Сам термин "холодный термояд" был изобретен, чтобы подчеркнуть, что термоядерная реакция может происходить чуть ли не при комнатных температурах. Для термоядерной реакции перехода тяжелого водорода (дейтерия) в гелий требуется как минимум температура 10 млн. градусов. Такую температуру в больших объемах можно, например, достичь при взрыве атомной бомбы. На установках типа Токамак пытаются выжать и большую температуру в плазме электрического разряда, сконцентрированной магнитным полем. В последнее время возникло интересное направление в термоядерных исследованиях, связанное с попыткой получения нужной температуры в очень небольших объемах с помощью сверхмощного лазера.
История сообщений насчет "холодного термояда" берет свое начало в 1989 году. Тогда два экспериментатора, Мартин Флейшман и Стэнли Понс, объявили о возможности протекания управляемой реакции термоядерного синтеза при комнатной температуре в тяжелой воде при электролизе с использованием палладиевых электродов. Говорилось, что при этом выделялась энергия, были зарегистрированы нейтроны и гамма-кванты.
За прошедшие годы так никому и не удалось воспроизвести результаты Флейшмана и Понса. Даже если в тех экспериментах действительно что-то удалось зарегистрировать (при плохой постановке опытов и наличии достаточного числа ошибок чудеса все-таки бывают) значимость тех результатов равна нулю. Значение имеют только воспроизводимые результаты, пусть даже с какой-то долей вероятности. Научный сотрудник является всего лишь первым, кто должен научиться делать что-то новое и он должен научить делать то же самое других.
Следующий виток истории о "холодном термояде" был уже связан с явлением сонолюминесценции. Давно известно, что при прохождении звуковых волн сквозь жидкость образуются крошечные пузырьки газа. В определенных условиях при схлопывании они излучают свет, называемый сонолюминесценцией, и нагреваются до тысяч градусов. Для того, чтобы запустить реакцию синтеза, необходимо добраться до заветного значения, равного 10 млн. градусов. Группа Рузи Талейархана (Окриджская национальная лаборатория) утверждала, что ей удалось этого добиться. В их экспериментальной установке для образования микроскопических пузырьков газа в ацетоне использовался нейтронный пучок. При этом в ацетоне атомы обычного водорода были заменены атомами дейтерия - его более тяжелого изотопа. Утверждалось, что удалось зарегистрировать как излучение света и ударные волны схлопывающихся пузырьков, так и сопутствующее им излучение высокоэнергетичных нейтронов с энергией 2,5 МэВ. Нейтроны именно такой энергии должны сопровождать превращение дейтерия в гелий. При этом даже регистрировалось повышение уровня трития - еще одного продукта реакции синтеза. Однако хотя теоретически возможно достижение астрономических температур при схлопывании пузырьков, это возможно только лишь в том случае, если они сохраняют правильную сферическую форму. Любая нестабильность, ведет к тому, что процесс этот протекает при температурах от 10000 до 20000 градусов.
И эти эксперименты воспроизвести никому не удалось. Печальное невезение. Тем более что математические модели вроде бы подтверждают возможность достижения нужных температур в схлопывающихся пузырьках. Но модели - они и есть модели. Модели имеют смысл только когда они построены на экспериментальных данных, любая их экстраполяция за пределы этих данных может дать совершенно фантастический результат. Критерий правильности расчетов только один - практика Заключительная фраза приведенного сообщения совершенно правильно подчеркивает, что на практике невозможно выдержать допущения модели. Настораживает также то, что для инициации пузырьков использовался нейтронный пучок. А ведь именно нейтроны и ожидались для регистрации термоядерной реакции. Ошибки регистрации потока нейтронов могли дать какой угодно результат. Явление сонолюминесценции красиво и интересно само по себе. Воссоздать его по-видимому совершенно нетрудно в вашей домашней лаборатории. Потребуется только сделать ультразвуковой или низкочастотный генератор, а это под силу даже неопытному в электронике. Направление же исследований совершенно очевидно - протекание различных химических реакций в объемах с сонолюминисценцией. Не исключено, что для некоторых реакций это явление может оказаться эффективным катализатором. В общем, учитывая огромное количество доступных химических реакций, вполне можно надеялся найти какой-нибудь полезный эффект.
