Термоядерний синтез. Ядерний розпад та синтез

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

Федеральне агентство з освіти

ГОУ ВПО «Благовіщенський державний педагогічний університет»

Фізико-математичний факультет

Кафедра загальної фізики

Курсова робота

на тему: Проблеми термоядерного синтезу

з дисципліни: Фізика

Виконавець: В.С. Клетченка

Керівник: В.А. Євдокимова

Благовіщенськ 2010

Вступ

Термоядерні реакції та їх енергетична вигідність

Умови протікання термоядерних реакцій

Здійснення термоядерних реакцій у земних умовах

Основні проблеми, пов'язані із здійсненням термоядерних реакцій

Здійснення керованих термоядерних реакцій в установках типу «ТОКАМАК»

Проект ІТЕР

Сучасні дослідження плазми та термоядерних реакцій

Висновок

Література

Вступ

Нині людство неспроможна уявити своє життя без електроенергії. Вона скрізь. Але традиційні способи отримання електроенергії не дешеві: тільки уявити будівництво ГЕС або реактора АЕС, то відразу стає зрозуміло чому. Вчені 20-го століття, перед енергетичною кризою, знайшли спосіб отримання електроенергії з речовини, кількість якої не обмежена. Термоядерні реакції протікають при розпаді дейтерію та тритію. В одному літрі води міститься дейтерію стільки, що при термоядерному синтезі може виділитися стільки енергії, скільки виходить при спалюванні 350 літрів бензину. Тобто можна зробити висновок, що вода – це необмежене джерело енергії.

Якби отримання енергії за допомогою термоядерного синтезу було б настільки просто, як за допомогою ГЕС, то людство ніколи не зазнавало б кризи в енергетиці. Для отримання енергії у такий спосіб необхідна температура, еквівалентна температурі у центрі сонця. Де взяти таку температуру, як дорого коштуватимуть установки, наскільки вигідним є такий видобуток енергії і чи безпечна така установка? На ці питання буде дано відповідь у цій роботі.

Мета роботи: вивчення властивостей та проблем термоядерного синтезу.

Термоядерні реакції та їх енергетична вигідність

Термоядерна реакція - синтез більш важких атомних ядер із легших із єдиною метою отримання енергії, що має керований характер.

Відомо, що ядро атома водню є протоном р. Такого водню дуже багато у природі – у повітрі та у воді. Крім цього, існують більш важкі ізотопи водню. Ядро однієї з них містить, крім протона р, ще й нейтрон n. Називається цей ізотоп дейтерієм D. Ядро іншого ізотопу містить, крім протону р два нейтрони n і називається тритерієм (тритієм) Т. Термоядерні реакції найбільш ефективно відбуваються при надвисоких температурах порядку 10 7 - 10 9 К. При термоядерних реакціях виділяється дуже велика енергія енергію, що виділяється при розподілі важких ядер. У реакції синтезу виділяється енергія, яка у розрахунку на 1кг речовини значно більша за енергію, що виділяється в реакції поділу урану. (Тут під енергією, що виділяється, розуміється кінетична енергія частинок, що утворюються в результаті реакції.) Наприклад, при реакції злиття ядер дейтерію 1 2 D і тритію 1 3 Т в ядро гелію 2 4 Не:

1 2 D + 1 3 Т → 2 4 Не + 0 1 n,

Виділяється енергія, що дорівнює 3,5 МеВ на один нуклон. У реакціях поділу енергія однією нуклон становить близько 1 МеВ.

При синтезі ядра гелію із чотирьох протонів:

4 1 1 p→ 2 4 Не + 2 +1 1 е,

виділяється ще більша енергія, що дорівнює 6,7 МеВ на одну частинку. Енергетична вигідність термоядерних реакцій пояснюється тим, що питома енергія зв'язку в ядрі атома гелію значно перевищує питому енергію зв'язку ядер ізотопів водню. Таким чином, при вдалому здійсненні керованих термоядерних реакцій людство отримає нове потужне джерело енергії.

Умови протікання термоядерних реакцій

Для злиття легких ядер необхідно подолати потенційний бар'єр, зумовлений кулонівським відштовхуванням протонів в однойменно заряджених ядрах. Для злиття ядер водню 1 2 D їх треба зблизити на відстань r, що дорівнює приблизно r 3 10 -15 м. Для цього потрібно здійснити роботу, рівну електростатичної потенційної енергії відштовхування П=е 2: (4πε 0 r) ≈ 0,1 МеВ. Ядра дейтона зможуть подолати такий бар'єр, якщо при зіткненні їхня середня кінетична енергія 3/2 kT дорівнюватиме 0,1 МеВ. Це можливо при Т=2109К. Практично температура, необхідна для протікання термоядерних реакцій знижується на два порядки і становить 107К.

