Сообщения о сенсационных научных достижениях могут подолгу будоражить воображение широкой публики, однако они принимаются научным сообществом только в том случае, если обосновываются в соответствии с методологическими принципами науки и интегрируются в ее концептуальную структуру. Если претендентам на открытие не удается преодолеть эту планку, их работа лишается шансов на признание.

Эта история началась три года назад. 8 марта 2002 г. в американском журнале Science появилась статья, которая еще до публикации вызвала ожесточенные споры в научной среде. Ее авторы утверждали, что им удалось осуществить реакцию термоядерного синтеза на несложной установке, построенной в Ок-Риджской национальной лаборатории.

Давно известно, что под воздействием ультразвука в жидкости образуются мельчайшие пузырьки, которые мгновенно схлопываются, сильно разогреваются и испускают очень короткие световые вспышки. Этот физический эффект называется сонолюминесценцией. Инженер-ядерщик Рузи Талейярхан и его коллеги решили использовать его для запуска термоядерной реакции. Они пропускали ультразвук через цилиндрический сосуд с охлажденным жидким ацетоном, в молекулах которого водород был заменен на его тяжелый изотоп - дейтерий. Формула обычного ацетона - C₃H₆O, а его "тяжелый" аналог - это C₃D₆O (C - углерод, H - водород, O - кислород, D - дейтерий). Новизна постановки эксперимента заключалась в том, что контейнер с ацетоном обрабатывали потоками быстрых нейтронов. В статье говорилось, что в облученной жидкости возникло вторичное нейтронное излучение, а также некоторое количество ядер трития, сверхтяжелого нестабильного изотопа водорода. Такой результат в принципе можно было объяснить тем, что пары внутри пузырьков нагрелись примерно до десяти миллионов градусов. При подобной температуре возможен термоядерный синтез трития из ядер дейтерия, причем этот процесс как раз и должен сопровождаться испусканием нейтронов. Физики из Ок-Риджа именно так и интерпретировали свои результаты.

Легко себе представить, что появление работы с такими анонсами было сопряжено с немалым шумом. Многие специалисты решительно возражали против появления ее в печати еще до выхода журнала из типографии. Когда редакция Science все же дала добро на публикацию, а журналисты заговорили о том, что человечество вскоре получит неисчерпаемый источник чистой и дешевой энергии, эти протесты только усилились. Статья Талейярхана со товарищи (а среди них был и российский физик Роберт Нигматулин) сразу заставила вспомнить о быстро лопнувшей сенсации тринадцатилетней давности. В 1989 г. физик из Британии Мартин Флейшманн и его американский ученик и коллега Стенли Понс якобы обнаружили термоядерные реакции, сопровождающие самый обычный электролиз воды. Правда, электролитом все же служила не обычная вода, а тяжелая, D₂O, электроды же изготовлялись из драгоценных металлов, платины и палладия. Сообщения о столь необычном физическом явлении, которое окрестили холодным термоядом, тут же попали на первые страницы газет и в прайм-тайм теленовостей. Однако "великое открытие" оказалось мыльным пузырем, и вскоре о нем забыли.

Надо сказать, что выводы ок-риджских физиков все же звучали правдоподобней. И теоретические расчеты, и экспериментальные данные показывают, что легкие ядра могут сливаться в более тяжелые (это и есть термоядерный синтез) лишь при температурах в миллионы градусов. О том же самом говорят и данные астрофизики, ведь термоядерные реакции служат основным источником энергии звезд. Так что утверждения о возможности термоядерных реакций при комнатных температурах воспринимались специалистами примерно так же, как и сообщения о том, что Земля покоится на четырех слонах. У Талейярхана и соавторов ни о каком холодном термояде речь не шла, они считали, что осуществили "стандартный" высокотемпературный термояд, только нестандартным способом - не в токамаке или ином плазменном реакторе, а в банке с тяжелым ацетоном. Однако другие ученые вскоре повторили эти опыты и не обнаружили ни трития, ни нейтронов. В профессиональной среде быстро восторжествовало мнение, что ок-риджские экспериментаторы работали неграмотно и их выводы не стоят и выеденного яйца. К тому же в то время американский Конгресс как раз обсуждал финансирование строительства международного термоядерного реактора (проект ITER). И физики, и большие шишки из Министерства энергетики опасались, что шумиха вокруг дешевого "пузырького" термояда побудит законодателей урезать средства на эту дорогостоящую программу. В общем, сенсационная статья в Science уже через год после публикации воспринималась абсолютным большинством специалистов как досадный курьез.

А вот сейчас кое-что изменилось. Упрямый Талейярхан не бросил своих экспериментов (с ним продолжает сотрудничать и Нигматулин). В прошлом году его группа опубликовала в престижнейшем Physical Review статью с изложением новых результатов, полученных на той же установке, но на основе модифицированной методики. С тех пор прошло около года, однако специалисты вроде бы пока не нашли в ней никаких ошибок. Более того, эти исследования субсидирует очень и очень серьезная организация, Управление перспективных оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США, The Defense Advanced Research Projects Agency. Это подразделение Пентагона (в аббревиатуре DARPA) нередко выделяет средства на полуфантастические проекты, но все же денег на ветер не бросает.

