Холодная термоядерная реакция: Техника: Наука и техника: Lenta.ru

Техника: Наука и техника: Lenta.ru

Установка, описанная ECAT как первый промышленный реактор холодного синтеза. Фото: ECAT

Итальянский предприниматель Андреа Росси объявил о продаже первой термоядерной отопительной установки: стоимость одного блока составит полтора миллиона долларов. Подробности со ссылкой на сайт основанной Росси компании ECAT приводит Phys.org.

Производители заявляют, что их устройство построено на основе 106 модулей, собранных в блоки по три модуля внутри стандартного двадцатифутового контейнера. Внутри установки, согласно официальному сайту ECAT, закачиваемая внутрь под давлением в 4 атмосферы вода может нагреваться с 4 до 120 градусов Цельсия (под давлением уже 2 атмосферы вода такой температуры будет жидкой) и прилагаемый насос способен пропустить через реактор до полутора тонн в час.

Простые расчеты (перемножение теплоемкости воды, разницы температур и потока через насос) показывают, что тепловая мощность при этом составит около 200 киловатт. Это соответствует заявленному потреблению электроэнергии устройством, однако производитель указывает тепловую мощность в один мегаватт, в пять раз больше. Такая разница сама по себе не является физически невозможной в случае с тепловыми насосами, но ECAT утверждает, что в их установке используется не перекачка тепла из какого-либо внешнего низкотемпературного резервуара, а холодная термоядерная реакция никеля с водородом.

Эта реакция с точки зрения ядерной физики является энергетически невыгодной. Кроме того, (термо)ядерные реакции должны давать ионизирующее излучение, которое, по заверениям ECAT, их установка не производит. На сегодняшний день число каких-либо научных публикаций на тему такой реакции крайне мало, а патент на установку прошел только формальную экспертизу, которая не призвана оценить работоспособность идеи и лишь проверяет заявку на новизну. В пользу работоспособности пока говорит только отчет об исследовании установки группой сторонних экспертов, которые проанализировали тепловыделение и энергопотребление опытного образца и обнаружили избыточную тепловую мощность.

Предприниматель ранее утверждал, что ему удалось создать реактор совместно с физиком Серджио Фокарди (1930-2013). Фокарди работал над проблемой «холодного термояда» с начала 1990-х годов, заявлял о запуске реакции никеля с водородом и даже опубликовал вместе с двумя соавторами научную статью в журнале Il Nuovo Cimento A, однако тогда исследователями не был описан механизм реакции и не было зарегистрировано ионизирующее излучение. Работы Фокарди были сочтены ошибочными, но потом на них обратил внимание Росси.

Андреа Росси был ранее известен как предприниматель, который в 1980-е годы утверждал, что способен перерабатывать токсичные отходы в нефть. Однако позже он был признан виновным в ненадлежащем захоронении якобы отправляемых на переработку отходов, загрязнении окружающей среды и мошенничестве. В конце 1990-х годов он основал в США компанию, которая представила устройство для превращения тепловой энергии в электрическую, но проведенные сторонними лабораториями испытания показали либо нулевую, либо близкую к нулю мощность вместо заявленного Росси одного киловатта.

Проект Google не смог обнаружить холодный ядерный синтез

Компания Google
опубликовала результаты работы проекта, в рамках которого несколько научных групп
пытались воспроизвести опыты по холодному ядерному синтезу.
Исследователям не удалось выявить избыточного выделения энергии, что в
очередной раз опровергает доводы сторонников реальности этого эффекта. Тем не
менее, авторы не считают свою работу бесполезной: в процессе появились полезные технические новинки и было сделано несколько открытий в материаловедении, которые могут пригодиться, например, в водородной энергетике, пишут они в журнале Nature.

Холодный синтез (cold fusion), который также называют низкоэнергетическими ядерными реакциями
(Low-Energy Nuclear Reactions, LENR) — это гипотетический тип ядерных
превращений при температуре, близкой к комнатной, в отличие от «горячего» синтеза, который протекает в
недрах звезд и при взрыве термоядерной бомбы при высоких давлениях и
температурах в миллионы кельвинов.

Современная физика не
допускает возможности холодного термояда, так как при умеренных температурах
кинетической энергии ядер недостаточно для преодоления кулоновского
отталкивания из-за одинаковых зарядов, а синтез, то есть слияние легких ядер с
превращением в более тяжелые, может протекать только при контакте частиц.
Однако в 1989 году вышло ставшее резонансным исследование химиков Мартина
Флейшмана и Стенли Понса, которые утверждали, что им удалось обнаружить выделение избыточной энергии при
электролизе тяжелой воды на поверхности палладиевого электрода. Авторы заявляли, что в их экспериментах идет превращение дейтерия в тритий или гелий, но абсолютное большинство попыток повторить их эксперимент не дали результата. Научное сообщество пришло к выводу об ошибочности исходных результатов.