Температура порядку 107К характерна для центральної частини Сонця. Спектральний аналіз показав, що у речовині Сонця, як та багатьох інших зірок, є до 80% водню і близько 20% гелію. Вуглець, азот та кисень становлять не більше 1% маси зірок. При величезній масі Сонця (≈ 21027 кг) кількість цих газів досить велика.

Термоядерні реакції відбуваються на Сонці та зірках і є джерелом енергії, що забезпечує їхнє випромінювання. Щомиті Сонце випромінює енергію3,8 10 26 Дж, що відповідає зменшенню його маси на 4,3 млн. тонн. Питоме виділення енергії Сонця, тобто. виділення енергії, що припадає на одиницю маси Сонця за одну секунду, дорівнює 1,9 10 -4 Дж/с кг. Воно дуже мало і становить близько 10 -3% від питомого виділення енергії у живому організмі у процесі обміну речовин. Потужність випромінювання Сонця мало змінилася багато мільярдів років існування Сонячної системи.

Один із шляхів протікання термоядерних реакцій на Сонці - вуглецево-азотний цикл, в якому з'єднання ядер водню в ядро гелію полегшується в присутності ядер вуглецю 6 12 С каталізаторів, що грають роль. На початку циклу швидкий протон проникає в ядро атома вуглецю 6 12 і утворює нестійке ядро ізотопу азоту 7 13 N з випромінюванням γ-кванта:

6 12 С + 1 1 p→ 7 13 N + γ.

З періодом напіврозпаду 14 хвилин у ядрі 7 13 N відбувається перетворення 1 1 p→ 0 1 n + +1 0 е + 0 0 ν е і утворюється ядро ізотопу 6 13 С:

7 13 N→ 6 13 С + +1 0 е + 0 0 ν е.

приблизно через кожні 32 млн. років ядро 7 14 N захоплює протон і перетворюється на ядро кисню 8 15

7 14 N+ 1 1 p→ 8 15 Про + γ.

Нестійке ядро 8 15 Про з періодом напіврозпаду 3 хвилини випускає позитрон і нейтрино і перетворюється на ядро 7 15 N:

8 15 О→ 7 15 N+ +1 0 е+ 0 0 ν е.

Цикл завершується реакцією поглинання ядром 7 15 N протону з розпадом його на ядро вуглецю 6 12 С та α-частинку. Це відбувається приблизно за 100 тисяч років:

7 15 N+ 1 1 p→ 6 12 С + 2 4 Не.

Новий цикл починається знову з поглинанням вуглецем 612 З протона, що виходить в середньому через 13 мільйонів років. Окремі реакції циклу віддалені в часі проміжками, які за земними масштабами часу непомірно великими. Однак цикл є замкнутим і відбувається безперервно. Тому різні реакції циклу відбуваються на Сонці одночасно, розпочавшись у різні моменти часу.

В результаті цього циклу чотири протони зливаються в ядро гелію з появою двох позитронів і γ-випромінювання. До цього слід додати випромінювання, що виникає при злитті позитронів з електронами плазми. При утворенні одного гамматома гелію виділяється 700 тисяч кВт год енергії. Ця кількість енергії компенсує втрати енергії Сонця на випромінювання. Розрахунки показують, що кількості водню, що є на Сонці, вистачить на підтримку термоядерних реакцій та випромінювання Сонця на мільярди років.

Здійснення термоядерних реакцій у земних умовах

Здійснення термоядерних реакцій у земних умовах створить величезні можливості отримання енергії. Наприклад, при використанні дейтерію, що міститься в одному літрі води, реакції термоядерного синтезу виділиться стільки ж енергії, скільки виділиться при згорянні приблизно 350 літрів бензину. Але якщо термоядерна реакція буде протікати мимовільно, то відбудеться колосальний вибух, оскільки енергія, що виділяється при цьому, дуже велика.

