Холодный синтез: миф и реальность

23 марта 1989 года Университет Юты сообщил в пресс-релизе, что «двое ученых запустили самоподдерживающуюся реакцию ядерного синтеза при комнатной температуре». Президент университета Чейз Петерсон заявил, что это эпохальное достижение сравнимо лишь с овладением огнем, открытием электричества и окультуриванием растений. Законодатели штата срочно выделили $5 млн на учреждение Национального института холодного синтеза, а университет запросил у Конгресса США еще 25 млн. Так начался один из самых громких научных скандалов XX века. Печать и телевидение мгновенно разнесли новость по миру.

Ученые, сделавшие сенсационное заявление, вроде бы имели солидную репутацию и вполне заслуживали доверия. Переселившийся в США из Великобритании член Королевского общества и экс-президент Международного общества электрохимиков Мартин Флейшман обладал международной известностью, заработанной участием в открытии поверхностно-усиленного рамановского рассеяния света. Соавтор открытия Стэнли Понс возглавлял химический факультет Университета Юты.

Так что же это все таки, миф или реальность ?


Источник дешевой энергии

Флейшман и Понс утверждали, что они заставили ядра дейтерия сливаться друг с другом при обычных температурах и давлениях. Их «реактор холодного синтеза» представлял собой калориметр с водным раствором соли, через который пропускали электрический ток. Правда, вода была не простой, а тяжелой, D2O, катод был сделан из палладия, а в состав растворенной соли входили литий и дейтерий. Через раствор месяцами безостановочно пропускали постоянный ток, так что на аноде выделялся кислород, а на катоде — тяжелый водород. Флейшман и Понс якобы обнаружили, что температура электролита периодически возрастала на десятки градусов, а иногда и больше, хотя источник питания давал стабильную мощность. Они объяснили это поступлением внутриядерной энергии, выделяющейся при слиянии ядер дейтерия.

Палладий обладает уникальной способностью к поглощению водорода. Флейшман и Понс уверовали, что внутри кристаллической решетки этого металла атомы дейтерия столь сильно сближаются, что их ядра сливаются в ядра основного изотопа гелия. Этот процесс идет с выделением энергии, которая, согласно их гипотезе, нагревала электролит. Объяснение подкупало простотой и вполне убеждало политиков, журналистов и даже химиков.





Физики вносят ясность

Однако физики-ядерщики и специалисты по физике плазмы не спешили бить в литавры. Они-то прекрасно знали, что два дейтрона в принципе могут дать начало ядру гелия-4 и высокоэнергичному гамма-кванту, но шансы подобного исхода крайне малы. Даже если дейтроны вступают в ядерную реакцию, она почти наверняка завершается рождением ядра трития и протона или же возникновением нейтрона и ядра гелия-3, причем вероятности этих превращений примерно одинаковы. Если внутри палладия действительно идет ядерный синтез, то он должен порождать большое число нейтронов вполне определенной энергии (около 2,45 МэВ). Их нетрудно обнаружить либо непосредственно (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 поддается регистрации). В общем, гипотезу Флейшмана и Понса можно было бы подтвердить с помощью стандартной радиометрической аппаратуры.

Однако из этого ничего не вышло. Флейшман использовал связи на родине и убедил сотрудников британского ядерного центра в Харуэлле проверить его «реактор» на предмет генерации нейтронов. Харуэлл располагал сверхчувствительными детекторами этих частиц, но они не показали ничего! Поиск гамма-лучей соответствующей энергии тоже обернулся неудачей. К такому же заключению пришли и физики из Университета Юты. Сотрудники Массачусетского технологического института попытались воспроизвести эксперименты Флейшмана и Понса, но опять же безрезультатно. Поэтому не стоит удивляться, что заявка на великое открытие подверглась сокрушительному разгрому на конференции Американского физического общества (АФО), которая состоялась в Балтиморе 1 мая того же года.





Sic transit gloria mundi

От этого удара Понс и Флейшман уже не оправились. В газете New York Times появилась разгромная статья, а к концу мая научное сообщество пришло к выводу, что претензии химиков из Юты — либо проявление крайней некомпетентности, либо элементарное жульничество.

Но имелись и диссиденты, даже среди научной элиты. Эксцентричный нобелевский лауреат Джулиан Швингер, один из создателей квантовой электродинамики, настолько уверовал в открытие химиков из Солт-Лейк-Сити, что в знак протеста аннулировал свое членство в АФО.

Тем не менее академическая карьера Флейшмана и Понса завершилась — быстро и бесславно. В 1992 году они ушли из Университета Юты и на японские деньги продолжали свои работы во Франции, пока не лишились и этого финансирования. Флейшман возвратился в Англию, где живет на пенсии. Понс отказался от американского гражданства и поселился во Франции.