С тех пор появлялось
множество сообщений об аналогичных эффектах в разнообразных системах, в том
числе живых, но они либо были признаны научным сообществом недостоверными,
либо проводились без достаточной строгости для проверки наличия эффекта. Эта
ситуация вынесла исследования холодного термояда за пределы науки, и этой областью теперь в основном занимаются любители, а не
профессиональные ученые.

Однако потенциальные
достоинства таких ядерных превращений несомненны, и в 2015 году компания Google запустила проект, в рамках которого около
30 ученых из нескольких лабораторий пытались повторить отвергнутые наукой
результаты с использованием современных технологий. На инициативу было выделено
10 миллионов долларов.

В статье, опубликованной в Nature, описываются текущие результаты работы и описываются перспективы их продолжения.
Задачей ученых было проведение тщательно спланированных опытов и экспериментальных
протоколов, которые установят четкие ограничения на возможный диапазон
параметров, при которых могло бы протекать холодное слияние. Если же ученым удалось бы его
зафиксировать, то они должны были сформулировать определяющий эксперимент, который
смогут повторить исследователи из других групп и убедиться в наличии феномена.

Ученые пытались
реализовать три предложенные ранее схемы. Первая предполагает включение в палладиевый
объект больших количеств дейтерия, которых предположительно должно хватить для
запуска реакций. Однако при высоких концентрациях исследователям не удалось
получить стабильных образцов. Второй эксперимент был попыткой повторения опытов
по бомбардировке палладия импульсами горячих ионов дейтерия, в результате
которых якобы получается тритий. Третий вариант предполагал нагрев
металлических порошков в обогащенной водородом среде.

Авторам во всех случаях не удалось найти
каких-либо свидетельств протекания холодной термоядерной реакции, но они осторожны в формулировках и
не утверждают, что полностью исключили их возможность. В
частности, им не удалось по всем параметрам приблизиться к условиям, которые
называют наиболее благоприятными для протекания подобных реакций. Оба эксперимента
с палладием требуют дополнительной работы: есть надежда на создание образцов с
высокой концентрацией дейтерия, а опыты с тритием могут вызывать слишком слабый
для регистрации эффект.

В любом случае проект
нельзя назвать провальным, считают авторы. В частности, по их заявлениям они
создали «лучший в мире калориметр», который использовали для регистрации
выделений малейших количеств энергии в непростых экспериментальных условиях.
Ученые собираются продолжить исследования в этом направлении. В частности, они
хотят создать специфические фазовые состояния смесей элементов, которые раньше
никто не получал.

«Обычный» термоядерный синтез остается активной областью академических исследований. В частности, в России завершается подготовка эксперимента по лазерному запуску реакций с рекордной мощностью импульса. Про разнообразие существующих систем удержания плазмы мы писали в блоге «Больше токамаков», а о проектах частных компаний — в материале «Это будет бомба».

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Наука о холодном синтезе

Главная → Наука о холодном синтезе

Во время исследования холодного синтеза Понс и Флейшманн попытались объединить научные знания из химии и физики, чтобы получить нечто удивительное — термоядерный синтез при комнатной температуре. Чтобы узнать больше о науке, которая повлияла на их рассуждения, читайте дальше…

• Генерация энергии путем синтеза: Откуда берется вся энергия, высвобождаемая во время синтеза? Ответ кроется в массе. Если вы посмотрите на массу реагентов в реакции синтеза и сравните ее с массой продуктов, вы обнаружите, что эти два числа не равны — некоторая масса была преобразована в энергию, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = мс ² .

• «топливо» для холодного синтеза:  Дейтерий был материалом, выбранным Понсом и Флейшманном для подпитки их попытки реакции синтеза. Дейтерий — это изотоп водорода. Это означает, что два типа атомов имеют одинаковое количество протонов (один), но разное количество нейтронов: у водорода их нет, а у дейтерия — один. Поскольку изотопы очень похожи, у них почти одинаковые химические свойства — вот почему дейтерий, как и водород, может поглощаться палладием. Понс и Флейшманн использовали дейтерий в своих экспериментах по синтезу, потому что синтез дейтерия генерирует примерно в 30 раз больше энергии, чем синтез водорода.

