Холодный термояд - советское открытие?

Весной 1989 г. газеты всего мира облетело сенсационное сообщение о том, что американские физики М. Флейшманн и С. Понс из университета штата Юта осуществили реакцию ядерного синтеза при комнатной температуре. Проводя электролиз тяжелой воды с палладиевым катодом, они наблюдали почти все признаки ядерных реакций (10.3) и (10.4): зафиксировали потоки нейтронов (до 104 в секунду), обнаружили тритий, а самое главное - установили, что тепловой энергии в электролитической ячейке выделяется в 4 раза больше, чем подводится к ней электрической от аккумуляторной батареи с напряжением 6-8 В [164].
Уже через неделю последовали сообщения других исследователей (из США, СССР, Венгрии), в той или иной степени подтверждавших выявленный эффект. Так, 'o Джонс с сотрудниками в США на аналогичной установке, но уже с катодом не из чистого палладия, а из его сплава с титаном, в течение 150 часов наблюдали при
электролизе тяжелой воды поток нейтронов интенсивностью 15 частиц в час, что в 4 выше уровня естественного фона [165]. Но достичь интенсивности потока нейтронов, объявленной Флейшманном и Понсом, никому не удалось. Да и достоверность отличия выявленного потока от фонового во многих лабораториях оказалась невысокой.
Тогда по настоянию коллег Флейшманн и Понс провели контрольный эксперимент на той же установке с обыкновенной водой вместо тяжелой. И что же? - Показания приборов почти не отличались от показаний в экспериментах с тяжелой водой! Из этого большинство, в том числе хозяева установки, сделали вывод, что результаты их первых экспериментов были ошибочны, приборы врали, а они скоропалительно поспешили объявить об открытии холодного ядерного синтеза, открытии, которое, по-видимому, не состоялось, как решили тогда многие [166].
Но, как говорится, джин был выпущен из бутылки. (В данном случае из "магнитной бутылки" для термоядерной плазмы академика Г. И. Будкера.) А загнать его обратно, как известно, гораздо сложнее, чем выпустить. С тех пор "холодный термояд" не дает спать многим. Предложены сотни гипотез, объясняющих результаты Флейшманна-Понса. Вместе с тем был выявлен ряд старых публикаций, так или иначе связанных с проблемой ядерного синтеза при нетермоядерных температурах, но не привлекших в свое время внимание общественности.
Об одной такой работе, доведенной до опытно-промышленной энергетической установки, рассказывает в [167] H. E. Заев. Он пишет, что в Подмосковье в этом направлении еще с 50-х годов работал И. С. Филимоненко в рамках Государственной Программы научно-технического прогресса в СССР. В 1962 г. он подал заявку на изобретение СССР № 717239/38 "Процесс и установка термоэмиссии". В ней описана гидролизная энергетическая установка, предназначенная для получения тепла от реакций ядерного синтеза, идущих при температуре всего 1150°С. "Топливом" служила тяжелая вода. Реактор - металлическая труба диаметром 41 мм и длиной 700 мм из сплава, содержащего несколько граммов палладия.
Конечно, был получен отказ Государственной патентной экспертизы в признании данного технического решения изобретением: ведь всем было известно, что термоядерные реакции не могут идти при столь низкой температуре. А если эксперты в чем-то уверены, то никто их не переубедит.
А ведь Филимоненко экспериментально выявил, что после разложения тяжелой воды электролизом на кислород и дейтерий, который растворяется в палладии катода, е катоде происходят реакции ядерного синтеза. При этом вроде бы нет нейтронного излучения и отсутствуют радиоактивные отходы.
Идею он предложил еще в 1957 г., работая в оборонной промышленности после окончания аспирантуры. После получения первых положительных экспериментальных результатов работу высоко оценили академики И. В. Курчатов и С. П. Королев, а также маршал Г. К. Жуков. Они добились секретного Постановления Совмина СССР и ЦК КПСС № 715/296 от 23.07.60, в котором предписывалось на основании предложений Филимоненко осуществить "разработку стратегически значимых принципов:
- получения энергии,
- получения тяги без отброса массы,
- защиты от ядерных излучений".