Умови, близькі до тих, що реалізуються в надрах Сонця, було здійснено у водневій бомбі. Там відбувається термоядерна реакція вибухового характеру, що самопідтримується. Вибухова речовина є суміш дейтерію 1 2 D з тритієм 1 3 Т. Висока температура, необхідна для протікання реакції, виходить за рахунок вибуху звичайної атомної бомби, вміщеної всередині термоядерної.

Основні проблеми, пов'язані із здійсненням термоядерних реакцій

У термоядерному реакторі реакція синтезу має відбуватися повільно, має бути можливість керувати нею. Вивчення реакцій, що відбуваються у високотемпературній дейтерієвій плазмі, є теоретичною основою отримання штучних керованих термоядерних реакцій. Основною труднощами є підтримання умов, необхідних для отримання термоядерної реакції, що самопідтримується. Для такої реакції необхідно, щоб швидкість виділення енергії в системі, де відбувається реакція, була не меншою, ніж швидкість відведення енергії від системи. При температурах порядку 10 8 К термоядерні реакції в дейтерієвій плазмі мають помітну інтенсивність і супроводжуються виділенням великої енергії. В одиниці об'єму плазми при з'єднанні ядер дейтерію виділяється потужність 3кВт/м3. При температурах порядку 10 6 К потужність становить лише 10 -17 Вт/м 3 .

- Це процес, в ході якого два атомні ядра об'єднуються, формуючи важче ядро. Зазвичай цей процес супроводжується виділенням енергії. Ядерний синтез є джерелом енергії у зірках та водневій бомбі.
Для зближення атомних ядер на відстань, достатню для того, щоб відбулася ядерна реакція, навіть для найлегшого елемента водню потрібна дуже значна кількість енергії. Але, у разі легких ядер, внаслідок об'єднання двох ядер з утворенням важчого ядра виділяється значно більше енергії, ніж йде на подолання кулонівського відштовхування між ними. Завдяки цьому ядерний синтез – дуже перспективне джерело енергії та є одним із основних напрямків дослідження сучасної науки.
Кількість енергії, що виділяється в більшості ядерних реакцій, набагато більша, ніж у хімічних реакціях, оскільки енергія зв'язку нуклонів в ядрі значно більша, ніж енергії зв'язку електронів в атомі. Наприклад, енергія іонізації, що виходить при зв'язуванні електрона з протоном з утворенням атома водню, становить 13.6 електрон-вольт – менше, ніж одну мільйонну від 17 МеВ, що виділяються при реакції дейтерію з тритієм, яка описана нижче.
В атомному ядрі діють два типи взаємодії: сильна взаємодія, що утримує протони і нейтрони разом і значно слабше електростатичне відштовхування між однаково зарядженими протонами ядра, намагається розірвати ядро. Сильна взаємодія проявляється лише на дуже коротких відстанях між протонами і нейтронами, що безпосередньо межують один з одним. Це також означає, що протони та нейтрони на поверхні ядра містяться слабше, ніж протони та нейтрони всередині ядра. Сила електростатичного відштовхування натомість діє на будь-яких відстанях і є обернено пропорційною квадрату відстані між зарядами, тобто кожен протон в ядрі взаємодіє з кожниміншим протоном у ядрі. Це призводить до того, що зі збільшенням розміру ядра сили, що утримують ядро, зростають до певного атомного номера (атом заліза), а потім починають слабшати. Починаючи з урану, енергія зв'язку стає негативною і ядра важких елементів стають нестабільними.
Таким чином, для здійснення реакції ядерного синтезу необхідно витратити певну енергію на подолання сили електростатичного відштовхування між двома атомними ядрами і звести їх на відстань, де починає проявлятися сильна взаємодія. Енергія, необхідна подолання сили електростатичного відштовхування, називається кулонівським бар'єром (Coulomb barrier).
Кулонівський бар'єр низький для ізотопів водню, оскільки вони мають у ядрі лише один протон. Для DT суміші результуючий енергетичний бар'єр становить 0.1 МеВ. Для порівняння, щоб прибрати електрон з атома водню потрібно всього 13 еВ, що у 7500 разів менше. Коли реакція синтезу завершується, нове ядро переходить на нижчий енергетичний рівень і виділяє додаткову енергію, випромінюючи нейтрон з енергією 17.59 MeV, що значно більше, ніж потрібно для запуску реакції. Тобто реакція DT синтезу є дуже екзотермічною і є джерелом енергії.
Якщо ядра є частиною плазми поблизу стану теплової рівноваги, реакція синтезу називається термоядерним синтезом. Оскільки температура є мірою середньої кінетичної енергії частинок, нагрівання плазми можна надати ядрам дістану енергію для подолання бар'єру в 0.1 MeВ. Перевівши еВ до Кельвіна отримаємо температуру понад 1 ГК, що є надзвичайно високою температурою.
Є, однак, два явища, які дозволяють знизити необхідну температуру реакції. По-перше, температура відбиває середнюкінетичну енергію, тобто. навіть за низьких температурах, ніж еквівалент 0.1 МеВ, частина ядер матиме енергію значно вище 0.1 МеВ, інші матимуть енергію значно нижче. По-друге, слід зважити на явище квантового тунелювання, коли ядра долають бар'єр Кулона, маючи недостатньо енергії. Це дозволяє отримати (повільні) реакції синтезу за низьких температур.
Важливим розуміння реакції синтезу є поняття поперечного перерізуреакції?: Заходи ймовірності реакції синтезу як функції відносної швидкості двох взаємодіючих ядер. Для термоядерної реакції синтезу зручніше розглядати середнє значення розподілу твору поперечного перерізу на швидкість ядра. Використовуючи його, можна записати швидкість реакції (злиття ядер на обсяг на якийсь час) як

