Külma ja kuuma sulandumine

Külmtuuma on endiselt peidus paksu udu taga, isegi mitte alust väita, et see üldse olemas on. Teisest küljest on raevukust raske ohjeldada ja täielikult kontrolli alla võtta.

1. Külmtuumale pühendatud ajakirja Vremya kuunumbri kaas.

Lõppude lõpuks on see külm termotuumasüntees või mitte? - võib küsida kõrvalseisja, kes on maailma ja teaduse vastu uudishimulik, kuid teemaga mitte väga põhjalikult kursis. Ilmselt seetõttu, et pärast Martin Fleishmani ja Stanley Ponsi paljastusi, kes 25 aastat tagasi teatasid, et neil õnnestus saada energiat tuumasünteesi teel pallaadiumkatoodiga raske veega täidetud "patareis", pole ametliku teaduse esindajad kindlalt sõna võtnud ning üksmeelselt, see on vale. Kuigi paljud kahtlesid, on paljud uurimiskeskused teinud ja üritavad ehitada "külma" reaktorit.

Paljutõotav kogemus. Võib olla

Fleishmani ja Ponsi "avastuse" staatus pole täielikult mõistetav. Tõde on ebaselge ka viimaste aastate “külmtuumade” teema üsna tuntud järglase – seadme nimega Energy Catalyzer (E-Cat) – kohta. Selle konstruktsiooni ehitas leiutaja Andrea Rossi (2) Sergio Focardi juhitud meeskonna abiga. Loojate sõnul peaks see töötama nikli ja vesiniku külmsulandumise põhimõttel koos vase tootmise ja soojusenergia vabanemisega, mis seejärel muundatakse elektriks. 1-vatise reaktori iga tööminuti kohta (mis langeb mõne minuti pärast 400-ni) muundatakse 292 grammi vett temperatuuril 20 °C auruks 101 °C juures. Seadet demonstreeriti avalikkusele mitu korda, kuid sõltumatuid uuringuid arendajad ei luba.

2. Andrea Rossi oma E-Kassiga

PhysOrgi andmetel olid 2011. aasta jaanuarist aprillini läbi viidud katsed valed ja neil puuduvad tõendid. Täiendavaid mõõtmisi arendajad teha ei lubanud. Ettevõtlik "leiutajate" firma on aga seadmeostude üle arvestust pidanud 2011. aasta novembrist.

3. Professor Yoshiaki Arata

Seevastu 2013. aasta mais avaldas sõltumatute ekspertide rühm portaali arXiv arhiivis aruande kahe tüüpi reaktorite E-Cat HT ja E-Cat HT2 katsete kohta, mis kestsid vastavalt 96 ja 116 tundi. Reaktorit katsetasid kõige tõsisemad teadlased - füüsikud Bologna ülikoolist Giuseppe Levy ja Evelyn Foschi, Thorbjorn Hartman Svedbergi laborist, tuumafüüsik Bo Höystad, Roland Pettersson Uppsala ülikoolist ja Hanno Essen Kuninglikust Tehnoloogiainstituudist. Stockholmis. Neid testiti 2012. aasta detsembrist 2013. aasta märtsini Itaalias Rossi laborites. Mõõtmised on näidanud, et soojusenergiat toodetakse vähemalt ühe suurusjärgu võrra rohkem kui mis tahes teadaoleva keemilise energiaallika võimsus. Kas see on siis...?

Teadlased üle maailma on jagatud. Enamik ei usu, et selline reaktsioon on üldse võimalik. Kuid kahe aasta jooksul ei suutnud keegi Itaalias pettust tõestada.

Rahvusvaheline uurimisrühm peaks lähiajal läbi viima täiendava üksikasjaliku E-Cat uuringu. Need peaksid lõppema märtsis ja varsti pärast seda avaldatakse esimene tõeline paber Rossi leiutise kohta. Igal juhul tahab Ameerika ettevõte Cherokee Investment Partners nüüd Rossi seadmesse investeerida ning seda Hiina ja Ameerika turule tutvustada.