Пироэлектрический холодный синтез

Холодный ядерный синтез на настольных аппаратах не только возможен, но и осуществлен, причем в нескольких версиях. Так, в 2005 году исследователям из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе удалось запустить подобную реакцию в контейнере с дейтерием, внутри которого было создано электростатическое поле. Его источником служила вольфрамовая игла, подсоединенная к пироэлектрическому кристаллу танталата лития, при охлаждении и последующем нагревании которого создавалась разность потенциалов 100−120 кВ. Поле напряженностью порядка 25 ГВ/м полностью ионизировало атомы дейтерия и так разгоняло его ядра, что при столкновении с мишенью из дейтерида эрбия они давали начало ядрам гелия-3 и нейтронам. Пиковый нейтронный поток составил порядка 900 нейтронов в секунду (в несколько сотен раз выше типичного фонового значения). Хотя такая система имеет перспективы в качестве генератора нейтронов, говорить о ней как об источнике энергии нельзя. Подобные устройства потребляют намного больше энергии, чем генерируют: в экспериментах калифорнийских ученых в одном цикле охлаждения-нагревания длительностью несколько минут выделялось примерно 10-8 Дж (на 11 порядков меньше, чем нужно для нагрева стакана воды на 1°С).





На этом история не заканчивается.

В начале 2011 года в мире науки вновь вспыхнул интерес к холодному термоядерному синтезу, или, как его называют отечественные физики, холодному термояду. Поводом для этого ажиотажа послужила демонстрация итальянскими учеными Серджио Фокарди и Андреа Росси из Университета Болоньи необычной установки, в которой, по словам ее разработчиков, этот синтез осуществляется достаточно легко.

В общих чертах работает этот аппарат так. В металлическую трубку с электрическим подогревателем помещаются нанопорошок никеля и обычный изотоп водорода. Далее нагнетается давление около 80 атмосфер. При первоначальном нагреве до высокой температуры (сотни градусов), как говорят ученые, часть молекул H2 разделяется на атомарный водород, далее тот вступает в ядерную реакцию с никелем.

В результате этой реакции порождается изотоп меди, а также большое количество тепловой энергии. Андреа Росси объяснил, что при первых испытаниях прибора они получали от него около 10-12 киловатт на выходе, в то время как на входе система требовала в среднем 600-700 ватт (имеется в виду электроэнергия, поступающая в прибор при включении его в розетку). По всему получалось, что производство энергии в данном случае было многократно выше затрат, а ведь именно этого эффекта в свое время ждали от холодного термояда.

Тем не менее, по сообщению разработчиков, в данном приборе пока вступает в реакцию далеко не весь водород и никель, а очень малая их доля. Однако ученые уверены, что то, что происходит внутри, представляет собой именно ядерные реакции. Доказательством этого они считают: появление меди в большем количестве, чем могла бы составлять примесь в исходном "топливе" (то есть никеле); отсутствие большого (то есть измеримого) расхода водорода (поскольку он ведь мог бы выступать как топливо в химической реакции); выделяемое тепловое излучение; ну и, конечно, сам энергетический баланс.

Итак, неужели итальянским физикам все-таки удалось добиться термоядерного синтеза при низких температурах (сотни градусов Цельсия — это ничто для подобных реакций, которые обычно идут при миллионах градусах Кельвина!)? Сложно сказать, поскольку до сих пор все рецензируемые научные журналы даже отклонили статьи ее авторов. Скептицизм многих ученых вполне понятен — уже много лет слова "холодный синтез" вызывают у физиков усмешку и ассоциации с вечным двигателем. Кроме того, сами авторы устройства честно признают, что тонкие детали его работы пока остаются вне их понимания.

Что же это за такой неуловимый холодный термояд, доказать возможность протекания которого многие ученые пытаются уже не один десяток лет? Для того чтобы понять сущность данной реакции, а также перспективность подобных исследований, давайте сначала поговорим о том, что такое вообще термоядерный синтез. Под этим термином понимают процесс, при котором происходит синтез более тяжелых атомных ядер из более легких. При этом выделяется огромное количество энергии, куда больше, чем при ядерных реакциях распада радиоактивных элементов.

Подобные процессы постоянно происходят на Солнце и других звездах, из-за чего они могут выделять и свет, и тепло. Так, например, каждую секунду наше Солнце излучает в космическое пространство энергию, эквивалентную четырем миллионам тонн массы. Эта энергия рождается в ходе слияния четырех ядер водорода (проще говоря, протонов) в ядро гелия. При этом на выходе в результате превращения одного грамма протонов выделяется в 20 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании грамма каменного угля. Согласитесь, подобное весьма впечатляет.

Но неужели люди не могут создать реактор, подобный Солнцу, для того чтобы производить большое количество энергии для своих нужд? Теоретически, конечно, могут, поскольку прямой запрет на такое устройство не устанавливает ни один из законов физики. Тем не менее, сделать это достаточно сложно, и вот почему: данный синтез требует очень высокой температуры и такого же нереально высокого давления. Поэтому создание классического термоядерного реактора получается экономически невыгодным — на то, чтобы запустить его, нужно будет затратить куда больше энергии, чем он сможет выработать за последующие несколько лет работы.

