Fuzja termojądrowa. Zimna fuzja: eksperymenty tworzą energię, która nie powinna istnieć

Kontrolowana synteza termojądrowa to interesujący proces fizyczny, który (nadal w teorii) może uratować świat przed uzależnieniem energetycznym od paliw kopalnych. Proces polega na syntezie jąder atomowych od lżejszych do cięższych z wyzwoleniem energii. W przeciwieństwie do innego zastosowania atomu – uwalniania z niego energii w reaktorach jądrowych podczas jego rozpadu – synteza termojądrowa na papierze nie pozostawi praktycznie żadnych radioaktywnych produktów ubocznych. Szczególne nadzieje pokłada się w reaktorze ITER, na którego powstanie wydano zawrotne sumy pieniędzy. Sceptycy polegają jednak na rozwoju prywatnych korporacji.

W 2018 r. naukowcy ogłosili smutną wiadomość, że pomimo obaw związanych z globalnym ociepleniem, w 2017 r. węgiel wygenerował 38% światowej energii elektrycznej – tyle samo, co w momencie, gdy 20 lat temu wydano pierwsze ostrzeżenia klimatyczne. Jeszcze gorzej Emisje gazów cieplarnianych wzrosły w ubiegłym roku o 2,7%, co stanowi największy wzrost od siedmiu lat. Ta stagnacja sprawiła, że ​​nawet politycy i ekolodzy zaczęli myśleć, że potrzebujemy więcej energii jądrowej.

• Tłumaczenie

Dziedzina ta nazywa się obecnie niskoenergetycznymi reakcjami jądrowymi i być może w niej osiąga się prawdziwe wyniki – ale może też okazać się upartą śmieciową nauką

Doktor Martin Fleischman (po prawej), elektrochemik, i Stanley Pons, przewodniczący wydziału chemii na Uniwersytecie Utah, odpowiadają na pytania Komisji Nauki i Technologii dotyczące ich kontrowersyjnej pracy nad zimną syntezą, 26 kwietnia 1989 r.

Howard J. Wilk - chemik, już specjalista od syntetycznych związków organicznych przez długi czas nie pracuje w swojej specjalności i mieszka w Filadelfii. Podobnie jak wielu innych badaczy branży farmaceutycznej, w ostatnich latach padł ofiarą cięć w zakresie badań i rozwoju w przemyśle farmaceutycznym i obecnie podejmuje pracę w niepełnym wymiarze godzin niezwiązaną z nauką. Mając mało czasu, Wilk śledzi postępy firmy Brilliant Light Power (BLP) z New Jersey.

To jedna z tych firm, która rozwija procesy, które można ogólnie określić jako nowe technologie pozyskiwania energii. Ruch ten jest w dużej mierze odrodzeniem zimnej syntezy, krótkotrwałego zjawiska z lat 80. XX wieku, polegającego na syntezie jądrowej w prostym, laboratoryjnym urządzeniu elektrolitycznym, które naukowcy szybko odrzucili.

W 1991 roku założyciel BLP, Randall L. Mills, ogłosił na konferencji prasowej w Lancaster w Pensylwanii rozwój teorii, zgodnie z którą elektron w wodorze może przejść z normalnego, podstawowego stanu energetycznego do nieznanego wcześniej, bardziej stabilnego, niższego stanu stan energetyczny, z uwolnieniem ogromnych ilości energii. Mills nazwał to dziwnym nowy typ sprężony wodór „ ” i od tego czasu pracuje nad komercyjnym urządzeniem zbierającym tę energię.

Wilk studiował teorię Millsa, czytał artykuły i patenty oraz przeprowadzał własne obliczenia dla hydrino. Wilk wziął nawet udział w demonstracji na terenie BLP w Cranbury w stanie New Jersey, gdzie omawiał hydrino z Millsem. Po tym Wilk nadal nie może się zdecydować, czy Mills jest nierealistycznym geniuszem, zapalonym naukowcem, czy kimś pomiędzy.

Historia zaczyna się w 1989 r., kiedy elektrochemicy Martin Fleischmann i Stanley Pons ogłosili na konferencji prasowej Uniwersytetu Utah zdumiewające oświadczenie, że udało im się ujarzmić energię syntezy jądrowej w ogniwie elektrolitycznym.

Kiedy badacze przyłożyli do ogniwa prąd elektryczny, wierzyli, że atomy deuteru pochodzą z ciężka woda, który przeniknął przez katodę palladową, wszedł w reakcję syntezy i wygenerował atomy helu. Nadmiar energii procesu został zamieniony na ciepło. Fleischmann i Pons argumentowali, że proces ten nie może być wynikiem żadnej znanej reakcji chemicznej i dodali termin „ zimna fuzja».

Jednak po wielu miesiącach badania ich tajemniczych obserwacji społeczność naukowa zgodziła się, że efekt był niestabilny lub w ogóle nie istniał, a w eksperymencie popełniono błędy. Badania zarzucono, a zimna fuzja stała się synonimem śmieciowej nauki.

Zimna synteza i produkcja hydrosyntezy to święty Graal w wytwarzaniu nieograniczonej, taniej i czystej energii. Zimna fuzja rozczarowała naukowców. Chcieli w niego wierzyć, ale ich zbiorowy umysł zdecydował, że to był błąd. Częścią problemu był brak ogólnie przyjętej teorii wyjaśniającej proponowane zjawisko – jak mówią fizycy, nie można ufać eksperymentowi, dopóki nie zostanie on potwierdzony teorią.

Mills ma swoją własną teorię, ale wielu naukowców w nią nie wierzy i uważa hydrino za mało prawdopodobne. Społeczność odrzuciła zimną fuzję i zignorowała Millsa i jego pracę. Mills zrobił to samo, starając się nie wpaść w cień zimnej fuzji.

Tymczasem dziedzina zimnej syntezy zmieniła nazwę na niskoenergetyczne reakcje jądrowe (LENR) i nadal istnieje. Niektórzy naukowcy nadal próbują wyjaśnić efekt Fleischmanna-Ponsa. Inni odrzucili syntezę jądrową, ale badają inne możliwe procesy, które mogłyby wyjaśnić nadmiar ciepła. Podobnie jak Millsa, przyciągnął ich potencjał zastosowań komercyjnych. Interesują się głównie produkcją energii na potrzeby przemysłu, gospodarstw domowych i transportu.

Niewielka liczba firm utworzonych w celu wprowadzenia na rynek nowych technologii energetycznych ma model biznesowy podobny do każdego startupu technologicznego: identyfikuje nową technologię, stara się opatentować pomysł, wzbudza zainteresowanie inwestorów, zdobywa fundusze, buduje prototypy, prowadzi demonstracje, ogłasza terminy sprzedaży urządzeń pracowniczych. Jednak w nowym świecie energii niedotrzymywanie terminów jest normą. Nikt nie podjął jeszcze ostatniego kroku polegającego na zademonstrowaniu działającego urządzenia.

Nowa teoria

Mills dorastał na farmie w Pensylwanii, uzyskał dyplom z chemii w Franklin and Marshall College, dyplom lekarza na Uniwersytecie Harvarda i studiował elektrotechnikę w Massachusetts Institute of Technology. Jako student zaczął opracowywać teorię, którą nazwał „Wielką Zunifikowaną Teorią Fizyki Klasycznej”, która, jego zdaniem, opierała się na fizyce klasycznej i zaproponowała nowy model atomów i cząsteczek, który odszedł od podstaw fizyki kwantowej.

Powszechnie przyjmuje się, że pojedynczy elektron wodoru krąży wokół swojego jądra, znajdującego się na najbardziej odpowiedniej orbicie stanu podstawowego. Przesunięcie elektronu wodoru bliżej jądra jest po prostu niemożliwe. Ale Mills twierdzi, że jest to możliwe.

Obecnie, jako badacz w Airbus Defence & Space, twierdzi, że nie monitoruje działań Millsa od 2007 r., ponieważ eksperymenty nie wykazały wyraźnych oznak nadmiaru energii. „Wątpię, czy którykolwiek z późniejszych eksperymentów został wybrany naukowo” – powiedział Rathke.