По словам Заева, к этому времени Филимоненко уже обнаружил, что его реактор при работе испускает какое-то излучение, которое резко ускоряет распвд радиоактивных изотопов, сокращая тем самым их период полураспада. Отсюда и появился третий пункт Постановления. Мы теперь начинаем понимать, что это было,
по-видимому, мощное торсионное излучение, рождающееся (без механического вращения вещества?) в установке, подробности конструкции и работы которой до сих пор остаются засекреченными.
Кстати, не кажется ли Вам, что второй пункт Постановления (о "тяге без отброса массы") может иметь отношение к обнаружению эффекта возникновения осевых (аксиальных) сил при вращении масс, о котором мы говорили в разделах 7.3 и 7.5? Значит, в трубе реактора Филимоненко тяжелая вода все же вращалась? Но тогда реактор Филимоненко очень напоминает наш вихревой теплогенератор, описанный в разделе 8.4!
Теперь нам становится понятно, что советская наука в этих вопросах почти на полвека обогнала тогда американцев, но чересчур секретничала. Увы, пожалуй, во вред себе, ибо из-за этого не сумела защитить свой приоритет. Секреты, кстати, тоже не сумела сохранить. Ибо "американец" С. Понс до 80-х годов был гражданином Украинской ССР и еще в 1970 г. числился экспертом по новейшим советским ядерным установкам и привлекался руководством к обсуждению работ Филимоненко. Но, видимо, не все тонкости процесса были изложены в тех документах Филимоненко, с которыми, не исключено, когда-то имел возможность познакомиться эксперте. Понс, пишет H. E. Заев.
А сам И. С. Филимоненко в 1968 г. был отстранен от должности за участие в "антигосударственной" деятельности за запрещение испытаний ядерного оружия и прекращение гонки вооружений. Работы по "теплому термояду" остановились. Н. Заев отмечает, что причины этого, наверно, не только в том, что Филимоненко "полез в политику", айв том, что мощному лобби термоядерщиков, из года в год выпрашивавших у правительства огромные кредиты, обещая "уже в следующей пятилетке" ввести в строй установку "физического термояда" (Токамак и др.), никак не нужен был конкурент. Ведь он не выпрашивал больших кредитов, а малыми силами уверенно делал реальным тот самый термояд, только уже без слова "термо", что, конечно, должно было радовать будущих потребителей его установок, но резало уши термоядерщикам, истинным ученым, как они себя называли.
Лишь после публикаций Флейшманна с Понсом в 1989 г. в подмосковном НПО "Луч" было решено воссоздать под руководством И. С. Филимоненко три термоэмиссионные гидролизные энергоустановки мощностью по 12,5 кВт, которые и были сданы в опытную эксплуатацию уже в 1990 г. На каждый киловатт, вырабатываемый ими, приходилось всего 0,7 г палладия, который, как вскоре выяснилось, вполне может быть заменен титановым сплавом, не содержащим 1лладия. В конце 1991 г. НПО "Атоммаш" приняло решение подключиться к этим работам, чтобы поставить такие установки на серийное производство у себя. Но
детскому государству и его экономике оставалось "скрипеть", дыша на ладан, всего год. Затем все рухнуло, в том числе и эти планы. Остановились и "Атоммаш", и
ественная наука. Лишь воры всех мастей и рангов засуетились втрое против прежнего, спеша растащить остатки былых богатств великой державы.

10.3. Основная идея холодного ядерного синтеза

Представления, которыми до последнего времени руководствовались физики при расчетах ядерных реакций, были получены в основном из экспериментов по взаимодействию с веществом (преимущественно газообразным) пучков ускоренных на ускорителях элементарных частиц, а также из исследований плазмы. Жидкости и твердые тела с их кристаллической решеткой и межмолекулярными связями остались как бы в стороне от этих исследований. И вот теперь, при анализе первых результатов экспериментов по холодному ядерному синтезу, многие пытаются применить к жидкостям и твердым телам, в которых идут реакции холодного ядерного синтеза, весь этот набор знаний о процессах в газах. Это все равно как если бы пытаться применить к электронному газу в металле весь набор знаний о поведении электронов в пучках, выпущенных из ускорителя. Надеемся, что один этот пример убедительно доказывает несостоятельность таких попыток. Требуется новый подход, учитывающий особенности и конденсированного состояния вещества, и физики твердых тел.