Де n 1 та n 2 це густина реагентів. зростає від нуля при кімнатній температурі до значної величини вже при температурах Тематики енергетика в цілому EN Довідник технічного перекладача

Керований термоядерний синтез- (УТС), злиття легких атомних ядер (наприклад, дейтерію та тритію) з виділенням енергії, що відбувається за дуже високих температур (³108К) в керованих умовах (в термоядерному реакторі). Можливість здійснення УТС теоретично розрахована в ... Ілюстрований енциклопедичний словник

Сонце природний термоядерний реактор Керований термоядерний синтез (УТС) синтез більш важких атомних ядер з легших з метою отримання енергії, який, на відміну від вибухового термоядерного синтезу (і … Вікіпедія

Процес злиття легких атомних ядер, що відбувається з виділенням енергії при високих температурах в регульованих умовах. Швидкості протікання термоядерних реакцій малі через кулонівське відштовхування (див. Кулона закон). Велика Радянська Енциклопедія

Керований термоядерний синтез- контрольоване протікання синтезу легких ядер (ядер дейтерію, тритію) в ядра гелію з метою виробництва енергії (неконтрольований синтез здійснюється у водневій бомбі). Технічного рішення поки що немає … Початки сучасного природознавства, Рожанський В.А.. Навчальний посібник містить виклад питань кінетики, динаміки та рівноваги плазми, а також процесів перенесення в ній. Цей курс відрізняється від більшості курсів лекцій з фізики плазми тим, що…

Оптимізм – штука хороша, але несамодостатня. Наприклад, за теорією ймовірності, на кожного смертного іноді має падати цегла. Вдіяти з цим зовсім нічого не можна: закон Всесвіту. Виходить, єдине, що взагалі може вигнати смертного на вулицю в такий неспокійний час, це віра в краще. А от у працівника сфери ЖКГ мотивація складніша: його на вулицю штовхає саме та сама цегла, яка норовить на когось впасти. Адже працівник про цю цеглу знає і може все виправити. Може й не виправляти, але головне, що при будь-якому рішенні голий оптимізм його вже не втішить.

У такому становищі у XX столітті виявилася ціла галузь – світова енергетика. Люди, уповноважені вирішувати, вирішили, що вугілля, нафта та природний газ будуть, як сонце в пісні, завжди, що цегла сидить міцно і нікуди не подінеться. Припустимо, дінеться - так є термоядерний синтез, нехай поки що й не цілком керований. Логіка така: відкрили його швидко, отже, так само швидко підкорять. Але роки йшли, по-батькові тиранів забувалися, а термоядерний синтез не підкорявся. Все тільки загравав, та вимагав більше ввічливості, ніж мали смертні. Вони, до речі, нічого не вирішували, були собі тихенько оптимістами.

Привід замерзнути на стільці з'явився, коли про кінцівки викопних палив почали говорити публічно. Причому яка вона, кінцівка, незрозуміла. По-перше, точний обсяг ще не знайдених нафти чи, скажімо, газу підрахувати досить важко. По-друге, прогноз ускладнюється коливаннями цін на ринку, від яких залежить швидкість видобутку. І, по-третє, споживання різного пального непостійне у часі та просторі: наприклад, у 2015 році світовий попит на вугілля (це третина всіх існуючих енергоносіїв) вперше впав з 2009 року, але до 2040 року, як очікується, різко зросте, особливо у Китаї та на Близькому Сході.