„Myślę, że powszechnie przyjmuje się, że teoria doktora Millsa stanowiąca podstawę jego twierdzeń jest kontrowersyjna i nieprzewidywalna” – kontynuuje Rathke. – Ktoś mógłby zapytać: „Czy moglibyśmy tak szczęśliwie natknąć się na źródło energii, które działa po prostu podążając za złem podejście teoretyczne?" ».

W latach 90-tych kilku badaczy, w tym zespół z Centrum Badań Lewis niezależnie poinformował o powtórzeniu podejścia Millsa i generowaniu nadmiaru ciepła. Zespół NASA napisał w raporcie, że „wyniki są dalekie od przekonujących” i nie wspomniał nic o hydrino.

Naukowcy zaproponowali możliwe procesy elektrochemiczne wyjaśniające ciepło, w tym nieprawidłowości w ogniwie elektrochemicznym, nieznane egzotermiczne reakcje chemiczne oraz rekombinację oddzielonych atomów wodoru i tlenu w wodzie. Te same argumenty wysunęli krytycy eksperymentów Fleischmanna-Ponsa. Zespół NASA wyjaśnił jednak, że badacze nie powinni lekceważyć tego zjawiska na wypadek, gdyby Mills coś zauważył.

Mills mówi bardzo szybko i może opowiadać bez przerwy szczegóły techniczne. Oprócz przewidywania hydrinos Mills twierdzi, że jego teoria może doskonale przewidzieć położenie dowolnego elektronu w cząsteczce przy użyciu specjalnego oprogramowania do modelowania molekularnego, a nawet w złożonych cząsteczkach, takich jak DNA. Używanie standardu teoria kwantowa Naukowcom trudno jest przewidzieć dokładne zachowanie czegokolwiek bardziej złożonego niż atom wodoru. Mills twierdzi także, że jego teoria wyjaśnia zjawisko rozszerzania się Wszechświata wraz z przyspieszeniem, którego kosmolodzy nie do końca zrozumieli.

Ponadto Mills twierdzi, że hydrino powstają w wyniku spalania wodoru w gwiazdach takich jak nasze Słońce i że można je wykryć w widmie światła gwiazd. Wodór jest uważany za najobficiej występujący pierwiastek we wszechświecie, ale Mills twierdzi, że hydrino to ciemna materia, której nie można znaleźć we wszechświecie. Astrofizycy są zaskoczeni takimi sugestiami: „Nigdy nie słyszałem o hydrino” – mówi Edward W. (Rocky) Kolb z Uniwersytetu w Chicago, ekspert od ciemnego wszechświata.

Mills zgłosił udaną izolację i scharakteryzowanie hydrino przy użyciu standardowych technik spektroskopowych, takich jak spektroskopia w podczerwieni, spektroskopia Ramana i spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego. Ponadto, powiedział, hydrinos może wchodzić w reakcje, które prowadzą do pojawienia się nowych rodzajów materiałów za pomocą „ niesamowite właściwości" Obejmuje to przewodniki, które według Millsa zrewolucjonizują świat urządzeń elektronicznych i baterii.

I choć jego wypowiedzi są sprzeczne z opinią publiczną, idee Millsa nie wydają się tak egzotyczne w porównaniu z innymi niezwykłymi składnikami Wszechświata. Na przykład mion jest znaną krótkotrwałą egzotyczną jednostką składającą się z antymonu (dodatnio naładowanej cząstki podobnej do elektronu) i elektronu. Pod względem chemicznym mion zachowuje się jak izotop wodoru, ale jest dziewięć razy lżejszy.

SunCell, hydrynowe ogniwo paliwowe

Niezależnie od tego, gdzie hydrinos znajduje się na skali wiarygodności, Mills powiedział dziesięć lat temu, że BLP wykroczyło poza naukowe potwierdzenie i interesowało go wyłącznie komercyjna strona rzeczy. Na przestrzeni lat firma BLP zebrała inwestycje o wartości ponad 110 milionów dolarów.

Podejście BLP do tworzenia hydrino przejawiało się na różne sposoby. We wczesnych prototypach Mills i jego zespół stosowali elektrody wolframowe lub niklowe z elektrolitycznym roztworem litu lub potasu. Dostarczony prąd dzieli wodę na wodór i tlen i kiedy odpowiednie warunki lit lub potas odgrywały rolę katalizatora pochłaniającego energię i zapadającego się orbity elektronowej wodoru. Energia powstająca w wyniku przejścia z podstawowego stanu atomowego do niższego stanu energetycznego została uwolniona w postaci jasnej, wysokotemperaturowej plazmy. Powstałe ciepło wykorzystano następnie do wytworzenia pary i zasilania generatora elektrycznego.

Firma BLP testuje obecnie urządzenie o nazwie SunCell, które dostarcza wodór (z wody) i katalizator tlenkowy do sferycznego reaktora węglowego z dwoma strumieniami stopionego srebra. Prąd elektryczny przyłożony do srebra wywołuje reakcję plazmową, w wyniku której powstają hydrino. Energia reaktora jest wychwytywana przez węgiel, który działa jak „promiennik ciała doskonale czarnego”. Kiedy nagrzeje się do tysięcy stopni, emituje energię w postaci światła widzialnego, które jest wychwytywane przez ogniwa fotowoltaiczne, które przekształcają światło w energię elektryczną.

W sprawie rozwój komercyjny Mills czasami sprawia wrażenie paranoika, innym razem praktycznego biznesmena. Zarejestrował się znak towarowy„Hydryno”. A ponieważ jej patenty zastrzegają wynalezienie hydrino, BLP zastrzega sobie własność intelektualną do badań hydrino. Z tego powodu BLP zabrania innym eksperymentatorom prowadzenia nawet podstawowych badań nad hydrino, które mogłyby potwierdzić lub obalić ich istnienie, bez uprzedniego podpisania umowy dotyczącej własności intelektualnej. „Zapraszamy badaczy, chcemy, aby inni to zrobili” – mówi Mills. „Ale musimy chronić naszą technologię”.

Zamiast tego Mills wyznaczył autoryzowanych walidatorów, którzy twierdzą, że są w stanie potwierdzić funkcjonalność wynalazków BLP. Jednym z nich jest inżynier elektryk z Uniwersytetu Bucknell, profesor Peter M. Jansson, który otrzymuje wynagrodzenie za ocenę technologii BLP za pośrednictwem swojej firmy konsultingowej Integrated Systems. Jenson stwierdza, że ​​wynagrodzenie za poświęcony czas „nie wpływa w żaden sposób na moje wnioski jako Niezależny odkrywca odkrycia naukowe" Dodaje, że „obalił większość ustaleń”, które badał.

„Naukowcy z BLP zajmują się prawdziwą nauką i jak dotąd nie znalazłem żadnych błędów w ich metodach i podejściach” – mówi Jenson. – Na przestrzeni lat widziałem w BLP wiele urządzeń, które wyraźnie są w stanie wytworzyć nadwyżkę energii w znaczących ilościach. Myślę, że minie trochę czasu, zanim społeczność naukowa zaakceptuje i przetrawi możliwość istnienia niskoenergetycznych stanów wodoru. Moim zdaniem praca doktora Millsa jest niezaprzeczalna.” Jenson dodaje, że firma BLP stoi przed wyzwaniami związanymi z komercjalizacją technologii, ale przeszkody mają charakter biznesowy, a nie naukowy.

W międzyczasie od 2014 roku BLP przeprowadziło kilka demonstracji swoich nowych prototypów dla inwestorów i opublikowało filmy na swojej stronie internetowej. Jednak te wydarzenia nie dostarczają jednoznacznych dowodów na to, że SunCell faktycznie działa.

