НАСА выбирает средний путь между холодным и термоядерным синтезом

Ранее мы уже рассказывали о большом внимании, которое уделяется в НАСА исследованиям холодного ядерного синтеза (см. перевод новогоднего интервью ведущего научного эксперта Исследовательского центра НАСА Лэнгли Денниса Бушнела порталу Medium «НАСА и РАН: 22 года исследований и травли холодного ядерного синтеза»).

В новой статье известного немецкого учёного и популяризатора науки Джонатана Тенненбаума «NASA lands on a middle path to nuclear fusion», опубликованной на портале Asia Times, рассказывается об оригинальном подходе ученых центра Лэнгли к получению реакций ядерного синтеза в дейтерированных кристаллических решетках титана и эрбия.

* * *

Ранее в этом году группа ученых из Исследовательского центра Гленна НАСА сообщила о новом многообещающем методе получения реакций ядерного синтеза в твердотельных материалах, которые они назвали «ядерный синтез в кристаллической решётке» (lattice confinement fusion).

Экспериментальные результаты и теоретический анализ были опубликованы в виде отдельных статей в апрельском номере 2020 года в авторитетном журнале по ядерной физике Physical Review C.

Bruce M. Steinetz et al. Novel nuclear reactions observed in bremsstrahlung-irradiated deuterated metals // Phys. Rev. C 101, 044610 — Published 20 April 2020.

Vladimir Pines et al. Nuclear fusion reactions in deuterated metals // Phys. Rev. C 101, 044609 — Published 20 April 2020.

Помимо их большого научного интереса, результаты демонстрируют новый подход к реализации ядерного синтеза как практического источника энергии, который использует так называемый эффект «электронного экранирования» для резкого увеличения скорости синтеза и других ядерных реакций.

Как я объясню ниже, «экранирование электронов» — хорошо известное явление в термоядерном поле, но величина эффекта, полученного в описанных экспериментах, намного больше, чем ожидалось ранее. Причина, очевидно, кроется в особой физической среде, создаваемой внутри кристаллической решетки определенных элементов.

В экспериментах в Исследовательском центре Гленна гамма-лучи использовались для запуска термоядерных реакций в кристаллах титана или эрбия, которые были заполнены до высокой плотности ядрами дейтерия — термоядерного топлива.

Такие «дейтерированные» материалы могут хранить дейтерий с высокой плотностью, при этом дейтроны оказываются в каждой из ячеек кристаллической решетки. Ниже я буду использовать стандартный термин «дейтрон» для ядра дейтерия.

Проникая в кристалл, гамма-лучи запускают каскады ядерных реакций с высвобождением энергии, включая не только реакции синтеза дейтерия с дейтерием, но и процессы ядерной трансмутации с участием ядер материала-хозяина.

Схема источника гамма-излучения (состоящего из ускорителя электронного пучка с танталовой мишенью), лотка для образцов и инструментов, расположенных в экранированной камере

Результаты, представленные в Physical Review C, предполагают, хотя и не доказывают, что метод может быть оптимизирован для получения полезного количества чистой энергии в будущем. Самое главное, они показывают, как можно резко снизить энергетический порог, при котором могут происходить реакции синтеза, и значительно повысить скорость реакций.

Термоядерный синтез в кристаллической решётке можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между обычным «горячим» термоядерным синтезом и аномальным явлением так называемых низкоэнергетических ядерных реакций (LENR) в дейтерированных материалах, более известного под общим названием «холодный синтез» (см. «Старый холодный ядерный синтез — новый источник энергии! Часть 1» и «Часть 2»).

В экспериментах по термоядерному синтезу в кристаллической решетке материал-хозяин — титан или эрбий — оставался при комнатной температуре, в то время как небольшая часть дейтронов внутри решетки нагревалась до температур «горячего синтеза» за счет взаимодействия с высокоэнергетическими гамма-лучами. Ниже я опишу этот процесс более подробно.

Хотя феномен низкоэнергетических реакции (LENR) остается спорным, а удовлетворительного объяснения наблюдаемых явлений LENR все ещё отсутствует, синтез с удержанием в кристаллической решетке имеет прочную теоретическую основу в рамках стандартной ядерной физики и физики твердого тела.

Фактически, исследование «горячего» термоядерного синтеза в кристаллической решётке может пролить полезный свет на то, что на самом деле происходит в экспериментах LENR. Прежде чем переходить к некоторым деталям процесса ядерного синтеза в кристаллических решётках, может оказаться полезным обратиться к истории.

Кулоновский барьер

Как хорошо известно, главная трудность ядерного синтеза состоит в том, что атомные ядра заряжены положительно и поэтому отталкиваются друг от друга. Это вытекает из законов электростатики, установленных Шарлем Огюстеном де Кулоном еще в XVIII веке.

Чтобы два ядра прореагировали, их нужно прижать очень близко друг к другу. Это означает работу против силы отталкивания, сила которой быстро растет по мере приближения ядер друг к другу. Ученые термоядерного синтеза называют это явление «кулоновским барьером».

