scientific.ru

Ультразвуковой термояд: критический анализ

Несколько месяцев назад новостные агенства всего мира разнесли сенсацию: ученые добились термоядерной реакции в "бутылке с водой". Многие восприняли это как начало эры термоядерной энергии. Что же на самом деле было сделано? Так ли однозначны выводы? Так ли безупречен проведенный эксперимент? Ответы на эти вопросы мы попытаемся найти в этой критической статье.

1. Пролог

Сообщение о "пузырьковом термояде" появилось в свое время во многих новостных изданиях. Из русскоязычных сайтов я дам ссылку на заметку Пузырьковый термояд разжигает полемику с сайта Phys.Web.ru. К сожалению, это открытие не избежало превратного толкования. Поэтому прежде всего, в целях погашения нездорового интереса, я позволю себе развеять некоторое недопонимание, связанное с этой статьей.

Во-первых, в этой работе речь идет не о холодном термояде. Здесь обычный, горячий термояд. Действительно, для того, чтобы ядерные реакции начались, нужно, чтобы ядра, преодолевая взаимное электростатическое отталкивание, подошли друг к другу достаточно близко. В случае горячего термояда это осуществляется за счет большой кинетической энергии ядер, то есть, за счет высокой температуры. Холодный же термояд подразумевает, что ядра сближаются, например, за счет высокого давления (то есть, сильного сжатия) образца. В работе [1] -- про которую и пойдет речь в данной статье -- утверждается, что главной причиной начала термоядерных реакций является именно высокая температура в схлапывающемся пузырьке. По оценкам авторов, она доходит до 10 миллионов кельвинов.

Второй предрассудок заключается в том, что данный эксперимент является прорывом в энергетике. На самом деле, ни о какой промышленной установке на основе этого эксперимента с положительным выходом энергии нет и речи. Даже по оптимистичным оценкам авторов речь идет максимум о миллионе дейтерий-дейтериевых (D-D) слияний в секунду, что дает энергетический выход в доли микроватта. Это, конечно же, не сопоставимо с той мощностью, которая необходима для создания ультразвуковой волны. Заметьте, что эту полезную мощность существенно не увеличишь -- все ограничивается размерами пузырька. Поэтому сразу запомним -- все описываемые эксперименты представляют исключительно научный интерес, от "народного хозяйства" они очень далеки.

Теперь я выскажу свое основное утверждение касательно этой работы. По моему мнению, ситуация выглядит так: авторы получили эффект, которого не может быть (см. пояснения ниже), однако,если верить данным, никакого другого разумного объяснения, кроме как термояд, я не вижу. Поэтому я лично склонен не доверять представленным экспериментальным данным.

Структура этой статьи следующая. Сначала я опишу само явление сонолюминесценции и отмечу различие между однопузырьковой и многопузырьковой сонолюминесценцией. Затем я перейду к описанию экспериментов [1] и полученных результатов. Наконец, в последней части я перечислю свои основные претензии к работе [1].

2. Явление сонолюминесценции

Здесь я ограничусь достаточно кратким описанием явления сонолюминесценции. Более подробный разговор можно найти в нашей статье "Сонолюминесценция: загадки, идеи, объяснения". Для серьезно настроенного читателя дам также ссылки на два обзора [3], один из которых появился совсем недавно.

2.1 Суть явления

Явление заключается в том, что при пропускании через жидкость мощной ультразвуковой волны в ней возникают кавитационные пузырьки, которые при схлапывании дают вспышку света. Происхождение света -- тепловое, то есть, на короткое время в жидкости возникают сверхгорячие области с температурой в тысячи и десятки тысяч кельвинов.