W lipcu, po jednej ze swoich demonstracji, firma ogłosiła, że ​​szacowany koszt energii z SunCell jest tak niski – 1% do 10% jakiejkolwiek innej znanej formy energii – że firma „zamierza dostarczyć niezależne, dostosowane do indywidualnych potrzeb zasilacze do praktycznie wszystkich urządzeń stacjonarnych i aplikacje mobilne, niepowiązane z siecią energetyczną lub paliwowymi źródłami energii.” Innymi słowy, firma planuje zbudować i wydzierżawić SunCells lub inne urządzenia konsumentom, pobierając dzienną opłatę, która pozwoli im odłączyć się od sieci i przestać kupować benzynę lub energię słoneczną, wydając ułamek pieniędzy.

„To koniec ery ognia, silniku wewnętrzne spalanie I systemy scentralizowane dostaw energii” – mówi Mills. „Nasza technologia sprawi, że wszystkie inne formy technologii energetycznych staną się przestarzałe. Problemy związane ze zmianami klimatycznymi zostaną rozwiązane.” Dodaje, że wygląda na to, że BLP mogłoby rozpocząć produkcję, począwszy od elektrowni MW, do końca 2017 roku.

Co jest w imieniu?

Pomimo niepewności wokół Millsa i BLP, ich historia to tylko część większej sagi o nowej energii. Gdy opadł kurz po wstępnym ogłoszeniu Fleischmanna-Ponsa, dwóch badaczy zaczęło badać, co jest dobre, a co złe. Dołączyło do nich kilkudziesięciu współautorów i niezależnych badaczy.

Wielu z tych naukowców i inżynierów, często samofinansujących się, było zainteresowanych w mniejszym stopniu możliwościami komercyjnymi niż nauką: elektrochemią, metalurgią, kalorymetrią, spektrometrią mas i diagnostyką nuklearną. Kontynuowali eksperymenty, w wyniku których wytwarzano nadmiar ciepła, definiowany jako ilość energii wytwarzanej przez system w stosunku do energii wymaganej do jego działania. W niektórych przypadkach odnotowano anomalie jądrowe, takie jak pojawienie się neutrin, cząstek alfa (jąder helu), izotopów atomów i transmutacji niektórych pierwiastków w inne.

Ostatecznie jednak większość badaczy szuka wyjaśnienia tego, co się dzieje, i byłaby szczęśliwa, gdyby nawet niewielka ilość ciepła okazała się przydatna.

„LENR znajdują się w fazie eksperymentalnej i nie zostały jeszcze poznane teoretycznie” – mówi David J. Nagel, profesor inżynierii elektrycznej i informatyki na uniwersytecie. Jerzego Waszyngtona i były kierownik na badaniach w Laboratorium Badań Morskich. „Niektóre wyniki są po prostu niewytłumaczalne. Nazwijmy to zimną fuzją, niskoenergetycznymi reakcjami jądrowymi czy jakkolwiek – jest wiele nazw – wciąż nic o tym nie wiemy. Ale nie ma wątpliwości, że reakcje jądrowe można rozpocząć za pomocą energii chemicznej.

Nagel woli nazywać zjawisko LENR „reakcjami jądrowymi sieci”, ponieważ zjawisko to zachodzi w sieciach krystalicznych elektrody. Początkowa gałąź tej dziedziny koncentruje się na wprowadzaniu deuteru do elektrody palladowej poprzez zastosowanie wysokiej energii, wyjaśnia Nagel. Naukowcy podają, że takie układy elektrochemiczne mogą wytworzyć nawet 25 razy więcej energii, niż zużywają.

Druga główna gałąź tej dziedziny wykorzystuje kombinacje niklu i wodoru, które wytwarzają do 400 razy więcej energii niż zużywają. Nagel lubi porównywać te technologie LENR do eksperymentalnego międzynarodowego reaktora termojądrowego, opartego na dobrze znanej fizyce – syntezie deuteru i trytu – który jest budowany na południu Francji. Dwudziestoletni projekt kosztuje 20 miliardów dolarów, a jego celem jest wytworzenie 10-krotnie większej ilości zużywanej energii.

Nagel twierdzi, że dziedzina LENR rośnie wszędzie, a głównymi przeszkodami są brak funduszy i niespójne wyniki. Na przykład niektórzy badacze podają, że aby wywołać reakcję, należy osiągnąć określony próg. Może żądać minimalna ilość deuter lub wodór do wyzwolenia, albo też elektrody muszą być przygotowane z uwzględnieniem orientacji krystalograficznej i morfologii powierzchni. To ostatnie wymaganie jest wspólne dla katalizatorów heterogenicznych stosowanych w oczyszczaniu benzyny i produkcji petrochemicznej.

Nagel przyznaje, że komercyjna strona LENR również ma problemy. Opracowywane prototypy są, jego zdaniem, „dość prymitywne” i nie było jeszcze firmy, która zademonstrowała działający prototyp lub zarobiła na nim pieniądze.

E-Cat z Rosji

Jedną z najbardziej uderzających prób komercyjnego wykorzystania LENR podjął inżynier z Leonardo Corp z siedzibą w Miami. W 2011 roku Rossi i jego współpracownicy ogłosili na konferencji prasowej we Włoszech budowę laboratoryjnego reaktora „Energy Catalyst”, czyli E-Cat, który wytwarza nadmiar energii w procesie wykorzystującym nikiel jako katalizator. Aby uzasadnić wynalazek, Rossi zademonstrował E-Cat potencjalnym inwestorom i mediom oraz zlecił niezależne testy.

Rossi twierdzi, że jego E-Cat przechodzi samopodtrzymujący proces, podczas którego dopływający prąd elektryczny uruchamia syntezę wodoru i litu w obecności sproszkowanej mieszaniny niklu, litu i wodorku litowo-glinowego, w wyniku czego powstaje izotop berylu. Krótkożyciowy beryl rozpada się na dwie cząstki alfa, a nadmiar energii jest uwalniany w postaci ciepła. Część niklu zamienia się w miedź. Rossi mówi o braku zarówno odpadów, jak i promieniowania na zewnątrz urządzenia.

Oświadczenie Rossiego wywołało u naukowców to samo nieprzyjemne uczucie, co zimna synteza. Wiele osób nie ufa Rossiemu ze względu na jego kontrowersyjną przeszłość. We Włoszech został oskarżony o oszustwo w związku z wcześniejszą działalnością biznesową. Rossi twierdzi, że zarzuty należą do przeszłości i nie chce o nich rozmawiać. Miał też kiedyś kontrakt na stworzenie systemów termicznych dla armii amerykańskiej, ale dostarczone przez niego urządzenia nie działały zgodnie ze specyfikacjami.

W 2012 roku Rossi ogłosił utworzenie systemu o mocy 1 MW odpowiedniego do ogrzewania dużych budynków. Założył także, że do 2013 roku będzie już miał fabrykę produkującą rocznie milion jednostek wielkości laptopa o mocy 10 kW, przeznaczonych dla użytek domowy. Ale ani fabryka, ani te urządzenia nigdy nie powstały.

W 2014 r. Rossi udzielił licencji na tę technologię Industrial Heat, publicznej firmie inwestycyjnej Cherokee, która kupuje nieruchomości i oczyszcza stare tereny przemysłowe pod nową zabudowę. W 2015 r Dyrektor generalny Cherokee, Tom Darden, prawnik i ekolog z wykształcenia, nazwał ciepło przemysłowe „źródłem finansowania dla wynalazców LENR”.

Darden twierdzi, że firma Cherokee uruchomiła Industrial Heat, ponieważ firma inwestycyjna uważa, że ​​technologia LENR jest warta badań. „Chcieliśmy się mylić, byliśmy gotowi zainwestować czas i zasoby, aby sprawdzić, czy ten obszar może być przydatny w naszej misji zapobiegania zanieczyszczeniom [ środowisko]," on mówi.

Tymczasem Industrial Heat i Leonardo pokłóciły się i obecnie pozywają się nawzajem w związku z naruszeniem umowy. Rossi otrzyma 100 milionów dolarów, jeśli roczny test jego systemu o mocy 1 MW zakończy się pomyślnie. Rossi twierdzi, że test został zakończony, ale Industrial Heat tak nie uważa i obawia się, że urządzenie nie działa.

