Александр Косарев, доктор технических наук, профессор

Со времени высказывания американскими учёными Мартином Флейшманом и Стенли Понсом идеи холодного ядерного синтеза прошло более 30 лет. Но как часто бывает с эпохальными идеями, их ждало непонимание. Идея воспринималась парадоксальной, лишённой физического обоснования, противоречащей ядерной физике. Веских, общепризнанных обоснований нет до сих пор. По прежнему главная причина неприятия кроется в противоречии с принятыми положениями ядерной физики и термоядерного синтеза.

Главная цель и задача данной работы показать, что все новые явления ядерной физики, сведённые в новое научное направление низкоэнергетические ядерные реакции, объяснимы в рамках устоявшихся знаний ядерной и тепло физики, гидродинамики и физики твёрдого тела, известных ещё до сообщения Флейшмана и Понса.

Покажем, что в большой совокупности твёрдо установленных экспериментальных фактов по новым явлениям ядерной физики нет ничего загадочного и странного. Я лишь акцентирую внимание на том, что уровень развития сегодняшних технологий и экспериментальной практики привёл к формированию и проявлению физических условий, при которых резко возросла вероятность преодоления кулоновского барьера и интенсивность электронного захвата.

1. Эксперименты и гипотезы

Эффекты, которые сейчас относят к низкоэнергетическим ядерным реакциям, фиксировались экспериментаторами еще в первой половине 20-го века. Но взрыв интереса к обсуждаемой проблеме возник после того, как М. Флейшман и С. Понс на пресс-конференции 23 марта 1989 года сообщили об обнаружении ими нового явления в науке, известного сейчас как холодный ядерный синтез (ХЯС) или синтез при комнатной температуре. Они электролитическим путем насыщали палладий дейтерием. Проводили электролиз в тяжелой воде с палладиевым катодом. При этом наблюдалось выделение избыточного тепла, рождение нейтронов.

В августе 1989 года профессор Франческо Пиантелли работал с бактериями на никелевой подложке в водородной среде. Он заметил, что бактерии гибнут и связано это с повышением температуры никелевой подложки. У Пиантелли, как и во всех случаях первичного обнаружения холодного ядерного синтеза, толчком к выявлению нового физического эффекта послужила случайность. В 1991 году Пиантелли начинает сотрудничать с профессором физики С. Фокарди из Болонского университета. Так как в это время эксперименты Флейшмана и Понса были широко известны, то эффекты экспериментов профессора Пиантелли естественно связали с ними.

Успешно проводились многочисленные эксперименты с кавитирующими жидкостями. Так, в 2005 году Колдамасов А.И. продемонстрировал эксперименты на гидродинамической установке для кавитационных испытаний с получением эффектов холодного ядерного синтеза. Эксперименты, поставленные группой Талейархана (США), показали, что звуковые волны в смеси ацетона и бензола генерируют пузырьки паров этих веществ, при схлопывании которых происходит ядерный синтез, обнаруживаемый по нейтронному излучению.

В 2011 году физик-изобретатель из университета Болоньи А. Росси с профессором С. Фокарди продемонстрировали миру уникальное устройство «Е-Сат» (энергетический катализатор). На устройство был получен патент. Основу установки составляли наводороженные структуры никеля. В других лабораториях провести аналогичные успешные опыты не удавалось. Широкая научная общественность не приняла заявления А. Росси. Он был так же как Флейшман и Понс подвергнут жёсткой обструкции и объявлен мошенником.

Пархомов А.Г. повторил эксперименты А. Росси в январе 2015 года. Установка Пархомова А.Г. отличалась простотой. В качестве рабочего агента применён наводороженный никелевый порошок. Эксперименты Пархомова А.Г. вызвали новый интерес к теме НЭЯР, так как были не только просты в изготовлении, но главное были воспроизведены многими авторами. [3].

Интересные эксперименты с холодным ядерным синтезом в условиях плотной низкотемпературной плазмы были проведены в Белоруссии ещё в начале 70-х годов прошлого века Ушеренко С.М.

К настоящему времени в различных странах поставлено множество экспериментов подтверждающих реальность холодного ядерного синтеза и трансмутацию в реакторах с наводороженными структурами. Мы здесь отметили лишь немногие, по нашему мнению наиболее полно свидетельствующие о ядерном характере явлений. Но главное они позволяют предложить на их основе прообразы технологических решений, легко реализуемых при сегодняшнем уровне практики.

За прошедшее время было опубликовано несколько тысяч статей и предложено более сотни теоретических моделей для интерпретации результатов экспериментов. Однако идеи, чаще всего обсуждаемые на научных конференциях и в печати ясности не прибавляют. Наблюдаются нагромождения экзотических (по мнению самих авторов) идей и гипотез, противоречащих твёрдо установленным в ядерной физике знаниям. Всё это не способствует привлечению научных кадров (особенно молодёжи) к теме.