• Расщепление воды:  Понс и Флейшманн использовали электролиз для получения газообразного дейтерия путем расщепления молекул тяжелой воды — H ₂ O, в котором водород был заменен дейтерием. Когда электрический ток проходит через тяжелую воду в термоядерной ячейке, он запускает химические реакции на металлических стержнях. В воду добавляли дейтероксид лития (LiOD), чтобы повысить ее способность проводить электричество и ускорить процесс. На палладиевом стержне тяжелая вода (D ₂ O) реагирует с электронами, составляющими ток, с образованием газообразного дейтерия и ионов оксида дейтерия:

  2D ₂ O (l) + 2e ^–  › D ₂  (g) + 2OD ^–  (aq)

  На платиновом стержне ионы оксида дейтерия реагируют друг с другом с образованием газообразного кислорода, воды и электронов:

  4OD ^–  (водн.) › O ₂  (г) + 2D ₂ O (л) + 4e ^–

  Итак, в результирующей реакции вода разлагается на кислород и газообразный дейтерий:

  2D ₂ O (л) › O ₂  (ж) + 2D ₂  (ж)

• Взаимодействие палладий-дейтерий:  Палладий на самом деле является кристаллом — это означает, что его атомы организованы по схеме, которая повторяется снова и снова, образуя твердое тело. Основной узор, лежащий в основе палладия, представляет собой куб с атомами в каждом углу и в центре каждой грани куба. Когда дейтерий поглощается палладием, он втягивается в центр этих ячеек и затем может диффундировать через кристалл, перескакивая из центра ячейки в центр ячейки. В таком маленьком масштабе — на длине около 1/100 000 ширины пряди волос — важны квантово-механические эффекты. Будучи химиками, которые не специализировались на явлениях квантовой механики, Понс и Флейшманн думали, что, возможно, квантово-механические взаимодействия между атомами палладия и атомами дейтерия могут привести к тому, что атомы дейтерия сблизятся достаточно близко, чтобы слиться. Позже физики показали, что это не так.

• Продукты синтеза: Согласно ядерной теории, когда два атома дейтерия сливаются, они образуют высокоэнергетический гелий-4 (атом с двумя протонами и двумя нейтронами). Затем гелий-4 высвобождает часть своей энергии одним из трех способов:

1. 1. выбрасывает протон и превращается в тритий (изотоп водорода с двумя нейтронами и одним протоном)
   2. выбрасывает нейтрон и превращается в гелий-3 (изотоп гелия с одним нейтроном и двумя протонами)
   3. выпускает гамма-лучи и оставляет гелий-4 (но с гораздо меньшей энергией)

Затем эти частицы будут сталкиваться с молекулами в их окружении и, таким образом, передавать часть своей энергии палладию и воде в виде тепла.

• Обнаружение продуктов синтеза: Уже были разработаны методы обнаружения каждого из шести продуктов синтеза (протоны, нейтроны, гамма-лучи, тритий, гелий-3 и гелий-4), но Понс решил сосредоточиться на поиск нейтронов, поскольку ожидалось, что они будут относительно многочисленны среди продуктов и их будет легче всего обнаружить. Когда первоначальный прямой поиск нейтронов Понсом не увенчался успехом, он начал задаваться вопросом, не происходит ли с ними что-то еще до того, как они достигнут детектора. Если бы нейтроны создавались в термоядерной ячейке, то в конечном итоге они путешествовали бы через воду, окружающую ячейку. Возможно, нейтроны вступили в реакцию с водой до того, как их удалось обнаружить. Поэтому во второй попытке найти свидетельства существования нейтронов Понс искал продукт взаимодействия нейтронов с водой — гамма-лучи. Эти гамма-лучи будут отличаться от гамма-лучей, произведенных самим событием синтеза, потому что эти вторичные гамма-лучи будут иметь гораздо меньшую энергию. Некоторые из вторичных гамма-лучей будут взаимодействовать с водой таким образом, что их можно будет обнаружить. Нейтронные доказательства Понса были в конечном итоге дискредитированы, потому что не было никаких признаков этого взаимодействия между вторичными гамма-лучами и водой.

Реактор ядерного синтеза бьет энергетический рекорд ПО 4.0)

Рухнул 24-летний рекорд по термоядерному синтезу. Ученые Объединенного европейского тора (JET) недалеко от Оксфорда, Великобритания, объявили 9 февраля, что они сгенерировали самый высокий устойчивый энергетический импульс, когда-либо созданный путем слияния атомов, более чем вдвое превзойдя свой собственный рекорд по результатам экспериментов, проведенных в 1919 году.97.

«Эти знаменательные результаты сделали нас на огромный шаг ближе к решению одной из самых больших научных и инженерных задач», — сказал Ян Чепмен, руководитель Центра термоядерной энергии Калхэма (CCFE), где базируется JET. , в заявлении. Управление по атомной энергии Великобритании размещает JET, но его научная программа находится в ведении европейского сотрудничества под названием EUROfusion.

В погоне за термоядерной энергией

Если исследователи смогут использовать ядерный синтез — процесс, который питает Солнце, — он обещает предоставить почти безграничный источник чистой энергии. Но до сих пор ни один эксперимент не произвел больше энергии, чем было затрачено. Результаты JET не меняют этого, но они предполагают, что последующий проект термоядерного реактора, использующий ту же технологию и топливную смесь, — амбициозный проект стоимостью 22 миллиарда долларов США. ИТЭР, который должен начать эксперименты по термоядерному синтезу в 2025 году, в конечном итоге должен достичь этой цели.

