Размышления о ядерном синтезе

Данный материал это сумма моих наблюдений за множеством публикаций по проблемам ядерного синтеза, в том числе и «холодного», подтверждающих или опровергающих ядерный синтез без громоздких и дорогих установок.
В ответ на приглашение присланное Н.И. Бакумцевым на "Курчатовские чтения 2010"

Коротко о ядерном синтезе

Известно, что для слияния ядер и прохождения ядерного синтеза участвующим в реакции ядрам необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивающие ядра или ионы поскольку они имеют заряд одного знака и сблизиться на расстояние когда начинают действовать ядерные силы. Реакция ядерного синтеза с выделением энергии (экзотермические) возможны для ядер с массовым числом до 25. Но чем больше заряд ядра, тем больше энергии надо затратить на сближение ядер.

Ниже приведены известные реакции ядерного синтеза.

 

D + T -> ⁴He + n + E

D + D -> T + p + E

D + D -> ³He + n + E

T + T -> ⁴He + 2 n + E

³He + D -> ⁴He + p + E

³He + ³He -> ⁴He + 2 p + E

³He + T -> ⁴He + p + n + E

³He + ⁶Li -> 2 ⁴He + p + E

⁶Li + D -> 2⁴He + E

⁷Li + p -> 2⁴He + g + E

⁶Li + p -> ⁴He + ³He + E

⁶Li + n -> T + ⁴He

 

Все они имеют три характеризующих их признака:

E — выделяемая энергия,

p, n, g  — протоны, нейтроны и гамма кванты выделяющиеся при ядерном синтезе,

T, He — продукты ядерного синтеза.

При физических исследованиях (когда число событий синтеза небольшое) последние два признака наиболее легко регистрируемые свидетельства ядерного синтеза. Причем малый выход продуктов ядерного синтеза легко компенсируется при большой продолжительности существования реакции ядерного синтеза, даже при его малой интенсивности.

В реакции ядерного синтеза (синтез с выделением энергии — экзотермический) способны участвовать ядра с A вплоть до 25.

 

Рисунок 1.

 

Присутствие в области ядерного синтеза ядер с большими А гасит реакцию ядерного синтеза.

 

 

Пути преодоления кулоновских сил.

Существует несколько способов преодоления кулоновских сил.

 

1. В практических исследованиях, сейчас, преобладает схема когда для преодоления кулоновского барьера используется придания участвующим в ядерном синтезе ядрам энергии позволяющей при их столкновении преодолеть кулоновский барьер. Это широко освещаемые установки использующие горячую плазму с различными способами ее создания и удержания исходных компонентов в области где происходит ядерный синтез.

Недостатки — технически сложная и энерго затратная технология с прогрессирующими в процессе нарастания мощности проблемами устойчивости области ЯС. В этом направлении активно ведутся работы.

 

2. Создание в среде с компонентами синтеза избыточного давления достаточного для сближения ядер и преодоления кулоновских сил.

Недостатки — при существующем уровне технологий сложно создать и поддерживать необходимое сверхвысокое давление. Средние энерго затраты, хотя и меньше чем в первом случае. Работы в данном направлении не проводятся. (Существуют методы создания высокого давления в динамическом режиме: при кавитационных явлениях, взрывные)

 

3. Комплексное воздействие на среду с компонентами участвующими в синтезе, с целью преодоления кулоновского барьера, с использованием воздействия одновременно — давления, электрических полей и их градиентов на молекулярном и атомарном уровне, туннельный эффект.

Недостатки — зависимость от одновременного взаимодействия множества факторов и поэтому сложность прогнозирования результата и обеспечения повторяемости результатов. Работы ведутся неорганизованно, отдельными энтузиастами — специалистами в узких областях. Требует больших затрат на изучение всех факторов влияния, закономерностей в разных областях знания и привлечения специалистов в этих областях.

Преимущества низкие энергозатраты на поджиг реакции ядерного синтеза.

 

На мой взгляд наиболее перспективное и дешевое направление.

Сейчас реакции последнего типа называют «Холодный ядерный синтез».

