Как рождается дейтерий

Последние десять лет XX века научный мир терзали сомнения насчёт возможности холодного ядерного синтеза. Сенсационные заявления М. Флейшманна и С. Понса [164] в 1989 г о том, что он уже осуществлён ими при электролизе, скоро были подвергнуты сомнениям, и они вынуждены были отказаться от своих слов, сославшись на ошибки измерений. Но Джин, как говорится, уже был выпущен из бутылки, а загнать его обратно, как известно, труднее, чем выпустить. "Крамольные" мысли о холодном ядерном синтезе уже гуляли по всему свету.
И в то же время мало кто догадывался, что почти все эти десять лет промышленный реактор холодного ядерного синтеза исправно работал в Кишиневе и не только там. Ибо вихревой теплогенератор Потапова, который был поставлен в Кишиневе на серийное производство и поставлялся во многие страны, и был тем самым реактором холодного ядерного синтеза. В том, что его детище - это реактор холодного ядерного синтеза, порой сомневался даже сам автор, ибо от теплогенератора не исходило заметного нейтронного излучения, которое, по сложившимся у всех представлениям, обязательно должно было сопровождать реакции ядерного синтеза. Кроме того, в тот период многие пытались объяснить генерацию избыточного тепла в этом теплогенераторе выделением гипотетической энергии физического вакуума из кавитационных пузырьков, рождающихся у тормозного устройства в вихревой трубе.
Физики, пытавшиеся все эти годы в разных странах тем или иным образом осуществить холодный ядерный синтез, "плясали" от термоядерных реакций, подобных идущим в водородной бомбе. Они всё пытались соединить два ядра атома дейтерия, который содержится в виде примесей тяжёлой воды (в количествах -0,015%) в любой природной воде, с тем чтобы получить ядро атома гелия-3 или трития посредством ядерных реакций:

(17.1), (17.2)

И такие реакции действительно иногда вроде бы случались как при электролизе [165], так и при механическом раскапывании льда из замороженной тяжёлой воды [173]. Но они обычно шли с ничтожной интенсивностью, не позволявшей говорить о промышленном использовании выделяющегося тепла этих ядерных реакций.
В результате каждой из ядерных реакций (17.1) и (17.2) получаются радиоактивные продукты реакций. В первой - это нейтроны n, губительные для всего живого и распадающиеся на протон р, электрон е- и антинейтрино , по реакции

(17.3)

с периодом полураспада 15,3 мин.
Во второй образуется слаборадиоактивный тритий , который подвержен ß -распаду с полупериодом в 12 лет:

(17.4)

По всем канонам реакции (17.1) и (17.2) должны бы идти с приблизительно одинаковыми скоростями. Но исследователи подметили, что при холодном ядерном синтезе, в отличие от термоядерного, интенсивность реакции (17.2), ведущей к появлению трития, почему-то на 7-8 порядков величины выше, чем реакции (17.1), ведущей к появлению гелия-3. Причина этого в течение десяти лет оставалась загадкой для физиков.
Почему исследователи так надеялись на ядерные реакции (17.1) и (17.2) и ориентировались именно на них? Да потому, что добывать дейтерий из воды, осуществляя обогащение содержащейся в ней тяжёлой воды, сравнительно несложно, а запасы воды на Земле практически неисчерпаемы. При энергетическом выходе ядерных реакций (17.1) и (17.2) более 3 МэВ на каждый атом дейтерия и содержании примесей тяжёлой (дейтериевой) воды в обычной воде -0,015% тепла, которое выделится в ядерном реакторе при использовании в нём того дейтерия, который содержится в 1 литре воды, хватит для того, чтобы нагреть до кипения 4 кубометра воды.
Откуда в земной воде взялся дейтерий?До сих пор все думали, что изначально он появился не в воде, а в том водороде, который вошёл в состав воды. А в водороде он появился, как думают астрофизики, в результате осуществления в недрах Солнца и Других звёзд гипотетической ядерной реакции между ядрами атомов полностью ионизованного водорода (протия)

(17.5)

считающейся первой реакцией так называемых водородного и углеродного циклов ядерных реакций, по которым, как предполагают астрофизики, осуществляется термоядерный синтез гелия в недрах звёзд.
Ну а на Земле, считают астрофизики, дейтерий появился потому, что звёзды когда умирают, взрываются, разбрасывая в окружающее космическое пространство огромное количество водорода, содержащего примесь дейтерия. При последующем формировании из межзвездной пыли и газов новых звёзд и планет этот дейтерий попадает в состав воды, конденсирующейся на планете. Одним словом, считают, что земной дейтерий - это пришелец из космоса, который когда-то родился в недрах звёзд по реакции (17.5).
Но вся незадача в том, что эту реакцию в земных лабораториях никто никогда не наблюдал, даже на ускорителях со встречными пучками протонов. И не удивительно - ведь эта реакция дважды запрещена законами сохранения. Во-первых, в ней нарушается закон сохранения изотопического спина. Во-вторых, она требует, чтобы при ее протекании происходил так называемый " ß -распад протона на лету" [186], заключающийся в том, что один из протонов должен распадаться по схеме

