Холодный термояд. Что такое холодный термоядерный синтез? Холодный термоядерный синтез: принцип

Холодный термоядерный синтез известен как одна из крупнейших научных мистификаций XX века. Долгое время большинство физиков отказывались обсуждать даже саму возможность подобной реакции. Однако недавно два итальянских ученых представили публике установку, которая, по их словам, легко его осуществляет. Неужели этот синтез все-таки возможен?

В начале нынешнего 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 H 2 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.

Именно поэтому многие ученые на протяжении всего XX века пытались осуществить термоядерную реакцию синтеза при низких температурах и обычном давлении, то есть тот самый холодный термояд. Первое сообщение о том, что это возможно, появилось 23 марта 1989 года, когда профессор Мартин Флейшман и его коллега Стенли Понс провели в своем Университете штата Юта пресс-конференцию, где сообщили о том, как они путем почти обычного пропускания тока через электролит получили положительный энергетический выход в виде тепла и зафиксировали идущее от электролита гамма-излучение. То есть провели реакцию холодного термоядерного синтеза.

В июне того же года ученые послали статью с результатами эксперимента в Nature, однако вскоре вокруг их открытия разгорелся настоящий скандал. Дело в том, что исследователи из ведущих научных центров США, Калифорнийского и Массачусетского технологических институтов, в деталях повторили этот эксперимент и подобного не обнаружили. Правда потом последовали два подтверждения, сделанные учеными из Техасского университета "Эй энд Эм" и Института технологических исследований штата Джорджия. Однако и с ними тоже получился конфуз.

При постановке контрольных экспериментов выяснилось, что электрохимики из Техаса неправильно истолковали результаты опыта — в их эксперименте повышенное выделение тепла было вызвано электролизом воды, поскольку термометр служил в качестве второго электрода (катода)! В Джорджии же нейтронные счетчики оказались настолько чувствительными, что реагировали на тепло поднесенной руки. Именно так и был зарегистрирован "выброс нейтронов", который исследователи сочли результатом реакции термоядерного синтеза.

В результате всего этого многие физики преисполнились уверенностью в том, что никакого холодного термояда нет и не может быть, а Флейшман и Понс просто-напросто смошенничали. Тем не менее, другие (а их, к сожалению, явное меньшинство) не верят в мошенничество ученых и даже в то, что здесь была просто ошибка, и надеются, что чистый и практически неисчерпаемый источник энергии сможет быть сконструирован.

К числу последних относится и японский ученый Йосиаки Арата, который несколько лет исследовал проблему холодного термояда и в 2008 году провел в Университете Осака публичный эксперимент, показавший возможность протекания термоядерного синтеза при невысоких температурах. Он и его коллеги использовали особые структуры, состоящие из наночастиц.

Это были специально подготовленные кластеры, состоящие из нескольких сотен атомов палладия. Главная их особенность состояла в том, что они имели внутри обширные пустоты, в которые можно закачивать атомы дейтерия (изотоп водорода) до очень высокой концентрации. И когда эта концентрация превысила определенный предел, данные частицы сблизились друг с другом настолько, что начали сливаться, в результате чего запустилась настоящая термоядерная реакция. Она заключалась в слиянии двух атомов дейтерия в атом лития-4 с выделением тепла.

Доказательством этого служило то, что когда профессор Арата стал добавлять дейтериевый газ к смеси, содержащей упомянутые наночастицы, ее температура поднялась до 70 градусов по Цельсию. После того как газ был отключен, температура в ячейке оставалась повышенной больше 50 часов, причем выделяемая энергия превысила затраченную. По мнению ученого, это можно было объяснить только тем, что произошел ядерный синтез.

Правда, пока эксперимент Араты также не удалось повторить ни в одной лаборатории. Поэтому многие физики продолжают считать холодный термояд мистификацией и шарлатанством. Однако сам Арата отрицает подобные обвинения, упрекая оппонентов в том, что они не умеют работать с наночастицами, поэтому-то у них ничего и не получается.

Если коротко, то под холодным ядерным синтезом обычно подразумевают (предполагаемую) ядерную реакцию между ядрами изотопов водорода при низких температурах. Низкая температура - это примерно комнатная. Слово «предполагаемая» здесь очень важно, потому что сегодня нет ни одной теории и ни одного эксперимента, которые указывали бы на возможность такой реакции.