Обсяг плазми в JET становив уже близько 100 кубічних метрів. За 30 років він встановив серію рекордів: вирішив першу проблему термоядерного синтезу, розігрівши плазму до 150 мільйонів Цельсія; згенерував потужності 1 мегават, а потім - 16 мегават з показником енергоефективності Q ~ 0,7... Співвідношення витраченої енергії до отриманої - третя проблема термоядерного синтезу. Теоретично для горіння, що самопідтримується, плазми Q повинен перевалити за одиницю. Але практика показала, що мало цього: насправді Q має бути більше 20. Серед токамаків Q JET поки залишається непокірним.

Новою надією галузі став токамак ITER, який прямо зараз усім світом будують у Франції. Показник Q у ITER повинен досягти 10, потужність - 500 мегават, які для початку просто розсіяють у просторі. Роботи над цим проектом ведуться з 1985 року і мали закінчитися у 2016 році. Але поступово вартість будівництва зросла з 5 до 19 мільярдів євро і дата введення в експлуатацію відсунулася на 9–11 років. При цьому ITER позиціонується як місток до реактора DEMO, який, за планом у 2040-х роках, згенерує першу «термоядерну» електрику.

Біографія «імпульсних» систем була менш драматичною. Коли на початку 1970-х років фізики визнали, що варіант із «постійним» синтезом неідеальний, то запропонували викреслити з рівняння утримання плазми. Натомість ізотопи мали поміщатися в міліметрову пластикову сферу, та - в золоту капсулу, охолоджену до абсолютного нуля, а капсула - в камеру. Потім капсула синхронно обстрілювалася лазерами. Ідея в тому, що якщо нагріти та здавити паливо досить швидко та рівномірно, то реакція відбудеться ще до розсіювання плазми. І в 1974 році приватна компанія KMS Fusion таку реакцію отримала.

Через кілька експериментальних установок і років з'ясувалося, що з імпульсним синтезом не все так гладко. Рівномірність стиснення виявилася проблемою: заморожені ізотопи перетворювалися не на ідеальну кулю, а на «гантель», що різко знижував тиск, а отже, і енергоефективність. Ситуація призвела до того, що в 2012 році через чотири роки роботи від безвиході ледь не закрився найбільший інерційний американський реактор NIF. Але вже у 2013 році він зробив те, чого не вдалося JET: першим у ядерній фізиці в 1,5 раза більше енергії, ніж витратив.

Зараз, крім великих, проблеми термоядерного синтезу вирішують «кишенькові», чисто експериментальні, і «стартаперські» установки різних конструкцій. Іноді і їм виходить зробити диво. Наприклад, нещодавно фізики з Рочестерського університету перевершили поставлений у 2013 році рекорд енергоефективності у чотири, а потім і вп'ятеро. Щоправда, нові обмеження на температуру розпалювання і тиску при цьому нікуди не поділися, та й експерименти проводилися в реакторі приблизно втричі меншому, ніж NIF. А лінійний розмір, як знаємо, має значення.

Навіщо так напружуватися, дивуєтеся ви? Щоб було зрозуміло, чим термоядерний синтез такий привабливий, порівняємо його із «звичайним» пальним. Припустимо, у кожний момент часу в «бублік» токамака знаходиться один грам ізотопів. При зіткненні одного дейтерію та одного тритію виділяється 17,6 мегаелектронвольта енергії, або 0,000 000 000 002 джоуля. Тепер статистика: спалювання одного грама дров дасть нам 7 тисяч джоулів, вугілля – 34 тисячі джоулів, газу чи нафти – 44 тисячі джоулів. Спалювання ж грама ізотопів має призвести до викиду 170 мільярдів джоулів тепла. Стільки весь світ споживає приблизно за 14 хвилин.

Нейтрони-біженці та смертоносні ГЕС

Понад те, термоядерний синтез майже нешкідливий. «Майже» - тому що нейтрон, який відлетить і не повернеться, забравши частину кінетичної енергії, залишить магнітну пастку, але далеко не зможе піти. Незабаром непосида буде схоплено атомним ядром одного з аркушів бланкета - металевого «ковдри» реактора. Ядро, що «зловило» нейтрон, при цьому перетвориться або на стабільний, тобто безпечний і відносно довговічний, або на радіоактивний ізотоп - як пощастить. Опромінення реактора нейтронами називається наведеною радіацією. Через неї бланкет доведеться міняти десь кожні 10–100 років.