Nagel twierdzi, że E-Cat wniósł entuzjazm i nadzieję w dziedzinę NLNR. W 2012 roku argumentował, że wierzy, że Rossi nie jest oszustem, „ale nie podobają mi się niektóre jego podejścia do testowania”. Nagel uważał, że Rossi powinien był działać ostrożniej i przejrzyściej. Ale wtedy sam Nagel wierzył, że urządzenia oparte na zasadzie LENR pojawią się w sprzedaży do 2013 roku.

Rossi kontynuuje badania i zapowiedział opracowanie kolejnych prototypów. Jednak o swojej pracy nie mówi zbyt wiele. Mówi, że jednostki o mocy 1 MW są już w produkcji i uzyskał „niezbędne certyfikaty”, aby je sprzedać. Urządzenia domowe, powiedział, wciąż oczekują na certyfikację.

Nagel mówi, że gdy opadło podniecenie wokół zapowiedzi Rossiego, w NLNR wróciło status quo. Dostępność komercyjnych generatorów LENR została opóźniona o kilka lat. Nawet jeśli urządzenie poradzi sobie z problemami z odtwarzalnością i okaże się przydatne, jego twórcy staną w obliczu ciężkiej walki z organami regulacyjnymi i akceptacją użytkowników.

Ale pozostaje optymistą. „LENR może stać się dostępny na rynku, zanim zostanie w pełni poznany, podobnie jak promienie rentgenowskie” – mówi. Wyposażył już laboratorium na Uniwersytecie. Jerzego Waszyngtona za nowe eksperymenty z niklem i wodorem.

Dziedzictwo naukowe

Wielu badaczy, którzy nadal pracują nad LENR, to już doświadczeni naukowcy na emeryturze. Nie jest to dla nich łatwe, gdyż przez lata ich prace wracały bez recenzji do czasopism głównego nurtu, a propozycje prezentacji na konferencjach naukowych były odrzucane. Coraz bardziej martwią się o status tego obszaru badań, gdy kończy się ich czas. Albo chcą zapisać swoje dziedzictwo w historia naukowa NEYAR, a przynajmniej pocieszcie się tym, że instynkt ich nie zawiódł.

„To było bardzo niefortunne, kiedy w 1989 roku opublikowano po raz pierwszy zimną fuzję jako nowe źródło energię termojądrową, a nie tylko jakąś nową ciekawostkę naukową” – mówi elektrochemik Melvin Miles. „Być może badania mogłyby być kontynuowane jak zwykle, z większą starannością i precyzją”.

Miles, były badacz w China Lake Air and Maritime Research Center, czasami współpracował ze zmarłym w 2012 roku Fleischmanem. Miles uważa, że ​​Fleischman i Pons mieli rację. Jednak do dziś nie wie, jak stworzyć komercyjne źródło energii dla układu pallad-deuter, pomimo wielu eksperymentów, w wyniku których wytworzono nadmiar ciepła korelujący z produkcją helu.

„Dlaczego ktokolwiek miałby kontynuować badania lub interesować się tematem, który 27 lat temu uznano za błąd? – pyta Milesa. – Jestem przekonany, że zimna fuzja kiedyś zostanie uznana za inną ważne odkrycie, co jest akceptowane od dawna i pojawi się platforma teoretyczna wyjaśniająca wyniki eksperymentów.”

Fizyk jądrowy Ludwik Kowalski, emerytowany profesor z Montclair Uniwersytet stanowy zgadza się, że zimna fuzja stała się ofiarą złego początku. „Jestem na tyle dorosły, że pamiętam wpływ, jaki pierwsze ogłoszenie wywarło na społeczność naukową i opinię publiczną” – mówi Kowalski. Czasami współpracował z badaczami NLNR, „ale moje trzy próby potwierdzenia sensacyjnych twierdzeń zakończyły się niepowodzeniem”.

Kowalski uważa, że ​​początkowa hańba, jaką zarobiły badania, spowodowała większy problem nieodpowiednie dla metody naukowej. Niezależnie od tego, czy badacze LENR są uczciwi, czy nie, Kowalski nadal uważa, że ​​warto dojść do sedna jednoznacznego werdyktu „tak” lub „nie”. Ale nie zostanie odkryta, dopóki badaczy zimnej syntezy uważa się za „ekscentrycznych pseudonaukowców” – mówi Kowalski. „Postęp jest niemożliwy i nikt na tym nie zyskuje, jeśli wyniki rzetelnych badań nie są publikowane i niezależnie weryfikowane przez inne laboratoria”.

Czas pokaże

Nawet jeśli Kowalski uzyska definitywną odpowiedź na swoje pytanie i potwierdzą się stwierdzenia badaczy LENR, droga do komercjalizacji technologii będzie pełna przeszkód. Wiele startupów, nawet z niezawodna technologia, ponoszą porażkę z przyczyn niezwiązanych z nauką: kapitalizacja, przepływ płynności, koszty, produkcja, ubezpieczenie, niekonkurencyjne ceny itp.

Weźmy na przykład Sun Catalytix. Firma wyłoniła się z MIT przy wsparciu solidnej nauki, ale zanim trafiła na rynek, padła ofiarą ataków komercyjnych. Został stworzony w celu komercjalizacji sztucznej fotosyntezy, opracowanej przez chemika Daniela G. Nocera, obecnie na Harvardzie, w celu wydajnego przekształcania wody w paliwo wodorowe przy użyciu światło słoneczne i niedrogi katalizator.

Nocera marzył, że wytwarzany w ten sposób wodór mógłby zasilać proste ogniwa paliwowe oraz domy i wsie w regionach świata o słabiej rozwiniętym sieci energetycznej, pozbawionych dostępu do sieci, umożliwiając im korzystanie z nowoczesnych udogodnień poprawiających ich standard życia. Ale rozwój zajął znacznie więcej czasu i pieniędzy, niż się początkowo wydawało. Po czterech latach Sun Catalytix zrezygnował z prób komercjalizacji technologii i zaczął produkować akumulatory przepływowe, a w 2014 roku został kupiony przez Lockheed Martin.

Nie wiadomo, czy te same przeszkody utrudniają rozwój firm zaangażowanych w LENR. Na przykład Wilk, chemik organiczny, który śledzi postępy Millsa, jest zaniepokojony tym, czy próby komercjalizacji BLP opierają się na czymś realnym. Musi tylko wiedzieć, czy Hydrono istnieje.

W 2014 roku Wilk zapytał Millsa, czy wyizolował hydrino i choć Mills już pisał w dokumentach i patentach, że mu się udało, odpowiedział, że czegoś takiego jeszcze nie zrobiono i że będzie to „bardzo duże zadanie”. Ale Wilk myśli inaczej. Jeśli w procesie powstają litry gazu hydryny, powinno to być oczywiste. „Pokaż nam hydrino!” – żąda Wilk.

Wilk twierdzi, że świat Millsa, a wraz z nim świat innych osób zaangażowanych w LENR, przypomina mu jeden z paradoksów Zenona, który mówi o iluzorycznej naturze ruchu. „Każdego roku są w połowie drogi do komercjalizacji, ale czy kiedykolwiek tam dotrą?” Wilk przedstawił cztery wyjaśnienia BLP: obliczenia Millsa są prawidłowe; To jest oszustwo; To zła nauka; jest to nauka patologiczna, jak nazwał ją fizyk, laureat Nagrody Nobla, Irving Langmuir.

Langmuir wymyślił ten termin ponad 50 lat temu, aby opisać proces psychologiczny, w którym naukowiec podświadomie wycofuje się z metoda naukowa i tak bardzo pogrąża się w swoim zawodzie, że traci zdolność obiektywnego patrzenia na sprawy i dostrzegania, co jest rzeczywiste, a co nie. Nauki patologiczne to „nauka o rzeczach, które nie są tym, czym się wydają” – stwierdził Langmuir. W niektórych przypadkach rozwija się w obszarach takich jak zimna fuzja/LENR i nie poddaje się, mimo że przez większość naukowców jest uznawana za fałszywą.