Как сообщил журнал Nature, эстафету по "холодному" термояду приняли сотрудники иллинойского университета (г. Урбана-Шампэйн) Кен Суслик (Ken Suslik) и Дэвид Флэнниган (David Flamiigan). Они сумели достичь сонолюминисценции с необычно яркими вспышками света - настолько яркими, что они хорошо видны невооруженным глазом. Измерения, проведенные американскими химиками, показали, что температура в пузырьках достигает 15000 градусов Цельсия - что в несколько раз выше, чем на поверхности Солнца.
«Наши результаты не являются ни подтверждением, ни опровержением заявлений Талейархана о протекании реакции синтеза, - отметил он, подчеркнув при этом, что обязательным условием протекания реакции ядерного синтеза является наличие плазмы. - В нашей статье впервые со всей определенностью показано, что в данном процессе образование плазмы возможно».
Ученые воздействовали ультразвуковыми волнами частотой от 20 кГц до 40 кГц, находящимися за пределами чувствительности слуха человека, на концентрированную серную кислоту, содержащую газ аргон. Звуковые волны приводили к образованию в жидкости областей, в которых давление менялось с высокого на низкое с высокой частотой. В результате этого микроскопические пузырьки газа то увеличивались в размерах, то «схлопывались». При этом скорость изменения давления была столь высока, что пузырьки буквально «взрывались» под воздействием так называемой акустической кавитации, в результате чего вещество в микроскопической области нагревалось до сверхвысоких температур. Вещество ионизировалось, а при возвращении в исходное состояние накопленная энергия высвобождалась в виде вспышки света.
Признаком наличия плазмы стало бы обнаружение наличия ионизированных молекул кислорода. Простой нагрев вещества привел бы сначала к разрыву связей между атомами в молекуле, и лишь затем - к их ионизации. Именно такие ионы и были обнаружены - Суслик и Фланниган утверждают, что образоваться они могли лишь при соударении с высокоэнергетичными электронами или другими ионами в горячем плазменном ядре.
Неудача предыдущих экспериментов с измерениями сонолюминисценции, вызванной акустической кавитацией, была связана с тем, что они проводились в воде, и львиная доля энергии поглощалась молекулами водяных паров. Серная кислота, использованная Сусликом и Фланниганом, намного менее летуча, чем вода, вследствие чего газовые пузырьки состояли практически из одного аргона с малой примесью молекул кислоты. А поскольку аргон существует в атомарном состоянии, энергия не расходовалась на разрыв этих связей либо возбуждение колебаний.
В результате оказалось, что пузырьки газа в серной кислоте под воздействием сонолюминисценции вызывают свечение в 2700 раз более интенсивное, чем пузырьки в воде. что позволило провести измерения температуры в пузырьках с намного более высокой точностью, чем прежде.
С важным достижением американских ученых проблема промышленного производства дешевой и чистой энергии, смутно маячившая вдалеке, начинает обретать реальные очертания. Сама задача из чисто физической приобрела внезапно «химическое» измерение - так, ученые из группы Суслика уже сегодня используют акустическую кавитацию для того чтобы инициировать определенные химические реакции. Они полагают, что им удастся увеличить выделяемою пузырьками энергию за счет подбора наиболее подходящих для этой цели газов и жидкостей.
Внесла свою лету и группа из университета Пердю (штат Индиана) под руководством Йибан Сюй (Yiban Xu) и Адама Батта (Adam Bull). Они утверждали, что механизм сонолюминисценции действительно приводит к протеканию ядерной реакции синтеза. Об этом свидетельствовали образующиеся в ходе реакции нейтроны.
Как сообщает сайт Oplics.org, Сюй и Батт поставили лабораторный эксперимент с использованием той же самой тестовой ячейки, которую использовал Талейархан, однако в качестве источника нейтронов применили Калифорний-252. Его преимущество заключается в том, что он является непрерывным, а не импульсным, источником нейтронов.
Ацетон, в котором водород был заменен его тяжелым изотопом дейтерием, подвергался воздействию нейтронного потока и ультразвуковых волн. Были зарегистрированы нейтроны энергии 2,5 МэВ - характерного признака протекания реакции синтеза двух ядер дейтерия, а также образование в жидкости еще более тяжелого радиоактивного изотопа водорода - трития. При использовании обычного ацетона ни того, ни другого признака не наблюдаюсь.
Скептиков переубедить пока не удается - так, Аарон Галонски (Aaron Galonsky) из университета штата Мичиган полагает, что нейтронные импульсы, наблюдавшиеся группой ученых из университета Пердю, вызываются гамма-излучением энергией 2,2 МэВ, возникающим при торможении нейтронов источника до тепловых энергий и их захватом парафиновыми стенками камеры.