(17.6)

Но вероятность такого гипотетического распада свободного протона столь мала, что физики уже отчаялись когда-нибудь зарегистрировать его.
Тем не менее астрофизики надеялись, что запрещенная ядерная реакция (17.5) иногда всё же случается в недрах Солнца, как иногда случается переход пешеходом улицы на запрещающий красный свет светофора. Теоретики из кожи вон лезли, чтобы доказать, что при том огромном количестве водорода (~1055 атомов), которое содержится в Солнце, более чем на 70% состоящем из водорода, даже столь маловероятные и редкие события могут вести к наработке достаточного количества дейтерия.
На самом же деле все оказалось гораздо проще и интереснее. Нами в [263] было показано, что в вихревом потоке воды ядерная реакция между двумя протонами, ведущая к синтезу дейтрона , уже не дважды запрещена, а "нормально разрешена", как выражаются физики-ядерщики, и может идти с большой скоростью.
Чтобы понять как и почему это происходит, давайте перенесём в уравнении ядерной реакции (17.5) символ позитрона е+ из правой части в левую:

(17.7)

Такой перенос не запрещён правилами "ядерной алгебры", только требуется заменять переносимую частицу античастицей. В данном случае позитрон - электроном.
Ядерная реакция (17.7), в принципе, тоже возможна. Более того, она имеет ряд преимуществ перед реакцией (17.5). И то, что энергетический выход реакции возрос до 1,95 МэВ - не самое важное из них. Более важно то, что теперь уже не надо долго ждать флуктуационного слабого (а значит, очень медленного) распада протона на нейтрон, позитрон и нейтрино, как это было в реакции (17.5), ибо теперь в реакции (17.7) электрон уже изначально имеется в готовом виде и рожать его не надо. А процесс "переодевания" электрона в нейтрино во время ядерной реакции - более лёгкий, чем процесс рождения позитрон - нейтринной пары. Недаром так называемые акции К -захвата электрона из электронной оболочки атома ядром атома, при KOTO-DOM внутри ядра тоже происходит превращение электрона в нейтрино, тоже идут с довольно большими скоростями. (Периоды полураспадов большинства изотопов, осуществляющихся посредством К-захвата, составляют порядка года.) " Оценки показывают, что если в ядерной реакции (17.5) постоянная времени составляет миллионы лет, то в реакции (17.7) она уже чуть больше часа при одинаковой частоте столкновений частиц исходных "реагентов".
Но если для осуществления реакции (17.5J необходимо, чтобы столкнулись два протона, то для осуществления ядерной реакции (17.7) требуется, чтобы столкнулись уже не две, а три частицы - два протона и электрон. Вероятность такого трёхчастичного столкновения в высокотемпературной плазме крайне мала, поэтому трёхчастичные столкновения термоядерщики даже не рассматривают, пренебрегая ими. А вот химики уже не пренебрегают трёхчастистичными столкновениями при рассмотрении процессов в газах и жидкостях. Более того, в химии многие процессы (например каталитические) основываются на трёхчастичных столкновениях.
Мы тоже имеем дело не с высокотемпературной плазмой, а с жидкой водой. А в ней, оказывается, всегда имеются весьма специфические условия для сближения двух протонов и электрона. Эти условия появляются благодаря тем самым водородным связям, о которых мы уже говорили в предыдущей главе. На каждой водородной связи, соединяющей две соседние молекулы воды, обычно находится по одному протону.
При этом, как показали ещё в 30-е годы исследования структуры воды и льда Дж. Берналом и Р. Фаулером, протон сидит не посреди прямой линии этой связи, а на трети расстояния от одного атома кислорода до другого.
И протон не просто спокойно сидит там, а, как позже показал Л. Полинг, то и дело перескакивает вдоль этой связи с одной разрешённой ему позиции на другую, находящуюся уже на расстоянии трети длины связи от атома кислорода другой молекулы. Частота таких скачков протона составляет . Дважды лауреат Нобелевской премии Л. Полинг остроумно отобразил эту ситуацию тем, что оба положения протона отметил полукругами. - "Полупротонная" статистическая модель Полинга.
Точно так же ведут себя на водородных связях тяжёлой воды дейтроны - ядра атомов дейтерия.
Но иногда и в строгом мире кристаллов, а тем более в жидкой воде с ее квазикристаллической структурой, случаются осечки, и в силу той или иной причины (флуктуации, удара фотоном или др.) протон выбивается с водородной связи и оказывается на соседней. В результате на последней оказываются сразу два протона, занимающих обе разрешенные позиции. Эти водородные связи называют "ориентационно Дефектными". Такую ситуацию впервые описал в 1951 г. Н. Бьюррум, а вскоре группа Г. Гранихера экспериментально подтвердила наличие в кристаллах льда таких дефектов. Их концентрация оказалась в пределах .
