Россия — мировой лидер в исследовании низкоэнергетических ядерных реакций

«Современное состояние исследований низкоэнергетических ядерных реакций и перспективы их промышленного применения»

доклад доктора физико-математических наук, ученого секретаря Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН Степана Николаевича Андреева на секции «Ядерная физика в решении глобальных экологических проблем» научно-практической конференции «Экологические угрозы и национальная безопасность России», которая прошла в Москве в Международном независимом эколого-политологическом университете им. Н.Н. Моисеева (Академия МНЭПУ) 14−16 сентября 2016 года.

Каждая область науки проходит определенные этапы своего развития. На этапе зарождения научного направления свободно обсуждаются самые смелые теории и гипотезы, и всё, что возможно, проверяется экспериментально. Когда наука проходит этап расцвета, побочные гипотезы отбрасываются и акцент делается на генеральном направлении. Наконец, когда это направление доходит до своего апогея и когда кажется, что уже всё открыто и понято, появляются странные экспериментальные результаты, не укладывающиеся в рамки общепринятой теории — парадоксы, разрешение которых возможно только вне этих рамок. Тогда происходит возврат к побочным направлениям, которые когда-то были отброшены и забыты, а иногда — прорыв в совершенно «новое измерение» науки.

Так было с механикой, термодинамикой, оптикой. Я убежден, что подобная история еще не раз и не раз повторится с различными направлениями науки. Не является исключением и ядерная физика.

В период становления ядерной физики выдвигались и обсуждались самые различные гипотезы о том, что такое атомное ядро, каковы его свойства, можно ли из него извлекать энергию. Если очень упрощать, то можно сказать, что на начальном этапе выделились и конкурировали два направления развития ядерной физики. Одно — высокоэнергетическое, а другое — низкоэнергетическое.

Высокоэнергетическое направление сулило очень большие дивиденды — это и оружие, и энергетика, и медицина. Но, в то же время оно несло и опасность, в первую очередь, связанную с радиацией. Второе направление — низкоэнергетическое — поначалу активно разрабатывалось, но потом сошло на нет и даже было запрещено.

Тем не менее, оно всегда привлекало к себе талантливых и незаурядных исследователей. Великий Игорь Васильевич Курчатов в 1956 году был приглашен в Великобританию, где прочитал лекцию в ядерном центре в г. Харуэлл. Лекция называлась «О возможности создания термоядерных реакций в газовом разряде» [1]. Речь шла о проводимых под его руководством экспериментах по мощным электрическим разрядам в трубках, заполненных газообразным водородом, дейтерием или гелием. Сила тока в разряде достигала двух миллионов ампер. Разряд питался напряжением в несколько десятков киловольт.

Читайте доклад Игоря Васильевича Курчатова «О возможности создания термоядерных реакций в газовом разряде»

Это очень и очень небольшое напряжение по меркам ядерной физики. Тем не менее были надежно зарегистрированы акты термоядерных реакций в таком разряде. Конечно, сейчас можно сказать, что этого не может быть, потому что не может быть никогда, но тогда, в далеком 1956 году, Игорь ВасильевичКурчатов не стеснялся рассказывать об этом в Англии.

Другой пример связан с именем знаменитого академика Евгения Ивановича Забабахина, создателя русского термоядерного оружия, в честь которого назван российский федеральный ядерный центр в г. Снежинск. Евгений Иванович занимался разработкой теории неограниченной кумуляции в кавитационных пузырьках и математически строго решил эту задачу [2]. Его решение не потеряло актуальности и по сей день. Он доказал, что для концентрации энергии в пузырьках определенного размера нет никаких ограничений: ни вязкость, ни теплопроводность не могут привести к ограничению нарастания температуры в пузырьке. Отсюда напрямую следует возможность пузырькового термояда.

Академик Е.И.Забабахин обсуждал идею простейшего эксперимента, который должен был продемонстрировать это явление: в котелок наливается тяжелая вода (D₂O) и ставится на огонь; вода закипает, в ней образуются пузырьки; пузырьки схлопываются, вызывая термоядерную реакцию в дейтерии. К сожалению, у нас нет информации о том, проводились ли и к чему привели эти эксперименты, поскольку ядерный центр — это и по сей день тайна за семью печатями.