Но если нет ни теорий, ни убедительных экспериментов, то почему же эта тема довольно популярна? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понимать проблемы ядерного синтеза вообще. Ядерный синтез (часто говорят «термоядерный синтез») - это реакция, в которой легкие ядра при столкновении объединяются в одно тяжелое ядро. Например, ядра тяжелого водорода (дейтерия и трития) превращаются в ядро гелия и один нейтрон. При этом выделяется огромное количество энергии (в виде тепла). Энергии выделяется настолько много, что 100 тонн тяжелого водорода хватило бы, чтобы обеспечить энергией все человечество на целый год (не только электричеством, но и теплом). Именно такие реакции происходят внутри звезд, благодаря чему звезды и живут.

Много энергии это хорошо, но есть проблема. Чтобы запустить такую реакцию, нужно сильно столкнуть ядра. Для этого придется разогреть вещество примерно до 100 миллионов градусов Цельсия. Люди умеют это делать, причем довольно успешно. Именно это происходит в водородной бомбе, где разогрев происходит за счет традиционного ядерного взрыва. Результат - термоядерный взрыв великой силы. Но конструктивно использовать энергию термоядерного взрыва не очень удобно. Поэтому ученые многих стран уже более 60 лет пытаются обуздать эту реакцию и сделать ее управляемой. К сегодняшнему дню управлять реакцией уже научились (например, в ITER, удерживая горячую плазму электромагнитными полями), но на управление тратится примерно столько же энергии, сколько выделяется при синтезе.

А теперь представим, что есть способ запустить ту же реакцию, но при комнатной температуре. Это было бы настоящей революцией в энергетике. Жизнь человечества изменилась бы до неузнаваемости. В 1989 году Стэнли Понс (Stanley Pons) и Мартин Флейшман (Martin Fleischmann) из Университета Юты опубликовали статью, в которой утверждали, что наблюдают ядерный синтез при комнатной температуре. Аномальное тепло выделялось при электролизе тяжелой воды с катализатором из палладия. Предполагалось, что атомы водорода захватываются катализатором, и каким-то образом создаются условия для ядерного синтеза. Этот эффект и назвали холодным ядерным синтезом.

Статья Понса и Флейшмана наделала много шума. Еще бы - решена проблема энергетики! Естественно, многие другие ученые попытались воспроизвести их результаты. Однако ни у кого ничего не получилось. Далее физики начали выявлять одну ошибку оригинального эксперимента за другой, и научное сообщество пришло к однозначному выводу о несостоятельности эксперимента. С тех пор в этой области успехов не было. Но некоторым идея холодного синтеза так понравилась, что они занимаются ей до сих пор. При этом в научном сообществе таких ученых не воспринимают серьезно, а опубликовать статью по теме холодного синтеза в престижном научном журнале, скорее всего, не получится. Пока холодный ядерный синтез остается просто красивой идеей.

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.

Пироэлектрический холодный синтез

Следует понимать, что холодный ядерный синтез на настольных аппаратах не только возможен, но и осуществлен, причем в нескольких версиях. Так, в 2005 году исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сообщили в Nature, что им удалось запустить подобную реакцию в контейнере с дейтерием, внутри которого было создано электростатическое поле. Его источником служило острие вольфрамовой иглы, подсоединенной к пироэлектрическому кристаллу танталата лития, при охлаждении и последующем нагревании которого создавалась разность потенциалов порядка 100−120 кВ. Поле напряженностью порядка 25 гигавольт/метр 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. Измеренный пиковый нейтронный поток при этом составил порядка 900 нейтронов в секунду (что в несколько сотен раз превышает типичное фоновое значение).
Хотя такая система имеет определенные перспективы в качестве генератора нейтронов, однако говорить о ней как об источнике энергии не имеет никакого смысла. И эта установка, и прочие подобные устройства потребляют намного больше энергии, нежели генерируют на выходе: в экспериментах Калифорнийского университета в одном цикле охлаждения-нагревания продолжительностью несколько минут выделялось примерно 10^(-8) Дж. Это на 11 порядков меньше, чем нужно, чтобы нагреть стакан воды на 1 градус Цельсия.

