Исследование: в фольге из палладия и титана может непрерывно происходить дейтронный синтез при сверхнизких энергиях

Американские исследователи наблюдали явление низкоэнергетического дейтронного синтеза в тонкой фольге из палладия и титана: когда энергия падающих дейтронов снижается до уровня, при котором, как обычно считается, реакция синтеза должна значительно ослабевать или даже почти прекращаться, реакция продолжает происходить. Эксперименты показали, что с уменьшением энергии падающих частиц скорость синтеза не продолжает экспоненциально падать, а выходит на плато при энергии ниже примерно 2 кэВ. При минимальной регистрируемой энергии измеренная скорость низкоэнергетического синтеза более чем в 10^18 раз превышает прогнозы модели изолированных ядер.

Изображение предоставлено Мариной Лейт/Калифорнийский университет в Дэвисе

Исследование выполнено командой Калифорнийского университета в Дэвисе (University of California, Davis) и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory), результаты опубликованы в журнале Nature Communications. Исследователи полагают, что электроны в металле, дефекты кристаллической решётки и локальная высокая концентрация дейтерия могут совместно изменять условия протекания ядерных реакций. При этом команда подчёркивает, что даже при значительном относительном усилении абсолютная скорость синтеза в настоящее время всё ещё далека от уровня, необходимого для энергетического применения.

Ядерный синтез требует сближения положительно заряженных ядер, однако между ними действует кулоновское отталкивание. В исследованиях плазменного синтеза реакторы обычно работают при температурах, соответствующих энергии столкновений около 10 кэВ; при дальнейшем снижении энергии вероятность синтеза быстро падает. Квантовое туннелирование позволяет ядрам вступать в реакцию при энергиях ниже классического барьера, однако в низкоэнергетической области эта вероятность обычно крайне мала.

В отличие от плазмы, внутри твёрдого металла существует сложная электронная и решёточная среда. Исследователь Калифорнийского университета в Дэвисе Джереми Манди (Jeremy Munday) отмечает, что электроны, дефекты и высокая концентрация дейтерия в металлической решётке могут формировать реакционную среду, не существующую в традиционной плазме. Электронное облако металла может в определённой степени экранировать отталкивание между ядрами, облегчая их сближение. Такой «эффект электронного экранирования» привлекает внимание с 1990-х годов, однако его микроскопический механизм до сих пор полностью не выяснен.

В экспериментальной установке использовался мембранный реактор, в котором металлическая фольга толщиной около 0,25 мм помещалась между двумя средами. С одной стороны находилась электрохимическая ячейка, через которую дейтерий вводился в металлическую фольгу из жидкой фазы по принципу, аналогичному зарядке аккумулятора; с другой стороны — вакуумная среда, где пучок ионов дейтерия бомбардировал ту же фольгу и проникал в её приповерхностный слой. Каждая реакция синтеза производит быстрые протоны или нейтроны, которые регистрировались независимыми детекторами; фоновые измерения и контрольные эксперименты позволили исключить мешающие сигналы.

Результаты экспериментов показали, что в обоих металлах — палладии и титане — при снижении энергии падающих частиц ниже примерно 2 кэВ выход синтеза выходит на плато. Дополнительное электрохимическое введение дейтерия в металл примерно удваивало выход. Исследователи полагают, что это указывает на то, что материал не просто пассивно вмещает ядерную реакцию, но может активно влиять на низкоэнергетические ядерные процессы.

Профессор ядерной и медицинской физики Щецинского университета (University of Szczecin) Конрад Черски (Konrad Czerski) считает, что этот результат согласуется с выводами, полученными его командой ранее в рамках европейского проекта CleanHME. Он отметил, что его группа наблюдала аналогичные плато в цирконии, палладии и титане с использованием различных методов; данные по палладию хорошо согласуются с результатами американской команды, однако данные по титану всё ещё различаются.

Относительно причин возникновения плато среди исследователей существуют разные объяснения. Американская команда склоняется к тому, что повреждённый приповерхностный слой фольги может обеспечивать аномально усиленное экранирование; Черски же полагает, что плато связано с синтезом дейтерия в металле при обычной тепловой энергии и не обязательно означает изменение энергии экранирования.

Манди отмечает, что следующий ключевой шаг — подтверждение микроскопического источника низкоэнергетического плато, включая роль таких факторов, как электронное экранирование, повреждение поверхности, миграция и захват дейтерия в металле. Американская команда также планирует изучить, влияют ли освещение или колебания кристаллической решётки на скорость реакции. Что касается ближайших применений, исследователи считают, что компактные источники нейтронов более реалистичны, чем устройства для генерации энергии на основе синтеза.