Расстояние между протонами (или дейтронами в случае тяжёлой воды) на ориентационно - дефектной водородной связи составляет всего 0,73 А. Чтобы в условиях плазмы протоны сближались на столь малое расстояние, необходимо разогревать плазму до миллионов градусов Цельсия. Казалось бы, что теперь протонам на водо родной связи уже ничего не стоит протуннелировать сквозь столь узкий кулоновский барьер, разделяющий их, чтобы слиться в ядерной реакции (17.7). А необходимый для этой реакции электрон всегда имеется под рукой - ведь дело происходит среди электронных облаков атомов кислорода и водорода. Тем более, что протоны на такой водородной связи то и дело скачут вдоль этой связи, меняясь местами. Можно предположить, что такие прыжки иногда приводят к лобовому столкновению протонов Тут уж, казалось бы, протонам некуда деваться, чтобы не вступить в ядерную реакцию (17.7).
Тем не мене при обычных условиях такая реакция на водородных связях воды не идёт. Дело в том, что для её осуществления необходима ориентация спинов обоих протонов, вступающих в реакцию (17.7), параллельно друг другу, ибо спин образующегося дейтрона равен единице, а спины исходных протонов - 1/2. Параллельная же ориентация спинов двух протонов на одной водородной связи запрещена принципом Паули. Поэтому они тут имеют антипараллельную ориентацию спинов, при которой сумма спинов протонов равна нулю. Для начала ядерной реакции (17.7) требуется перевернуть спин одного из протонов на ориентационно-дефектной водородной связи.
Такое переворачивание спина осуществляется с помощью торсионных полей (полей вращения), появляющихся при вихревом движении воды в вихревой трубе теплогенератора Потапова. О торсионных полях мы уже говорили в предыдущей главе. А здесь только еще раз отметим, что явление изменения направления спинов элементарных частиц торсионными полями, предсказанное теорией этих полей, разработанной Г. И Шиповым, уже широко используется в ряде технических приложений [70].
При переворачивании торсионным полем спина одного из протонов на водородной связи не происходит нарушения принципа запрета Паули, потому что торсионное поле при этом сообщает протону хоть и очень маленькую, но конечную дополнительную энергию. В результате этот протон оказывается на другом, а не на том же энергетическом уровне, что и соседний, который не переворачивался. Происходит, как говорят физики, расщепление энергетического уровня. Принцип запрета Паули не нарушается, а обходится.
Когда спины обоих протонов на ориентационно - дефектной водородной связи оказываются параллельными, уже ничто не мешает этим протонам вступить в ядерную реакцию (17.8), ведущую к образованию ядер атомов дейтерия.
Водовороты и создаваемые ими торсионные поля существуют не только в теплогенераторе Потапова, но и в бесчисленных ручьях и реках на Земле. Да и в атмосферных вихрях много паров и капель воды.
Поэтому можно предположить, что тот дейтерий, который присутствует в воде земных водоемов, - не пришелец из космоса, а имеет земное происхождение. Теперь становятся понятными и причины отличий содержания примесей тяжёлой воды в разных водоёмах: больше их должно быть в тех, в которые впадают бурные, а не спокойные реки.
На Солнце и других звёздах тоже существует множество самых разных вихрей, намного более мощных, чем земные. А по самым последним данным астрономов, в период их формирования молодые звёзды (тогда они называются "протозвёздами") На 80% состоят, оказывается, из воды и её паров [145]. Поэтому можно полагать, что и на звёздах дейтерий появляется не в результате гипотетических термоядерных реакций (17.5), а рождается по реакции (17.7) в вихрях наиболее холодного вещества звезды, ещё содержащего молекулы воды.
Наиболее холодное вещество на Солнце находится непосредственно под его фотосферой в слое так называемых "мелких гранул". Эти гранулы представляют собой гигантские (по земным меркам) вертикальные вихри диаметром в полтысячи километров. Миллионы таких вихрей - "мелких" гранул - покрывают всю поверхность Солнца кроме областей солнечных пятен. Этот слой мелких гранул и ответствен, по-видимому, за синтез солнечного дейтерия, являющегося сырьём для последующих ядерных реакций водородного и углеродного циклов, ведущих к выделению на Солнце больших количеств тепла и образованию гелия, названного так в честь Солнца.