2. Низкоэнергетические ядерные реакции синтеза

Ядерная физика для осуществления реакции синтеза лёгких ядер требует выполнения двух условий: наличие у лёгкого ядра энергии достаточной для преодоления кулоновского барьера и плотности обеспечивающей вероятность попадания высокоэнергетического лёгкого ядра в сечение сил ядерного взаимодействия.

Следовательно, для успешного течения ядерной реакции синтеза необходима определённая величина энергии лёгких ядер и плотности среды (плазмы). Ядерные силы являются короткодействующими. Частице необходимо не только преодолеть кулоновский барьер, но и, выражаясь образно, попасть в площадку диаметром 2·10^-15 метра. Так как при этом частицы в тепловой системе движутся хаотически, то единственным способом увеличения вероятности сильного взаимодействия является увеличение плотности частиц и размеров системы.

Идея термоядерного синтеза была очевидной для преодоления кулоновского барьера отталкивания и достаточно быстро воплотилась при создании водородной бомбы. Однако проблема управляемого термоядерного синтеза не решена до сих пор. Проблема упирается в неустойчивость плазмы. В водородной бомбе необходимая начальная устойчивость обеспечивается силами инерции. На Солнце устойчивость обеспечивается силами гравитации. В земных условиях физики экспериментировали с импульсным воздействием, обеспечивающим кратковременную устойчивость силами инерции и с магнитными ловушками.

Больше всего усилий приложено к изучению поведения горячей плазмы в магнитной камере токамака. Работы в этом направлении ведутся много десятилетий и направлены в основном на увеличение температуры разогрева плазмы. Так как обеспечить рост давления плазмы гораздо проблематичнее чем разогревать плазму, то в реальности дополнительный разогрев приводит к снижению концентрации, что нивелирует эффект повышения температуры.

2.1. Холодный ядерный синтез в условиях кавитации

Рассмотрим физику ХЯС и возможный механизм этого явления, не противоречащие устоявшимся представлениям о механизме термоядерного синтеза.

При холодном ядерном синтезе лёгким ядрам так же нужна соответствующая величина кинетической энергии, т.к. потенциальный барьер кулоновских сил никуда не делся и его необходимо преодолеть для сближения ядер на расстояния, на которых действует сильное взаимодействие. Холодная среда на первый взгляд с очевидностью не может обеспечить лёгкие ядра подобной энергией. Это и стало причиной неприятия термоядерщиками, а вслед за ними и всей официальной наукой самого понятия холодный ядерный синтез.

Однако это только на первый взгляд. Теплофизика подсказывает возможность осуществления ядерного синтеза и в условиях относительно холодной среды, при этом, не противореча требованиям ядерной физики. Рассмотрим функцию Максвелловского распределения по скоростям (и соответственно энергиям) частиц многомолекулярной системы.

Функция распределения имеет следующий аналитический вид:

(1).

Где: n — количество частиц газа в единице объёма, T-температура газа в состоянии равновесия, k- постоянная Больцмана, m — масса частиц газа, v- скорость частиц газа, dn — число частиц, скорости которых лежат в интервале от v до v + dv. [2].

Функция распределения определяет долю молекул единицы объёма газа, скорости которых заключены в интервале скоростей, равном единице, включающем данную скорость.

Функция распределения нормируется на единицу. (2).

Зависимость (2) даёт площадь под графиком функции равную единице. Это означает с одной стороны, что вероятность застать данную частицу во всем интервале значений скорости от 0 до ∞ равна единице, с другой площадь графика в интервале скоростей v + dv означает вероятность нахождения частицы в этом интервале или долю частиц системы находящихся в интервале заданных скоростей.

Рис. 1. Распределение Максвелла по энергиям частиц.

Из графика на рисунке 1, на котором изображено Максвелловское распределение по энергиям частиц, видно, что всегда в равновесной термодинамической системе имеется вероятность нахождения частиц обладающих большой скоростью и соответственно кинетической энергией. Концентрация частиц, обладающих энергией для преодоления кулоновского барьера и превышающих её, находится из формулы:

(3).

В (3) E_a — кинетическая энергия активации ядерного синтеза, необходимая частице (ядру) для преодоления кулоновского барьера. Для преодоления потенциального барьера сталкивающимся протонам (ядрам водорода) должна быть сообщена энергия E_a≥10кэВ, что соответствует температуре ≥10⁸ °К.

Наглядно место энергии активации и место частиц, обладающих энергией активации, изображено на рисунке 1, на котором изображено Максвелловское распределение по энергиям частиц. Функция распределения молекул по скоростям и энергиям изображена для разных температур.

Из графика (Рис. 1) так же видно, что с ростом температуры системы график распределения вытягивается вправо, в сторону больших скоростей и энергий. Количество частиц системы обладающих большой скоростью и соответственно кинетической энергией растёт с ростом температуры и находятся они в хвосте Максвелловского распределения.