Как это происходит? В самом грубом приближении, стандартная картина сонолюминесценции такова. В фазе разряжения ультразвуковой волны в определенном месте жидкости (в месте максимальной пучности ультразвука) создается большое по модулю отрицательное давление ("растянутая" жидкость). При превышении критического значения амплитуды волны, в фазе разряжения начинается кавитация -- разрыв сплошной жидкости с образованием полости, заполненной парами этой жидкости. Образуется и растет кавитационный пузырек. Через полпериода, в фазе сжатия, звуковая волна создает сильное положительное давление в жидкости. Оно -- вкупе с силами поверхностного натяжения -- приводит к быстрому сжатию пузырька. В процессе этого сжатия происходит нагрев паров, находящихся внутри пузырька (разумеется, для более аккуратной картины нам нужно включить ударные волны, процессы конденсации, и т.д.). Именно при таком сжатии и достигаются столь высокие температуры.

2.2 Однопузырьковая или многопузырьковая сонолюминесценция?

Как мы описывали в нашей статье, существует две разновидности сонолюминесценции: однопузырьковая и многопузырьковая. Главное различие между ними заключается в динамике процесса схлапывания.

Рассмотрим сначала один сферический пузырек. Если сжимающие его силы также обладают сферической симметрией, то он, казалось бы, должен схлапываться, сохраняя сферичность. Однако ситуция может усложняться неустойчивостями, возникающими при ускоренном схлапывании пузырька. Развившись, эти неустойчивости приведут к тому, что пузырек станет все менее похож на сферу. Как следствие этого, движение жидкости из строго радиального превратится в сильно турбулентное. Чем это "вредно"? Тем что если в строго сферическом случае вся работа сжимающих сил шла на нагрев паров в пузырьке, то теперь она идет на турбулентность, то есть на кинетическую энергию потоков жидкости.

Таким образом, схлапывание пузырька содержит две стадии: приблизительно сферическую и турбулентную. На первом этапе -- пока неустойчивости не развились -- сжатие и, следовательно, нагрев пузырька являются достаточно эффективными. На второй же стадии происходит турбулизация движения и дальнейшее сжатие пузырька почти не происходит.

Таким образом, эффективность нагрева паров определяется тем временем, в течение которого пузырек еще остается сферическим. А это, как мы понимаем, зависит от того, насколько значительны были отклонения от симметрии у начального пузырька. Если начальный пузырек с хорошей точностью был шаром, то он испытает многократное сжатие, прежде чем отклонения от сферической симметрии заметно выростут. А вот если начальный пузырек с самого начала не был похож на сферу, то и при его сжатии сразу же возникнет турбулентность, и нагрев паров будет, как минимум, очень слабо выраженным.

В случае однопузырьковой сонолюминесценции в принципе можно создать достаточно сферический пузырек. Опыт показывает, что при его схлопывании нагрев может происходить вплоть до температур порядка 50000 К. В случае же многопузырьковой сонолюминесценции экспериментально определенные значения температур редко превышают 5000 К.

3. Описание эксперимента по обнаружению ультразвукового термояда

Обратимся теперь непосредственно к "виновнику торжества" -- работе [1]. Схема эксперимента представлена на Рис.1.

Рис.1 Схема эксперимента по обнаружению следов термоядерной активности при сонолюминесценции.


Основные элементы установки: цилиндрическая емкость с жидкостью, излучаемая по периметру установки ультразвуковая волна, импульсный источник нейтронов, сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель. Постановка эксперимента, описанного в этой статье, слегка отличается от "общепринятой", поэтому мы обратим особое внимание на отличия.

3.1 Особенности эксперимента

Во-первых, в отличие от большинства опытов по сонолюминесценции, авторами [1] использовалась не вода, а органические жидкости (ацетон, C3H6O, и "тяжелый" ацетон, C3D6O). Утверждается, что эти жидкости обладают свойством "держать" существенное растяжение, что позволяет работать с амплитудами звуковой волны, гораздо большими, чем в случае воды.