„Mam nadzieję, że mają rację” – Wilk mówi o Millsie i BLP. "Rzeczywiście. Nie chcę im zaprzeczać, po prostu szukam prawdy.” Gdyby jednak „świnie umiały latać”, jak mówi Wilkes, zaakceptowałby ich dane, teorię i inne wynikające z nich przewidywania. Ale nigdy nie był wierzący. „Myślę, że gdyby istniały hydrino, odkryto by je w innych laboratoriach lub w naturze wiele lat temu”.

Wszelkie dyskusje na temat zimnej fuzji i LENR kończą się właśnie tak: zawsze dochodzą do wniosku, że nikt nie wprowadził na rynek działającego urządzenia, a żaden z prototypów nie może w najbliższej przyszłości trafić na rynek. Zatem czas będzie ostatecznym sędzią.

Tagi:

• zimna fuzja
• nayar
• niskoenergetyczne reakcje jądrowe
• komórka przeciwsłoneczna
• Rosja
• e-kot

Dodaj tagi

fuzja termojądrowa, reakcja fuzji lekkich jąder atomowych w cięższe jądra, zachodząca w ultrawysokich temperaturach i której towarzyszy uwolnienie ogromnych ilości energii. Fuzja jądrowa jest reakcją odwrotną do rozszczepienia atomu: w tym drugim przypadku energia uwalniana jest w wyniku podziału ciężkich jąder na lżejsze. Zobacz też ROZDZIAŁ JĄDROWY; ENERGIA ATOMOWA.

Według współczesnych koncepcji astrofizycznych głównym źródłem energii Słońca i innych gwiazd jest termojądrowa synteza zachodząca w ich głębinach. W warunkach ziemskich odbywa się to podczas eksplozji bomba wodorowa. Fuzji termojądrowej towarzyszy kolosalne wyzwolenie energii na jednostkę masy reagujących substancji (około 10 milionów razy większe niż w reakcjach chemicznych). Dlatego bardzo interesujące jest opanowanie tego procesu i na jego podstawie stworzenie taniego i przyjaznego dla środowiska czyste źródło energia. Jednak pomimo tego, że nastawiony na badania fuzja termojądrowa(TCF) jest zajmowane przez duże zespoły naukowo-techniczne w wielu krajach rozwiniętych, wiele złożonych problemów nadal wymaga rozwiązania, zanim przemysłowa produkcja energii termojądrowej stanie się rzeczywistością.

Nowoczesne elektrownie jądrowe wykorzystujące proces rozszczepienia tylko częściowo zaspokajają światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną. Paliwem dla nich są naturalne pierwiastki promieniotwórcze uran i tor, których obfitość i zasoby w przyrodzie są bardzo ograniczone; dlatego wiele krajów stoi przed problemem ich importu. Głównym składnikiem paliwa termojądrowego jest deuter, izotop wodoru, występujący w wodzie morskiej. Jego zasoby są ogólnodostępne i bardzo duże (ocean świata zajmuje ~71% powierzchni Ziemi, a deuter stanowi około 0,016% Łączna atomy wodoru tworzące wodę). Oprócz dostępności paliwa źródła energii termojądrowej mają następujące istotne zalety w porównaniu z elektrowniami jądrowymi: 1) reaktor UTS zawiera znacznie mniej materiałów radioaktywnych niż reaktor atomowy rozszczepienie, w związku z czym konsekwencje przypadkowego uwolnienia produktów radioaktywnych są mniej niebezpieczne; 2) w termo reakcje jądrowe powstaje mniej długożyciowych odpadów radioaktywnych; 3) TCB pozwala bezpośredni odbiór Elektryczność.

Artsimovich Los Angeles Kontrolowane reakcje termojądrowe. M., 1963
Termiczne i nuklearne Elektrownie (księga 1, ust. 6; księga 3, ust. 8). M., 1989

Znajdź „Fuzja nuklearna” na

Shikanov A.S. // Czasopismo edukacyjne Sorosa, nr 8, 1997, s. 86-91

Przyjrzymy się fizycznym zasadom laserowej syntezy termojądrowej – szybko rozwijającej się dziedzinie nauki, która opiera się na dwóch wybitnych odkryciach XX wieku: reakcjach termojądrowych i laserach.

Reakcje termojądrowe zachodzą podczas fuzji (fuzji) jąder lekkich pierwiastków. W tym przypadku wraz z powstawaniem cięższych pierwiastków uwalnia się nadmiar energii w postaci energii kinetycznej końcowych produktów reakcji i promieniowania gamma. Uwalnianie dużej energii podczas reakcji termojądrowych przyciąga uwagę naukowców ze względu na możliwość ich praktycznego zastosowania w warunkach lądowych. Zatem reakcje termojądrowe na dużą skalę przeprowadza się w bombie wodorowej (lub termojądrowej).

Możliwość wykorzystania energii uwalnianej podczas reakcji termojądrowych do rozwiązania problemu energetycznego wydaje się niezwykle atrakcyjna. Faktem jest, że paliwem dla tej metody wytwarzania energii jest izotop wodoru, deuter (D), którego zasoby w Oceanie Światowym są praktycznie niewyczerpane.

REAKCJE TERMONUKLEARNE I KONTROLOWANA synteza termojądrowa

Reakcja termojądrowa to proces fuzji (lub fuzji) lekkich jąder w cięższe. Ponieważ wiąże się to z tworzeniem silnie związanych jąder z luźniejszych, procesowi temu towarzyszy uwolnienie energii wiązania. Najłatwiej połączyć się izotopami wodoru – deuterem D i trytem T. Jądro deuteru – deuteron zawiera jeden proton i jeden neutron. Deuter zawarty jest w wodzie w stosunku jednej części do 6500 części wodoru. Jądro trytu, tryton, składa się z protonu i dwóch neutronów. Tryt jest niestabilny (okres półtrwania 12,4 lat), ale może być wytwarzany w reakcjach jądrowych.

W wyniku fuzji jąder deuteru i trytu powstaje hel He o masie atomowej cztery i neutronie n. W wyniku reakcji wydziela się energia 17,6 MeV.

Fuzja jąder deuteru zachodzi przez dwa kanały z w przybliżeniu takim samym prawdopodobieństwem: w pierwszym powstają tryt i proton p i uwalniana jest energia równa 4 MeV; w drugim kanale znajduje się hel o masie atomowej 3 i neutron, a uwolniona energia wynosi 3,25 MeV. Reakcje te przedstawiono w postaci wzorów

D + T = 4He + n + 17,6 MeV,

D + D = T + p + 4,0 MeV,

D + D = 3He + n + 3,25 MeV.

Przed procesem fuzji jądra deuteru i trytu mają energię około 10 keV; energia produktów reakcji osiąga wartości rzędu jednostek i dziesiątek megaelektronowoltów. Należy również zauważyć, że przekrój reakcji D + T i częstość jej występowania są znacznie wyższe (setki razy) niż w przypadku reakcji D + T. W związku z tym dla reakcji D + T jest ona znacznie łatwiejsza do osiągnięcia warunki, w których wyzwolona energia termojądrowa przewyższa koszty organizacji połączeń procesów.

Możliwe są również reakcje syntezy z udziałem innych jąder pierwiastków (na przykład litu, boru itp.). Jednakże przekroje reakcji i ich szybkości dla tych pierwiastków są znacznie mniejsze niż dla izotopów wodoru i osiągają zauważalne wartości dopiero dla temperatur rzędu 100 keV. Osiągnięcie takich temperatur w instalacjach termojądrowych jest obecnie całkowicie nierealne, dlatego też mogą mieć jedynie reakcje syntezy izotopów wodoru praktyczne użycie Wkrótce.