 

Небольшое отступление. Не совсем понятно почему не обращается внимание на многоступенчатые реакции, например возможны две двух ступенчатых реакции ядерного синтеза, когда в качестве первой ступени работает реакция D + D -> T + p + E, а вторая ступень двух типов Рис.1 Рис.2 При этом имеет место увеличение энергетического выхода и снижение выхода протонов, и даже получение «чистого» ядерного синтеза. Имеют место и подобные реакции с захватом 6Li нейтрона (n).

 

Теоретики говорят:

«Ядра, образующиеся в реакции синтеза, будут неизбежно сталкиваться с ядрами дейтерия, составляющие часть топлива, и передавать им часть своей энергии; таким образом, вскоре после начала реакции синтеза должна образоваться высокотемпературная плазма» [Л.4].

Но в условиях, так называемого, «холодного» ядерного синтеза множество локальных областей реакции синтеза, сами по себе имеющие температуру характерную для этих реакций, создают среднюю температуру по объему достаточную для использования выделяемой энергии, но недостаточную для распространение реакции синтеза на весь объем и перевод рабочего тела его заполняющего в состояние высокотемпературной плазмы.

Элементами регулирующими выход энергии и защиты может служить давление в реакторе, выступающее как регулятор плотности активного тела.

 

Критерии наличия ядерного синтеза и условия его существования

Исходя из характера ядерной реакции, в порядке значимости, это прежде всего:

1. наличие выделения тепла;

2. наличие потока высокоэнергетических нейтронов, протонов, гамма квантов (в зависимости от типа протекающей реакции);

3. наличие в рабочем теле продуктов ядерной реакции синтеза.

В физическом эксперименте, мы должны исходить прежде всего из того, что число событий синтеза происходит от единиц в секунду до более сотен в секунду поэтому к детектированию наличия синтеза следует подходить с особой тщательностью.

 

Первый критерий в №грубых" физическом эксперименте не работает. Не только потому, что тепловыделение в физическом эксперименте незначительно, но и потому, что имеет место постоянное выделение энергии (обмен энергии) в окружающее пространство. Поэтому всякие заявления о избыточном тепловыделении в рабочем теле измеренное в гараже, при числе событий синтеза характерном для физического эксперимента - просто говорят о низком качестве измерений или непонимании происходящих процессов.

 

Второй критерий, ни у кого, не вызывает вопросов. Множество примеров с данными признаками можно привести [Л.1] и множество других публикаций.

 

Третий - наличие в рабочем теле продуктов синтеза требует особого внимания. В физическом эксперименте, когда число событий синтеза считается десятками или сотнями в секунду, требует продолжительного времени для наработки необходимого для анализа продукта ядерной реакции и его сохранения. Но это, не смотря на определенные трудности, возможно, поскольку процесс имеет накопительный характер и количество продуктов реакции пропорционально времени эксперимента.

 

Два последних признака следует рассмотреть особо, поскольку это единственные легко регистрируемые свидетельство синтеза, которые часто наблюдается в различных экспериментах. Одновременное их присутствие является достаточным подтверждением наличия ядерного синтеза.

Сложность «холодного» ядерного синтеза в том, что многие, в том числе и сами исследователи, из-за непонимания происходящих процессов и невыполнения исходных условий, часто не в состоянии воспроизвести опыты в условиях отличающихся от исходных (на других установках). Тем более другие исследователи.

Это происходит из-за непонимания, не процессов ядерного синтеза, а специфических сочетаний условий «холодного» ядерного синтеза, которые ему способствуют. В первую очередь физические процессы, условия и состояние вещества компонентов участвующих синтезе на микро и даже нано (модное сейчас слово), а точнее атомарном уровне. А наличие нейтронов, протонов и гамма квантов говорит, что эти условия достаточны для протекания ядерных превращений и имеют место быть. Особо необходимо обратить внимание на условия способствующие преодоление кулоновских сил и как результат существования достаточных условий ядерного синтеза в малых объемах, например для пары ядер участвующих в синтезе. Этому могут способствовать совместное локальное воздействие на ядра (ионы), возникающие при определенных условиях, градиенты электрических полей, давления. Необходимо учитывать и возможность туннельного эффекта. Исходя из известных фактов, можно предположить, что в атомных масштабах в условиях внешних воздействий с низкой энергетикой могут существовать локальные условия для больших градиентов электрических полей способствующие протеканию синтеза.

