Виртуальный мир N 1 2021

В.А. Коноваленко

Ядерный синтез и физика постулатов         В 2021 году исполнилось 60 лет со дня рождения идеи лазерного ядерного синтеза. Родилась она в голове будущего нобелевского лауреата Н.Г. Басова и была впервые публично им высказана на заседании Президиума АН СССР в 1961 году, уже через три года теоретически им же обоснована (см. Басов Н. Г., Крохин О. Н. «Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора». – ЖЭТФ. 1964. т. 46. с. 171-175), а 18 апреля 1968 года на уникальной установке, созданной в Физическом институте им. П. Н. Лебедева, были зафиксированы первые нейтроны. Лазерный ядерный синтез первым преодолел порог энерговыгодности, когда реактор выдаёт энергии больше, чем тратится на его запуск и работу. Официальное признание произошло после 22-й Международной конференции по ядерным исследованиям в конденсированных средах в Ассизи в 2019 г.
        Вообще-то, широкой публике более известен УТС (Управляемый термоядерный синтез) – синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии в высокотемпературной плазме, удерживаемой магнитным полем. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления УТС, будут применяться дейтерий и тритий, а в более отдалённой перспективе гелий-3 и бор-11. При этом приходится «таранить» закон Кулона, отсюда «термояд», миллионноградусная плазма со ссылкой на солнечные процессы. Но солнечные миллионы градусов – «местная, солнечная» данность, которой нет на Земле, там миллионы градусов и атмосфер – «нормальные условия», в которых существуют и взаимодействуют ядра, лишённые электронных оболочек. «Нормальные условия» на Земле несколько иные, поэтому «термояд» на Земле не естественен. Хотя в определении процесса («Синтез – процесс соединения или объединения ранее разрозненных вещей или понятий в целое или набор») не содержится требования однороднсти «соединяемых», почему-то, говоря о ядерном синтезе, подразумевают именно соединение ядер атомов.
        Между тем, в 2009 году в Италии была подана заявка на изобретение «Метод и аппаратура для проведения экзотермической реакции между никелем и водородом, с выделением меди». Это «Катализатор энергии Росси» – аппарат, созданный Андреа Росси при поддержке научного консультанта физика Серджо Фокарди. В 2011 г. по заявке в Италии и Европе был выдан патент на технологию, а в 2015 г. в США – на реактор E-Cat (Патент США, №. US 9,115,913 B1). В основе работы E-Cat лежит взаимодействие никеля и водорода, в результате чего образовывается изотоп меди и, как дополнительный фактор – тепловая энергия. Реакция протекает при температуре порядка тысячи градусов Цельсия. Заявленное потребление установки: 0,01 г Н и 0,1 г Ni для получения 10 кВт энергии.
        Демонстрация изобретения в Болонье 14 января 2011 года контролировалась независимыми научными представителями Болонского университета, в том числе физиком-исследователем Джузеппе Леви. После этой демонстрации Леви сказал: «Что меня поразило и что выделило эту работу из всего, что я видел, это то, что выход энергии был 10 кВт, и этот результат можно повторить. Что я хочу сделать далее – это эксперимент с непрерывной реакцией в течение по крайней мере одного или более дней. Поскольку существуют весьма чёткие ограничения по количеству энергии, которую возможно получить из определённой массы вещества, я могу исключить то, что источником энергии является химическая реакция».
        29 марта 2011 два шведских физика, Hanno Essеn, адъюнкт-профессор теоретической физики и Sven Kullander, почётный профессор Уппсальского университета участвовали в качестве наблюдателей в испытаниях уменьшенной версии «катализатора энергии». Тест проводился в течение 6 часов, выходная мощность составила ~4.4 кВт. Всего было произведено ~25 кВтч энергии. Essen и Kullander сообщили: «Мы вынуждены исключить любые химические процессы, так как их недостаточно для производства 25 кВтч из того, что бы ни находилось в контейнере объёмом 50 см³. Можно дать только альтернативное объяснение: имеется какой-то ядерный процесс, который порождает измеренный прирост энергии».
        Патенты Росси, холодный ли в них ядерный синтез или «низкоэнергетическая ядерная реакция», более естественны для Земли чем УТС. Возможно, у Росси электронная оболочка атома экранирует кулоновское взаимодействие до границ действия ядерных сил. А из этого напрашивается вывод: для холодного ядерного синтеза достаточно соединять ядро с нейтроном, в котором протон «внутренне экранирован». Тогда «Кулон отдыхает», а лёгкий изотоп элемента «тяжелеет». Дефект массы означает, что такая реакция способна дать вовне энергию. Ниже приведена таблица, содержащая некоторые данные по первым десяти элементам периодической системы. Таблица 1 Изотопный состав лёгких элементов (в аем=1,66 10^-27кг)