Отсюда следует основная идея механизма холодного ядерного синтеза. В системе большого числа свободных частиц всегда имеются, с отличной от нуля вероятностью, высокоэнергетичные частицы способные преодолеть кулоновский барьер отталкивания и инициировать реакцию ядерного синтеза.

Необходимо заметить, что и в горячей плазме реализуется Максвелловское распределение по скоростям и в реакцию синтеза вступают наиболее быстрые ядра. Даже в горячей плазме имеются частицы со скоростью близкой к нулю и естественно они не участвуют в реакциях синтеза.

Эта идея снимает противоречие между холодным ядерным синтезом и термоядерным синтезом.

Относительно успешные результаты по наблюдению эффектов холодного ядерного синтеза проявились в физических условиях кавитирующих жидкостей. Особенно много подобных эффектов, связанных в первую очередь с дополнительным выделением тепла в кавитирующей системе, наблюдалось при кавитации воды. Механизм явления видится следующим. При адиабатном схлопывании пузырьков пара в процессе кавитации его температура резко повышается до нескольких тысяч градусов.

Это приводит к увеличению количества высокоэнергетичных частиц из хвоста распределения Максвелла, способных преодолеть кулоновский барьер и инициировать реакцию синтеза. С другой стороны кавитационных пузырьков огромное множество. Совместное действие этих двух эффектов (увеличение быстрых частиц с ростом температуры при схлопывании кавитационных пузырьков и огромного количества последних) приводят уже к реальной вероятности ядерного синтеза. Наблюдается эффект сверх единичности.

Теперь остановимся на влиянии туннельного эффекта на реакцию синтеза, который снижает температуру протекания ядерного синтеза. Для действия туннельного эффекта быстрой частице необходимо войти в зону сечения сильного взаимодействия и тогда появляется вероятность реакции синтеза уже при энергиях ниже кулоновского барьера. Например, как в ядре Солнца где эта энергия соответствует температуре T≥15*10⁶ °К, что значительно ниже 10⁸ °К — энергии кулоновского барьера. А для вхождения в зону сечения сильного взаимодействия важна плотность ядер — мишеней, а не энергия быстрых частиц.

Туннельный эффект носит вероятностный характер. В разрежённой плазме мала вероятность попадания частиц, в том числе и быстрых, в микросечение реакции. А для частиц с энергией ниже кулоновского барьера ещё и накладывается вероятность туннельного эффекта. Отсюда вероятность туннелирования в разрежённой плазме равна произведению вероятностей попадания в микро сечение и вероятности туннельного эффекта.

Поэтому вероятность туннельного эффекта в разрежённой плазме практически равна нулю. Однако с увеличением плотности среды туннельный эффект сказывается всё сильнее. Это связано с тем, что если у нас много частиц — мишеней (высока их концентрация) то вероятность макро сечения среды стремится к единице. И синтез в этих условиях определяется в значительной степени вероятностью туннелирования. В плотной среде, в том числе и в плотной плазме, дополнительно вступает в реакцию синтеза относительно большое число частиц способных преодолеть кулоновский барьер благодаря туннельному эффекту.

Дополнительное количество частиц в единице объёма, способных вступить в реакцию синтеза благодаря туннельному эффекту определится из формулы:

(4). Где: — энергия быстрой частицы, при которой вероятность

туннельного эффекта становится существенно отличной от нуля;

E_a=10⁸ °К, энергия кулоновского барьера.

Число таких дополнительных частиц велико в сравнении с суммой частиц с энергией E_a≥10⁸ °К из-за экспоненциального закона распределения по скоростям.

При достижении необходимой величины макро сечения реакции синтеза, каждая быстрая частица попадает в сечение реакции синтеза (в сечение сильного взаимодействия). Согласно физике туннельного эффекта каждая быстрая частица, попавшая в сечение реакции имеет вероятность положительного исхода даже при энергии меньше T≤10⁸ °К. При T+10⁸ °К вероятность равна единице и снижается до нуля при снижении энергии быстрых частиц.

Но если число быстрых частиц попадающих в сечение реакции достаточно велико, то вероятность положительного исхода реакции равна сумме вероятностей всех быстрых частиц. Дальнейшее увеличение объёма камеры кавитации и интенсивности параметров процесса кавитации приводит к увеличению производства энергии холодного ядерного синтеза и сверх единичности.

Какой смысл повышать в токамаке температуру (в ITER ставится задача достичь температуры в 400*10⁶ °К) если при низкой плотности вероятность реакции очень низка и отсюда нивелируется действие туннельного эффекта, благодаря которому на Солнце реакция синтеза идёт при температуре 15*10⁶ °К при соответствующей плотности ядер — мишеней.

В завершение представлений о механизме холодного ядерного синтеза в физических условиях кавитирующих жидкостей укажем на такой принципиальной важности момент, что исследователями Фоминским Л. П. (для условий гидродинамической кавитации) и Талейарханом Р. (для условий акустической кавитации) экспериментально регистрировалось нейтронное излучение, свидетельствующее о течении реакции синтеза.