На пути к «холодного» ядерного синтеза стоит именно понимание этих процессов. Которое может придти только через физические исследования. А вот последнего как раз и нет. Есть отдельные наскоки специалистов в различных отраслях науки, случайные или интуитивные. Которые скорее дискредитируют направление, чем двигают его вперед.

Необходимым для исследования явления на предмет наличия «холодного» ядерного синтеза является второй признак, а достоверно подтверждающем его наличие — второй и третий признаки.

Наличие одновременно всех трех признаков является необходимым для энергетической установки.

Для устойчивого получения «холодного» ядерного синтеза важно выполнить несколько требований выработанных для «горячего» синтеза:

• иметь исходные компоненты достаточной чистоты (большинство примесей снижает вероятность существования ядерного синтеза и даже «гасит» его),
• компоненты должны быть строго определенного состава, который обеспечивает протекание заданного типа реакции,
• материалы применяемые для получения «холодного» ядерного синтеза не должны загрязнять рабочий объем посторонними примесями,
• необходимо применение материалов способствующих существованию «холодного» ядерного синтеза (например при нейтронном цикле — использовать «размножители» нейтронов).

 

О «Холодном ядерном синтезе» или оставим точки над i

Если исходить из того что:

«Холодный ядерный синтез — ядерная реакция синтеза, осуществляемая без нагрева рабочего вещества и при нормальном давлении»,

то такой термин спорен даже применительно к физическому эксперименту. Поскольку в этом случае события синтеза считаются десятками или сотнями в секунду поэтому, выделение энергии при этом имеет порядок величины 10^-10 Дж (1 Дж ≈ 6,2415·10¹² МэВ). И приведенное к рабочему объему оно настолько незначительно изменяет его температуру, что зарегистрировать его просто невозможно. Но в то же время в результате синтеза, в прилегающей области (размер которой имеет порядок величины единиц нанометров) температура превышает 1000°С.

Термин «холодный ядерный синтез» создает неадекватное, специфическое отношение к рассматриваемой проблеме как к любительским исследованиям. И это правильное представление. Прежде всего потому, что реальное получение энергии, в любом случае, невозможно без тепловыделения и сопутствующему ему высокому давлению, это уже не «холодный синтез»

Применение общего термина «ядерный синтез» более точно отражает суть вопроса. Возможно применение другого уточняющего термина, например - «ядерный синтез с малыми энергетическими затратами» (ЯС МЭЗ) или использовать существующий термин LENR, low-energy nuclear reactions.

 

Насколько холодный - «холодный термоядерный синтез»?

Количество выделяемой энергии при единичном акте синтеза колеблется:

1. от реакции D + T равной 17,6 МэВ. (это 2,8 10^-12 Дж. на акт)
2. до 3,3 МэВ в реакции D + D. ( это 5,25 10^-13 Дж на акт)

При уровнях выхода нейтронов, протонов, полученных в множестве экспериментов, тепловыделение является локальным, поскольку происходит в ограниченной по размеру зоне, где могут наблюдаться тепловые проявления в виде свечения в зонах ЯС. А распределенная в объеме экспериментальной установки и в условиях хорошего теплообмена с окружающей средой, эта энергия не будет иметь никаких видимых проявлений.

Попробуем оценить, даже без учета потерь, выделяемую энергию и характеристики реактора. Выполним ее для, представляемой энергии, 1 КДж, это 1000 Вт*сек и 3600 Квт*час.

Грубая оценка дает, что для получения этой энергии должно произойти более (3 — 4)10¹⁴ событий синтеза (для слияний D-T). В реальной системе, тепло выделяемое в результате ядерного синтеза будет равномерно распределяться в объеме установки.

Приняв объем рабочей зоны порядка 1 дм³ (при обобщенной его массе 1 кГ и удельной теплоемкости порядка 4 Кдж/(кГ*град)) вызовет ее нагрев до температур испарения рабочего тела за несколько минут. А температура рабочей зоны, даже при постоянной прокачке через нее рабочего тела, которое обеспечит отвод избыточного тепла, может превышать 300 °С.

Часть тепла унесет с собой активное тело, а другая выделится в активной зоне и должна быть снята за счет теплопроводности элементов активной зоны.