В Советском Союзе велись не только фундаментальные поисковые исследования по низкоэнергетическим ядерным реакциям. На их основе были разработаны устройства, которые можно было внедрять уже тогда, в середине ХХ века. В связи с этим я упомяну лишь одного изобретателя, подчеркну, не единственного, но, пожалуй, самого известного. Это Иван Степанович Филимоненко, который создал теплогенерирующее устройство на системе палладий—дейтерий и продемонстрировал его работоспособность, причем неоднократно. К сожалению, его работа не была поддержана в Советском Союзе. Иван Степанович даже пострадал от своего выдающегося изобретения, ему было запрещено заниматься этим далее.

Но за океаном изобретение И.С. Филимоненко привлекло пристальное внимание, и в 80-е годы ХХ века Мартин Флейшман (Martin Fleischmann) и Стэнли Понс (Stanley Pons) выступили с заявлением, что именно они первыми в истории построили теплогенерирующее устройство на базе той же самой, что и у Филимоненко, системы палладий—дейтерий [3]. Журналисты дали этой теме модное название Cold Fusion («холодный ядерный синтез»). Тема холодного синтеза вызвала огромный интерес по всему миру. Даже журнал «Тайм» опубликовал статью о Флейшмане и Понсе с названием «Fusion or Illusion». Академия наук СССР активно включилась в исследования в этом направлении. Многие уважаемые академики занялись повторением экспериментов Флейшмана и Понса.

Быстро возникший интерес к этой теме сменился разочарованием. Маятник качнулся в другую сторону из-за того, что у большинства исследователей результаты были отрицательными. Но подчеркну, что далеко не у всех были отрицательные результаты. Стоило разобраться, в чем причина…

Однако, эта тема очень быстро была дискредитирована, выражение «холодный ядерный синтез» стало даже неприлично упоминать в научном сообществе. За его упоминание можно было лишиться и степени, и работы, и т.д. Те не менее нашлись смельчаки как в России, так и за рубежом, которые не бросили исследования. Отмечу лишь успехи японского ученого Йошиаки Араты (Yoshiaki Arata) из Университета Осаки, который добился выдающихся результатов в этом направлении.

Слава Флейшмана и Понса не давала покоя многим изобретателям, желающим спасти человечество от глобального энергетического кризиса. Спустя почти четверть века появилась новая фигура — Андреа Росси (Andrea Rossi), который заявил, что уж ему-то удалось построить теплогенерирующие устройство, но уже на другой системе — никеля и водорода. Как водится, к этому открытию нужно было подобрать хорошее название, причем отличное от «холодного ядерного синтеза». Был предложен термин — «низкоэнергетические ядерные реакции», который, за неимением лучшего, я буду использовать в своем докладе.

Андреа Росси заявил, что он может построить энергетическую установку, работающую на открытом им новом физическом принципе, которая будет выделять один мегаватт тепловой энергии. Прототип этой установки, вероятно, в данное время проходит испытания у коммерческого заказчика. Правда, эти испытания непрерывной работы установки в течение одного года должны были завершиться в феврале 2016 года. Ожидалось, что результаты этих испытаний будут обнародованы весной. Но они не обнародованы и по сей день. Более того, коммерческий заказчик Андреа Росси подал на него иск в суд…

Прежде чем выйти на столь серьезный мегаваттный уровень Андреа Росси в течение многих лет разрабатывал менее мощные прототипы теплогенераторов, получившие общее название «E-cat» (сокращение от выражения «катализатор энергии»). Эти устройства Росси отдавал на независимые тестирования разным уважаемым специалистам-физикам. Наиболее подробное исследование было проведено в 2014-м году в независимой лаборатории в городе Лугано. Там реактор Росси проходил испытания в течение месяца непрерывной работы. Элементный состав всех компонентов реактора и топлива был проанализирован как до запуска реактора, так и после окончания его работы. По окончании тестов был обнародован подробный отчет, в котором сообщалось, что в отработанном топливе, состоящем в основном из порошков никеля и гидрида лития, были обнаружены очень существенные изотопные искажения как в никеле, так и в литии [4]. При этом никаких следов остаточной радиоактивности зафиксировано не было.

Доступный в интернете текст отчета из Лугано был тщательно проанализирован нашим выдающимся инженером-изобретателем Александром Пархомовым. Ему удалось разгадать know-how реактора Росси и воспроизвести его результаты. В отличие от Росси Пархомов не является коммерсантом, он — настоящий ученый, совершенно бескорыстный человек. Поэтому свои результаты он опубликовал в открытой печати и показал, что и как надо делать [5].