«JET действительно добился того, что было предсказано. То же самое моделирование теперь говорит о том, что ИТЭР будет работать», — говорит физик термоядерного синтеза Жозефина Пролл из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах, которая работает над реактором другого типа, называемым стелларатором. «Это очень, очень хороший знак, и я взволнован».

Два десятилетия работы

Эксперименты — кульминация почти двух десятилетий работы — важны для того, чтобы помочь ученым предсказать, как будет вести себя ИТЭР, и определить его рабочие параметры, говорит Энн Уайт, физик по плазме из Массачусетского института. из Кембриджа, который работает над токамаками, реакторами, которые, как и JET, имеют форму пончика. «Я уверен, что не одинок в сообществе специалистов по термоядерному синтезу, кто хочет сердечно поздравить команду JET».

США установили рекорд в области лазерного термоядерного синтеза: что это значит для исследований в области ядерного оружия

JET и ITER используют магнитные поля для удержания плазмы, перегретого газа изотопов водорода, в токамаке. Под действием тепла и давления изотопы сливаются в гелий, высвобождая энергию в виде нейтронов.

Чтобы побить энергетический рекорд, JET использовал топливо, состоящее из равных частей трития и дейтерия — той же смеси, которая будет питать ИТЭР, который строится на юге Франции. Тритий — редкий и радиоактивный изотоп водорода; когда он сливается с изотопом дейтерия, в реакциях образуется гораздо больше нейтронов, чем в реакциях только между частицами дейтерия. Это увеличивает выход энергии, но JET пришлось более двух лет модернизировать, чтобы подготовить машину к натиску. В последний раз тритий использовался в термоядерном эксперименте на токамаке, когда JET установила свой предыдущий рекорд в 1997.

Рекордный импульс в действии внутри внутреннего сосуда JET в форме пончика. (Со звуком тоже неплохо.) Фото: UKAEA

В ходе эксперимента, проведенного 21 декабря 2021 года, токамак JET произвел 59 мегаджоулей энергии за 5-секундный «импульс» термоядерного синтеза, что более чем вдвое превышает 21,7 мегаджоулей, высвобожденных в 1997 году примерно за 4 секунды. Хотя эксперимент 1997 года по-прежнему сохраняет рекорд «пиковой мощности», этот всплеск длился всего доли секунды, а средняя мощность эксперимента была меньше половины мощности последнего теста, говорит Фернанда Римини, ученый-плазмотехник из CCFE. который руководил прошлогодней экспериментальной кампанией. По ее словам, на усовершенствование ушло 20 лет экспериментальной оптимизации, а также модернизация оборудования, которая включала замену внутренней стенки токамака, чтобы тратить меньше топлива.

Отношение мощности

Производство энергии в течение нескольких секунд необходимо для понимания процессов нагрева, охлаждения и движения, происходящих внутри плазмы, которые будут иметь решающее значение для запуска ИТЭР, говорит Римини.

Пять секунд — это большое дело, — добавляет Пролл. «Это действительно впечатляет».

В прошлом году Национальная установка по воспламенению Министерства энергетики США установила другой рекорд термоядерного синтеза: он использовал лазерную технологию для получения самой высокой зарегистрированной выходной мощности термоядерного синтеза по отношению к входной мощности, значение, называемое Q , где 1 будет генерировать столько энергии, сколько потребляется. Объект достиг Q 0,7 — ориентир для лазерного синтеза, который побил рекорд JET 1997 года. Но событие было недолгим, произведя всего 1,3 мегаджоуля менее чем за 4 миллиардные доли секунды.

Последний эксперимент JET выдержал Q 0,33 в течение 5 секунд, говорит Римини. JET — это уменьшенная версия ITER, объем которой составляет одну десятую — ванна по сравнению с бассейном, — говорит Пролл. Он легче теряет тепло, чем ИТЭР, поэтому никогда не ожидалось, что он выйдет на безубыточность. По ее словам, если бы инженеры применяли к ИТЭР те же условия и физический подход, что и к JET, он, вероятно, достиг бы своей цели — Q из 10, производит в десять раз больше энергии, чем затрачивается.

Исследователи термоядерного синтеза далеки от ответов на все вопросы. Оставшаяся проблема, например, связана с теплом, выделяемым в выхлопной зоне реактора ИТЭР. Выхлоп ИТЭР будет иметь большую площадь, чем у JET, но это увеличение не будет пропорционально скачку мощности, с которым ему придется иметь дело. В настоящее время ведутся исследования, чтобы определить, какая конструкция должна лучше всего выдерживать жару, но исследователей еще нет, говорит Пролл.