Ядро	Масса	Пропорция	Дельта массы	Дефект массы
H¹ Н² Н³	1,00813 + 0,00002 2,01473 + 0,00002 3,01705 + 0,00007	99,984 0,0156 < 10^-7	1,0066 1,0023	0,00207 0,00637
Не³ Не⁴	3,01602 ± 0,00009 4,00389 ± 0,00007	1	0,9879	0,02077
Li⁶ Li⁷	6,01686 + 0,00020 7,01818 + 0,00013	~7,9 ~92,1	1,0013	0,00737
Ве⁸ Be⁹	8,00792 + 0,00028 9,01504 + 0,00025	~0,05 ~99,95	1,0712	– 0,06253
B¹⁰ В¹¹	10,01631 + 0,00025 11,01292 + 0,00017	~20 ~80	0,9966	0,01207
С¹² С¹³	12,00398 ± 0,00010 13,00761 + 0,00015	99,0 1,0	1,0036	0,00507
N¹⁴ N¹⁵	14,00750 + 0,00808 15,00489 + 0,00020	99,62 0,38	0,9974	0,01127
O¹⁶ О¹⁷ O¹⁸	16,0000 17,00450 + 0,00007 18,00369 ± 0,00020	99,77 0,04 0,19	1,0045 0,9992	0,00417 0,00947
F¹⁹	19,00452 ± 0,00017	–	–	–
Ne²⁰ Ne²¹ Ne²²	19,99981 ± 0,00011 20,99963 + 0,00023 21,99864 + 0,00035	90,0 0,27 9,73	0,9998 0,9990	0,00887 0,00967

Масса нейтрона равна 1,00867 аем, очевидно, что только синтез бериллия (Ве⁸) с нейтроном не даст выхода энергии, во всех остальных случаях реакция экзоэнергетична. Поскольку нейтрону никто не мешает подойти к ядру сколь угодно близко, для него не потребуется высоких температур, поэтому вполне представим синтез гелия-4 из гелия-3 так, как показано на рисунке. Правда, гелий-3 довольно редок, но можно синтезировать азот-15 из азота-14, который составляет более 99% атмосферы!

Конечно, эти рассуждения имеют под собой почву только при наличии источника нейтронов. В ВМ № 1 2015 года в статье «О ядерном синтезе» была высказана гипотеза о возможности ядерного синтеза в области сравнительно низких температур путём обстрела нейтронами лёгких ядер. Там же (и тоже гипотетически) была предложена «нейтронная пушка». В упомянутой статье предлагалось применить встречные пучки ускоренных протонов и электронов в расчёте на захват электрона протоном и его превращение в нейтрон (итоговый импульс нейтрона обеспечит нужную траекторию).

        Беда в том, что масса нейтрона больше суммы масс протона и электрона, вместе взятых (~ на 0,0009 аем). То есть на этот «синтез» нужно затратить немалую энергию, хотя, казалось бы, для разноимённых зарядов должно бы быть наоборот. Увы, но в подобных процессах, мягко говоря, «много тумана». Боровский радиус и постоянная Планка лишь констатируют ситуацию, но не дают механизма образования из протона и электрона атома водорода, а не элементарной частицы – нейтрона. Хотя широко известен электронный захват, при котором один из протонов ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. Так, ²⁶Al13 превращается в ²⁶Mg12, ⁵⁹Ni28 в ⁵⁹Co27, а калий-40 с вероятностью около 10% превращается в аргон.
        Не очевиден и механизм распада нейтрона, в результате которого получается протон, электрон и электронное антинейтрино. К тому же, значения кинетической энергии излучаемого электрона могут быть в диапазоне от 0 до 782,318 кэВ. Возможно, энергии столкновения электрона и протона более 1,022 МэВ окажется достаточно для преодоления боровского радиуса. Кстати, это ведь тоже синтез – эндоэнергетический синтез нейтрона! Вообще же вся эта протонно-нейтронная тематика – хорошая иллюстрация современного состояния ядерной физики, которая по сути стала классическим образцом постулатной науки. С появления боровского атома ядерщики перестали задавать вопрос: «почему». Вместо этого идёт поиск «ярлыков» – боровский радиус, постоянная Планка, нейтрино, кварки, цветность, шарм, а теперь ещё и квантовая путаница... И никаких механизмов!
        Почему и как разноимённые протон и электрон при встрече становятся не нейтроном, а атомом водорода; почему и как распад нейтрона сопровождается выделением энергии, хотя в пространстве возникает обладающее энергией электрическое поле протона и электрона; почему и как протон ядра алюминия, никеля или калия «похищают» электрон из оболочки, невзирая на боровские радиусы, «планки» и прочие барьеры... Все эти «почему», так же, как и сам процесс квантования, работают непонятно как, о механизмах их работы со времён Резерфорда и Бора никто даже не задумывался: постулировали нечто – повесили ярлычок – и 60 лет «ломимся сквозь Кулона». Хотя, может быть, если бы сумели прояснить то, что происходит не в высокотемпературной плазме, а внутри решёток конденсированных сред, то нечто подобное реакции Росси уже давно бы давало энергию.

В оглавление