 

О давлении необходимом для ядерного синтеза

В разрабатываемом сейчас направлении высокотемпературного ядерного синтеза давление в рабочем объеме очень низкое. В первую очередь для удаления из рабочей зоны вредных примесей. Но после разогрева, в горячей рабочей зоне, оно возрастает. В идеале оно должно быть как можно выше, чтобы повысить плотность исходных компонентов ядерного синтеза и поэтому энергетический выход установки.

В варианте ЯС МЭЗ, где спусковым механизмом является именно достаточное для преодоление кулоновского барьера давление, его необходимость, по понятным причинам, не обсуждается.

Но, можно утверждать, избыточное давление необходимо для работы ЯС даже при физических экспериментах, когда число событий синтеза в 2-5 и более раз превышает естественный фон, и незначительно меняется температура области где происходит синтез. Тогда плотность вещества меняется только в локальной области где обеспечиваются условия для существования ядерного синтеза.

При росте энергетического выхода растет и температура во всем рабочем объеме, плотность вещества падает, особенно сильно она падает при переходе рабочего тела из жидкого в газообразное состояние. Это приводит к снижению плотности вещества активного тела. Поэтому логично сохранять плотность рабочего тела, что возможно только при росте давления.

В идеальном случае давление необходимо повышать тем больше чем выше энергетический выход при синтезе, чтобы поддержать необходимую плотность рабочего тела.

 

Заключение

Конечно высокотемпературный ядерный синтез требует огромных затрат, привлечения разработок множества отраслей техники, дает возможность развиваться научным школам и всех их финансировать.

На его фоне ЯС МЭЗ выглядит неким шаманством, но существующие факты (зарегистрированные явления выхода нейтронов, протонов, гамма квантов и продуктов синтеза) говорят о его возможности.

А поскольку не ясна физика имеющих место процессов, это требует проведения исследований в этом направлении.

Исходя из известных фактов, можно предположить, что в атомных масштабах в условиях внешних воздействий с низкой энергетикой существуют локальные условия для больших градиентов давлений, электрических полей способствующие протеканию синтеза.

Возможность туннельного эффекта так же способствует преодолению кулоновских сил.

 

Подводя итоги, хочу сказать что:

 

1. Понятие «Холодный ядерный синтез» не отражает суть явления и не может применяться для описания данного явления. Нужно другое понятие, например просто ядерный синтез (в среде, в условиях, ...) а лучше просто ядерный синтез (ЯС) или при необходимости выделить данное конструктивное решение - ядерный синтез с малыми энергетическими затратами. (ЯС МЭЗ) или использовать существующий термин LENR, low-energy nuclear reactions.
2. В работах с ЯС МЭЗ необходимо использовать наработки полученные в проводящихся исследованиях ядерного синтеза.
3. Чистота и состав компонентов ядерного синтеза является важнейшим требованием для существования ЯС МЭЗ.
4. Создание и поддержание высокого давление, и как результат его, повышения плотности компонентов участвующих в ядерном синтезе, в рабочей зоне, фактор способствующий энергетическому выходу ЯС МЭЗ даже в условиях повышенных температур в области ядерного синтеза.
5. Проведение исследований ЯС МЭЗ не может быть прерогативой только энтузиастов и требует больших затрат и проведения множества мероприятий. Например, проведения физических исследований с целью поиска возможных компонентов для ЯС МЭЗ и выявления условий и закономерностей его возникновения с участием материаловедов, физиков и специалистов других отраслей.
6. Установки ЯС МЭЗ это достаточно сложные комплексы требующие больших затрат на их создание и эксплуатацию.

 

Литература:

1. Холодный ядерный синтез? В.И. Нефедов, Вестник РАН, №1, 1991 г.
2. Холодный ядерный синтез. Колдамасов А.И., 2005, http://www.electrosad.ru/Proekt/NuclFusion1.htm
3. Холодный ядерный синтез: неужто сработало?! http://gizmod.ru/2008/05/30/xolodnyj_jadernyj_sintez_neuzhto_srabotalo/
4. Современная физика, квантовая физика атомов, твердого тела и ядер, Р. Спроул, М, Наука, 1974.

 

Справка:

1МэВ = 1,59*10^-13 Дж

Если перевести 0,1 МэВ в температуру, то получится примерно 10⁹ К

1 Дж = 1 Вт*сек

Расстояние между молекулами воды 2,5 - 3,1 А = 0,25 — 0,31 Нм

А. Данилович

январь 2010 года.