2.2. Физика эффекта СГП Ушеренко

Главной особенностью экспериментов Ушеренко С.М. и его коллег является получение пучков порошковых частиц высокой энергии с помощью кумулятивного взрыва и последующее столкновение этих пучков с металлической поверхностью. В результате экспериментов выявлены интересные физические факты.

1) Сверх глубокое проникновение (СГП) пучков порошковых частиц в металлические поверхности.

“Перемещение частиц на глубину, превосходящую их размер в сотни и тысячи раз, характеризует аномальность процесса проникания частиц, т.к. по существующим баллистическим теориям при метании тел макроскопических размеров, глубина проникания не может превышать нескольких диаметров (в пределах 10) ударяющего тела”. [4].

“При ударном воздействии происходит взаимодействие дисперсных частиц с металлической преградой, где в локальных участках реализуются давления, достигающие десятков килобар” (выделено автором статьи). [6]. “Следует полагать, что СГП обусловлено не внешними причинами, а отражает внутренние закономерности данного процесса”. [4].

2) Образование плотной плазмы.

“Установлено, что в случае ударно-волнового сжатия в полостях возникновение плотной плазмы (выделено автором статьи), обусловлено перераспределением энергии среды при ее движении. Расчетное время жизни плазмы ограничено 1 μs. В случае СГП микрочастиц время жизни плазмы достигает 200 μs, при этом основными факторами ее возникновения являются электрические и тепловые эффекты на границе частица — мишень”. “Интерес, который вызывают перечисленные явления, связан с возможностью создания плазмы с начальной температурой около 1 eV и выше до значений, необходимых для инициирования термоядерного синтеза, … ”. [4].

3) Образование новых химических элементов, сопровождавшееся интенсивным излучением. Генерация дополнительной энергии, превышающей энергию удара в тысячи раз.

“Получены экспериментальные доказательства, что энергия генерируемого электрического поля превышает энергию удара в тысячи раз. Наличие в условиях сверхглубокого проникания большого количества высокоэнергетических эффектов; локального плавления, интенсивной деформации, синтеза метастабильных соединений, осадки массивной заготовки, макрократеров, интенсивного электромагнитного и ионного излучения, синтез новых химических элементов и изотопов на наш взгляд доказывает наличие высокоэнергетического источника дополнительной энергии”. [7]. Вышеназванные физические эффекты являются дополнительными аргументами в пользу гипотезы о протекании в случаях кумулятивного плазменного процесса реакций термоядерного синтеза”. [4].

2.2.1. Причина и механизм СГП. Образование плотной плазмы.

По нашим представлениям, важнейшим условием течения реакций синтеза в экспериментах Ушеренко С.М. является образование плотной плазмы. По экспериментальным данным в результате удара о поверхность металла пучка, разогнанных до высоких скоростей порошковых частиц, в образующемся канале возникает температура 1 — 2 eV. В градусах это соответствует температуре 10000 — 20000°К . При таких температурах вещество находится с состоянии плазмы. Это состояние вещества некоторыми своими свойствами напоминает газовое состояние.

При этом плотность, образующейся в экспериментах Ушеренко С.М., плазмы высокая, практически равна плотности частиц твёрдого тела мишени и налетающей частицы. В такой ситуации частица движется в облаке плазмы, создающей несопоставимо меньшее сопротивление движению чем среда твёрдого тела.

Именно это обеспечивает сверхглубокое проникновение частицы в тело металла и время жизни плазменного облака в 200 μs. При полной передаче кинетической энергии частицы в процессе движения, она останавливается. В работах Ушеренко С.М. отмечается, что при ударном взаимодействии дисперсных частиц с металлической преградой, в локальных участках реализуются давления, достигающие десятков килобар. Это следствие высокой плотности и температуры плазменного образования.

2.2.2. Ядерный синтез в физических условиях СГП.

На основании изложенного в пункте 2.1. становится понятной физика проявления ядерных процессов в эффекте СГП Ушеренко С.М. При СГП возникают параметры плотной плазмы с давлением в десятки килобар и с температурой в 10000 — 20000°К .

Это на порядок выше параметров среды пузырьков в кавитирующей жидкости. Здесь распределение Максвелла и туннельный эффект в совокупности создают даже лучшие физические условия для реакций синтеза чем условия кавитирующей жидкости. Эффект Ушеренко скорее можно отнести к ХЯС чем к термоядерному синтезу, как предполагается в работах Ушеренко С.М.

2.3. Прототип технологии ХЯС на основе низкотемпературной плотной плазмы.