И снова Рузи Талейархан (Rusi Taleyarkhan), но уже из университета Пердю (штат Индиана), куда переместилась его группа. На этот раз ученые обошлись без использования внешних источников нейтронов вообще - пузырьки образовывались в среде, состоящей из смеси бензола с урановой солью и жидкого ацетона, в котором нормальные атомы водорода были заменены дейтерием. В процессе спонтанного деления ядер урана образуется альфа-частицы, которые также могут инициировать образование пузырьков. Тем не менее, их легко отличить от нейтронов.
«В этом эксперименте используются три независимых нейтронных детектора и детектор гамма-лучей» - сообщает Талейархан и добавляет, что результаты, полученные с помощью этих четырех инструментов, доказывают, что в эксперименте происходит реакция синтеза. Хотя уран также может испускать нейтроны в ходе реакций расщепления, Талейархан утверждает, что они характеризуются иными энергиями, что позволяет без труда отделить эти нейтроны от тех, что выделяются при слиянии двух ядер дейтерия, сообщает Nature.
Экспериментальный реактор пока выдает энергии меньше, чем потребляет на поддержание реакции синтеза, и поэтому пока не может использоваться для генерации энергии. Но между тем, уже сейчас такой реактор способен стать дешевым источником нейтронов, необходимых для анализа структуры материалов. Результаты проведенных исследований будут опубликованы в журнале Physical Review letters в ближайшее время.
И, наконец, самое свежее сообщение на тему "холодного термояда" На этот раз нет никаких пузырьков и акцент перенесен с возможности термоядерного синтеза на возможность легкой генерации нейтронов: "Новый реактор пока еще не позволяет вырабатывать энергию, однако является чрезвычайно удобным, компактным и неэнергоемким управляемым источником нейтронов". Фактически устройство, разработанное исследовательской группой под руководством Ceтa Паттермаиа (Seth Puttennaii). представляет собой настольный ускоритель элементарных частиц оригинальной конструкции. В его основе - два пироэлектрических кристалла, создающих электрическое поле высокой напряженности при нагревании либо охлаждении. Рабочая камера с кристаллами заполнена газом дейтерия - тяжелого изотопа водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона. На поверхности одного из электродов - катода - находится дейтериевое мишенное устройство.
Электрическое поле «срывает» электроны, образуя ионы дейтерия, которые ускоряются в направлении к кристаллу. При их взаимодействии с веществом мишени выделяются нейтроны - неопровержимый признак протекания реакции синтеза ядер (так называемой термоядерной реакции).
Первый вариант пироэлектрической установки термоядерного синтеза был испытан еще в прошлом году. Теперь в него внесено два важных усовершенствования. Во-первых, вместо одного пироэлектрического кристалла используются два, что позволяет в два раза повысить «ускоряющий потенциал» установки. Во-вторых, термоядерный синтез протекает при нормальной температуре, что позволило отказаться от криогенных систем.
С точки зрения неспециалиста и тем более не физика, данное устройство не более, чем игрушка. Вряд ли с помощью каких-либо кристаллов можно создать более сильное электрическое поле, нежели другими методами. Если это так, то это уже само по себе тянет на открытие. Если нет, то нет и ничего принципиально нового. И излучения нейтронов, по крайней мере, достаточного для регистрации, там тоже не должно быть. В эти игрушки физики играли еще в начале прошлого века. Но мы далеки от критики данного эксперимента, не хотелось бы "с грязной водой выплеснуть и ребенка". Тем более по приведенной информации вообще трудно что-либо оценить, например, понять что такое есть загадочное "дейтериевое мишенное устройство". Наш интерес к этой установке совсем в другом. В целом подобное устройство не выглядит сложным и вполне доступно для воспроизведения в условиях домашней лаборатории. Дейтерия конечно в магазинах купить не удастся. но можно поэкспериментировать с другими газами, получить их совсем несложно химическими методами. С какой-то долей вероятности при этом можно наткнуться на эффект, который просмотрели другие (хотя конечно к области термоядерного синтеза он не будет иметь какого-либо отношения). Такое случается довольно часто. Иногда первыми новый эффект замечают вовсе не научные сотрудники, а просто наблюдательные люди, любители-экспериментаторы, лаборанты. Так было например при открытии сварки взрывом, колебательных химических реакций и т.д, примеров можно привести множество.