Для того чтобы произошел процесс слияния двух ядер атомов в ядерной реакции, необходимо сначала сблизить эти ядра до расстояния, на котором начинают действовать ядерные силы. Но электростатические силы опал кивания положительно заряженных ядер препятствуют этому. Преодолеть кулоновский барьер взаимного отталкивания могут лишь ядра, мчащиеся навстречу друг другу с огромной скоростью, которой соответствует кинетическая энергия, превышающая высоту кулоновского барьера. Так гласит классическая механика.
На самом же деле большинство ядер, вступающих в ядерные реакции, не перескакивают через этот высоченный барьер, достигающий десятков МэВ, а проскакивают под ним - туннелируют. Туннелирование считается чисто квантовым эффектом, обусловленным тем, что -функция, описывающая вероятность нахождения частицы в той или иной точке пространства, никогда не спадает до нуля, а уменьшается с расстоянием по экспоненте. В результате всегда остается вероятность найти частицу и за потенциальным барьером. Почему это так - объяснять сложно, тем более, что квантовая механика не дает ответа на вопрос, что происходит с частицей, когда она проходит под барьером.
А потому московский профессор Л. Г. Сапогин [168] придумал новое объяснение для туннельного эффекта. Он предположил, что все квантовые характеристики элементарных частиц (в том числе масса и электрический заряд) не постоянны, а периодически изменяются во времени с огромной частотой по гармоническому закону. Притом эти колебания имеют не постоянную амплитуду, а промодулированы по амплитуде другой синусоидой, имеющей гораздо больший период колебаний. Это весьма похоже на амплитудную модуляцию радиоволн, передаваемых радиостанциями.
Такая картина у Сапогина получилась в результате того, что он взял на вооружение старую идею Э. Шредингера о том, что всякая частица описывается волновым пакетом волн де Бройля, распространяющихся в пространстве. Но, как мы уже указывали в разделах 4.3 и 5.4, такой волновой пакет должен со временем расплываться в результате наличия у волн де Бройля дисперсии - нелинейной зависимости скорости их движения от их энергии, то есть от длины волны. Квантовая механика на том и закончила мучиться в 20-е годы с пакетом волн де Бройля, отступив перед этой проблемой. Л. Г. Сапогин в 1979 г. выдвинул предположение, что волновой пакет, описывающий частицу, должен представлять собой пакет парциальных волн, дисперсия которых является линейной функцией от длины волны [169, 170].

Рис. 10.1

Казалось бы, небольшая разница с тем, что предполагали о волнах де Бройля раньше. Тем более,
что расплывание пакета волн должно было происходить и в этом случае - ведь дисперсия все-таки оставалась. Но, во-первых, это расплывание пакета парциальных волн по пространству уже не приводило к изменению длины самого пакета. (Только его амплитуда уменьшалась). А, во-вторых, после того как парциальные волны расплывались по всему пространству Вселенной, в результате чего амплитуда пакета в исходной точке его пребывания уменьшалась до нуля, эти волны не исчезали, а, продолжая двигаться каждая со своей скоростью в замкнутом пространстве Вселенной, со временем вновь собирались в одну точку, расположенную на некотором расстоянии от первоначальной. Частица как бы исчезала в предыдущей точке, чтобы появиться в следующей. Огибающая амплитуд этих волн совпала у Сапогина с волной де Бройля.
А далее Л. Г. Сапогин предположил, что когда частица в своем движении приближается к потенциальному барьеру в фазе своего "полного исчезновения", то она легко и незаметно для всех проскочит сквозь этот барьер, если его ширина много меньше дебройлевской длины волны частицы (см. рис. 10.1.)
Сапогин подчеркивал, что в отличие от обычной квантовой механики, теперь существенную роль начинает играть фаза квантовых колебаний частицы. Если элементарная частица подлетает к барьеру в такой фазе, когда высота волнового пакета максимальна или существенно отличается от нуля, то эта частица отразится от барьера.