Во-вторых, использовался совершенно нестандартный метод зарождения пузырьков. Дело в том, что обычно исследователь просто-напросто поднимает амплитуду звуковой волны до той отметки, когда звуковое давление с фазе растяжения само начинает порождать кавитационные пузырьки. В данной работе амплитуда звуковой волны была докритической, а пузырьки рождались за счет облучения 14-мэвными нейтронами, получаемыми из внешнего источника в виде коротких импульсов.

В-третьих, отметим, что в данной работе изучалась именно многопузырьковая сонолюминесценция. Этот факт авторы установили с помощью непосредственного фотографирования кавитационной области, где было найдено порядка тысячи отдельных пузырьков. То, что мы имеем дело именно с многопузырьковой сонолюминесценцией, и следовало ожидать: ведь процесс зарождения пузырьков высокоэнергетическими нейтронами -- явление вовсе не точечное.

3.2 Поиск следов термоядерной реакции

Поскольку мы собираемся охотиться за термоядерной реакцией слияния двух ядер дейтерия, полезно вспомнить, по какие проявлениям вообще можно узнать, что эта реакция имела место. На Рис.1 условно показаны два наиболее интересных для нас канала реакции слияния двух дейтронов: превращение в ядро гелия-3 плюс нейтрон с энергием 2.45 МэВ и превращение в тритон (водород-3) плюс протон. В первом канале гелий отлавливать трудно, а вот нейтроны -- достаточно легко, они являются достаточно проникающим излучением. Во втором канале, протоны отлавливать безнадежно, а вот тритий легко обнаружить по характерному бета-распаду. Поэтому вырисовываются две стратегии -- поиск нейтронов, рожденных в сонолюминесцентной вспышке и поиск слевод бета-распада трития.

Теперь обратимся тому, что и как детектировалось в эксперименте. Во-первых, как и в стандартном эксперименте, регистрировалась сонолюминесцентная вспышка света, а также проверялось наличие "щелчка" в высокочувствительных микрофонах. Оба этих сигнала свидетельствовали о том, что процесс рождения и схлопывания пузырька имел место.

Во-вторых, исследовался нейтронный сигнал. А именно, одновременно с сонолюминесцентной вспышкой, детектировался и короткий поток нейтронов. Детектирование нейтронов производилось с помощью сцинтиллятора (органического или жидкостного). Поскольку сцинтиллятор мог срабатывать как от гамма-квантов, так и от нейтронов, использовалась методика "дискриминатора по профилю импульса", которая отбирала исключительно нейтроны. Эта методика подробно описана в приложении к статье [2]. Эффективность регистрации быстрых нейтронов составляла порядка полпроцента.

Для того, чтобы отделить исходные 14-мэвные нейтроны (напомним, что они лишь рождали пузырьки, а к термоядерной реакции отношения не имеют и поэтому являются для нас фоном) от 2.5-мэвных нейтронов, рожденных в ходе термоядерной реакции D+D -> 3He + n, анализировался энергетический спектр нейтронного импульса. Весь спектр детектируемых нейтронов разбивался на две области -- ниже 2.5 МэВ и выше 2.5 МэВ. Сигнал ожидался только в области ниже 2.5 МэВ (нейтроны с энергей выше 2.5 МэВ считались замедлившимися исходными 14-мэвными нейтронами).

Третьим сигналом, измеряемый в эксперименте, была "тритиевая активность". Поскольку "горение" дейтерия может происходить и по каналу D+D -> T + p, то естественно ожидать появление трития в исходной жидкости. Проверка на тритиевую активность проводилась следующим образом: по окончанию экспериментального цикла, который составлял 7-12 часов, из объема брался 1 кубический сантиметр жидкости и исследовался на предмет бета-излучения от распада трития в области энергий электронов от 5 до 18 кэВ.

