Старый холодный ядерный синтез — новый источник энергии! Часть 1

О возросшей популярности холодного синтеза пишет в своей статье «Холодный синтез 1: новый источник энергии» для портала Asia Times Джонатан Тенненбаум.

* * *

Ядерный реактор размером с настольный компьютер, который генерирует энергию без радиоактивности, — это слишком смелое предположение для того, чтобы быть правдой. Действительно, открытие новой формы ядерной энергии, называемой «холодный синтез», провозглашенное в 1989 году химиками Мартином Флейшманном и Стэнли Понсом, уже давно отвергается основной частью научного сообщества и признаётся им результатом ошибочного измерения или даже самообмана.

Некоторые ученые, однако, продолжают не соглашаться с таким утверждением и находят всё больше и больше доказательств того, что получение ядерной энергии без радиации действительно происходит в тех условиях, которые были созданы Флейшманном и Понсом: в кристаллических материалах, насыщенных большим количеством водорода или его нерадиоактивного изотопа дейтерия.

Сочетание трех факторов — накопление достоверных экспериментальных результатов в течение последующих 30 с лишним лет, решение основных проблем воспроизводимости результатов и постоянно совершенствующаяся технологическая база — довело холодный синтез до точки прорыва.

Крупные игроки незаметно вкладывают значительные суммы в исследования холодного синтеза, получая результаты, которые могут оказаться переломным моментом для мировой энергетики. Япония и США в этом вопросе ушли далеко вперед.

Со стороны Японии, которая в настоящее время является лидером в этой области, спонсорами технологий холодного синтеза являются Mitsubishi Heavy Industries, Mitsubishi Estate Company, Toyota, Nissan, Tanaka Precious Metals и Miura Corporation — крупнейший производитель отопительного оборудования.

Со стороны США активизировался Google, оказывая спонсорскую поддержку исследованиям холодного синтеза в нескольких университетах. Также компания работает над привлечением перспективных молодых ученых к исследованиям холодного синтеза. Еще один видный американский инвестор — Том Дарден (Cherokee Investment Partners, Industrial Heat). Не секрет, что и Билл Гейтс, помимо своей активности в отношении других ядерных технологий будущего, также занимается и холодным синтезом.

БУДЬТЕ В КУРСЕ

• 12.11.20   НАСА выбирает средний путь между холодным и термоядерным синтезом
• 24.10.20   Старый холодный ядерный синтез — новый источник энергии! Часть 2
• 16.10.20   О том, как лазерный термояд родился холодным

Волна интереса к холодному синтезу поднялась за кулисами 22-й Международной конференции по ядерной науке о конденсированных средах (ICCF-22) в Ассизи, в Италии, в начале этого года.

Ядерная физика конденсированного состояния — это техническое название новой области науки и техники, появившейся за 30 с лишним лет с момента первого объявления о холодном синтезе. В этой и следующих статьях дается научно-популярный обзор того, как обстоят дела на данный момент.

Предыстория

Чем занимались Флейшманн и Понс в 1989 году? Если говорить простыми словами, они использовали электрический ток для того, чтобы заставить большое количество дейтерия попасть в слиток металлического палладия. По прошествии определенного времени стержень начал выделять больше тепла, чем можно было бы отнести к подводимой энергии. В некоторых из этих экспериментов избыток тепла выделялся в течение нескольких дней, высвобождая чистое количество энергии в сотни раз больше, чем можно было объяснить любой известной химической реакцией.

Флейшманн и Понс пришли к выводу, что источником должны быть реакции ядерного синтеза, в данном конкретном случае — слияние двух ядер дейтерия в ядро гелия.

Реакции термоядерного синтеза уже давно известны как источник энергии Солнца, а также водородной бомбы, первой и пока единственной реализации применения энергии термоядерного синтеза в значительных масштабах.

Самая большая проблема состоит в том, что ядра водорода, будучи положительно заряженными, отталкиваются друг от друга. Чтобы подвести их настолько близко, чтобы начались реакции синтеза, нужно либо сжать водородное топливо до практически нереализуемых плотностей, либо заставить ядра в топливе столкнуться друг с другом с высокими скоростями — скоростями, эквивалентными температурам в десятки миллионов градусов. По крайней мере так нас учит обычная ядерная физика.

В то же время реакции синтеза неизменно выделяют большое количество высокоэнергетического излучения, которое может быть смертельным для человека и превращать находящиеся поблизости материалы в радиоактивные.

