Studená jaderná fúze - omyl ve vědě

Studená jaderná fúze je spekulativním neprokázaným procesem, při němž se má uvolňovat jaderná energie ve formě tepla jadernou fúzí jader deuteria při "pokojové" teplotě. Jaderná fúze, při níž dochází ke slučování atomových jader lehkých prvků vyžaduje extrémně vysoké teploty, které se vyskytují v nitrech hvězd nebo ve vodíkové bombě zažehnuté atomovou bombou.

V roce 1989 Dr. B. Stanley Pons a Dr. Martin Fleischmann, chemikové z Univerzity v Utahu, oznámili, že v experimentu prováděném za "pokojové" teploty s využitím elektrod z palladia a platiny ponořených do těžké vody (oxidu deuteria) vznikal přebytek tepla a vedlejší produkty, které naznačovaly průběh jaderné fúze. Snahy opakovat tento experiment vedly k rozporným výsledkům. Několik zpráv o experimentálním potvrzení bylo později odvoláno. Pons a Fleischmann byly poději kritizováni za úpravu získaných výsledků tak, aby dokazovaly emisi gama záření, které je typické pro jadernou fúzi. Výzkum možnosti studené jaderné fúze přesto nějakou dobu ještě pokračoval kvůli zajímavým avšak neprůkazným výsledkům a kvůli lákavé možnosti vyrábět relativně čistou energii při běžných teplotách.

Zájem o studenou jadernou fúzi vyvolala zpráva v březnu roku 1989, podle níž Dr. Stanley Pons a Dr. Martin Fleischmann z Univerzity v Utahu při experimentech s elektrolýzou těžké vody D2O změřili přebytek tepla, který bylo možno vysvětlit pouze jaderným procesem. Dr. Steven Jones z Brigham Young University sice nezjistil žádný přebytek tepla, ale tvrdil, že pozoroval emisi neutronů, která indikuje jaderný proces. Tato tvrzení byla značně překvapivá kvůli jednoduchosti zařízení, která byla při experimentech použita. Celé zařízení se skládalo z dvojice elektrod připojených na baterii a ponořených do roztoku těžké vody.

Nestalo se tak poprvé, kdy bylo oznámeno pozorování jaderná fúze při experimentech s elektrolýzou. Nejstarší zpráva pochází z konce 20. let 20. století. Později však byla odvolána. Již několik hodin po oznámení studené jaderné fúze Dr. Jonesem a Dr. Fleischmannem se někteří vědci pokoušeli experiment ve své laboratoři zopakovat. Odhaduje se, že ve Spojených státech se vynaložilo několik desítek miliónů dolarů na experimenty se studenou jadernou fúzí.

Počáteční nadšení a následné pochybnosti, které provázely experimenty se studenou jadernou fúzí, lze pochopit, pokud si objasníme podstatu procesu jaderné fúze.

Nadšení pochází především z možnosti produkce tepla studenou jadernou fúzí a tím možnosti nového čistého zdroje energie. Navíc se deuterium v přírodě poměrně hojně vyskytuje. Známé reakce jaderné fúze s isotopy vodíku jsou popsány v následující tabulce.

reakce: D + D --> 3He + n
uvolněná energie (MeV): 3,27
počet reakcí za sekundu na 1 W energie: 1,90.10l2

reakce: D + D --> T + p
uvolněná energie (MeV): 4,03
počet reakcí za sekundu na 1 W energie: 1,54.10l2

reakce: D + D --> 4He + gama
uvolněná energie (MeV): 23,85
počet reakcí za sekundu na 1 W energie: 2,61.1011

reakce: D + T --> 4He + n
uvolněná energie (MeV): 17,59
počet reakcí za sekundu na 1 W energie: 3,53.1011

reakce: p + D --> 3He + gama
uvolněná energie (MeV): 5,49
počet reakcí za sekundu na 1 W energie: 1,13.1012

reakce: p + T --> 4He + gama
uvolněná energie (MeV): 19,81
počet reakcí za sekundu na 1 W energie: 3,14.1011


Všechny tyto jaderné reakce produkují miliónkrát více energie než jakékoliv chemické reakce. Jednoduchá metoda získávání takové energie by byla klíčovým objevem. Naše civilizace bude v dohledné době citelně trpět nedostatkem energie a provoz jaderných elektráren naráží na odpor veřejnosti nejen kvůli možnému nebezpečí ale především kvůli nebezpečnému radioaktivnímu odpadu.