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.

Ускоритель с нагреванием. Установка, использованная в экспериментах с холодным синтезом исследователей Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. При нагревании пироэлектрического кристалла на его гранях создается разность потенциалов, создающая электрическое поле высокой напряженности, в котором разгоняются ионы дейтерия.

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.

Принципиальная схема установки пироэлектрического синтеза с показанным на нем кристаллом, эквипотенциальными линиями и траекториями ионов дейтерия. Заземленная медная сетка экранирует цилиндр Фарадея. Цилиндр и мишень заряжены до +40 В для сбора вторичных электронов.

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.

Ининский сад камней расположен в Баргузинской долине. Огромные камни как будто кто-то специально разбросал или расставил с умыслом. А в местах, где расставлены мегалиты, всегда происходит что-то таинственное.

Одной из достопримечательностей Бурятии является Ининский сад камней в Баргузинской долине. Он производит удивительное впечатление – огромные камни, разбросанные в беспорядке на совершенно ровной поверхности. Как будто кто-то специально то ли разбросал их, то ли расставил с умыслом. А в местах, где расставлены мегалиты, всегда происходит что-то таинственное.

Сила природы

Вообще «сад камней» - это японское название искусственного ландшафта, в котором ключевую роль играют камни, расставленные по строгим правилам. «Карэсансуй» (сухой пейзаж) в Японии культивируется с 14-го века, и появился он не просто так. Считалось, что в местах с большим скоплением камней обитают боги, вследствие этого и самим камням стали придавать божественное значение. Конечно, сейчас японцы используют сады камней как место для медитации, где удобно предаваться философским размышлениям.

А философия здесь вот при чём. Хаотичное, на первый взгляд, расположение камней, на самом деле строго подчинено определённым законам. Во-первых, должна соблюдаться асимметрия и разность размеров камней. В саду есть определённые точки наблюдения – в зависимости от времени, когда вы собираетесь созерцать устройство своего микромира. И главная хитрость – с любой точки наблюдения всегда должен быть один камень, который… не виден.

Самый известный в Японии сад камней находится в Киото – древнейшей столице страны самураев, в храме Рёандзи. Это пристанище буддийских монахов. А у нас в Бурятии «сад камней» появился без усилий человека – его автором является сама Природа.

В юго-западной части Баргузинской долины, в 15 километрах от посёлка Суво, где река Ина выходит из Икатского хребта, расположено это место площадью более 10 квадратных километров. Значительно больше, чем любой японский сад камней – в той же пропорции, как японский бонсаи меньше бурятского кедра. Здесь из ровной земли выступают крупные глыбы камня, достигающего 4-5 метров в поперечнике, а в глубину эти валуны уходят до 10 метров!

Удаление этих мегалитов от горного хребта достигает 5 километров и более. Какая же сила могла разметать эти огромные камни на такие расстояния? То, что это сделал не человек, стало ясно из недавней истории: для гидромелиоративных целей здесь был прорыт 3-километровый канал. И в русле канала там и сям лежат огромные глыбы, уходящие на глубину до 10 метров. С ними бились, конечно, но безуспешно. В результате все работы на канале были остановлены.

Учёные выдвигали разные версии происхождения Ининского сада камней. Многие считают эти глыбы мореными валунами, то есть ледниковыми отложениями. Возраст учёными называется разный (Э. И. Муравский считает, что им 40-50 тысяч лет, а В. В. Ламакин - более 100 тысяч лет!), в зависимости от какого оледенения отсчитывать.

По предположениям геологов, в древности Баргузинская котловина представляла собой пресноводное неглубокое озеро, которое было отделено от Байкала неширокой и невысокой горной перемычкой, соединяющей Баргузинский и Икатский хребты. При повышении уровня воды образовался сток, превратившийся в русло реки, которая все глубже и глубже врезалась в твёрдые кристаллические породы. Известно, как ливневые потоки воды весной или после сильного дождя размывают крутые склоны, оставляя глубокие борозды балок и оврагов. Со временем уровень воды упал, и площадь озера из-за обилия взвешенного материала, приносимого в него реками, уменьшилась. В результате озеро исчезло, а на его месте осталась широкая долина с валунами, которые отнесли позже к памятникам природы.