Подтверждение своей теории Сапогин видит в том, что "при протон-протонных столкновениях 6% частиц вообще не взаимодействуют, а пролетают друг сквозь друга" [168]. В заключении своей статьи 1983 года профессор, словно предвидя скорое появление проблемы холодного ядерного синтеза, указывал: "Все это позволяет совершенно по-иному взглянуть на проблему взаимодействия дейтон-дейтон". Понятно, что эта смелая статья тотчас подверглась ожесточенным наскокам скептиков-ортодоксов. Так, на следующей странице того же номера журнала "Техника -молодежи" профессор А.Тяпкин из Дубны публикует полуиронический комментарий
статье, не содержащий конструктивных элементов.
Тем не менее не прошло и шести лет, как все мы вынуждены были по-иному взглянуть на проблему взаимодействия дейтрона с дейтроном, как и предвидел московский ученый.
Но все же статья Сапогина не была лишена ряда слабых мест, которые намного снижали ее ценность. Во-первых, автор упорно умалчивал, что его парциальные волны должны распространяться со скоростями, на много порядков величины превышающими скорость света в вакууме, чтобы за ничтожно малое время их полупериода успеть облететь всю замкнутую Вселенную и вернуться в исходную точку с другой стороны. Очевидно, Сапогин не хотел вступать в еще один спор с ортодоксами, тем более, что в то время еще не была окончательно доказана замкнутость нашей Вселенной.
Во-вторых, он уверяет, что частица тем легче протуннелирует сквозь потенциальный барьер, чем меньше ширина этого барьера по сравнению с длиной дебройлевской волны. Но ведь длина волны де Бройля? = h/mv тем меньше, чем больше скорость V частицы. А из экспериментов давно известно, что чем больше скорость (кинетическая энергия) частицы, тем больше вероятность ее прохождения сквозь потенциальный барьер при туннелировании.
Возникшее противоречие имеет тот же характер, что и подмеченное сначала самим Л. де Бройлем, а затем В. М. Мигуновым противоречие между длиной волны де Бройля и частотой внутренних гармонических процессов в движущейся частице, описываемой этой волной, о котором мы говорили в разделе 4.3. Как мы уже видели в четвертой главе, теория движения четко показывает, что с увеличением скорости движения частицы в пространстве скорость движения ее во времени (то есть частота внутренних процессов в частице) должна уменьшаться. А это значит, что чем больше кинетическая энергия частицы, тем дольше в ней длится состояние перехода через нуль всех волновых функций, описывающих частицу. Потому частица, имеющая большую кинетическую энергию, и может проскочить под более широким потенциальным барьером, что располагает большим временем для проскока (туннелирования) в состоянии "нуль-фазы".
Надеемся, что когда профессор Л. Г. Сапогин внесет соответствующие корректировки в свою теорию, она станет менее противоречивой и более понятной для широкого круга читателей.
С тем, что каждая элементарная частица является квантовым осциллятором, соглашались многие и до Сапогина. Но вот предположить, что такие характеристики элементарных частиц, как электрический заряд, периодически изменяются, принимая то максимальные, то нулевые значения, до него, по-видимому, никто не догадался. А ведь интуитивно это предположение кажется таким естественным! Мы не замечаем изменений во времени величин зарядов электрона и протона потому, что их колебания слишком быстрые, а наши приборы измеряют лишь усредненный за большое число периодов заряд.
Зато сам протон в тот краткий миг, когда его заряд становится равным нулю, может приблизиться к положительно заряженному ядру атома так, словно это приближается нейтрон, а не протон. Понятно, что из-за малой длительности такого мига нейтральности лишь очень немногие - самые быстрые - протоны успевают протуннелировать сквозь кулоновский барьер. Тут уже начинает играть решающую роль не высота, а ширина барьера. Когда он узкий, у частицы возрастают шансы одним махом проскочить под ним.