Саме час уточнити, що схема зчеплення ізотопів, описана вище, була спрощеною. На відміну від дейтерію, який можна їсти ложкою, легко створити та зустріти у звичайній морській воді, тритій – радіоізотоп, та штучно синтезується за непристойні гроші. При цьому зберігати його безглуздо: ядро швидко «розвалюється». У ITER тритій отримуватимуть на місці, зіштовхуючи нейтрони з літієм-6 та окремо додаючи готовий дейтерій. В результаті нейтронів, які спробують «бігти» (разом із тритієм) і застрягнуті у бланкеті, буде ще більше, ніж могло здатися.

Незважаючи на це, площа радіоактивного впливу термоядерного реактора буде дуже мала. Іронія в тому, що безпека передбачена самою недосконалістю технології. Оскільки плазму доводиться утримувати, а «паливо» додавати знову і знову, без нагляду з боку система пропрацює кілька хвилин (плановий час утримання у ITER - 400 секунд) і згасне. Але навіть при одномоментному руйнуванні, думціФізика Крістофера Ллуелліна-Сміта, виселяти міста не доведеться: через низьку щільність плазми тритію в ній буде всього 0,7 грама.

Зрозуміло, на дейтерії та тритії світло клином не зійшлося. Для термоядерного синтезу вчені розглядають і інші пари: дейтерій та дейтерій, гелій-3 та бор-11, дейтерій та гелій-3, водень та бор-11. У трьох останніх ніяких нейтронів, що «тікають», і зовсім не буде, а з парами водень - бор-11 і дейтерій - гелій-3 вже працюють дві американські компанії. Просто поки що, на нинішньому витку технологічного невігластва, зіштовхувати дейтерій і тритій трохи легше.

Та й проста арифметика на боці нової галузі. За останні 55 років у світі сталося: п'ять проривів ГЕС, внаслідок яких загинуло стільки, скільки на російських дорогах гине за вісім років; 26 аварій на атомних електростанціях, через які загинуло у десятки тисяч разів менше людей, ніж від проривів ГЕС; і сотні подій на теплових електромережах з багатьма наслідками. Натомість за час роботи термоядерних реакторів, здається, ніщо, окрім нервових клітин та бюджетів, поки що не постраждало.

Холодний ядерний синтез

Яким би крихітним він не був, а шанс зірвати куш у «термоядерну» лотерею розбурхував усіх, не лише фізиків. У березні 1989 року два досить відомі хіміки, американець Стенлі Понс і британець Мартін Флейшман, зібрали журналістів, щоб явити світові «холодний» ядерний синтез. Працював він так. У розчин з дейтерієм і літієм містився паладієвий електрод і через нього пропускали постійний струм. Дейтерій і літій поглиналися паладієм і, зіштовхуючись, іноді «зчіплялися» в тритій та гелій-4, раптом різко нагріваючи розчин. І це при кімнатній температурі та нормальному атмосферному тиску.

Перспектива отримувати енергію без головомийки з температурою, тиском та складними установками була надто привабливою, і наступного дня Флейшман та Понс прокинулися знаменитими. Влада штату Юта виділила на їх дослідження «холодного» синтезу 5 мільйонів доларів, ще 25 мільйонів доларів у Конгресу США запросив університет, у якому працював Понс. Ложку дьогтю в історію додавали два моменти. По-перше, подробиці експерименту з'явилися в The Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistryлише у квітні, через місяць після прес-конференції. Це суперечило науковому етикету.

По-друге, у фахівців з ядерної фізики до Флейшмана та Понса виникло багато питань. Наприклад, чому в їхньому реакторі зіткнення двох дейтронів дає тритій та гелій-4, коли має давати тритій та протон чи нейтрон та гелій-3? Причому перевірити це було просто: за умови, що в електроді паладію відбувався ядерний синтез, від ізотопів «відлітали» б нейтрони із заздалегідь відомою кінетичною енергією. Але ні датчики нейтронів, ні відтворення експерименту іншими вченими таких результатів не привели. І через брак даних уже в травні сенсацію хіміків було визнано «качкою».

