НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ КАК ВОЗМОЖНАЯ ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Х

И

М

И

Ч

Е

С

К

И

Е

НАУКИ

УДК 544.6, 539.17.01

О.А. Лютикова

НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ КАК ВОЗМОЖНАЯ ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО

Загрязнение окружающей среды и сокращение природных ресурсов в связи с ростом потребления энергии приводят к необходимости разработки новых и безопасных ее источников. В статье проведен обзор публикаций о возможности осуществления низкоэнергетических ядерных реакций и реакций холодного ядерного синтеза, аргументы в пользу явлений, не согласующихся с общепринятыми теоретическими положениями.

Ключевые слова: источники энергии, низкоэнергетические ядерные реакции, термоядерный синтез, тепловыделяющие характеристики, изотопный состав

Природные источники энергии (нефть, газ, уголь) необратимо истощаются, а АЭС являются экологически небезопасными, и многие страны (например, Германия) намерены отказаться от их использования после аварии на японской АЭС Фукусима-1, ставшей еще одной всемирной экологической катастрофой. Вместе с тем рост народонаселения и прогресс в освоении космического пространства требуют поисков новых мощных энергетических источников. Их разработка на фоне роста мирового энергопотребления является одной из первоочередных задач инновационных энергетических технологий.

В развитии представлений о LENR (низкоэнергетических трансмутациях химических элементов в результате ядерных реакций, не сопровождающихся появлением жесткого ионизирующего излучения) и ХЯС - холодном ядерном синтезе при реакции слияния ядер изотопов водорода) сдерживающим фактором является отсутствие теоретического обоснования процессов.

В то же время технологии низкоэнергетических ядерных реакций LENR (Low Energy Nuclear Reactions), при которых трансмутация химических элементов протекает при сверхнизких энергиях и не

© Лютикова О.А., 2018. Научные руководители:

Березина Светлана Львовна - кандидат технических наук, доцент, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Россия.

Елисеева Елена Анатольевна - кандидат химических наук, доцент, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Россия.

сопровождается появлением жесткого ионизирующего излучения, получили признание; исследования в этой области проводятся в США, Японии, Италии, РФ, Китае, Англии, Швеции, Израиле, Индии и других странах.

По общепринятым научным положениям в качестве возможного ядерного источника энергии возможен ядерный распад тяжелых элементов и термоядерный синтез, который можно осуществить с дейтерием при очень высоких температурах в сильных магнитных полях (проект ITER, - международный экспериментальный термоядерный реактор).

Первые исследователи в области холодного синтеза австралийские учёные F. Paneth и K. Peters в 1927 г. сообщили о превращении водорода в гелий в палладии при комнатной температуре, но вскоре отказались от своих утверждений, предположив, что наличие гелия могло быть обусловлено примесями из воздуха. В этом же году шведский учёный J. Tandberg объявил, что смог синтезировать гелий из водорода путем электролиза в электролитической ячейке с палладиевыми электродами, но не смог привести теоретическое обоснование процесса и получил отказ на заявленный патент «Метод получения гелия и избыточной энергии».

В 1936 г. американские физики К Андерсон и С. Неддермейер обнаружили мюоны, имеющие, подобно электрону, спиновое число Д, но превышающие его массу примерно в 207 раз. На уровне моря положительно и отрицательно заряженные мюоны составляют до 80% всех частиц космического происхождения, возникая при столкновении космических лучей с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы. Отрицательно заряженные мюоны (можно получить искусственно на ускорителях) могут быть катализаторами при слиянии двух ядер дейтерия.

Явление m - катализа в холодном водороде было предсказано еще Ф.Ч. Франком, впервые указавшим на возможность ядерных реакций между изотопами водорода [1]; академиками А.Д. Сахаровым, Я.Б. Зельдовичем проводились исследования ядерных реакций, вызываемых мюонами в дейтерии, и явлений катализа ядерных реакций [2-5].

Экспериментально явление m - катализа ядерных реакций синтеза в холодном водороде было открыто Л.У. Альварецом (Нобелевская премия) в 1957 году в ядерном центре в Беркли [6]. Синтез ядер изотопов водорода происходит с участием отрицательно заряженных мюонов, образующих с ядрами ме-зомолекулы и способствующих сближению ядер на расстояния, достаточные для протекания реакции. Однако, практически мюонный катализ не может быть энергетически выгодным, так как затраты на производство мюона с периодом существования 2, 2 микросекунды больше, чем высвобождаемая им энергия.

В 1957 г. выпускник МВТУ им. Н.Э. Баумана И. С. Филимоненко предложил новый способ получения энергии за счет реакции ядерного синтеза гелия из дейтерия, эффект выделения избыточного тепла наблюдался при проведении электролиза тяжелой воды с катодом с примесью палладия, при этом отсутствовали как нейтронное излучение, так и радиоактивные отходы. Результаты экспериментов были высоко оценены академиками И.В. Курчатовым и С.П. Королевым.