В плазме ширина кулоновского барьера, определяемая радиусом Дебая

(10.9)

в несколько раз больше среднего расстояния между частицами плазмы и зависит от него. Поэтому для уменьшения его ширины рекомендуют сжимать плазму до высокой плотности л, для чего требуются колоссальные давления, такие, например, как в центре Солнца или в атомной бомбе при ее взрыве. А для сообщения частицам плазмы большой скорости, необходимой для преодоления кулоновского барьера при тун-нелировании, плазму разогревают до термоядерных температур Т. При этом, согласно формуле (10.9), увеличивается дебаевский радиус, а значит, ширина кулоновского барьера. Таким образом, плазма - не самая лучшая среда для осуществения реакций ядерного синтеза.
Совсем другое дело в жидкостях и твердых телах. В них без всякого внешнего давления средние расстояния между атомами лишь немного превышают диаметр атома. Для сжатия водородной плазмы до таких плотностей потребовались бы тысячи атмосфер. Да и остающийся уже не столь широкий кулоновский барьер в твердых телах и жидкостях разделен на ступеньки отрицательно заряженными электронами, снующими между ядрами атомов. Это делает барьер более проницаемым.
Мы написали про электроны "снующими", и компетентный читатель улыбнулся: их движение в кристаллической решетке твердого тела конечно же твердо расписано и разрегламентировано законами квантовой механики, которая среди наук, описывающих твердые тела, давно чувствует себя царицей. В кристаллических решетках царит почти идеальный порядок, более твердый, чем в армии и на железной дороге. В кристаллических решетках есть места, переполненные частицами, но есть и пустоты, вход в которые для своих атомов твердого тела запрещен.
В некоторых металлах свободные пространства между атомами кристаллической решетки столь велики, что туда могут просачиваться извне атомы водорода, являющиеся самыми маленькими атомами, как вода в сито. И не только просачиваться, но и накапливаться в межатомных пустотах кристаллической решетки. Самым известным из таких металлов является палладий. Каждый его кубический сантиметр при комнатной температуре способен поглощать до 900 см3 водорода, находящегося при атмосферном давлении. Представляете: водород без всякого компрессора сжимается в 900 раз! Его плотность при этом становится на 14% больше, чем в сжиженном водороде, где она составляет 0,072 , а среднее расстояние между атомами -2,85 А.
Кстати, в воде плотность атомов водорода, входящего в состав молекул воды, в 1,5 раза выше, чем в сжиженном водороде.
Даже предельно насыщенный водородом палладий сохраняет металлический вид, о значительно распухает, становясь хрупким, и трескается. Поглощенный палладием водород находится, по-видимому, в состоянии, промежуточном между атомарным и ионным, а потому химически очень активен [141]. Автомобилисты уже научись приспосабливать палладиевые бруски, насыщенные водородом, вместо бал-10В с газом для автомобилей, работающих на газовом топливе. Получается и компактнее, и безопаснее. Правда, это чересчур дорого из-за высокой стоимости палладия, относящегося к драгоценным и редким металлам. А потому испытывают различные сплавы и интерметаллиды (например LaNi5), тоже способные поглощать и накапливать водород в качестве заменителей палладия [171].
И. С. Филимоненко, а за ним Флейшманн с Пенсом неслучайно изготавливали катоды в своих электролитических ячейках из палладия или сплава, содержащего палладий. Ведь он поглощает водород или дейтерий и из электролита при разложении последнего электрическим током.
Большинство исследователей холодного ядерного синтеза никогда не сомневались, что если слияние ядер атомов дейтерия - дейтронов - в ядра атомов гелия идет в ячейках Флейшманна-Понса, то это происходит в металле катода ячейки. Но каков механизм этих реакций? И что заставляет их идти там при комнатных температурах с заметной интенсивностью? Ведь и здесь средние расстояния между ядрами атомов водорода (> 1 А) остаются все же больше диаметра атомов, то есть в десятки тысяч раз больше радиуса действия ядерных сил, который составляет ~10-13(10 в минус 13 степени) см. Казалось бы, что прорваться сквозь всё еще столь широкий кулоновский барьер могут лишь очень и очень немногие дейтроны, случайно имеющие на высокотемпературном "хвосте" функции распределения по скоростям частиц скорости, соответствующие разогреву вещества до миллионов градусов. А при комнатной температуре в обычных условиях столь "горячих" частиц в веществе, а тем более в твердом теле, исчезающе мало.