О том, какой DARPA имеет интерес в работе Талейярхана (кстати, тот сейчас перешел из Ок-Риджа в университет Пардью в штате Индиана), мы поговорим позже. А сейчас займемся физикой. Итак, сонолюминесценция - это генерация световых квантов внутри кавитационных пузырьков, возникающих в жидкости под воздействием ультразвуковых волн. Ее открыли еще в тридцатые годы двадцатого столетия, однако физический механизм этого явления удалось понять только спустя шесть десятилетий. Это стало возможным в первую очередь благодаря работам американского физика Фелипе Гаитана, который научился "запирать" пузырьки в стоячих звуковых волнах и тем самым до какой-то степени управлять их расширением и сжатием. Сейчас считается доказанным, что в заключительной фазе схлопывания пузырьки сжимаются со скоростью от одного до полутора километров в секунду, что в три-четыре раза превышает скорость звука в жидкости. Это приводит к возникновению ударных волн, которые очень сильно нагревают газы внутри пузырька - как минимум, до десяти тысяч кельвинов. Расчеты показывают, что в зоне фронта ударной волны температура среды может дойти до нескольких сотен тысяч градусов, не исключено, что даже и до миллиона. Этого еще недостаточно для поджога термоядерной реакции, однако дистанция не столь уж и велика.

Теперь перейдем к экспериментам группы Талейярхана, в ходе которых насыщенная кавитационными пузырьками жидкость облучалась потоком быстрых нейтронов. Делалось это для того, чтобы уменьшить размеры пузырьков. Аппаратура для исследования сонолюминесценции формирует пузырьки диаметром порядка 20 микрометров. Как это бывает при кавитации, сначала пузырьки расширяются, а затем стягиваются и коллапсируют. В силу некоторых причин облучение нейтронами приводит к возникновению пузырьков поперечником не более нескольких нанометров. Такие нанопузырьки растут гораздо интенсивнее обычных, "безнейтронных" - не в десять раз, как те, а примерно в десять тысяч. Затем, в фазе сжатия, они и схлопываются более резко, а, следовательно, сильнее нагреваются. Талейярхан и его коллеги рассчитывали, что подобный суперколлапс как раз и может нагреть внутренность пузырьков до термоядерных температур. В этом случае два ядра дейтерия могли бы при столкновении образовать ядро трития плюс ядро обычного водорода (иначе говоря, протон). В другом канале термоядерной реакции рождаются ядра гелия плюс свободные нейтроны. Поскольку ок-риджские физики считали, что уже в первых опытах им удалось зарегистрировать и тритий, и вторичные нейтроны, они и утверждали, что внутри нанопузыльков зажигались термоядерные реакции.

Как уже говорилось, специалисты не сочли эти выводы убедительными и не смогли подтвердить их в контрольных экспериментах. При этом восторжествовало мнение, что нейтронное излучение, которое наблюдала группа Талейярхана, не было термоядерным - это были всего лишь первичные нейтроны, отраженные от стенок пузырьков. Однако Талейярхан и его единомышленники не собирались отступать. Для новых опытов они использовали следящую аппаратуру, которая позволяла непрерывно измерять количество нейтронов, покидающих контейнер с ацетоном. В результате выяснилось, что отражение первичных нейтронов действительно имеет место, однако оно быстро затухает. А выходящий из контейнера нейтронный поток внезапно усиливается и дает два пика. По мнению экспериментаторов, именно эти нейтроны и рождаются в ходе термоядерных реакций, возникающих при коллапсе нанопузырьков. Если же опыт ставился таким образом, что первичный нейтронный импульс не запускал рождение нанопузырьков, этих пиков вообще не возникало, хотя отраженные нейтроны по-прежнему регистрировались. Талейярхан и его коллеги считают, что теперь наличие пузырькового термояда доказано вполне надежно.

И эти аргументы уже убедили многих. В частности, Ларри Крам, один из основных критиков первой статьи в Science, не только согласился с теперешними выводами былых противников, но даже придумал теоретическую модель, объясняющую появление большого числа термоядерных нейтронов - примерно десять тысяч на каждый сколлапсировавший нанопузырек. Вот как она выглядит в модифицированном виде. В результате облучения первичными нейтронами нанопузырьки рождаются не поодиночке, а скоплениями, и испускают нейтроны практически одновременно. Каждое скопление насчитывает порядка тысячи пузырьков, каждый пузырек рождает около десяти нейтронов - в сумме и получается десять тысяч.

Так что же, выходит, проблема осуществления управляемой термоядерной реакции уже решена и проект ITER можно аннулировать? Не будем торопиться. Во-первых, существование пузырькового термояда все же не доказано, хотя и выглядит куда правдоподобней, чем три года назад. Недавно руководитель отделения ядерных технологий университета Пардью Лефтери Цукалос и его коллеги повторили эксперименты группы Талейярхана и, по просочившимся в печать сведениям, подтвердили рождение трития. Эти результаты еще не опубликованы, однако профессор Цукалос намерен их доложить на конференции во Франции в октябре. Но даже если пузырьковый термояд не фикция, а реальность, миниатюрная установка Талейярхана - это еще далеко не реактор. Пока никто не может сказать, можно ли воспроизвести этот эффект в таких масштабах, которые позволят его использовать для получения энергии. Более реальна перспектива использовать подобные аппараты в качестве недорогих нейтронных генераторов, потребность в которых достаточно велика.

А почему эти опыты получили поддержку Пентагона? Конечно, надежда на создание термоядерной энергетики сама по себе достаточный стимул, но ведь пока она довольно эфемерна. Однако с помощью пузырькового термояда можно получать радиоактивный тритий, а это опасное оружие в руках террористов. Так что не исключено, что DARPA платит, чтобы убедиться в реальности или нереальности этого эффекта, военные ведь обязаны иметь заготовки на все случаи жизни.

Источники:

R.P. Taleyarkhan, J.S. Cho, S.D. West, R.T. Lahey, Jr., R.I. Nigmatulin, and R.C. Block
Additional evidence of nuclear emissions during acoustic cavitation
Physical Review E, 69, 036109 (2004)

Justin Mullins
Harnessing bubbles to trigger nuclear fusion
New Scientist, 22 January 2005