Viimastel aastatel on kõlavaim olnud itaallaste idee külmsünteesist. Selle teostatavust üritati muidugi ka teisiti tõestada. 2005. aastal Los Angelese California ülikooli füüsikute rühma poolt välja kuulutatud meetod on püroelektriliste omadustega kristalli kiire kuumutamine (kuumutamisel tekitab see elektrivälja). Kirjeldatud katses kuumutati kristalli ühelt poolt temperatuurivahemikus -34 kuni 7 °C. Selle tulemusena tekkis kristalli otste vahele elektriväli suurusjärgus 25 GV/m, mis kiirendas deuteeriumioone, mis põrkasid kokku puhkavate deuteeriumioonidega. Mõõdetud ioonide energia jõudis 100 keV-ni, mis vastab sünteesiks piisava temperatuuri saavutamisele. Katsetajad jälgisid neutroneid energiaga 2,45 MeV, mis viitab termotuumasünteesile. Nähtuse mastaap pole nii suur, et seda saaks kasutada energeetiliseks otstarbeks, kuid see võimaldab ehitada miniatuurse neutronite allika. 2006. aastal leidis see efekt kinnitust Rensselaeri polütehnilises instituudis.

Meedia teatas, et 2008. aasta mais viis Jaapani Osaka ülikooli füüsikaprofessor Yoshiaki Arata (3) läbi eduka ja reprodutseeritava katse, mis näitas, et pärast kokkupuudet kõrgsurve deuteeriumiga süsteemis tekib pärast kokkupuudet sellega lisasoojust. pallaadiumi ja tsirkooniumoksiidi pulber. tekitatud (võrreldes kerge vesinikuga kontrolliga). Naaberaatomite tuumad on piisavalt lähedal, et moodustada heeliumi aatomi tuum. Paljud teadlased kahtlevad aga vaadeldava kuumuse tuuma päritolus ja võrdlevad seda kogemust Fleischmanni ja Ponsi kuulsa eksperimendiga 1989. aastal.

Taltsutavad fusioonireaktsioonid

Tänapäeval teatavad oma külmsünteesikatsetest üha enam uurimiskeskusi, sealhulgas NASA. Häda on selles, et keegi ei oska seletada külmsünteesi reaktsiooni mehhanismi ja korduvad katsed on edukad, mõnikord mitte.

"Tavalised" termotuumasünteesi reaktsioonid nõuavad väga suurt energiat (nt äärmuslikud temperatuurid või osakeste kokkupõrked). Aatomite tuumad on positiivselt laetud ja peavad ühendamiseks ületama Coulombi seaduses kirjeldatud elektrostaatilised jõud. Selle vajalik tingimus on tuumade kiirus (kineetiline energia). Tuumade kõrge energia saavutatakse väga kõrgetel temperatuuridel või tuumade kiirendamisel osakeste kiirendites. See reaktsioon toimub tähtedes või vesinikupommi plahvatamisel. Mõlemal juhul ei kontrolli me tohututel temperatuuridel toimuvaid reaktsioone (mida ei nimetata juhuslikult termotuumareaktsioonideks). Siiski on aastakümneid püütud seda protsessi läbi viia kontrollitud ja kontrollitud keskkonnas, mis sarnaneb aatomi lagunemise taltsutatud energiaga.

Energia vabaneb eksotermilise reaktsiooni tulemusena. Ühe heeliumituuma loomise tsükli jooksul vabaneb neljast prootonist reaktsioonisaaduste kineetilise energia ja gammakiirguse kujul 26,7 MeV (4). See hajub ümbritsevatele aatomitele ja muundatakse soojusenergiaks. Ilma reaktsioonita saab reaktsiooni käigus vabanevat energiat määrata massidefitsiidi ehk komponentide ja reaktsioonisaaduste masside erinevusega.

4. Termotuumasünteesi visualiseerimine

Vesinikutsükkel, millest me termotuumasünteesi kontekstis kõige sagedamini räägime, ei ole ainus termotuumasünteesi tüüp. Päikesest massiivsemates ja kuumemates tähtedes sünteesitakse süsinik, lämmastik ja hapnik, mis toodavad peaaegu sama palju energiat kui vesinikutsüklis. Toimuvad ka raskemate elementide ühinemised, hiiglastes ja superhiiglastes ning supernoova plahvatustel tekivad niklist isegi raskemad tuumad.