Существуют технологии, позволяющие достичь требуемых температур в контролируемых условиях; но, несмотря на миллиарды долларов инвестиций в реакторы для испытания термоядерного синтеза, реализация даже «горячего термоядерного синтеза» в качестве коммерчески жизнеспособного источника энергии все еще кажется невыполнимой задачей. Мы надеемся, что реализуемые инновационные проекты, финансируемые из частных источников, улучшат, по крайней мере, среднесрочные перспективы для появления горячего термоядерного синтеза.

Научная игра в рулетку

Флейшманн и Понс начали с простой, даже наивной идеи. Хорошо известно, что палладий может поглощать большое количество водорода. Фактически палладиевые сплавы использовались как средство хранения водорода в автомобилях с водородным двигателем.

Более того, знакомый химикам процесс электролиза дает возможность «накачать» ядра водорода в палладий с давлением в 10 000 или более раз выше нормального атмосферного давления. Внутри кристалла палладия ядра водорода присутствуют с высокой плотностью и также могут довольно свободно перемещаться.

Упрощенная схема эксперимента Флейшманна-Понса: электрический ток используется для «накачки» ядер дейтерия (D), выделенных из тяжелой воды (D₂O), в палладиевый катод.

Могут ли в данных условиях произойти реакции синтеза? С точки зрения ядерной физики предполагаемые скорости реакции остаются почти бесконечно малыми.

Однако были причины полагать, что ядра могут взаимодействовать по-другому, когда они находятся в плотной кристаллической среде, нежели когда они плавают в вакууме. Кроме того, силы отталкивания между ядрами водорода могут быть значительно ослаблены высокой плотностью электронов в кристаллической решетке. В таких условиях, возможно, стандартные оценки скоростей реакций синтеза могут быть неверными.

Флейшманн и Понс решили провести эксперимент, используя дейтерий (а не обычный водород) из-за его более высокой реакционной способности. Можно понять недоверие научного сообщества в 1989 году, когда двое ученых заявили, что они осуществили ядерный синтез при комнатной температуре — «холодный» синтез — на экспериментальном оборудовании размером со стол.

После этого смелого заявления ученые со всего мира бросились в свои лаборатории, чтобы повторить результаты Флейшманна-Понса. Результат был ужасающим. В подавляющем большинстве случаев — хотя и не во всех — они абсолютно ничего не нашли. Иногда наблюдались отдельные спорадические импульсы тепла, а иногда и небольшое количество излучения, но в основном это объяснялось ложными причинами или экспериментальной ошибкой.

Лишь небольшая часть учёных, включая самих Флейшманна и Понса, продолжали верить в реальность реакции холодного синтеза. После нескольких лет неутихающих споров научное сообщество по сути отказалось от идеи холодного синтеза. Ведущие научные журналы перестали принимать исследования по этой теме, и государственная финансовая поддержка почти полностью прекратилась.

Усугубило ситуацию и то, что наряду с настоящими учеными появились сомнительные лица и организации, пытающиеся заработать деньги за счет исследований в этой области. В этих мутных водах понятие «холодный синтез» стало ассоциироваться с «патологической наукой», шарлатанством или даже мошенничеством.

Так почему же Google и другие компании проявляют такой интерес к этому якобы «несуществующему» процессу? Одной из причин является болезненная озабоченность проблемой глобального потепления и связанного с этим спроса на технологии без выбросов CO₂, побуждающие правительства и частных инвесторов внимательно рассматривать все возможные варианты, в том числе относящиеся к категории высокого риска и высокой доходности.

По словам Майкла Маккубре, пионера исследований в области холодного синтеза и основного докладчика на конференции ICCF-22, Google на основании своих исследований пришел к выводу, что так называемые возобновляемые источники энергии сами по себе не могут решить энергетическую проблему человечества.

С точки зрения экономической эффективности выработки электроэнергии без выбросов CO₂ осталась только ядерная энергия в той или иной форме: усовершенствованные ядерные реакторы 4-го поколения, которые обещают быть более безопасными и дешевыми, или термоядерный синтез, или… холодный синтез. Почему бы не взглянуть на него еще раз?

30 лет холодного презрения

В начале 1990-х годов малая часть ученых из престижных национальных лабораторий и университетов, особенно в США, Франции, Италии, Японии, Индии, России и Китае, никак не соглашалась с единодушным негативным мнением о холодном синтезе.