А вот недавно доктор геолого-минералогических наук Г.Ф. Уфимцев предложил очень оригинальную идею, никак не связанную с оледенениями. По его мнению, Ининский сад камней образовался в результате сравнительно недавнего, имевшего катастрофический характер гигантского выброса крупно-глыбового материала.

По его наблюдениям, ледниковая деятельность на Икатском хребте проявилась только лишь на небольшой площади в верховьях рек Турокчи и Богунды, в средней же части этих рек следов оледенения не наблюдается. Таким образом, по мнению ученого, произошёл прорыв плотины подпрудного озера в течении реки Ины и её притоков. В результате прорыва с верховья Ины селем или грунтовой лавиной в Баргузинскую долину был выброшен большой объем глыбового материала. В пользу этой версии говорит факт сильного разрушения коренных бортов долины реки Ины на месте слияния с Турокчей, что может свидетельствовать о снесении селем большого объема горных пород.

На этом же участке реки Ины Уфимцевым отмечены два крупных «амфитеатра» (напоминают огромную воронку) размерами 2,0 на 1,3 километра и 1,2 на 0,8 километра, которые, вероятно, могли быть ложем крупных подпрудных озер. Прорыв плотины и спуск воды, по мнению Уфимцева, мог произойти в результате проявлений сейсмических процессов, поскольку оба склоновых «амфитеатра» приурочены к зоне молодого разлома с выходами термальных вод.

Здесь шалили боги

Удивительное место издавна интересовало местных жителей. И для «сада камней» люди придумали легенду, уходящую корнями в седую древность. Начало нехитрое. Поспорили как-то две реки, Ина и Баргузин, кто из них первым (первой) добежит до Байкала. Баргузин схитрил и отправился в дорогу тем же вечером, а утром рассерженная Ина помчалась следом, в гневе отбрасывая огромные валуны со своего пути. Так и лежат они до сих пор по обоим берегам реки. Не правда ли, это просто поэтическое описание мощного селя, предложенного для объяснения доктором Уфимцевым?

Камни всё ещё хранят тайну своего образования. Они ведь не только разного размера и цвета, они вообще из разных пород. То есть выломаны были не из одного места. А глубина залегания говорит о многих тысячах лет, за которые вокруг валунов наросли метры грунта.

Тем, кто видел фильм «Аватар», туманным утром камни Ины напомнят висячие горы, вокруг которых летают крылатые драконы. Вершины гор выступают из облаков тумана, как отдельные крепости или головы великанов в шлемах. Впечатления от созерцания сада камней удивительные, и люди не случайно наделили камни магической силой: считается, если прикоснуться к валунам руками, они будут забирать отрицательную энергию, взамен одаряя положительной.

В этих удивительных местах есть ещё одно место, где шалили боги. Это место прозвали «Сувинским саксонским замком». Это природное образование находится недалеко от группы солёных Алгинских озёр возле села Суво, на степных склонах сопки у подножья Икатского хребта. Живописные скалы очень напоминают развалины древнего замка. Эти места служили для эвенкийских шаманов особо почитаемым и священным местом. На эвенкийском языке «сувойя», или «суво» означает «вихрь».

Считалось, что именно здесь обитают духи - хозяева местных ветров. Главным и самым известным из которых был легендарный ветер Байкала «Баргузин». По легенде, в этих местах жил злой правитель. Он отличался свирепым нравом, ему доставало удовольствие приносить несчастья бедным и неимущим людям.

У него был единственный и любимый сын, которого заколдовали духи в наказание жестокому отцу. После осознания своего жестокого и несправедливого отношения к людям правитель пал на колени, стал умолять и слёзно просить вернуть здоровье сыну и сделать его счастливым. А все свои богатства он раздал людям.

И духи освободили из власти недуга сына правителя! Считается, что по этой причине скалы разделены на несколько частей. Среди бурят есть поверье, что в скалах живут хозяева Суво - Тумуржи-Нойон и его жена Тутужиг-Хатан. В честь сувинских владык были установлены бурханы. В особые дни в этих местах проводят целые ритуалы.