8´10-6. Шестая строка – отношение чисел атомов синтезированного гелия и адсорбированных атомов дейтерия: 4.3´10-6.
3. О перспективах независимой проверки сообщений о «метало-кристаллическом ядерном катализе».
Описанные эксперименты представляются относительно легко воспроизводимыми, поскольку они не требуют больших капитальных вложений или использования ультра-современных методов исследования. Главная трудность, по-видимому, связана с недостатком информации о структуре рабочего вещества и технологии его изготовления.
При описании рабочего вещества употребляются выражения «нано-порошок»: « ZrO2-nano-Pd sample powders, a matrix of zirconium oxide containing palladium nanoparticles» и, одновременно, употребляется выражение «сплавы»: «ZrO2•Pd alloy, Pd-Zr-Ni alloy». Надо думать, что состав и структура этих «порошков» — «сплавов» играют ключевую роль в наблюдаемых явлениях. Действительно, на рис. 4 можно видеть существенные различия динамики позднего охлаждения указанных двух образцов. Ещё большие различия они обнаруживают в динамике изменения температуры в период насыщения их дейтерием. Ниже воспроизводится соответствующий рисунок, который надо сопоставлять с аналогичным рисунком 3 , где «ядерным топливом» служил порошок ZrO2•Pd alloy. Можно видеть, что период разогрева сплава Pd-Zr-Ni длится много дольше (почти в 10 раз), подъём температуры существенно меньше, а её спад много медленнее. Однако прямое сравнение этого рисунка с рис. 3 едва ли возможно, имея в виду, в частности, различие в массах «рабочего вещества»: 7 Г — ZrO2•Pd и 18.4 Г — Pd-Zr-Ni.
Дополнительные детали относительно рабочих порошков можно найти в литературе, в частности, в [13].
4. Заключение
Кажется очевидным, что независимое воспроизведение уже проделанных опытов имело бы большое значение при их любом результате.
Какие модификации уже проделанных экспериментов могли бы быть сделаны?
- Представляется важным сосредоточиться в первую очередь не на измерениях избыточного тепловыделения (поскольку точность таких измерений невелика), а на максимально достоверном обнаружении появления гелия как на наиболее ярком свидетельстве протекания ядерной реакции синтеза.
- Следовало бы попытаться осуществить контроль количества гелия в реакторе во времени, что не было сделано японскими исследователями. Это особенно интересно, имея в виду график рис. 4, из которого можно предполагать, что процесс синтеза гелия в реакторе продолжается неопределённо долго после напуска в него дейтерия.
- Представляется важным исследовать зависимость описанных процессов от температуры реактора, поскольку теоретические построения [10] учитывают молекулярные колебания. (Можно представить себе, что с ростом температуры реактора вероятность ядерного синтеза увеличивается).
Как трактует Yoshiaki Arata (и Э.Н.Цыганов) появление избыточного тепла?
Они полагают, что в кристаллической решётке металла происходит (с очень малой вероятностью) слияние ядер дейтерия в ядра гелия, процесс практически невозможный при столкновении «голых» ядер в плазме. Особенностью этой реакции служит отсутствие нейтронов — чистый процесс! (вопрос о механизме перехода энергии возбуждения ядра гелия в тепло остаётся открытым).
Похоже, что надо проверить!
Цитированная литература.
1. D. V. Balin, V. A.Ganzha, S.M.Kozlov, E.M.Maev, G. E. Petrov, M. A. Soroka, G.N. Schapkin, G.G. Semenchuk, V. A. Trofimov, A. A. Vasiliev, A. A. Vorobyov, N. I. Voropaev, C. Petitjean, B.Gartnerc, B. Laussc,1, J.Marton, J. Zmeskal, T.Case, K.M.Crowe, P. Kammel, F. J. Hartmann M. P. Faifman, HighprecesionstudyofmuoncatalyzedfusioninD2andHDgases, Физика элементарных частиц и атомного ядра, 2011, т. 42, вып.2.
2. Fleischmann, M., S. Pons, and M. Hawkins, Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium. J. Electroanal. Chem., 1989. 261: p. 301 and errata in Vol. 263.
3. M. Fleischmann, S.Pons. M.W. Anderson. L.J. Li, M. Hawkins, J. Electroanal. Chem. 287 (1990) 293.
4. S. Pons, M. Fleischmann, J. Chim. Phys. 93 (1996) 711.
5. W.M. Mueller, J.P. Blackledge and G.G. Libowitz, Metal Hydrides, Academic Press, New York, 1968; G. Bambakadis (Ed.), Metal Hydrides, Plenum Press, New York, 1981.
6. Jean-Paul Biberian, J. Condensed Matter Nucl. Sci. 2 (2009) 1–6
7. http://lenr-canr.org/acrobat/StormsEastudentsg.pdf
8. Е.Б.Александров «Чудо-миксер или новое пришествие вечного двигателя», сборник «В защиту науки», №6, 2011.
9. http://www.lenr-canr.org/News.htm ; http://mykola.ru/archives/2740;
http://www.atomic-energy.ru/smi/2011/11/09/28437
10. Э.Н.Цыганов, «ХОЛОДНЫЙ ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ», ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2012, том 75, №2, с. 174–180
11. А.И.Егоров, ПИЯФ, частное сообщение.
12. Y. Arata and Y. Zhang, «The Establishment of Solid Nuclear Fusion Reactor», J. High Temp. Soc. 34, P. 85-93 (2008). (Статьянаяпонскомязыке, аннотацияпо-английски). Изложение этих экспериментов по-английски имеется по адресу
http://newenergytimes.com/v2/news/2008/NET29-8dd54geg.shtml#sputnik
Under the Hood: The Arata-Zhang Osaka University LENR Demonstration
By Steven B. Krivit
[This is a follow-up article to "Japan's Sputnik? The Arata-Zhang Osaka University LENR Demonstration."]
April 28, 2012
International Low Energy Nuclear Reactions Symposium, ILENRS-12
The College of William and Mary, Sadler Center, Williamsburg, Virginia
July 1-3, 2012
13. Публикация относительно технологии получения рабочей порошковой матрицы:
“Hydrogen absorption of nanoscale Pd particles embedded in ZrO2 matrix prepared from Zr-Pd amorphous alloys”.
Shin-ichi Yamaura, Ken-ichiro Sasamori, Hisamichi Kimura, Akihisa Inoue, Yue Chang Zhang, Yoshiaki Arata, J. Mater. Res., Vol. 17, No. 6, pp. 1329-1334, June 2002
24 Июн 2012