Только на расстояниях порядка долей миллионной миллионной доли сантиметра, сравнимых с диаметром самих ядер, так называемые сильные ядерные силы вступают в действие, сближая ядра и вызывая синтез. Эти силы на порядки сильнее электростатических сил, но имеют гораздо меньший радиус действия.

Это предполагает два пути преодоления кулоновского барьера. Один из них заключается в приложении к топливу такого огромного давления, что его ядра сжимаются до критического расстояния, на которое начинают действовать ядерные силы. Что-то подобное происходит в недрах некоторых звезд, но в настоящее время этот вариант достижения ядерного синтеза находится далеко за пределами человеческих возможностей.

Второй основной подход состоит в том, чтобы разогнать ядра до такой скорости, чтобы при столкновении их импульса было достаточно для преодоления сил отталкивания. Стандартный метод достижения необходимых скоростей термоядерного топлива — это его нагрев до очень высокой температуры, отсюда и название «горячий термоядерный синтез».

Современные лазерные и так называемые термоядерные устройства с магнитным удержанием работают при температурах 100 млн градусов и более. Пока они не могут производить больше энергии за счет реакций синтеза, чем потребляется самими устройствами.

К счастью, ситуация с так называемым кулоновским барьером сложнее, чем только что описанная. Я говорю «к счастью», потому что сложность даёт возможность реализовать синтез ядер намного проще. Вот в чем суть синтеза в кристаллической решётке.

Данная стратегия предполагает более эффективное использование двух хорошо известных физических механизмов, которые задействованы во всех формах синтеза: «туннельного эффекта» и «экранирования электронов».

Невозможное стало возможным

Туннельный эффект — следствие законов квантовой физики.

Согласно классической физике — физике, известной до открытия квантовой теории в 1920-х годах — сила отталкивания между двумя ядрами определяет абсолютный барьер для их синтеза в следующем смысле: если два ядра сталкиваются со скоростями ниже порогового значения, рассчитанного на основе классических принципов, то буквально в 100% случаев ядра просто отскакивают друг от друга.

Таким образом, реакции синтеза никогда не произойдет.

На самом деле эксперименты обнаруживают небольшое количество реакций синтеза даже для скоростей, значительно ниже классического порога. Некоторые ядра, кажется, обманывают законы классической физики. Они каким-то образом «туннелируют» через кулоновский барьер, то есть ведут себя так, как будто его вообще нет.

Квантовая механика интерпретирует этот туннельный эффект как следствие волновой природы физических процессов микроскопического масштаба. Оставляя в стороне научную строгость, вот краткий обзор задействованного принципа:

Волна, связанная с частицей, распространяется по всему пространству, и ни одна область не является для нее на 100% непрозрачной в смысле возможности заблокировать её прохождение. Согласно квантовой механике, частица может появиться везде, где амплитуда волны отличается от нуля.

Когда два ядра движутся навстречу друг другу, их волны распространяются перед ними. Как и в случае распространения света через толстый кусок темного стекла, кулоновский барьер может ослаблять волны, но не блокировать их полностью.

В результате волны неизбежно будут перекрываться. Это означает ненулевую вероятность того, что ядра выскочат вместе в непосредственной близости друг от друга в пределах критического расстояния, необходимого, чтобы произошла реакция синтеза.

Квантовая механика также предсказывает, что вероятность туннелирования чрезвычайно чувствительна к высоте барьера, который, в свою очередь, зависит от силы отталкивания, действующей на ядра.

Эффект экранирования электронов

Это создает основу для так называемого эффекта электронного экранирования. В реальном мире, будь то звезды или термоядерные эксперименты, в окружающей среде ядер всегда присутствуют электроны.

Это справедливо также для высоких температур, когда электроны больше не связаны с ядрами в атомах, а более или менее свободно перемещаются или роятся в плазме. Электроны многочисленны и имеют высокую плотность внутри кристаллов, что непосредственно связано с термоядерным синтезом в кристаллической решетке.

Будучи отрицательно заряженными, электроны стремятся уравновесить электрические поля положительно заряженных ядер. Например: если электрон оказывается рядом с дейтроном, имеющим равный и противоположный электрический заряд, то их поля будут иметь тенденцию к ослаблению. Таким образом, сближающиеся дейтроны будет испытывать гораздо меньшую силу отталкивания.

Электрон в этом случае в большей или меньшей степени экранировал электрическое поле одного из ядер, поэтому объединить становится гораздо легче. Тот же принцип применим к более сложным ситуациям из реальной жизни, например, когда дейтроны встроены в структуру решетки кристалла.

Здесь степень экранирования зависит от распределения электронов, их подвижности и других факторов. При благоприятных условиях экранирование электронов может существенно снизить кулоновский барьер для синтеза, значительно увеличивая вероятность туннелирования и увеличивая скорость реакции, потенциально на порядки.