В 1989 г. химики С. Понс и М. Флейшман на пресс-конференции в Университете штата Юта объявили об эффекте слияния и трансмутации [7,8]. Суть их эксперимента сводилась к тому, что при электролизе с палладиевым электродом 0,1М раствора гидроксида лития в тяжелой воде LiOD было зарегистрировано выделение избыточного тепла, нейтронов и образование изотопа водорода трития. Происходящие процессы могли быть отнесены не только к электрохимическим, но и к ядерным реакциям. Выделение избыточного тепла при электролизе в дальнейшем подтверждалось в работе [9] и в исследованиях других авторов, но к результатам скептически отнеслись специалисты по ядерной физике.

В 2008 г. в университете г. Осака была продемонстрирована установка по осуществлению ХЯС. Под руководством профессора Йосиаки Арата (Yoshiaki Arata) и его коллеги профессора Юэчан Чжан (Yue-Chang Zhang) из Шанхайского университета были продемонстрированы процессы выделения энергии и образование гелия, не поддающиеся объяснению известными законами физики [10,11]. Для эксперимента были созданы особые структуры в виде наночастиц, кластеры, состоящие из нескольких сотен атомов палладия, главная особенность которых заключалась в наличии внутренних пустот, в которые можно было закачивать атомы дейтерия до очень высоких концентраций. При превышении концентрационного предела дейтроны сближались друг с другом настолько, что сливались, и начиналась реакция ядерного синтеза. Эта реакция протекала по нескольким направлениям, основным из которых являлось слияние двух дейтронов в изотоп атома лития-4, происходившее с выделением тепла. В работе использовалась смесь палладия с оксидом циркония, "дейтериевая емкость" этой смеси была выше, чем у палладия. Когда в электролитической ячейке начинали протекать ядерные и химические реакции, температура внутри неё поднималась до 70 оС и сохранялась повышенной после прекращения поступления дейтерия в ячейку ещё в течение 50 часов. В ходе эксперимента внутри ячейки было также обнаружено некоторое количества изотопа гелия-4, который принципиально не может образоваться из палладия и дейтерия в

результате химической реакции. На основании этих фактов было сделано заключение о протекании реакции холодного ядерного синтеза с образованием гелия и выделением энергии, ставшей возможной, по мнению авторов, из-за достаточно близкого расположения дейтронов в палладиево-дейтериевых кластерах.

Кроме теоретически предсказанных трития и гелия-4, в реакторе неожиданно были обнаружены ионы меди, серебра, хрома, цинка, платины и других металлов, которых теоретически быть не могло, причем все эти металлы были представлены своими стабильными, а не радиоактивными изотопами. Был обнаружен еще один эффект, - протекающие в ячейке процессы ХЯС практически не сопровождались рождением нейтронов.

В 2011 - 2013 г. сотрудники Болонского университета А. Росси и С. Фокарди продемонстрировали экспериментальные установки по ХЯС; в 2011 г. - 10 кВт-ную E-Cat (Energy Catalyzer), в 2012г - 1 МВт-ную.

Основу реактора А.Росси составляла трубка из оксида алюминия, заполненная порошком никеля с добавками. Реактор разогревался током в условиях охлаждения проточной водой, в трубку закачивался газообразный водород. Суть протекающих процессов сводилась к тому, что при введении катализатора ядра атомов никеля и водорода при комнатной температуре и небольшом давлении соединялись, образуя изотоп меди с выделением большого количества тепла.

В 2013 г. комиссия из семи независимых экспертов из Швеции и Италии провела 96-ти и 116-ти -часовые тестирования реактора А. Росси, в 2014 г. в Лугано был проведен 32-х- дневный тест. В опубликованном отчете [12] были подтверждены тепловыделяющие характеристики реактора за счет слияния ядер меди с протонами водорода в процессе каталитической трансмутации никеля в медь.

После опубликования отчета М. Олофссон, директор шведской компании по исследованиям в области энергетики, в комментариях к докладу по тестированию E-Cat отметил, что имеют место ядерные реакции при низких температурах, что подтверждалось изменением изотопного состава топлива [13].

Подводя итоги, можно сделать следующие выводы.

Факты существования низкоэнергетических трансмутаций химических элементов, позволяющих генерировать тепловую энергию, уже не отрицаются. Эффект получения количества "избыточной теплоты" признан многочисленными комиссиями и многократно повторен исследователями в лабораториях многих стран, а параметры по плотности энергии и мощности энерговыделения превышают пределы любого известного устройства или топлива.