Первые свои успешные эксперименты он провел буквально на кухне. Этим он показал всему миру, что теплогенератор Росси—Пархомова может сделать любой — на кухне, в гараже, не имея специального образования и оборудования. Публикации и выступления Пархомова вызвали настоящий бум среди энтузиастов. Тысячи изобретателей и научных групп по всему миру сейчас занимаются этой темой. Многие достигли успеха, им удалось получить положительное энерговыделение в системе никель-водород.

И имя Александра Пархомова сейчас широко известно. «Сам» Росси признает его «наиболее близко приблизившимся к результатам Росси». Александр Пархомов продолжает работать и полученные им на данный момент результаты очень впечатляют. Более того, исходя из них, уже совершенно по-другому можно оценивать отчет экспериментов в Лугано. Видно, что там много ошибок, если не дезинформации.

Так что же это такое — «низкоэнергетические ядерные реакции»?

На основании экспериментов Росси—Пархомова можно выделить три наиболее четких их отличительных черты.

Прежде всего, энерговыделение топлива в этих процессах достигает десяти в седьмой степени джоулей на килограмм. Это на несколько порядков больше, чем у любого известного химического топлива. Таким образом, можно сразу отбросить предположения, что в основе тепловыделения лежат химические реакции. Нет, химия не может дать такого энерговыделения.

Второе — это искажение изначального изотопного состава в отработанном топливе.

И наконец, третья отличительная черта — это полное отсутствие радиации как во время работы реактора, так и после.

На основании вышесказанного можно заключить, что

низкоэнергетические ядерные реакции — это и не синтез, и не распад, а, по-видимому, некие коллективные ядерные превращения, которые протекают при энергиях недопустимо низких для обычных ядерных реакций и дают изменение изотопного состава, довольно большое тепловыделение при полном отсутствии остаточной радиоактивности.

Проявления низкоэнергетичекских ядерных реакций были обнаружены в самых различных экспериментальных постановках. Это и реакции в кристаллической решетке металлов индуцированных электролизом, и реакции в кристаллической решетке индуцированные ударным воздействием, различные реакции при диффузии через мембрану. Это целый класс экспериментов, использующих электроразряд, электровзрыв, ультразвук в газе или жидкости. Это реакции, индуцированные корпускулярным и волновым воздействием на конденсированные среды, и, наконец, реакции в биологических системах.

Достаточно простой и наглядный эксперимент был проведен в Институте общей физики имени А.М. Прохорова РАН, в котором изучалась абляция (удаление вещества с поверхности лазерным импульсом) твердых тел в жидкости. В основе этого явления лежит светогидравлический эффект, открытый Г.А. Аскарьяном, А.М. Прохоровым и Г.П. Шипуло в самом начале лазерной эры в 1963 году.

Если лазерный луч действует на поглощающую мишень, находящуюся в прозрачной жидкости, то при достаточно высокой интенсивности лазерного воздействия на ее поверхности возникает нанорельеф, а в окружающую жидкость выделяются наночастицы из вещества мишени.

При лазерном воздействии на коллоидный раствор наночастиц в жидкости возникают плазменные разряды. В них происходят те процессы, о которых я говорил выше. Это и формирование кавитационных пузырьков, и их схлопывание с той самой неограниченной кумуляцией, и формирование вторичного излучения, как ультрафиолетового, так и рентгеновского. Если в растворе присутствуют радиоактивные материалы, то воздействие излучения плазмы может приводить к их ускоренной трансформации, что и было продемонстрировано на примере радиоактивного цезия-137.

В эксперименте измерялась гамма-активность кюветы с раствором цезия-137, то есть количество гамма-квантов, покидающих кювету в единицу времени. В отсутствие лазерного воздействия это практически постоянная величина (период полураспада цезия-137 составляет 30 лет). Когда включается лазерное воздействие, то активность цезия начинает монотонно уменьшаться. Если лазерное излучение перестает действовать, активность остается без изменений на том уровне, до которого она уменьшилась [6].