Наконец, опишем стратегию исследования, которой придерживались авторы работы [1]. Во-первых, все эксперименты проводились как с обычным ацетоном, так и с дейтериевым ацетоном. Это позволяло отделить настоящий эффект термоядерной реакции от артефакта эксперимента -- ведь в случае простого ацетона никакого термояда быть не должно. Затем, проводились контрольные опыты. А именно, проводилась вся совокупность измерений по поиску как нейтронного сигнала, так и тритиевой активности в случае облучения жидкости нейтронами, но в отсутствии ультразвука (что гарантирует отсутствие сонолюминесценции). И только после этого проводились "полные" эксперименты -- то есть, с одновременным облучением нейтронами и с ультразвуком. В этом случае также снимались данные по нейтронному сигналу и тритиевой активности. Наконец, вычитая первые данные (без ультразвука) из вторых ("полный" эксперимент), авторы получали то, что они называли сигналом.

3.3 Результаты эксперимента

Перейдем теперь к изложению результатов, показанных на Рис.2 (нейтронный сигнал) и Рис.3 (тритиевая активность).

Рис.2 Нейтронный сигнал.
Левая половина рисунка отвечает низкоэнергетической части спектра, правая -- высокоэнергетической.
Серые столбцы отвечают тяжелому ацетону, черные -- обычному.


На Рис.2 показан нейтронный сигнал как для тяжелого (светлые столбцы), так и для обычного ацетона (темные столбцы). Левая половина гистограммы показывает низкоэнергетическую часть нейтронного сигнала (то есть, низкоэнергетическую часть разности между нейтронными потоками в "полном" эксперименте и в эксперименте без ультразвука), а правая -- высокоэнергетическую часть этого же сигнала. Все соотвествующие числа приведены тут же в таблице (cav.on или off означает включенную или выключенную кавитацию). Ошибки, показанные на гистограмме в виде "усов", определяются, в основном, статистическими погрешностями, которые легко проследить из численных данных.

Видим, что статистически значимый сигнал есть только в одном случае -- в низкоэнергетической части нейтронного спектра в тяжелом ацетоне. Сигнал отличается от нуля на уровне 3.5 стандартных отклонений. Во всех остальных случаях включения сонолюминесценции не приводило ни к какой разнице в выходе нейтронов.

Рис.3 Результаты измерения тритиевой активности.


На Рис.3 показаны результаты тритиевого анализа (представленные числа -- это cpm = count per minute, зарегистрированные события распада трития в минуту). Здесь также показана разность тритиевых сигналов до и после включения кавитации. Опять же, видно исключительное положение тяжелого ацетона: как после 7-часового, так и после 12-часового эксперимента наблюдалось увеличение тритиевой активности, причем сигнал оказался прямо пропорциональным времени проведения эксперимента. Погрешности на графике не отмечены, но, как можно проследить из табличных данных, они примерно равны 3.5 cpm для дейтериевого ацетона и 2 cpm для обычного ацетона. Таким образом, мы имеем дело с эффектом порядка 2-4 стандартных отклонений.

В заключение своей работы, авторы [1] приводят теоретический анализ явления. Они докладывают о результатах численного решения уравнений газодинамики коллапсирующего пузырька, записанных на основании определенной теоретической модели этого явления. Полная система уравнений, а также более подробное изложение результатов этого вычисления, представлены в приложении 2 [2]. По утверждению авторов, этот расчет подтверждает возможность достижения высоких температур (миллионы кельвинов и выше) в данном эксперименте, а также дают предсказания по выходу нейтронов, которые не противоречат их эксперименту. Авторы считают, что этот анализ является еще одним доказательством того, что они в самом деле обнаружили проявление термоядерной реакции.