О существовании экранирующего эффекта известно давно. В то время как экранирование играет роль практически во всех процессах ядерного синтеза, основные подходы к синтезу не в полной мере используют этот эффект. Между тем различные эксперименты показали, что эффект экранирования может быть неожиданно большим, когда ядра заключены в кристаллическую решетку.

Выбор оптимальных материалов и кристаллических структур является ключом к стратегии слияния в кристаллической решетки. Похоже, что кристаллы титана и эрбия, использованные в экспериментах НАСА, обеспечивают идеальную среду для экранирования электронов.

Важно, что титан и эрбий — металлы и проводники электричества. Это означает, что часть их электронов очень подвижна, что увеличивает потенциал для эффективного экранирования.

Ели вернуться к экспериментам НАСА, то их особенность заключается в косвенном методе, используемом для нагрева части дейтронов в кристаллической решетке, достаточного для, чтобы вызвать первую волну реакций ядерного синтеза.

Процесс запускается гамма-лучами, создаваемыми с помощью генератора высокоэнергетических пучков электронов и металлической танталовой мишени.

Когда электроны сталкиваются с мишенью, они испускают часть своей энергии в виде электромагнитного излучения, которое физики называют тормозным излучением, или «разрушающим излучением». При энергиях используемых в экспериментах электронов в миллионы электрон-вольт это излучение принимает форму гамма-лучей.

Образцы дейтерированных кристаллов располагаются под источником гамма-излучения, который применяется в импульсном режиме.

Гамма-излучение заставляет некоторые дейтроны внутри кристаллической решетки разделяться на свои ядерные составляющие, которые разлетаются с большой скоростью. Каждый дейтрон состоит из одного протона, связанного с одним нейтроном.

Образующиеся таким образом протоны и нейтроны высоких энергий продолжают сталкиваться с другими дейтронами, ускоряя их до высоких скоростей. Как оказалось, нейтроны особенно эффективны в передаче энергии дейтронам, «нагревая» их в этом смысле.

Схематическая иллюстрация основных элементов процесса ядерного синтеза в кристаллической решётке

(A) кристаллическая решетка эрбия заполненная дейтерием (дейтерид эрбия), которые существуют в ней в виде дейтронов. При облучении пучком фотонов дейтрон распадается на нейтрон и протон. Вылетевший нейтрон сталкивается с другим дейтроном, ускоряя его до состояния «d*», как видно на (B) и (D). «d» вызывает либо экранированный синтез ©, либо экранированные реакции Оппенгеймера-Филлипса (OP) (E). В © ускоренный «d*» сталкивается со статическим дейтроном «d» в решетке, и они сливаются вместе. Эта реакция синтеза высвобождает нейтрон и гелий-3 (показано) или протон и тритий. Полученные продукты могут также реагировать в последующих ядерных реакциях, выделяя больше энергии. В (E), протон отделяется от ускоренного «d*» и захватывается атомом эрбия (Er), который затем превращается в другой элемент, тулий™. Если вместо этого нейтрон захватывается Er, образуется новый изотоп Er (не показан). Источник: NASA Glenn Research Center.

Это только начало истории. Благодаря эффекту экранирования электронов, столкновения «горячих» дейтронов с другими дейтронами в решетке приводят к значительному количеству реакций синтеза. Среди продуктов этих реакций — нейтроны высоких энергий, последующие столкновения которых генерируют еще больше «горячих» дейтронов, которые, в свою очередь, порождают больше реакций синтеза и нейтронов, и так далее.

Таким образом, поглощение гамма-лучей небольшим числом ядер дейтерия вызывает целый каскад реакций синтеза с выделением энергии. По разным причинам это процесс не является самоподдерживающимся и быстро заканчивается при выключении источника гамма-излучения.

Есть еще один интересный поворот в этой истории. Анализ данных нейтронных детекторов выявил несколько отчетливых энергетических пиков. Два из них соответствовали ожидаемому энергетическому спектру нейтронов, образующихся в реакциях первичного и вторичного DD-синтеза.

Третий пик с более высокой энергией показывает, что в образцах происходили другие типы ядерных реакций, так называемые реакции Оппенгеймера-Филлипса, которые преобразуют ядра материала-хозяина в другие химические элементы. Здесь также решающую роль играет эффект экранирования электронов.

Наличие реакций трансмутации предполагает возможное применение ядерного синтеза в кристаллической решётке для производства редких изотопов для медицинских и других целей. Основной интерес НАСА, естественно, заключается в разработке источников термоядерной энергии для длительных миссий в дальний космос и для космических двигателей.

Последнее замечание

Помимо очевидной научной ценности, представленные результаты ещё раз демонстрируют важность более широкого подхода к термоядерному синтезу, который обеспечит поддержку новаторских подходов и небольшим экспериментам.

Без сомнения, они могут гораздо быстрее привести нас к реализации безопасной и недорогой термоядерной энергии, чем гигантские проекты, на которые уходит большая часть средств. Дополнительную информацию о Fusion решетки, включая видео и технические отчеты, можно найти на веб-сайте Glenn Research Center.