Это — экспериментальный результат чрезвычайной важности. Помимо того, что за несколько часов активность цезия уменьшилась на пять процентов, тут еще содержится другой важнейший факт, что при лазерном воздействии активность цезия монотонно уменьшалась. Это говорит о том, что мы имеем дело не с ускорением бета-распада цезия-137, а с каким-то другим процессом. Действительно, если бы произошло ускорение распада, то мы должны были получить гораздо больше гамма-квантов. То есть в момент включения лазера кювета с раствором цезия должна была бы стать очень мощным источником радиации. Настолько мощным, что это представляло бы серьезную опасность для экспериментаторов. Однако в действительности этого не происходит. Обнаруженный эффект мы назвали «Нелинейное тушение радиоактивности цезия-137» — по аналогии с тушением люминесценции в лазерных кристаллах. Но за этим названием должна стоять строгая теория, над разработкой которой мы сейчас трудимся.

Поразительно, что подобные процессы происходят не только при лазерной абляции, но и в биологических системах!

Об этом будет подробнее рассказано в последующих докладах, а я только намечу основную идею. Она заключается в том, что биологические системы способны синтезировать недостающие микроэлементы или их биохимические аналоги, если они поставлены на грань выживания. Эту идею выдвинул французский естествоиспытатель Луи Кервран (Corentin Louis Kervran), но, вероятно, она своими корнями уходит вглубь истории и можно полагать, что Владимир Иванович Вернадский, говоря об автотрофности человечества, предполагал нечто подобное.

Автотрофность человечества — понятие, предложенное В.И. Вернадским (1937) для обозначения процесса получения человечеством пищи и энергии за счет энергии Солнца без участия продуцентов. Напр., получение растительноподобной пищи с помощью методов искусственного фотосинтеза. В последнее время ряд авторов (Петрянов-Соколов, 1987; Моисеев, 1987) предлагают расширить концепцию А. ч., распространяя ее и на безотходные и малоотходные технологии производства. Таким образом термин приобретает стратегический природоохранный аспект (Экологический словарь).

Но одно дело — высказать гипотезу, а другое — проверить ее на эксперименте. Это сделала Алла Александровна Корнилова, сотрудник МГУ им. М.В. Ломоносова, на примере изотопа железа — Fe-57 [7]. Чем этот изотоп интересен? Во-первых, для жизнедеятельности любых живых существ необходимо железо. Во-вторых, 57-й изотоп железа — очень редкий, его концентрация в естественных условиях составляет всего 2,2%, а в-третьих, он мессбауэровский, то есть он очень хорошо детектируется методом мессбауэровской спектроскопии.

Поэтому было решено провести выдающийся по своей смелости эксперимент, в котором изотоп марганца-55 и ядро дейтерия в живой системе объединились в ядро железа-57. Для этого были взяты микробиологические культуры: кишечная палочка, дрожжи, и ряд других. Подрощенные культуры, находящиеся в фазе активного роста и деления, были помещены в питательные среды, не содержащие железа. Одна среда содержала марганец и обычную (легкую) воду. Другая среда содержала тяжелую воду, но не содержала марганец. И, наконец, третья среда содержала и тяжелую воду и марганец. Только наличие марганца и тяжелой воды могло обеспечить синтез ядер железа-57. Это было продемонстрировано — на мессбауэровском спектре биологической культуры, помещенной в третью питательную среду, появился соответствующий пик. На двух других мессбауэровских спектрах он не появился. Этот эксперимент был многократно воспроизведен в различных научных институтах с использованием двойного слепого контроля и результаты каждый раз подтверждались.

На следующем этапе экспериментов А.А. Корнилова использовала синтрофные микробиологические ассоциации, содержащие много тысяч самых различных микроорганизмов, находящихся в симбиозе. Благодаря этому синтрофные ассоциации выдерживают такие условия существования, в которые другие микробиологические культуры не выживают. Например, достаточно концентрированную азотную кислоту или очень высокие дозы радиации. Логика экспериментов с синтрофными ассоциациями была прежняя. Нужно так составить питательный раствор, чтобы для биологической культуры действовал принцип «либо создай необходимый для выживания химический элемент, либо умри».