В ходе собственных экспериментов они убедились, что явления, описанные Флейшманном и Понсом, хотя и носят эпизодический характер и их невероятно трудно воспроизвести надежным образом, реальны. Они продолжали исследование, часто рискуя при этом своей карьерой и репутацией.

Между тем несколько ведущих физиков-теоретиков отвергли представление о том, что холодный синтез физически невозможен. Среди них были лауреаты Нобелевской премии Джулиан Швингер, Питер Хагельштейн (прославившийся своими работами по рентгеновскому лазеру) и известный квантовый физик Джулиано Препарата.

Они обратили внимание на то, что ядерные процессы в экспериментах Флейшманна-Понса происходят в условиях, которые физики никогда тщательно не изучали. Когда ядра [водорода] встраиваются с высокой плотностью в решетку кристалла, их поведение может радикально измениться. Некоторые основные правила и допущения традиционной ядерной физики больше не работают. Может произойти не только синтез, но и другие ядерные реакции.

Некоторые исследователи предположили, что причиной тепловыделения и других аномальных явлений в экспериментах Флейшманна-Понса могут быть не обычные реакции синтеза между ядрами водорода, а какой-то другой ядерный процесс. Одна из возможностей заключается в том, что в реакции могут участвовать ядра исходного материала, например, палладия. (Пока эти вопросы не изучены, исследователи в этой области в основном предпочитают использовать всеобъемлющий термин «низкоэнергетические ядерные реакции», сокращенно LENR, вместо термина «холодный синтез». Для целей этой статьи я буду придерживаться популярного словосочетания «холодный синтез»).

В последующий период было проведено огромное количество экспериментов не только на установках типа Понса-Флейшманна, но и с множеством других систем, в которых ядра водорода или дейтерия плотно встроены в кристаллические структуры металлов. Объём данных впечатляет. Помимо избыточного тепла, обнаружился целый ряд других аномальных явлений, указывающих на ядерные процессы нового типа.

Некоторые эксперименты показали слабое излучение, подтверждающее наличие ядерных реакций, но на чрезвычайно низких, безвредных уровнях, совершенно несоизмеримых с количеством выделяемого тепла. Неоднократно обнаруживалось, что изотопный состав материала изменялся в ходе эксперимента. Исключая лабораторное загрязнение, единственным объяснением является ядерная трансмутация — превращение одного химического элемента в другой.

Две проблемы

С самого начала перед исследователями холодного синтеза стояли две основные проблемы. Во-первых, как получить избыточное тепло и другие эффекты полностью воспроизводимым образом. Было недостаточно того, что эти эффекты постоянно наблюдались авторитетными учеными в лабораториях во всем мире. Требуется продемонстрировать холодный синтез «по запросу», иначе вряд ли удастся развеять сомнения научного сообщества и снизить предполагаемый риск среди потенциальных инвесторов.

Вторая большая проблема — придумать правдоподобное теоретическое объяснение феномена холодного синтеза, то есть создать теорию, которая может быть проверена экспериментально и может служить руководством для разработки технологий холодного синтеза / LENR и для их последующего коммерческого применения.

Достичь воспроизводимости оказалось намного сложнее, чем предполагалось изначально. Причина, помимо отсутствия средств на исследования, очевидно, кроется в сложности самого физического процесса. На мой взгляд, и судя по конференции ICCF-22, холодный синтез — это не какая-то волшебная пилюля, которая мгновенно решит энергетические проблемы человечества без определенных усилий, заключающихся в фундаментальных и прикладных исследованиях и разработках.

К счастью, после почти 30 лет упорной работы был достигнут большой прогресс в определении необходимых условий для возникновения холодного синтеза и создании технологической базы для будущих коммерческих приложений.

На мой взгляд, существование и воспроизводимость холодного синтеза (или, в более широком смысле, LENR) теперь установлены безо всяких сомнений. Здесь я имею в виду ядерные реакции, генерирующие значительное количество тепла, реализуемые в лабораторных масштабах при умеренных температурах в определенных твердотельных материалах, наполненных с высокой плотностью дейтерием или водородом, которые испускают незначительное количество радиации.

Посетив конференцию ICCF-22, поговорив с исследователями и изучив соответствующие технические публикации, я не думаю, что беспристрастный ученый, внимательно изучающий этот вопрос, может прийти к какому-либо другому выводу.