Některé výzkumné skupiny sice potvrdily pozorování nadbytku tepla, ale většina z nich dospěla k rozporným závěrům. Tvrzení o nadbytku tepla vycházelo většinou z obtížných kalorimetrických měření. Většina laboratoří při experimentech neobjevila množství tepla, které by přesahovalo množství tepla vznikající při běžné elektrolýze vody. Žádné výsledky nepodaly dostatečný důkaz ve prospěch hypotézy studené jaderné fúze.

Dalším důvodem pro vážné pochybnosti byl nesoulad mezi tvrzením o nadbytku tepla a tím, že nebyly pozorovány žádné produkty předpokládanné jaderné fúze. Jak je vidět z předchozí tabulky, mělo by být pozorováno buď tritium (jehož jádro obsahuje jeden proton a dva neutrony) nebo isotopy hélia (dva protony a dva neutrony nebo dva protony a jeden neutron). Mezi produkcí tepla a množstvím tritia nebo hélia existuje vysoká korelace.

Jak dále plyne z předchozí tabulky, pokud byl pozorován vznik tepla o výkonu 1 wattu, pak by muselo vznikat asi 1012 atomů za sekundu při reakci s produkcí tritia nebo hélia. Konečně při reakci s produkcí tritia nebo hélia by měla být pozorována emise neutronů, protonů nebo gama záření o energii několika MeV. Takové částice by byly snadněji měřitelné než vzniklé teplo. Protony lze pozorovat přímo nebo pomocí vznikajícího gama záření.

Původní oznámení Dr. Ponse a Dr. Fleischmanna v březnu 1989 obsahovalo právě tento rozpor mezi množstvím tepla a pozorovanou emisí záření. Konkrétně množství pozorovaných neutronů bylo asi 109 krát menší než by muselo vzniknou při jaderné fúzi, aby bylo možno vysvětlit pozorované množství tepla jadernou fúzí.

Přetrvávání tohoto zásadního rozporu ve všech následných experimentech vedlo k různým vysvětlením, proč produkty jaderné fúze nejsou pozorovány. Například jedna z hypotéz tvrdila, že v pevném tělese se energie jaderné fúze šíří vibracemi kovové mřížky a proto není pozorováno žádné záření. Žádná hypotéza ale nedokázala vysvětlit nepřítomnost hélia nebo tritia. Hélium by mělo vznikat asi v polovině všech možných reakcí. Proto některé elektrody z experimentů se studenou jadernou fúzí byly testovány na přítomnost hélia, ale žádné průkazné výsledky nebyly oznámeny. Množství pozorovaného tritia bylo příliš malé, aby vysvětlilo množství uvolněného tepla předpokládanou jadernou fúzí.

Třetí pochybnost vycházela z faktu, že studenou jadernou fúzi nepředpovídala žádná existující teorie. Reakce jaderné fúze byly studovány řadu let předtím jako možný zdroj energie. Energie z jaderné fúze se uvolňuje při velmi vysokých teplotách miliónů Kelvinů, jaké se vyskytují v nitrech hvězd. Tento poznatek byl ověřen vývojem termojaderné vodíkové bomby. V roce 1929, několik let před pvním pozorováním jaderné fúze v laboratoři, Atkinson a Houtermans přišli s teorií, že jaderná fúze je zdrojem záření Slunce.