Jak można przeprowadzić reakcję termojądrową? Problem polega na tym, że fuzji jąder zapobiegają elektryczne siły odpychania. Zgodnie z prawem Coulomba elektryczna siła odpychania rośnie odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości między oddziałującymi jądrami F ~ 1/ r 2. Dlatego w przypadku syntezy jąder, tworzenia nowych pierwiastków i uwalniania nadmiaru energii, konieczne jest pokonanie bariery Coulomba, to znaczy wykonanie pracy przeciwko siłom odpychania, przekazując jądrom niezbędną energię.

Istnieją dwie możliwości. Jeden z nich polega na zderzeniu dwóch wiązek lekkich atomów, przyspieszanych ku sobie. Okazało się jednak, że taki sposób jest nieskuteczny. Faktem jest, że prawdopodobieństwo fuzji jąder w wiązkach przyspieszonych jest niezwykle niskie ze względu na małą gęstość jąder i znikomy czas ich oddziaływania, chociaż wytworzenie wiązek o wymaganej energii w istniejących akceleratorach nie stanowi problemu.

Innym sposobem, na który zdecydowali się współcześni badacze, jest podgrzewanie substancji do wysokich temperatur (około 100 milionów stopni). Im wyższa temperatura, tym wyższa średnia energia kinetyczna cząstek i tym większa ich liczba może pokonać barierę Coulomba.

Aby określić ilościowo wydajność reakcji termojądrowych, wprowadza się współczynnik wzmocnienia energii Q równy

gdzie Eout to energia uwalniana w wyniku reakcji termojądrowych, Eust to energia wykorzystywana do ogrzania plazmy do temperatur termojądrowych.

Aby energia wyzwolona w wyniku reakcji była równa kosztom energetycznym nagrzania plazmy do temperatur rzędu 10 keV, konieczne jest spełnienie tzw. kryterium Lawsona:

(Nt) $ 1014 s/cm3 dla reakcji D-T,

(Nt) $ 1015 s/cm3 dla reakcji D-D.

Tutaj N to gęstość mieszaniny deuteru i trytu (liczba cząstek na centymetr sześcienny), t to czas, w którym reakcje syntezy zachodzą efektywnie.

Do chwili obecnej wyłoniły się dwa w dużej mierze niezależne podejścia do rozwiązania problemu kontrolowanej syntezy termojądrowej. Pierwsza z nich opiera się na możliwości zamknięcia i izolacji termicznej plazmy wysokotemperaturowej o stosunkowo małej gęstości (N © 1014-1015 cm-3) przez pole magnetyczne o specjalnej konfiguracji przez stosunkowo długi czas (t © 1- 10 s). Do takich systemów zalicza się tokamak (skrót od „komora toroidalna z cewkami magnetycznymi”), zaproponowany w latach 50. w ZSRR.

Innym sposobem jest impuls. Przy podejściu impulsowym konieczne jest szybkie podgrzanie i sprasowanie małych porcji materii do takich temperatur i gęstości, w których reakcje termojądrowe miałyby czas na skuteczny przebieg w czasie istnienia nieskrępowanej lub, jak to się mówi, zamkniętej bezwładnie plazmy. Szacunki wskazują, że aby sprasować substancję do gęstości 100-1000 g/cm3 i ogrzać ją do temperatury T © 5-10 keV, konieczne jest wytworzenie ciśnienia na powierzchni kulistej tarczy P © 5 » 109 atm, czyli potrzebne jest źródło, które umożliwiłoby dostarczenie do powierzchni docelowej energii o gęstości mocy q © 1015 W/cm2.

ZASADY FIZYCZNE LASEROWEJ FUZJI TERMONUKLEARNEJ

Po raz pierwszy pojawił się pomysł użycia potężnego promieniowanie laserowe do ogrzewania gęstej plazmy do temperatur termojądrowych zaproponował N.G. Basov i O.N. Krokhina na początku lat 60. Do chwili obecnej ukształtował się niezależny kierunek badań termojądrowych - laserowa synteza termojądrowa (LTF).

Zatrzymajmy się krótko nad tym, jakie podstawowe zasady fizyczne są osadzone w koncepcji osiągnięcia wysokie stopnie kompresja substancji i uzyskiwanie dużych zysków energii za pomocą mikrowybuchów laserowych. Naszą dyskusję oprzemy na przykładzie tzw. trybu kompresji bezpośredniej. W tym trybie mikrosfera (rys. 1), wypełniona paliwem termojądrowym, jest „równomiernie” naświetlana ze wszystkich stron przez laser wielokanałowy. W wyniku oddziaływania promieniowania cieplnego z powierzchnią docelową powstaje gorąca plazma o temperaturze kilku kiloelektronowoltów (tzw. korona plazmowa), która leci w stronę wiązki lasera z charakterystycznymi prędkościami 107-108 cm/s.

Nie mogąc się bardziej szczegółowo rozwodzić nad procesami absorpcji w koronie plazmowej, zauważamy, że w nowoczesnych eksperymentach modelowych przy energiach promieniowania laserowego 10–100 kJ dla celów porównywalnych wielkością do celów przy dużych wzmocnieniach możliwe jest osiągnięcie wysokich (© 90%) współczynniki absorpcji promieniowania cieplnego.

Jak już widzieliśmy, promieniowanie świetlne nie może przebić się przez gęste warstwy celu (gęstość ciała stałego wynosi © 1023 cm-3). Dzięki przewodności cieplnej energia zaabsorbowana w plazmie o gęstości elektronowej mniejszej niż ncr jest przenoszona do gęstszych warstw, gdzie następuje ablacja substancji docelowej. Pozostałe nieodparowane warstwy tarczy pod wpływem ciśnienia termicznego i reaktywnego są przyspieszane w kierunku środka, ściskając i podgrzewając zawarte w niej paliwo (rys. 2). W rezultacie energia promieniowania laserowego na rozpatrywanym etapie zamieniana jest na energię kinetyczną materii lecącej w kierunku centrum oraz na energię rozszerzającej się korony. To oczywiste użyteczna energia skoncentrowany w ruchu w kierunku centrum. Sprawność doprowadzenia energii świetlnej do celu charakteryzuje się stosunkiem energii określonej do całkowitej energii promieniowania – tzw. sprawnością hydrodynamiczną (efektywnością). Jednym z nich jest osiągnięcie odpowiednio wysokiej sprawności hydrodynamicznej (10-20%) ważne sprawy laserowa synteza termojądrowa.

Ryż. 2. Promieniowy rozkład temperatury i gęstości materii w tarczy na etapie przyspieszania powłoki w kierunku środka

Jakie procesy mogą uniemożliwić osiągnięcie wysokich stopni kompresji? Jednym z nich jest to, że przy gęstościach promieniowania termojądrowego q > 1014 W/cm2 znaczna część zaabsorbowanej energii przekształca się nie w klasyczną falę przewodnictwa cieplnego elektronów, ale w strumienie szybkich elektronów, których energia jest wysoka większa temperatura korona plazmowa (tzw. elektrony supratermiczne). Może to nastąpić zarówno w wyniku absorpcji rezonansowej, jak i efektów parametrycznych w koronie plazmowej. W tym przypadku długość ścieżki elektronów supratermicznych może okazać się porównywalna z wielkością tarczy, co będzie prowadzić do wstępnego nagrzania ściśliwego paliwa i braku możliwości osiągnięcia maksymalnej kompresji. Wysokoenergetyczne kwanty rentgenowskie (twarde promienie rentgenowskie) towarzyszące elektronom supratermicznym również mają dużą zdolność penetracji.