В экспериментах Ушеренко С.М. создаются условия достаточные для реакций ХЯС. Но эта технология не пригодна для непрерывно работающей энергетической установки. На сегодня имеется только один способ получения и длительного удержания плазмы. Это плазма дугового электрического разряда, полученная ещё в 19-м веке. В дуговом разряде на угольных электродах достигается температура 20000 градусов, что соответствует эффекту Ушеренко. Необходимо ещё добиться требуемой плотности среды в области дуговой плазмы для интенсификации туннельного эффекта.

Для получения соответствующих условиям СГП Ушеренко параметров плазмы предлагается установка, изображённая на рисунке 2. Основу установки составляет дуговой электрический разряд, позиция -1. Дуговой разряд возникает между угольными электродами, позиция — 2. Электроды находятся в корпусе — 3, изготовленного из тугоплавкого материал.

Например, из вольфрама температура плавления которого составляет 3420 градусов. Корпус имеет цилиндрическую форму с длиной равной диаметру. Это необходимо для снижения относительной величины поверхности цилиндра к его объёму и соответственно снижению непроизводительных потерь тепла. Поверх корпуса наносится эффективная теплоизоляция, что в совокупности с формой цилиндра приводит к минимуму непроизводительных потерь энергии установкой.

Рис. 2.

Для создания высоких давлений в области дугового разряда (в корпусе цилиндра) через патрубок — 4 подаётся под необходимым давлением среда из лёгких элементов, способных к участию в реакциях ядерного синтеза. Например, дейтерий или бор. Элемент бор интересен тем, что в реакции синтеза ¹¹B + p → 3⁴He + 8,7 Мэв. выделяется минимум вредных излучений. Для этой реакции через патрубок — 4 можно подавать тетраборан B₄H₁₀.

Создание высоких давлений в тысячи атмосфер в корпусе установки не представляет технических проблем. Но с учётом того, что в эффекте СГП Ушеренко за доли секунд выделяются энергии в тысячи раз превосходящие энергию удара, т.е вносимую, то это очень интенсивный процесс. И можно предположить, что для практических целей энергетики достаточно будет интенсивности и при давлении в сотни атмосфер, что давно освоено технологически.

Для отвода тепла от реакций ХЯС установка снабжена теплоотводящим контуром — 5.

3. Ядерные реакции распада в условиях наводороженных поверхностей.

Самопроизвольный распад физиками наблюдался только у радиоактивных ядер. Это характерное ядерное явление. В физических условиях наводороженных поверхностей распад стал наблюдаться в результате химического взаимодействия водорода (протия) с поверхностями твёрдых тел.

И водород и твёрдые тела до химического взаимодействия были стабильными по отношению к ядерному распаду. А в условиях наводороженных поверхностей стали наблюдаться достаточно интенсивные процессы трансмутации химических элементов и выделение тепла. Здесь химическое взаимодействие водорода порождало ядерные процессы, что было новым и странным.

Ядерная физика связывает процессы трансмутации с нейтронными взаимодействиями. Трансмутации химических элементов (то есть образование новых элементов) наблюдаются так же в реакциях ядерного синтеза и ядерного деления. Однако в условиях наводороженных поверхностей течение этих реакций не наблюдается.

Всё многообразие данных, полученных в экспериментах с реакторами на основе насыщенных водородом поверхностей, просто объясняются в рамках хорошо изученной нейтронной физики. Но для этого необходимы свободные нейтроны. Если мы хотим объяснить многообразие данных полученных в экспериментах с низкоэнергетическими ядерными реакторами (НЭЯР — LENR-реакторами), использующими насыщенные водородом поверхностные структуры, на основе нейтронной физики, то должны предложить возможный механизм возникновения свободных нейтронов в этих реакторах.

Будем исходить из того, что обязательным элементом конструкции реакторов Росси является присутствие водорода. Атом водорода и нейтрон роднит тот факт, что оба они в своём составе имеют один протон и один электрон. Отличие в том, что атом водорода формируется силами электромагнитного взаимодействия и имеет орбитальную структуру, а структура нейтрона обеспечивается силами слабого (спин спинового) взаимодействия и взаимодействие происходит по оси спинов.

3.1. Электронный захват в условиях наводороженной поверхности.

В ядерной физике рассматривается несколько каналов образования свободных нейтронов. Это образование нейтронов в результате воздействия на ядро жёсткого гамма излучения или удары по ядру вещественными частицами высоких энергий. В обоих случаях ядро раскалывается на части, в том числе и с выделением нейтронов. Образование свободных нейтронов в реакциях деления трансурановых элементов или в реакциях синтеза лёгких ядер. В НЭЯР-LENR — реакторах с наводороженными поверхностями всех этих процессов нет.

Остаётся канал электронного захвата, при котором орбитальный электрон захватывается протоном ядра и превращается в нейтрон. Альварес в 1937 году экспериментально открыл электронный захват в много электронном атоме, названный К — захватом, так как захват электрона происходил из самой близкой к ядру электронной оболочки. В 1949 году Понтекорво впервые наблюдал электронный захват с L — оболочки. В 1961 году Доган наблюдал электронный захват с М — оболочки.