Критика многочисленных работ по ХЯС связана с плохой воспроизводимостью результатов. Доля изменяющихся ядер ничтожно мала и не может быть обнаружена экспериментально. Неразрешенной остается проблема управления процессом; при наблюдаемом резком повышении температуры в реакторе после разогрева его внешним источником реакция становится нерегулируемой.

Обобщая выводы публикаций, посвященных обоснованию процессов LENR и ХЯС, можно отметить, что они не привели к ясному объяснению механизма процессов и построению теории, которая могла бы быть принята научным сообществом.

С точки зрения теоретических канонов, ХЯС как источник энергии невозможен по причинам:

1. Невозможности преодоления кулоновского барьера;

2. Ничтожно малой вероятности одновременного столкновения более трех частиц;

3. Отсутствия или ничтожно малого выхода нейтронов в реакциях холодного синтеза, в то время как в реакциях деления и слияния ядер практически всегда образуются нейтроны.

В работе [14] приводятся модели и гипотезы для обоснования результатов экспериментов по ХЯС. Рассматриваются возможности нахождения практически приемлемого способа (например, при помощи m - катализа или внешнего давления) по преодолению кулоновского барьера, препятствующего реакциям слияния ядер в холодном водороде при температурах, близких к комнатной. Для реального осуществления ХЯС необходимо достаточное даже при тепловых энергиях перекрывание волновых функций дейтронов (ядер атомов дейтерия, входящих в состав дейтерированных веществ), что возможно либо при практически полном экранировании заряда дейтронов, либо вследствие каких-либо причин, по которым размеры атомов дейтерия и их ядер-дейтронов станут близкими по порядку величинами.

В заключение необходимо отметить, что в случае создания технологий LENR и ХЯС человечество окажется перед возможностью перехода к экологически безопасному и экономически выгодному источнику энергии, к получению ядерной энергии без ионизирующего излучения и радиоактивных отходов, что будет являться глобальным фактором для дальнейшего прогресса цивилизации.

Библиографический список

1. Frank F.C. //Nature. -1947. -V 160.- Р.525-527.

2.Сахаров А.Д. Пассивные мезоны. Отчет ФИАН. - 1948.

3. Зельдович Я.Б., Реакции, вызываемые m - мезонами в водороде //ДАН 95 - 1954. - С.493.

4. Курчатов И.В. О возможности создания термоядерных реакций в газовом разряде //Атомная энергия. -1956. - 3 (65).

5. Зельдович Я.Б., Герштейн С.С. Ядерные реакции в холодном водороде// УФН. -1960. -Т.71, вып. 4. - С. 581-630.

6. Alvarez L.W., Bradner Н., Crawford F.S. Jr., Crawford J.A., Falk-Vairant P., Good M.L., Gow J.D., Rosenfeld A.H., Solmitz F., Stevensоn M.L., Tkto H.K. and Tripp R.D.// Phys. Rev. -1957. - V.105. P. - 1127.

7. Fleischmann M. and Pans S //J. Electroanal. Chem. -1989. -V.261. - P. 301; Erratum -1989 -V.263. - P.187.

8. Fleischmann, M., et al., Calorimetry of the palladium-deuterium-heavy water system // J. Electroanal. Chem. -1990. - 287. Р. 293.

Fleishmann M., Pons S. And Hawkins M. Electrochemical Induced Nuclear Fusion of Deuterium // J.Electroanal. Chem. - 1989. - 261. Р. 301 - 308.

9. D. Gozzi, F. Cellucci, P.L. Cignini, G. Gigli, M. Tomellini, E. Cisbani, S. Frullani, G.M. Urciuoli //J. Electroana-lyt. Chem. - 1998. - 52. Р. 254.

10. Arata Y., and Zhang Y.-C. Formation of condensed metallic deuterium lattice and nuclear fusion.Proceedings of the Japan Academy. Ser. B: Physical and Biological Sciences. - 2002. - Vol. 78, No.3. Р. 57 - 62.

11. Con. Arata and Y. C. Zhang. "Accomplishment of extreme 'cool' fusion response," Proceedings of japan Academy, series B, 1990. 66:l. Y.Arata. Patent Program US 2006/0153752 A

12. "Observation of abundant heat production from a reactor device and of isotopic changes in the fuel " (http://www.elforsk.se/Global/Omv%C3%A4rld_system/filer/LuganoReportSubmit.pdf)

13. http://www.nyteknik.se/asikter/debatt/article3854541.ece.

14. Ратис Ю.Л. Холодный ядерный синтез. Проблемы и модели. - Самара: СГАУ им. С.П. Королева. 2009.

ЛЮТИКОВА ОЛЬГА АЛЕКСЕЕВНА - студент, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Россия.