Двигатели будущих космических кораблей, возможно, будут работать на синтезе с удержанием в кристаллической решётке

Исследователи из НАСА демонстрируют возможности проведения атомного синтеза в металлах при комнатной температуре


В атомных решётках этих образцов эрбия содержатся загнанные туда дейтроны

Синтеза ядер в термоядерных реакциях крайне тяжело достичь. Нужны огромная плотность вещества и давление, чтобы заставить элементы вроде водорода и гелия преодолеть естественное отталкивание. На Земле для экспериментов по синтезу обычно требуется массивное и дорогое оборудование.

Однако учёные из Гленновского исследовательского центра НАСА продемонстрировали метод запуска ядерного синтеза без строительства огромных стеллараторов или токамаков. Для этого им потребовалось всего лишь немного металла, немного водорода и ускоритель электронов.

Команда считает, что их новый метод, названный синтезом с удержанием в кристаллической решётке [lattice confinement fusion] потенциально может привести к созданию новых источников энергии для исследования глубокого космоса. Результаты исследования они опубликовали в двух работах в журнале Physical Review C.

Под решёткой имеется в виду структура, которую формируют составляющие металл атомы. Группа НАСА в своих экспериментах использовала образцы эрбия и титана. При высоком давлении образец “загружали” дейтериевым газом, состоящим из изотопов водорода с одним протоном и одним нейтроном. Металл удерживал ядра дейтерия, которые называются дейтронами, до момента начала синтеза.

“В процессе загрузки кристаллическая решётка металла начинает разрушаться, чтобы удержать дейтериевый газ”, – говорит Тереза Беньо, физик-аналитик и глава ядерной диагностики проекта. “Получается что-то вроде порошка”. В этот момент металл готов к следующему шагу: преодолению электростатического отталкивания положительно заряженных ядер дейтерия – кулоновского барьера.


Тереза Беньо описывает состояние луча во время экспериментов по синтезу с удержанием в кристаллической решётке, а Джим Шейд и Ларри Форсли обсуждают данные по стабильности луча.

Для преодоления этого барьера требуется последовательность столкновений частиц. Сначала электронный ускоритель разгоняется и сталкивает электроны с недалеко расположенной мишенью из вольфрама. Столкновение луча с мишенью порождает высокоэнергетические фотоны, как в обычном рентгеновском аппарате. Фотоны фокусируются и направляются на образцы эрбия или титана, заряженные дейтронами. Когда фотон сталкивается с дейтроном внутри металла, то расщепляет его на высокоэнергетические протон и нейтрон. Затем нейтрон сталкивается с другим дейтроном, разгоняя его.

В конце процесса столкновений и взаимодействий остаётся дейтрон, двигающийся с энергией, достаточной для того, чтобы преодолеть кулоновский барьер и слиться с другим дейтроном в решётке.

Ключевая составляющая процесса – эффект экранирования электронов. Даже со всеми этими высокоэнергетическими дейтронами, шныряющими туда и сюда, кулоновского барьера может хватить для предотвращения синтеза. Однако решётка снова помогает. “Электроны в металлической решётке формируют экран вокруг стационарного дейтрона”, – говорит Беньо. Отрицательный заряд электронов экранирует высокоэнергетический дейтрон, защищая его от отталкивающего эффекта положительно заряженного дейтрона мишени, пока ядра достаточно не сблизятся, максимизируя количество энергии, которую можно использовать для синтеза.

Кроме дейтрон-дейтронового синтеза, группа из НАСА обнаружила свидетельства процесса Оппенгеймера-Филипса. Иногда, вместо того, чтобы слиться с другим дейтроном, высокоэнергетический дейтрон сталкивается с одним из атомов металлической решётки, и создаёт изотоп или превращает атом в другой элемент. Команда обнаружила, что и синтез, и второй процесс дают пригодную для использования энергию.

Оплатите подписку, и реклама отключится


Байарбадрак Барамзай и Филип Угоровский обсуждают систему нейтронной спектроскопии, использующуюся для обнаружения нейтронов, порождённых синтезом.

“У нас получился не холодный синтез”, – сказал Лоуренс Форсли, главный экспериментатор проекта. К холодному ядерному синтезу, идее о том, что синтез может проходить при относительно низких энергиях и комнатной температуре, большинство физиков относится скептически. Форсли подчёркивает, что это “горячий синтез”, однако “мы придумали новый способ его поддерживать”.

“У синтеза с удержанием в кристаллической решётке температура и давление изначально меньше”, чем у какого-нибудь токамака, говорит Беньо. Однако “дейтрон-дейтроновый синтез происходит в точках с очень высокой температурой”. Беньо говорит, что когда ей нужно было работать с образцами после эксперимента, она регистрировала повышенную температуру. Частью это следствие синтеза, однако, свой вклад вносят и фотоны, запускающие процесс.

Пока ещё команде НАСА предстоит провести множество исследований. Продемонстрировав ядерный синтез, им нужно создать более условия для более эффективных и многочисленных реакций. При синтезе дейтроны порождают либо протон и тритий (атом водорода с двумя нейтронами), либо гелий-3 и нейтрон. В последнем случае лишний нейтрон может опять запустить процесс, и тогда сольются ещё два дейтрона. Команда планирует испытать методы, позволяющие добиться более устойчивых и продолжительных реакций в металле.

Беньо говорят, что итоговая цель – обеспечить миссию исследования глубокого космоса источником энергии на синтезе с удержанием в кристаллической решётке. На космическом корабле всегда есть проблемы с мощностью, местом и весом, а этот метод синтеза потенциально может дать надёжный источник энергии для корабля, работающего в таких местах, где солнечные панели не работают. И, естественно, что работает в космосе, то можно использовать и на Земле.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

 375 total views,  2 views today