4. Критика

Я начну с недоумения. Выше я описал, что для зарождения пузырьков в растянутой жидкости в эксперименте использовался поток нейтронов. В то же время, именно процесс рождения нейтронов нас и интересует, именно нейтронный сигнал мы и собираемся в дальнейшем искать. Так зачем же нам нужно так усложнять себе жизнь?! Зачем слабенький нейтронный сигнал забивать мощным нейтронным пучком, а потом мучаться и пытаться среди нейтронного потока выделить те нейтроны, которые рождены в ядерной реакции?! Не проще ли использовать какой-то иной способ инициации пузырька (да хотя бы форусировать лазерный луч, или же на худой конец, использовать протоны вместо нейтронов), и затем уже мерять чистенький нейтронный сигнал?! Но нет, авторы предпочитают искусственно создать огромный нейтронный фон и уже из него выделять сигнал! И очевидно, при этом они очень рискуют не заметить какого-то явления, связанного с нейтронами, и получить артефакт вместо реального сигнала.

А ведь взгляните на ожидаемый сигнал -- почти 500 нейтронов в низкоэнергетической части спектра! Неужели авторы не догадались, что достаточно использовать какой-либо другой "триггер" для рождения пузырьков и предъявить те же 500 нейтронов! Ведь в таком варианте им действительно неоткуда взяться, кроме как из термоядерной реакции! И тогда к эксперименту было бы совсем иное отношение! Но авторы предпочли идти трудной дорогой.

Надо сказать, что этот момент очень щепетильный. В принципе, на ум может придти и подозрение в сознательном использовании нейтронного рождения пузырьков и ловли рыбки в мутной воде. Если уж авторы решаются на использование нейтронов, то пусть они приводят доскональный анализ того, что происходит с нейтронами в веществе. Как они замедляются, как они распределяются по спектру, какие реакции они инициируют. Но ничего этого в статье нет! Так же как нет, например, объяснения, откуда вообще берется ненулевая тритиевая активность в чистом ацетоне, или в том же тяжелом ацетоне, но ДО кавитационного эксперимента.

В общем, то, что в этих вопросах нет прозрачности, настораживает.

Второй момент. Авторы очень уверенно говорят про температуры в миллионы кельвинов. Но вообще-то если они действительно получили миллион кельвинов в сонолюминесцентном эксперименте, это само по себе было бы достижением. Ведь типичные экспериментальные значения температур в многопузырьковой сонолюминесценции никогда не превышали 10 тысяч градусов! Может быть, можно было померять температуру? Почему нельзя было попытаться хотя бы приблизительно оценить температуру по спектру сонолюминесцентной вспышки? В статье этот вопрос не обсуждается.

Третий момент. В качестве подтверждения того, что в эксперименте в самом деле происходит термоядерная реакция, авторы предлагают результаты численного решения уравнений гидродинамики для схлапывающегося пузырька. Эти уравнения, по словам автором, учитывают уравнение состояния ацетона, процессы ионизации и образование плазмы, распространение ударной волны, фазовые переходы и т.п., и в результате предсказывают температуры порядка нескольких миллионов кельвинов.

Все бы хорошо, но только одно слово все рушит -- весь этот анализ одномерный! Все эти уравнения решаются в предположении о сферической симметрии коллапсирующего пузырька. Но мы же знаем, что когда речь идет про многопузырьковую сонолюминесценцию, не о какой сферической симметрии не может быть и речи! Почему авторы об этом не задумываются?! В общем, мое мнение -- приведенный численный анализ нефизичен и не имеет отношения к данным экспериментам.

В принципе, у меня были и иные мелкие придирки по ходу текста, но я не буду заострять на них внимание. Я только еще раз сформулирую основные претензии.

Авторы выбрали самую трудную дорогу -- искусственно "забили" возможный нейтронный сигнал мощным фоном и затем статистическими методами "выцарапывали" сигнал обратно. В результате получился эффект на уровне нескольких стандартных отклонений. Альтернативная постановка эксперимента привела бы к несравнимо более надежным результатам, но авторы ее избегают. Такие игры с нейтронами кажутся очень подозрительными, особенно если учесть, что авторы совершенно не обсуждают ни судьбу нейтронов, попавших в вещество, ни фоновую тритиевую активность.