Возвращаясь к итальянским первооткрывателям приходится признать, что и сами «ученые» не внушают особого доверия, ни своими прошлыми достижениями, ни своим нынешним положением. Имя Серджио Фокарди до сих пор было мало кому известно, но зато благодаря своему ученому званию профессора, можно хотя бы не сомневаться в его причастности к науке. А вот в отношении коллеги по открытию, Андреа Росси, такого уже не скажешь. На данный момент Андреа является сотрудником некой американской корпорации Leonardo Corp, и в свое время отличился лишь привлечением к суду за уклонение от уплаты налогов и контрабанду серебра из Швейцарии. Но и на этом «плохие» новости для сторонников холодного термоядерного синтеза не закончились. Выяснилось, что научный журнал Journal of Nuclear Physics, в котором были опубликованы статьи итальянцев о своем открытие, на самом деле представляет собой скорее блог, а неполноценный журнал. И, вдобавок, его владельцами оказались ни кто иные, как уже знакомые итальянцы Серджио Фокарди и Андреа Росси. А ведь публикация в серьезных научных изданиях служит подтверждением «правдоподобности» открытия.

Не остановившись на достигнутом, и капнув еще глубже, журналисты также выяснили, что идея представленного проекта принадлежит совершенного другому человеку — итальянскому ученому Франческо Пьянтелли. Похоже, именно на этом, бесславно и закончилась очередная сенсация, и мир в очередной раз лишился «вечного двигателя». Но как, не без иронии, утешают себя итальянцы, если это всего лишь выдумка, то, по-крайней мере, она не лишена остроумия, ведь одно дело разыграть знакомых и совсем другое, попытаться обвести вокруг пальца целый мир.






Но ...

В настоящее время все права на данное устройство принадлежат американской компании Industrial Heat, где Росси возглавляет всю научно-исследовательскую и конструкторскую деятельность в отношении реактора. 

Существуют низкотемпературная (E-Cat) и высокотемпературная (Hot Cat) версии реактора. Первая для температур примерно 100-200 °C, вторая для температур порядка 800-1400 °C. В настоящее время компания продала низкотемпературный реактор на 1МВт неназванному заказчику для коммерческого использования и, в частности, на этом реакторе Industrial Heat проводит тестирование и отладку для того, чтобы начать полномасштабное промышленное производство подобных энергетических блоков. Как заявляет Андреа Росси, реактор работает главным образом за счет реакции между никелем и водородом, в ходе которой происходит трансмутация изотопов никеля с выделением большого количества тепла. Т.е. одни изотопы никеля переходят в другие изотопы. Тем не менее был проведен ряд независимых испытаний, наиболее информативным из которых было испытание высокотемпературной версии реактора в швейцарском городе Лугано. Об этом испытании уже писали здесь.



Еще в 2012 году сообщалось, что продана первая установка холодного синтеза Росси.

27 декабря на сайте E-Cat World была опубликована статья о независимом воспроизведении реактора Росси в России. В этой же статье содержится ссылка на доклад «Исследование аналога высокотемпературного теплогенератора Росси» физика Пархомова Александра Георгиевича. Доклад подготовлен для всероссийского физического семинара «Холодный ядерный синтез и шаровая молния», который прошел 25 сентября 2014 года в Российском университете дружбы народов. 

В докладе автор представил свою версию реактора Росси, данные по его внутреннему устройству и проведенным испытаниям. Главным вывод: реактор действительно выделяет больше энергии, чем потребляет. Отношение выделенного тепла к потребленной энергии составило 2.58. Более того, около 8 минут реактор проработал вообще без подачи входной мощности, после того, как питающий провод перегорел, производя при этом около киловата тепловой мощности на выходе.



В 2015 году А.Г. Пархомову удалось сделать длительно работающий реактор с замером давления. С 23:30 16 марта температура держится до сих пор. Фото реактора.

Наконец, удалось сделать длительно работающий реактор. Температура 1200оС достигнута в 23:30 16 марта после 12- часового постепенного нагрева и держится до сих пор. Мощность нагревателя 300 Вт, COP=3.
Впервые успешно удалось вмонтировать в установку манометр. При медленном нагреве максимальное давление 5 бар было достигнуто при 200оС, потом давление снижалось и при температуре около 1000оС стало отрицательным. Наиболее сильный вакуум около 0,5 бар был при температуре 1150оС.

При длительной непрерывной работе нет возможности круглосуточно подливать воду. Поэтому пришлось отказаться от использованной в предыдущих экспериментах калориметрии, основанной на измерении массы испарившейся воды. Определение теплового коэффициента в этом эксперименте проводится путем сравнения потребляемой электронагревателем мощности при наличии и отсутствии топливной смеси. Без топлива температура 1200оС достигается при мощности около 1070 Вт. При наличии топлива (630 мг никеля +60 мг алюмогидрида лития) такая температура достигается при мощности около 330 Вт. Таким образом, реактор вырабатывает около 700 Вт избыточной мощности (COP ~ 3,2). (Объяснение А.Г. Пархомова, более точное значение СОР требует более детального расчета)

Посмотрим что будет дальше ...

Источник