Экспериментально установлено, что электронный захват протоном ядра происходит наиболее вероятно с К — оболочки в многоуровневом атоме содержащем большое количество протонов. Но нейтрон в этом случае не свободный. Он остаётся в ядре и не вызывает каскад нейтронных превращений. При этом порядковый номер ядра уменьшается, а не увеличивается как в экспериментах на наводороженных поверхностях. Единственный элемент, в котором электронный захват приводит к появлению свободного электрона — это лёгкий водород. Это принципиальный момент. Но этот процесс получения в больших количествах свободных нейтронов физиками не рассматривался и не описан в физической литературе.

Нами высказано предположение, что под воздействием поверхностного заряда в атоме водорода, закрепившегося на поверхности, возникает электронный захват приводящий к образованию свободного нейтрона. Начинают работать закономерности нейтронной физики по трансмутации новых изотопов и элементов. Выделению в системе избыточного тепла вследствие бета-распада.

Ещё один важный момент. Силы и энергии приводящие к электронному захвату орбитального электрона одним из протонов ядра присущи системе самого атома, а не привносятся извне. Это показано в диссертационной работе Титова О.А. (Курчатовский институт). Там же доказывается, что захват электрона возможен с любой оболочки атома. Но если захват электрона в принципе возможен с любой оболочки много электронного атома, то почему он может быть запрещён для атома водорода?

Электронный захват орбитального электрона одним из протонов ядра, приводящий к образованию нейтрона, это взаимодействие на уровне элементарных частиц. Взаимодействие осуществляется между конкретным орбитальным электроном и конкретным протоном ядра. Какие условия обеспечивают взаимодействие между конкретными электроном и протоном, обеспечивают спин — спиновое взаимодействие протона и электрона?

Известно, что вероятность электронного захвата меняется в зависимости от химических связей, давления, внешних электрических и магнитных полей, ионизации. И я пишу о влиянии поверхностного отрицательного заряда на интенсивность электронного захвата в атоме водорода закрепившегося на поверхности.

Рассмотрим механизм этого влияния.

Возникновение устойчивого водородного слоя на поверхности при наводораживании и влиянии этого слоя на интенсивность НЭЯР в этих условиях подтверждены экспериментально. Анализ показывает, что во всех экспериментах с никель — водородными реакторами, наводороженность поверхностей главное условие успешных экспериментов. При этом плотность поверхностной наводороженности играет решающую роль для процессов НЭЯР.

Сотрудники Санкт-Петербургского политехнического университета и Института проблем машиноведения РАН изучали распределение водорода в металлических образцах, возникающее в процессе стандартного тестирования на водородное растрескивание. Эксперименты ставились на образцах стандартной формы из нержавеющей, трубной, мостовой и атмосферостойкой стали. Был обнаружен поверхностный эффект. Он заключается в том, что в тонком слое металла у поверхности образца возникает аномально высокая концентрация водорода, превышающая внутреннюю концентрацию в сотни раз. Этот поверхностный слой толщиной около 50 мкм создает своеобразный экран, препятствующий проникновению водорода внутрь металла.

Рис. 3

Рассмотрим физическую ситуацию, изображённую на рисунке 3. Здесь показана поверхность никеля (твёрдого тела) насыщенная водородом. Цифрами на рисунке обозначены: 1 — поверхность никеля (твёрдого тела); 2 — атом (протон) водорода в силу химических связей закрепившийся на поверхности; 3 — электрон, совершающий орбитальное движение на своём энергетическом уровне в атоме водорода, закрепившемся на поверхности никеля (твёрдого тела). На рисунке отмечено спиновое движение (вращение) протона вокруг спиновой оси — 4; 5 — электроны формирующие поверхностный отрицательный заряд на поверхности никеля (твёрдого тела); 6 — поверхностный ион никеля (твёрдого тела), связанный с атомом водорода. Жирными стрелками обозначены осцилляции иона.

Поверхностный отрицательный заряд образован электронами вращающимися вокруг ядер поверхности. Поверхностный заряд никеля не позволяет орбитальному электрону атома водорода двигаться в плоскостях перпендикулярных поверхности. Орбитальный электрон может двигаться только в плоскостях параллельных поверхности и совершать колебательные движения плоскости орбиты возле срединного значения.

Если атом водорода находится в свободном состоянии, то нахождение орбитального электрона равновероятно для всех точек вокруг ядра (протона). А в условиях наводороженной поверхности происходит упорядочение движения орбитального электрона и он с наибольшей вероятностью находится в областях, в которых орбиты стремятся быть параллельными плоскости твёрдого тела. Вот для чего нужны наводороженные поверхности никеля в установках Росси.

Уже отмечалась необходимость совпадения спиновых направлений протона атома водорода, закрепившегося на поверхности и его орбитального электрона для интенсификации электронного захвата в этих условиях. Чем чаще это происходит, тем интенсивнее захват. И здесь решающее значение имеют резонансные явления.