Teadusele teadaolevad tuumasünteesid, nagu näete, on erinevad, kuid need on alati seotud suurte energiate ja temperatuuridega, mis ulatuvad miljonite kelvinite suurusjärku. Külm termotuumasüntees seevastu tugineb tundmatutele või vähemalt kirjeldamata ja testimata teaduslikele protsessidele. Skeptikute jaoks on kõige olulisem kontrollimine ja mitu korda, kuni saavutatakse XNUMX% korratavus.

Livermore'i riikliku labori teadlased Californias asuv Lawrence teatas tänavu veebruaris, et esimest korda suutsid nad oma termotuumasünteesikatsetes toota reaktsioonist rohkem energiat, kui kulus kütuse varustamiseks. See ei tähenda, et hakkame kohe termotuumaelektrijaamu ehitama, kuid kindlasti on tegemist olulise läbimurdega, millest kirjutab ajakiri Nature. Vesiniku, deuteeriumi ja triitiumi isotoopidest koosnev kütuseosake andis 17 XNUMX tükki. džaule energiat. Seda on rohkem, kui kulus, kuigi – mis paraku halvendab oluliselt tasakaalu – läks kütuseks vaid üks protsent kogu katses kulutatud energiast. Ja see teave pärsib kindlasti tekkivat entusiasmi.

California laboris, mida tuntakse ka riikliku süüteseadmena, on 350 triljoni vatine laser (5). Selle ülesanne on süüdata vesiniku isotoobid termotuumasünteesi temperatuurini. Superlaser on tegelikult 192 laserkiirest koosnev kiir, mida kiirendatakse kiirendites.

5. Laser koos Lawrence Livermore'i riikliku süütetehasega

6. Eksperimentaalse termotuumareaktori mudel, mille sees on nähtav plasmarõngas

Kui rääkida juhitavast termotuumasünteesist, siis üks lahendamist vajav probleem on tekkiva ülikuuma plasma kontroll (6). Sandia riiklikus laboris töötavad teadlased on katsetanud alates XNUMX sajandist tuntud Helmholtzi mähistega, mis loovad voolu voolamisel magnetvälja. Kui peamise lähedale tekkis täiendav magnetväli, selgus, et ebastabiilsuse seisundid arenevad palju aeglasemalt, mis on üheks peamiseks takistuseks termotuumasünteesi reaktsiooni säilimisel.

Seda tüüpi ebastabiilsused, mida tuntakse Rayleigh-Taylori efektidena, katsetes püüda "püüda" hiiglaslikku kuuma plasmat tokamakidesse (kontrollitud termotuumareaktsiooni läbiviimiseks), on seni vältimatult kaasa toonud välja stabiilsuse kadumise ja lõpuks plasma "lekkimine". Sandia teadlased märkasid, et poolidele lisavälja lisamine parandas need ebastabiilsused. Teadlased, kes kirjutavad oma avastusest ajakirjas Physical Review Letters, tunnistavad, et nad ei mõista seda nähtust täielikult, kuid loodavad, et edasised uuringud võimaldavad neil välja töötada tehnoloogia, mis võimaldab plasmal olla stabiilne ja selle tulemusena hoida termotuumareaktsiooni palju kauem kui praegu.

Teadus on kahekordselt abitu

Seni on teadus termotuumasünteesi ja selle kontrollitud energiaallikana kasutamise väljavaadete suhtes kahekordselt abitu. Ühest küljest pole külm termotuumasünteesi puhul väga selge, nii et me ei tea, kas panna sellele lootusi või jätta see Kunstkaamera enda otsustada. Teisest küljest ei suutnud ta aastakümneid kuuma termotuumasünteesi elementi omandada. Võib-olla on see abitus vaid näiline ja varsti hakkame mõlema teemaga tegelema? Meil on valida, seetõttu pole teada, mida - see tähendab "külma" ja "kuuma" sünteesi, mida omakorda ei teata, kuidas rahumeelselt kasu tuua.