Kierunek badań eksperymentalnych ostatnie lata jest przejście na wykorzystanie krótkofalowego promieniowania laserowego (l< 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (q < 1015 Вт/см2). Практическая возможность перехода к нагреву плазмы коротковолновым излучением связана с тем, что коэффициенты конверсии излучения твердотельного неодимого лазера (основного кандидата в драйверы для лазерного термоядерного синтеза) с длиной волны l = 1,06 мкм в излучения второй, третьей и четвертой гармоник с помощью нелинейных кристаллов достигает 70-80%. В настоящее время фактически все крупные лазерные установки на неодимовом стекле снабжены системами умножения частоты. Физической причиной преимущества использования коротковолнового излучения для нагрева и сжатия микросфер является то, что с уменьшением длины волны увеличивается поглощение в плазменной короне и возрастают абляционное давление и гидродинамический коэффициент передачи. На несколько порядков уменьшается доля надтепловых электронов, генерируемых в плазменной короне, что является чрезвычайно выгодным для режимов как прямого, так и непрямого сжатия. Для непрямого сжатия принципиально и то, что с уменьшением длины волны увеличивается конверсия поглощенной плазмой энергии в мягкое рентгеновское излучение. Остановимся теперь на режиме непрямого сжатия. Физический анализ показывает, что осуществление режима сжатия до высоких плотностей топлива оптимально для простых и сложных оболочечных мишеней с аспектным отношением R / DR в несколько десятков. Здесь R — радиус оболочки, DR — ее толщина. Однако сильное сжатие может быть ограничено развитием гидродинамических неустойчивостей, которые проявляются в отклонении движения оболочки на стадиях ее ускорения и торможения в центре от сферической симметрии и зависят от отклонений начальной формы мишени от идеально сферической, неоднородного распределения падающих лазерных лучей по ее поверхности. Развитие неустойчивости при движении оболочки к центру приводит сначала к отклонению движения от сферически-симметричного, затем к турбулизации течения и в конце концов к перемешиванию слоев мишени и дейтериево-тритиевого горючего. В результате в конечном состоянии может возникнуть образование, форма которого резко отличается от сферического ядра, а средние плотность и температура значительно ниже величин, соответствующих одномерному сжатию. При этом начальная структура мишени (например, определенный набор слоев) может быть полностью нарушена. Физическая природа такого типа неустойчивости эквивалентна неустойчивости слоя ртути, находящегося на поверхности воды в поле тяжести. При этом, как известно, происходит полное перемешивание ртути и воды, то есть в конечном состоянии ртуть окажется внизу. Аналогичная ситуация и может происходить при ускоренном движении к центру вещества мишени, имеющей сложную структуру, или в общем случае при наличии градиентов плотности и давления. Требования к качеству мишеней достаточно жестки. Так, неоднородность толщины стенки микросферы не должна превышать 1%, однородность распределения поглощения энергии по поверхности мишени 0,5%. Предложение использовать схему непрямого сжатия как раз и связано с возможностью решить проблему устойчивости сжатия мишени. Schemat eksperyment w trybie kompresji pośredniej pokazano na ryc. 3. Promieniowanie laserowe kierowane jest do jamy (hohlraum), skupiając się na powierzchnia wewnętrzna zewnętrzna powłoka składająca się z substancji o dużej liczbie atomowej, takiej jak złoto. Jak już wspomniano, aż 80% pochłoniętej energii zamienia się w miękkie promieniowanie rentgenowskie, które nagrzewa i ściska wewnętrzną powłokę. Zaletami takiego schematu są możliwość uzyskania większej równomierności rozkładu pochłoniętej energii na powierzchni docelowej, uproszczenie konstrukcji lasera i warunków ogniskowania itp. Jednakże istnieją również wady związane ze stratą energii w celu konwersji na promieniowanie rentgenowskie oraz złożonością wprowadzania promieniowania do wnęki. Jaki jest obecny stan badań nad syntezą laserową? Eksperymenty mające na celu uzyskanie dużej gęstości paliwa ściśliwego w trybie bezpośredniego sprężania rozpoczęły się w połowie lat 70. w Instytucie Fizycznym. P.N. Lebiediewa, gdzie gęstość ściśliwego deuteru © 10 g/cm3 uzyskano stosując instalację Kalmar o energii E = 200 J. Następnie programy prac nad LTS były aktywnie rozwijane w USA (instalacje Shiva, Nova w Livermore National Laboratory, Omega na Uniwersytecie w Rochester), Japonii (Gekko-12), Rosji (Dolphin w Lebedev Physical Institute, Iskra-4 ", "Iskra-5" w Arzamas-16) przy energii lasera na poziomie 1-100 kJ. Szczegółowo badane są wszystkie aspekty ogrzewania i kompresji celów o różnych konfiguracjach w trybach kompresji bezpośredniej i pośredniej. Ciśnienia ablacji ~100 Mbar i prędkości zapadania się mikrosfer V > 200 km/s osiągane są przy wartościach sprawności hydrodynamicznej rzędu 10%. Postęp w rozwoju systemów laserowych i konstrukcji celów umożliwił zapewnienie stopnia równomierności napromieniania ściśliwej powłoki na poziomie 1-2% zarówno przy ściskaniu bezpośrednim, jak i pośrednim. W obu trybach uzyskano gęstości sprężony gaz 20-40 g/cm3, a na instalacji Gekko-12 zanotowano gęstość skompresowanej powłoki na poziomie 600 g/cm3. Maksymalna wydajność neutronów N = 1014 neutronów na błysk.

WNIOSEK

Zatem cały zestaw uzyskanych wyników eksperymentalnych i ich analiza wskazują na praktyczną możliwość realizacji kolejnego etapu rozwoju laserowej syntezy termojądrowej - osiągnięcia gęstości gazowej deuter-tryt na poziomie 200-300 g/cm3, osiągnięcia docelowej kompresji i uzyskania zauważalnych współczynników wzmocnienia k na poziomie energii E = 1 MJ (patrz rys. 4 i ).

Obecnie intensywnie rozwijana jest baza elementów i powstają projekty instalacji laserowych na poziomie megadżuli. Laboratorium Livermore rozpoczęło realizację instalacji ze szkła neodymowego o energii E=1,8 MJ. Koszt projektu to 2 miliardy dolarów. We Francji planowane jest utworzenie instalacji o podobnym poziomie. Planuje się, że dzięki tej instalacji uzyska się zysk energetyczny Q ~ 100. Trzeba powiedzieć, że uruchomienie instalacji tej skali nie tylko przybliży możliwość stworzenia reaktora termojądrowego opartego na laserowej syntezie termojądrowej, ale także zapewni badacze z unikalnym obiektem fizycznym – mikroeksplozją z wyzwoleniem energii 107-109 J, potężne źródło neutron, neutrino, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie G. Będzie to miało nie tylko duże znaczenie ogólnofizyczne (możliwość badania substancji w stanach ekstremalnych, fizyka spalania, równania stanu, efekty laserowe itp.), ale umożliwi także rozwiązywanie specjalnych problemów stosowanych, w tym wojskowych, Natura.

Jednak w przypadku reaktora opartego na fuzji laserowej konieczne jest stworzenie lasera o poziomie megadżuli, pracującego z częstotliwością powtarzania kilku herców. Szereg laboratoriów bada możliwości stworzenia takich układów w oparciu o nowe kryształy. Uruchomienie eksperymentalnego reaktora w ramach amerykańskiego programu planowane jest na 2025 rok.

„Powiedzieliśmy, że umieścimy Słońce w pudełku. Pomysł jest świetny. Problem jednak w tym, że nie wiemy, jak stworzyć to pudełko” – Pierre Gilles de Gennes, laureat nagroda Nobla z fizyki 1991.

Chwila ciężkie elementy Do reakcji termojądrowych na Ziemi i ogólnie w kosmosie potrzebnych jest sporo pierwiastków lekkich, zarówno na Ziemi, jak i w kosmosie. Dlatego pomysł wykorzystania energii termojądrowej dla dobra ludzkości pojawił się niemal natychmiast po zrozumieniu leżących u jej podstaw procesów - to zapowiadało naprawdę nieograniczone możliwości, ponieważ zapasy paliwa termojądrowego na Ziemi powinny wystarczyć na dziesiątki tysięcy Nadchodzących latach.