Возникает вопрос: что с чем резонирует, что это за процессы? Во-первых, отметим, что температурный порог начала ядерных реакций наблюдается только в экспериментах с наводороженными поверхностями. В кавитирующих жидкостях этого экспериментаторы не отмечают.

В нижней части рисунка 3 изображены приповерхностные ионы никеля (твёрдого тела) с закрепившимся в силу химической связи атомом водорода на поверхности. Ион кристаллической решётки совершает с определённой частотой и амплитудой осцилляции возле положения равновесия. Максимальная частота осцилляций ионов в кристалле имеет порядок 10¹³ рад/сек. Электрон атома водорода, связанного с ионом никеля (твёрдого тела) совершает в основном состоянии вращение вокруг протона с частотой порядка 10¹⁶ рад/сек.

Эта частота постоянна и не зависит от температуры. А вот частота осцилляций ионов кристалла в ангармоническом приближении (а только такое приближение согласуется с экспериментом) зависит от амплитуды, а амплитуда в свою очередь зависит от температуры. Таким образом, при изменении температуры кристалла (рабочего агента реактора) частоты колебаний ионов изменяются и возникают полосы частот кратные частоте вращения электрона в атоме водорода.

Так в связке ион поверхности — водород возникает резонансное взаимодействие. Необходимо добавить, что частота осцилляций ионов зависит не только от температуры, но и от массы и объёма ионов. Это приводит к тому, что резонансные полосы у разных наводороженных материалов различны. Что и проявляется в различных пороговых температурах на наводороженной поверхности различных материалов.

Когда на резонансных частотах спины ориентированы по одной линии, то силы взаимодействия приводят к квантовому скачку, связывающему протон и электрон в нейтрон. Если нет предварительного подогрева активной зоны реактора Росси, то орбитальный электрон практически не попадает под действие сил по оси спинов протона и электрона. Ось протона ориентирована перпендикулярно поверхности, а орбитальный электрон движется в плоскости параллельной поверхности и их оси параллельны и разнесены в пространстве.

А вот при нагревании, связанные с поверхностью атомы водорода (протоны) начинают совершать хаотические колебательные движения вместе с колебаниями ионов поверхности никеля. Ось спина протона так же совершает колебательное движение, осциллирует с частотой связанного с протоном иона кристаллической решётки. Положение плоскости орбиты электрона колеблется возле среднего положения и практически не реагирует на температуру, так как, во-первых, подчиняется действию поверхностного заряда, а во-вторых, даже свободные электроны в кристаллах очень слабо реагируют на температуру, подчиняясь статистике Ферми-Дирака.

При подогреве до резонансных частот (пороговая температура) ось орбитального электрона начинает часто сближаться по углу с колеблющейся спиновой осью протона, что приводит к резкому увеличению вероятности захвата электрона протоном. Процесс заканчивается новым связанным состоянием системы протон — электрон в форме нейтрона. Вероятность электронного захвата в атоме водорода в таких условиях увеличивается.

В системе появляется много свободных нейтронов. Начинают эффективно проявляться закономерности нейтронной физики. Механизмы этих закономерностей описываются в рамках известных знаний ядерной физики, теплофизики и физики твёрдого тела. Из описанного механизма становится понятной необходимость использования мелкодисперсного порошка для наводораживания. Площадь имеет решающее значение для процесса электронного захвата. А мелкодисперсный порошок позволяет получать большие поверхности и тем самым интенсифицировать электронный захват.

3.2. Прототип технологии на основе наводороженных поверхностей.

За основу изображённой на рисунке — 4 установки взяты эксперименты А. Росси и С. Фокарди, повторенные Пархомовым А.Г. В этих экспериментах наводораживался порошок никеля. Большим недостатком никелевых LENR — реакторов является высокая пороговая температура, имеющая величину 1000 — 1200 °С. Это делает установки не надёжными. Проводились эксперименты с наводораживанием палладия. Здесь пороговая температура, имеет величину 500°С. Но палладий — драгоценный металл.

Нами предлагается использовать в качестве наводораживаемого агента мелкодисперсный угольный порошок. Угольная пыль в больших количествах производится на пылеугольных электростанциях. Описания экспериментов с угольными LENR — реакторами в литературе не нашлось, но по некоторым косвенным данным, пороговая температура в данном случае составит примерно 300°С.

Рис. 4.

Ещё одним положительным моментом LENR — реакторов с наводораживанием, является низкое давление внутри установки — 2000 — 5000 Па., (200 — 500 мм. вод. ст.). Всё это делает установку надёжной и достаточно дешёвой. Установка (Рис. 4) состоит из корпуса — 1. Корпус, как и предыдущей установки, имеет цилиндрическую форму с длиной равной диаметру. Поверх корпуса наносится эффективная теплоизоляция, что в совокупности с формой цилиндра приводит к минимуму непроизводительных потерь энергии установкой.