Незважаючи на це, праця Понса та Флейшмана внесла в ядерну фізику та хімію сум'яття. Адже що сталося: певна реакція ізотопів, паладію та електрики призвела до виділення позитивної енергії, точніше, до спонтанного нагрівання розчину. 2008 року схожу установку журналістам показали японські вчені. Вони поміщали в колбу паладій та оксид цирконію і під тиском накачували до неї дейтерій. Через тиск ядра «терлися» один про одного і перетворювалися на гелій, виділяючи енергію. Як і в експерименті Флейшмана-Понса, про «безнейтронну» реакцію синтезу автори судили лише за температурою в колбі.

Фізика пояснень не мала. Але могли бути в хімії: якщо речовину змінюють каталізатори - «прискорювачі» реакцій? Один такий «прискорювач» нібито використав італійський інженер Андреа Россі. У 2009 році він разом із фізиком Серджіо Фокарді подав заявку на винахід апарату для «низькоенергетичної ядерної реакції». Це 20-сантиметрова керамічна трубка, в яку поміщаються порошок нікелю, невідомий каталізатор і під тиском накачується водень. Трубка нагрівається звичайним електрокалорифером, частково перетворюючи нікель на мідь із нейтронів і позитивної енергії.

До патенту Россі та Фокарді механіку «реактора» не розголошували з принципу. Потім – із посиланням на комерційну таємницю. У 2011 році установку почали перевіряти журналісти та вчені (чомусь одні й ті самі). Перевірки полягали у наступному. Трубку нагрівали на кілька годин, вимірювали вхідну та вихідну потужність та вивчали ізотопний склад нікелю. Розкривати було не можна. Слова розробників підтверджувалися: енергії виходить у 30 разів більше, склад нікелю змінюється. Але як? Для такої реакції потрібно не 200 градусів, а всі 20 мільярдів градусів Цельсія, оскільки ядро нікелю важче навіть заліза.

Жоден науковий журнал італійських «чарівників» так і не опублікував. Багато хто досить швидко махнув на «низькоенергетичні реакції» рукою, хоча послідовники у методу є. Зараз Россі позивається до правовласника патенту, американської компанії Industrial Heat, за звинуваченням у крадіжці інтелектуальної власності. Та вважає його шахраєм, а перевірки з експертами – «липою».

І все ж таки «холодний» ядерний синтез існує. Він справді заснований на «каталізаторі», - мюонах. Мюони (негативно заряджені) «випинають» електрони з атомної орбіталі, утворюючи мезоатоми. Якщо зіштовхнути мезоатоми з, наприклад, дейтерієм, вийдуть позитивно заряджені мезомолекули. А оскільки мюон у 207 разів важчий за електрон, ядра мезомолекул будуть у 207 разів ближче один до одного - того ж ефекту можна досягти, якщо нагріти ізотопи до 30 мільйонів градусів Цельсія. Тому ядра мезоатомів «зчіплюються» самі, без нагріву, а мюон «стрибає» на інші атоми, доки не «ув'язне» в мезоатомі гелію.

До 2016 року мюон навчили робити приблизно 100 таких «стрибків». Потім або мезоатом гелію, або розпад (час життя мюона - всього 2,2 мікросекунди). Овчинка не варта вироблення: кількість отриманої від 100 «стрибків» енергії не перевищує 2 гігаелектронвольт, а на створення одного мюона потрібно 5-10 гігаелектронвольт. Щоб «холодний» синтез, точніше, «мюонний каталіз» був вигідним, кожен мюон повинен навчитися 10 тисячам «стрибків» або, нарешті, перестати вимагати від смертних забагато. Зрештою, до кам'яного віку – з піонерськими вогнищами замість ТЕЦ – залишилося якихось 250 років.

Втім, у кінцівку викопних палив вірять не всі. Менделєєв, наприклад, заперечував вичерпність нафти. Вона, думав хімік, - продукт абіотичних реакцій, а не птеродактилів, що розклалися, тому самовідновлюється. Чутки про протилежне Менделєєв ставив за провину братам Нобель, які наприкінці XIX століття замахнулися на нафтову монополію. Слідом за ним радянський фізик Лев Арцимович взагалі висловлював переконаність у тому, що термоядерна енергетика з'явиться лише тоді, коли буде «дійсно» потрібна людству. Виходить, Менделєєв і Арцимович були хоч особами та вирішальними, а все ж таки – оптимістами.

І термоядерної енергетики ми насправді поки не потребуємо.