Już w 1951 roku pojawiły się dwa główne kierunki rozwoju reaktorów termojądrowych: Andriej Sacharow i Igor Tamm opracowali architekturę tokamaka, w której komorą roboczą był torus, natomiast Lyman Spitzer zaproponował architekturę o bardziej skomplikowanej konstrukcji kształtem najbardziej przypominającym odwróconą wstęgę Mobiusa nie raz, ale kilka razy.

Pozwoliła na to prostota podstawowej konstrukcji tokamaka długi czas rozwijać ten kierunek poprzez poprawę właściwości magnesów konwencjonalnych i nadprzewodzących, a także poprzez stopniowe zwiększanie rozmiarów reaktora. Jednak wraz ze wzrostem parametrów plazmy stopniowo zaczęły pojawiać się problemy z jej niestabilnym zachowaniem, co spowolniło proces.

Złożoność konstrukcji gwiezdnej całkowicie doprowadziła do tego, że po pierwszych eksperymentach w latach 50. rozwój tego kierunku na długi czas zatrzymał się. Całkiem niedawno, wraz z pojawieniem się, zyskał nowe życie nowoczesne systemy projektowanie wspomagane komputerowo, co pozwoliło zaprojektować stellator Wendelstein 7-X z parametrami i dokładnością konstrukcyjną niezbędną do jego działania.

Fizyka procesu i problemy w jego realizacji

Atomy żelaza mają maksymalną energię wiązania na nukleon – to jest miarę energii, którą należy zużyć, aby rozbić atom na składowe neutrony i protony, podzieloną przez ich całkowitą liczbę. Wszystkie atomy o mniejszej i większej masie mają ten wskaźnik poniżej żelaza:

Jednocześnie w reakcjach termojądrowych stapiania lekkich atomów z żelazem uwalniana jest energia, a masa powstałego atomu nieznacznie się zmniejsza mniej niż kwota masy pierwotnych atomów o ilość, która koreluje z wyzwoloną energią zgodnie ze wzorem E=mc² (tzw. defekt masy). W ten sam sposób energia jest uwalniana podczas reakcji rozszczepienia jądrowego atomów cięższych od żelaza.

Podczas reakcji topnienia atomów uwalniana jest ogromna energia, jednak aby tę energię wydobyć, należy najpierw podjąć pewien wysiłek, aby pokonać siły odpychające występujące pomiędzy jądra atomowe które są naładowane dodatnio (pokonują barierę Coulomba). Gdy już uda nam się zbliżyć parę atomów na wymaganą odległość, w grę wchodzi potężna siła. oddziaływanie jądrowe, który łączy neutrony i protony. Dla każdego rodzaju paliwa bariera Coulomba dla rozpoczęcia reakcji jest inna, podobnie jak różna jest optymalna temperatura reakcji:

W tym przypadku pierwsze reakcje termojądrowe atomów zaczynają być rejestrowane na długo przed osiągnięciem Średnia temperatura substancje tej bariery ze względu na to, że energia kinetyczna atomów podlega rozkładowi Maxwella:

Jednak reakcja w stosunkowo niskiej temperaturze (rzędu kilku milionów °C) przebiega niezwykle powoli. Załóżmy więc, że w centrum temperatura sięga 14 milionów °C, ale moc właściwa reakcji termojądrowej w takich warunkach wynosi zaledwie 276,5 W/m3, a całkowite zużycie paliwa zajmuje Słońcu kilka miliardów lat. Takie warunki są nie do przyjęcia dla reaktora termojądrowego, gdyż przy tak niskim poziomie uwalniania energii nieuchronnie wydamy więcej na ogrzewanie i sprężanie paliwa termojądrowego, niż otrzymamy w zamian z reakcji.

Wraz ze wzrostem temperatury paliwa coraz większa część atomów zaczyna mieć energię przekraczającą barierę Coulomba, a wydajność reakcji wzrasta, osiągając swój szczyt. Wraz z dalszym wzrostem temperatury szybkość reakcji zaczyna ponownie spadać, ponieważ energia kinetyczna atomów staje się zbyt duża i „przeganiają się” one względem siebie, nie mogąc ich utrzymać w całości silnym oddziaływaniem jądrowym.

Tym samym dość szybko uzyskano rozwiązanie sposobu pozyskiwania energii z kontrolowanej reakcji termojądrowej, jednak realizacja tego zadania przeciągała się pół wieku i nie została jeszcze zakończona. Powodem tego są naprawdę szalone warunki, w jakich okazało się konieczne umieszczenie paliwo termojądrowe– aby reakcja miała dodatnią wydajność, jej temperatura powinna wynosić kilkadziesiąt milionów °C.

Żadna ściana fizycznie nie była w stanie wytrzymać takiej temperatury, ale problem ten niemal natychmiast doprowadził do jego rozwiązania: ponieważ substancją nagrzaną do takich temperatur jest gorąca plazma (w pełni zjonizowany gaz), która jest naładowana dodatnio, rozwiązanie okazało się znajdować na powierzchni - musieliśmy po prostu umieścić tak podgrzaną plazmę w silnym polu magnetycznym, które utrzyma paliwo termojądrowe bezpieczna odległość ze ścian.

Postęp w jego realizacji

Badania na ten temat idą w kilku kierunkach jednocześnie:

1. Wykorzystując magnesy nadprzewodzące, naukowcy próbują zmniejszyć energię zużywaną na zapłon i utrzymanie reakcji;
2. za pomocą nadprzewodników nowej generacji zwiększa się indukcja pola magnetycznego wewnątrz reaktora, co umożliwia zatrzymanie plazmy o większej gęstości i temperaturze, co zwiększa gęstość mocy reaktory na jednostkę ich objętości;
3. badania w dziedzinie gorącej plazmy i postęp w tej dziedzinie technologia komputerowa umożliwić lepszą kontrolę przepływów plazmy, przybliżając w ten sposób reaktory termojądrowe do ich teoretycznych granic wydajności;
4. Postęp w poprzednim obszarze pozwala również na dłuższe utrzymanie plazmy w stanie stabilnym, co zwiększa wydajność reaktora ze względu na to, że nie musimy tak często ponownie podgrzewać plazmy.

Pomimo wszystkich trudności i problemów, które leżały na drodze do kontrolowanej reakcji termojądrowej, ta historia już zbliża się do końca. W energetyce zwyczajowo do obliczenia efektywności paliwowej wykorzystuje się wskaźnik EROEI – zwrot energii z inwestycji energetycznej (stosunek energii wydanej na produkcję paliwa do ilości energii, którą ostatecznie z niego uzyskamy). I choć EROEI węgla w dalszym ciągu rośnie, to wskaźnik ten dla ropy i gazu osiągnął swój szczyt w połowie ubiegłego stulecia i obecnie systematycznie spada ze względu na fakt, że nowe złoża tych paliw zlokalizowane są w coraz bardziej trudno dostępne miejsca i na coraz większych głębokościach:

Jednocześnie nie możemy także zwiększać wydobycia węgla, gdyż pozyskiwanie z niego energii jest procesem bardzo brudnym i dosłownie odbierającym obecnie życie ludziom. różne choroby płuca. Tak czy inaczej stoimy u progu końca ery paliw kopalnych – i to nie machinacje ekologów, ale banalne kalkulacje ekonomiczne patrząc w przyszłość. Jednocześnie EROI eksperymentalnych reaktorów termojądrowych, które również pojawiły się w połowie ubiegłego wieku, stale rosła i w 2007 roku osiągnęła psychologiczną barierę jedności - czyli w tym roku po raz pierwszy ludzkości udało się pozyskać więcej energii poprzez reakcję termojądrową, niż wydał na jej realizację. I pomimo tego, że wdrożenie reaktora, eksperymenty z nim i wyprodukowanie pierwszej demonstracyjnej elektrowni termojądrowej DEMO w oparciu o doświadczenia zdobyte podczas wdrażania ITER, nadal będą wymagały dużo czasu. Nie ma już wątpliwości, że nasza przyszłość leży w takich reaktorach.