Při jaderné fúzi se musí jádra deuteria dostat těsně k sobě. Jádra deuteria mají kladný elektrický náboj, který je navzájem odpuzuje. Normálně se nacházejí ve vzdálenosti asi 0,1 nm, což je příliš velká vzdálenost na vznik jaderné fúze. Při vysokých teplotách mají atomy dostatečnou rychlost, aby překonaly vzájemné odpuzování a mohlo dojít k jaderné fúzi. Jakmile je dosaženo teploty několika miliónů Kelvinů, dojde k prudké termojaderné reakci.

Jaderná fúze byla pozorována v laboratoři v experimentech, při nichž byly deuterony urychlovány v urychlovači na dostatečně vysoké rychlosti. Tuto metodu ale nelze využít k výrobě energie, protože urychlená jádra se vzájemnými srážkami rychle zpomalují, aniž dojde k jaderné fúzi. Proto se pozornost vědců soustředila na vytvoření podmínek jako v nitrech hvězd.

Myšlenka, že palladium nebo titan mohou katalyzovat jadernou fúzi vychází ze zvláštní schopnosti těchto kovů absorbovat velké množství vodíku nebo deuteria. Tato hypotéza předpokládá, že atomy deuteria se tak dostanou dostatečně blízko k sobě, aby mohlo dojít k zažehnutí studené jaderné fúze. Zvláštní schopnost palladia absorbovat vodík byla objevena v 19. století. Koncem 19. století dva němečtí vědci F. Paneth a K. Peters oznámili přeměnu atomů vodíku v atomy hélia spontánní jadernou katalýzou, když byl vodík absorbován v palladiu při pokojové teplotě. Autoři později své oznámení odvolali, když zjistili, že zjištěné hélium pochází ze vzduchu.

V roce 1927 švédský vědec J. Tandberg tvrdil, že pozoroval jadernou fúzi atomů vodíku na hélium při elektrolýze, v níž použil elektrody z palladia. Na základě jeho práce byl vydán švédský patent "metody produkce hélia a využitelné energie z této reakce". Poté, co v roce 1932 bylo objeveno deuterium, Tandberg pokračoval v experimetnech s těžkou vodou D2O. Kvůli odvolání výsledků Panethem a Petersem byl Tandbergův patent zamítnut.

Přestože palladium je schopno absorbovat velké množství deuteria, atomy deuteria jsou od sebe příliš daleko na to, aby mohlo podle běžných teorií dojít k jaderné fúzi. Atomy deuteria jsou v tomto případě od sebe vzdáleny více než v molekulách plynu D2, v němž k jaderné fúzi nedochází. Nejmenší vzdálenost mezi atomy deuteria v palladiu je přibližně 1,7.10-1 nm, kdežto v molekule deuteria je vzdálenost atomů asi 0,74.10-1 nm.

Vzdálenost mezi atomy deuteria pro vznik jaderné fúze vychází z kvantově mechanického jevu tunelování. Ve větší než kritické vzdálenosti je velmi nízká pravděpodobnost, že dojde ke sloučení atomových jader. Podle některých teoretických výpočtů by vzdálenost mezi atomy deuteria musela dosahovat 1/10 normální vzdálenosti, aby v kovovém palladiu saturovaném deuteriem mohla vzniknout měřitelná jaderná fúze. Aby se pevné těleso zkrátilo na desetinu svých původních rozměrů, musí dojít ke zmenšení objemu na jednu tisícinu původního objemu, což vyžaduje enormní tlak. Efektivní "tlak" vázaných atomů v kovech je o několik řádů menší.

Tyto teoretické závěry lze použít jak na pozorovaný nadbytek tepla tak na měřitelnou emisi neutronů pozorovanou při pokusech s elektrolýzou těžké vody. Pozorované množství neutronů odpovídá toku 0,1 neutronu za sekundu, což je asi 1012 krát méně, než je nutné pro vysvětlení odpovídajícího množství tepla.

Někdy se pod pojmem studené jaderné fúze chápe dnes dobře známý a opakovatelný proces katalýzy mionů. Miony byly poprvé pozorovány v kosmickém záření ve 40. letech 20. století. Miony jsou částice o hmotnosti zhruba 207 krát vyšší než je hmotnost elektronu. Při katalýze mionů těžké záporně nabité miony se chovají jako těžký elektron v chemické vazbě mezi jádry deuteria. Tato vazba mezi jádry deuteria je těsnější a může dojít k jaderné fúzi. Dnes víme, že mionová katalýza nemůže vést k produkci energie kvůli nedostatečné produkci mionů v řetězové reakci.