Установку можно изготовить достаточно больших размеров. Например, приспособить в качестве корпуса 200 литровую ёмкость для жидкого топлива. Это с одной стороны снижает относительные потери через поверхность, с другой позволяет получить требуемые мощности. В корпус вваривается герметичная гильза — 2. В гильзу — 2 вставляется подогреватель (ТЭН) — 3.

Подогреватель необходим для поднятия величины температуры внутри установки до пороговой величины и запуска реакции распада. 4 — термопара для замера и контроля температуры в реакторе. 5 — герметичная пробка для засыпки угольной пыли в корпус. 6 — патрубок подающий водород низкого давления в верхнюю часть установки. Водород будучи легче воздуха выдавливает последний через нижний патрубок к гидрозатвору. Гидрозатвор необходим для исключения выдувания угольной пыли.

После тщательной продувки водородом подача водорода на гидрозатвор прекращается. Установка на длительное время (до месяца) остаётся под давлением водорода в 2000 — 5000 Па., (200 — 500 мм. вод. ст.). За это время происходит процесс наводораживания поверхностей пылинок. По прошествии времени наводораживания, с помощью ТЭНа поднимается температура до порогового значения для запуска реакции. 7 — редуктор понижающий давление с высокого до низкого. Для отвода тепла от реакций распада установка снабжена теплоотводящим контуром — 8.

4. Излучения низкоэнергетических ядерных реакций.

Исходя из того, что мы связываем низкоэнергетические ядерные реакции с известными реакциями синтеза и распада, то и все излучения в LENR — реакторах соответствуют этим реакциям. Это излучения вещественных частиц — нейтроны, альфа частицы, бета частицы (электроны), конверсионные электроны. Возможны в принципе даже осколки деления. Вторым типом излучений в LENR — реакторах являются фотонные излучения — гамма кванты и мягкий рентген. Мягкий рентген связан с процессом внутренней конверсии. Бета распад и электронный захват сопровождаются высвобождением антинейтрино и нейтрино.

В реакторах с наводороженными поверхностями исследователей удивляет не только низкий уровень ионизирующих излучений, но особенно практически полное отсутствие гамма — излучений. Это объясняется тем, что при захвате холодных нейтронов ядра возбуждаются слабо. Это изомерные возбуждения. Изомерное возбуждение снимается по каналу бета распада или по каналу внутренней конверсии. В обоих случаях гамма излучение отсутствует. Гамма излучения наблюдаются при сильном возбуждении ядра. Ещё в 1938 году Гофман и Бэчер обнаружили испускание электронов внутренней конверсии веществами, захватывающими нейтроны. Известно, что в процессах внутренней конверсии наблюдается только мягкий рентген. [1].

Выводы

1. В большой совокупности твёрдо установленных экспериментальных фактов по новым явлениям ядерной физики нет ничего загадочного и странного. Всё поддаётся анализу и объяснению в рамках известных знаний ядерной физики. Когда производится анализ экспериментов по новым явлениям ядерной физики, следует в первую очередь определиться с видом физических условий, в которых протекают НЭЯР. Тогда станут понятны и механизмы реакций.

2. Сейчас главная задача исследователей видится в интенсификации процессов электронного захвата на наводороженной поверхности и выхода высокоэнергетичных частиц в условиях кавитации и плотной низкотемпературной плазмы с целью практического использования. В данной работе предложены два возможных способа интенсификации.

3. Ядерные реакторы на низкоэнергетических ядерных реакциях делают ядерную энергетику по настоящему зелёной и безопасной. Ионизирующие излучения имеют низкий уровень и легко экранируются. Отсутствие больших объёмов делящегося вещества исключает возможность катастрофических взрывов и заражения больших территорий.

Литература

1. Бекман И.Н. Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующее излучение. – М.: “ЮРАЙТ”, 2016г., 398с.

2. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. – М: Наука, 1976, 480с.

3. Косарев А.В. Основы теории низкоэнергетических ядерных реакторов. // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.28631, 13.09.2023г.

4. Соболев В.В., Ушеренко С.М. Образование плазмы в ударно-волновых процессах. // Физика и техника высоких давлений. 2005, том 15, №2. С. 86 — 95.

5. Титов О.А. Теоретическое исследование электронного захвата в атомах и ионах с приложениями к физике нейтрино. Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико — математических наук. Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт». Москва. 2018 год.

6. Ушеренко С.М. Эффекты, возникающие в металлах в результате удара потока микрочастиц, разогнанных взрывом. // Матеріали конференції «Перспективи розвитку будівельних технологій».

7. Ушеренко С.М., Ушеренко Ю.С. Особенность сверхглубокого проникновения микрочастиц в преграды. Режим доступа: https://disk.yandex.ru/d/_AosbvIQVKpfLA

8. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. – М.: “Наука”,1972г. — 672с.

Контакты: nikita_kosarev@mail.ru