Этот подход был применен для биологической трансформации изотопа цезия-137, о котором шла речь в лазерном эксперименте, в изотоп бария-138. Для микробиологических культур совершенно необходимым микроэлементом является калий. Если в питательном растворе отсутствует калий, то микробиологическая культура не сможет развиваться. В крайнем случае, калий может быть заменен на биохимический аналог, например, по критерию близости ионных радиусов. Таким аналогом является барий. Поэтому, если микробиологичекой культуре предложить вместо необходимого калия либо бария цезий, то, чтобы культура смогла выжить, она должна к цезию присоединить протон и трансформировать его в барий. Далее барий будет усваиваться микробиологической культурой вместо калия. Эксперимент показал, что в приготовленной питательной среде, содержащей цезий-137 и не содержащей калий, синтрофная ассоциация микробиологических культур очень активно переводит цезий в барий и радиоактивность раствора быстро уменьшается [8].

Несмотря на кажущуюся необъяснимость описанных выше экспериментов, существует теория, описывающая подобные явления на языке квантовой механики [9]. Речь идет о формировании когерентных коррелированных квантовых состояний ядер цезия и протонов в нанополостях на мембранах микробиологических культур во время их интенсивного роста или в нанопузырьках, возникающих в лазерной плазме при абляции в жидкости.

Что же такое эти когерентные коррелированные состояния? Попробую объяснить «на пальцах». Если квантовые состояния не коррелированны, то флуктуации импульса в них направлены в самые разные стороны и суммарный импульс оказывается близким к нулю. Если же они оказываются коррелированными, то все флуктуации импульса складываются между собой, что позволяет квантовой частице преодолеть кулоновский барьер и вступить в реакцию с соседним ядром. Очень хороший образ предложил профессор В.И. Манько из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, который говорил про возникновение когерентных коррелированных состояний, как о превращении «квантовых яблок» в «квантовые арбузы». Дальше можно себе представить, что если два маленьких ядра, находящиеся рядом, отталкивающиеся друг от друга, вдруг превратятся в квантовые арбузы и будут пересекаться, то вероятность их взаимодействия многократно возрастет. Примерно, это и происходит в описанных выше процессах.

Надеюсь, я вам успел показать, что низкоэнергетические ядерные реакции — это совершенно новый класс явлений, который далеко еще не изучен и требуются очень подробные, скоординированные экспериментальные исследования, а также решение многих теоретических проблем, которые возникают на этом пути.

Большая цель оправдает затраченные усилия. Освоение низкоэнергетических ядерных реакций позволит решить массу прикладных задач, в том числе, создание дешевых автономных энергетических установок, высокоэффективных технологий дезактивации ядерных отходов, получения редких изотопов и преобразования химических элементов. Спасибо за внимание!

Литература

1. Курчатов И.В. О возможности создания термоядерных реакций в газовом разряде // Успехи физических наук, 1956, т.59, № 4, с. 603—618.

2. Забабахин Е.И., Забабахин И.Е. Явления неограниченной кумуляции, Москва, «Наука», 1988. — 161 с.

3. Fleischmann M., Pons S., Hawkins M. Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium // Journal of Electroanalytical Chemistry, 1989, v. 261, № 2A, p.301−308.

4. Levi G., E. Foschi, B. Hoistad, R. Pettersson, L. Tegner, H. Essen,. Observation of abundant heat production from a reactor device and of isotopic changes in the fuel (http://www.sifferkoll.se/sifferkoll/wp-content/uploads/2014/10/LuganoReportSubmit.pdf).

5. Parkhomov A.G. Investigation of the heat generator similar to Rossi reactor // International Journal of Unconventional Science, 2015, т. 7, № 3, с. 68−72. (http://www.unconv-science.org/en/n7/parkhomov/).

6. С.Н. Андреев, Е.В. Бармина, В.Г.Калинников, А.В. Симакин, А.А.Смирнов, В.И. Стегайлов, С.И. Тютюнников, Г.А. Шафеев, И.А. Щербаков Нелинейное тушение радиоактивности цезия-137, Труды II Международной конференции «Наука будущего», 20−23 сентября 2016 г., Казань, Россия.

7. Высоцкий В.И., Корнилова А.А. Ядерный синтез и трансмутация изотопов в биологических системах, Москва, «Мир», 2003. — 157с.

8. Vysotskii V.I., Kornilova A.A., Transmutation of stable isotopes and deactivation of radioactive waste in growing biological systems // Annals of Nuclear Energy, 2013, V.62, p. 626−633

9. Vysotskii V. I., Vysotskyy M.V. Correlated States and Transparency of a Barrier for Low-Energy Particles at Monotonic Deformation of a Potential Well with Dissipation and a Stochastic Force //Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2014, V. 118, № 4, p. 534−549.