Выбрана жидкость, для которой, насколько я понимаю, ранее не было проведено сонолюминесцентных экспериментов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в этом эксперименте были достигнуты температуры в несколько миллионов кельвинов. Это, само по себе выдающееся, достижение практически не обсуждается в статье. Это настораживает.

Для подтверждения вывода про высокие температуры и термояд используется теоретическая модель, которая откровенно не имеет отношения к реальности.
Мне кажется, что на мои возражения можно почерпнуть ответ из самой статьи [1], а точнее, из ее духа. Этот ответ звучит так: "Хорошо, может быть, у нас не все чисто-гладко, но как вы еще можете объяснить наши эксперименты, кроме как термоядом?!" С этим я не могу поспорить -- если принять, что все данные верны, то никакого другого объяснения я не вижу. И это значит, что мы совсем не понимаем сонолюминесценцию.
Итак, резюме. Полученные результаты -- очень странны. Весь проведенный анализ тонок и может порваться -- слишком уж много необъясненных, необговоренных мест. Поэтому мне лично кажется, что с данными не все в порядке. Если же данные верны, то здесь есть два варианта: либо авторы не все учитывают и неправильно их трактуют, либо мы в самом деле имеем дело с термоядом, но тогда надо пересматривать все наше представление о процессе сонолюминесценции (ведь та теоретическая модель, которая приведена в статье, не отражает реальности).

5. Послесловие

Поскольку эта работа -- еще на стадии рецензирования -- вызвала некий переполох, сразу же нашлись "добровольцы"-экспериментаторы, готовые повторить те же самые измерения на той же самой установке в том же самом режиме, но уже со своим сцинтиллятором и своей системой отбора нейтронных событий [4]. Нейтронного сигнала в этом эксперименте обнаружено не было. Надо сказать, что авторы оригинальной работы комментируют [5] этот независимый эксперимент, и их вывод звучит несколько парадоксально. Они полностью одобряют этот эксперимент и делают заключение (на основании тех же данных!), что он вполне подтверждает их открытие. Такая вот парадоксальная ситуация!

Наконец, отмечу работу [6], которая появилась буквально позавчера. В ней впервые детально изучается соно-химия, то есть, химические реакции во время однопузырьковой сонолюминесценции (основная трудность такого анализа -- исчезающе малое количество вещества реагентов, менее 10-13 моля). Важным выводом этой работы стало заключение, что разнообразные эндодермические реакции, включающиеся при высоких температурах, значительно подавляют дальнейший рост температуры. Этот эффект тем сильнее, чем выше "летучесть" вещества, и если этот эффект был отмечен для воды, то для ацетона он будет еще важнее. Поэтому авторы этой работы предостерегают, что данный эффект может стать дополнительным препятствием для достижения температур в миллионы кельвинов.

Ссылки:

[1] Taleyarkhan, R. P. et al. Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation, Science 295, 1868–1873 (2002).
[2] Taleyarkhan, R. P. et al. , Web supplements 1 and 2, http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/295/5561/1868/DC1.
[3] P.Barber et al., Phys Rept 281(1997) 65; M.P.Brenner, S.Hilgenfeldt, and D.Lohse, Rev.Mod.Phys. 74 (2002) 425.
[4] D. Shapira, M. J. Saltmarsh, Comments on Reported Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation, http://www.ornl.gov/slsite/.
[5] R. P. Taleyarkhan , R.C. Block , C.D. West and R. T. Lahey, Jr., COMMENTS ON THE SHAPIRA AND SALTMARSH REPORT, http://www.rpi.edu/~laheyr/SciencePaper.pdf.
[6] YURI T. DIDENKO AND KENNETH S. SUSLICK, The energy efficiency of formation of photons, radicals and ions during single-bubble cavitation Nature 418, 394 - 397 (2002).


Игорь Иванов

Источник: scientific.ru