Někteří výzkumníci se domnívali, že produkty jaderných fúzí při nízkých energiích lze pozorovat v přírodních geologických procesech. Poměr isotopů hélia 3He:4He je anomálně vysoký při těkavých emisích z velmi hlubokých vulkánů, jaké se vyskytují na Havajských ostrovech, v Grónsku a Yellowstoneském národním parku. Některá měření vykazují také anomální množství tritia a některé další radioaktivní isotopy, jako je chlór 36Cl. Ačkoliv vysoké hodnoty isotopu hélia 3He byly již dříve považovány za relikty procesů v geologicky dávné minulosti Země, vysoké množství tritia nebo isotopu chlóru 36Cl (po odečtení hodnot z testů jaderných zbraní) by mohlo být důkazem přírodních procesů studené jaderné fúze uvnitř Země. Pokud by takové procesy skutečně existovaly, bylo by možno objasnit některé závažné geofyzikální problémy, jako je tok tepla v tělese Země, rozdělení chemických prvků s rostoucí hloubkou a složení zemského jádra.

Podle geochemiků některé isotopy nelze vysvětlit přírodní studenou jadernou fúzí. Na druhé straně některé univerzitní laboratoře hledaly důkazy takových procesů jaderné fúze v emisi vulkanických plynů nezávisle na laboratorních experimentech se studenou jadernou fúzí.

Všechny dosud provedené experimenty neprokázaly očekávané produkty studené jaderné fúze. Změřené hodnoty jsou o mnoho řádů nižší než očekávané hodnoty na základě množství tepla vzniklého elektrolýzou. V řadě experimentů nebyly objeveny žádné produkty jaderné fúze, někteří výzkumníci oznámili pozorování neutronů nebo tritia v množství mnohem menším, než jaké by mělo vznikat v procesech studené jaderné fúze. Navíc některé výsledky měření produktů jaderné fúze jsou nekonzistentní.

Někteří výzkumníci oznámili pozorování výtrysků neutronů, ale jejich experimenty se nepodařilo zopakovat jinými výzkumníky. Některé mechanismy mohou produkovat slabé výtrysky horké jaderné fúze (způsobené vnitřními poli s vysokým napětím při určitých teplotách nebo deformace materiálu), ale nelze je jednoznačně prokázat.

Pokud by existoval proces studené jaderné fúze, pak by vyžadoval:

a) >značně vysoké pronikání kvantově mechanickou bariérou, které by muselo být potvrzeno měřením (při studiu spontánního štěpení, při studiu poločasu rozpadu alfa radioaktivity a při studiu účinného průřezu některých reakcí)

b) drastickou modifikaci štěpných poměrů jaderné fúze dvou jader deuteria

c) pokud takové procesy vedou ke vzniku isotopu hélia 4He, vysvětlení přenosu tepla a případně dosud neobjevených jaderných procesů.

Obecně všechny nové vědecké objevy musí být konzistentní a musí být reprodukovatelné. Pokud experimenty nejsou příliš komplikované, lze fyzikální objev potvrdit nebo vyvrátit během několika měsíců. Hypotéza studené jaderné fúze se od počátku potýkala ze zásadními problémy nekonzistence a neopakovatelnosti experimentálních výsledků. Někteří výzkumníci tvrdili, že problém spočíval v uspořádání experimentů. Studenou jadernou fúzi navíc nepodporovala konzistentní teorie, která by nebyla s ostatními teoriemi v rozporu.

Pokud studená jaderná fúze skutečně existuje, musí za ní stát zcela nové jaderné procesy, které dosud nebyly objeveny a ani nevyplývají z žádné současné teorie.

Zdroj: ELTECKO´s web

zpět na úvodní stránku