Fúze - ilustrace procesu

Prezentace na téma: "Fúze - ilustrace procesu"— Transkript prezentace:

1 Případné další zdroje energie aneb fúze trochu jinak (poněkud provokativní a velmi spekulativní)

2 Fúze - ilustrace procesu
1 eV = 1,6×10-19 J = K d + t ® 4He + n MeV

3 „Studená fúze“ - Fleischmann & Pons (I)
in 1989, Martin Fleischmann and Stanley Pons, two chemists working at the University of Utah, stunned the scientific world by announcing that they had achieved sustainable nuclear fusion the process of fusion was claimed to have been done at room temperature in an electrolytic cell. This seemed to defy all the knowledge and attempts to achieve nuclear fusion to that time. Fleischmann and Pons announced their discovery to the world via a press conference. This approach which is unconventional in terms of scientific discoveries are announced, was driven by a fear of being scooped by a competitor Steven Jones from Brigham Young University. The apparatus used by Fleischmann and Pons was quite simple. An electrochemical cell consisted of a Pd cathode linked to a Pt anode, immersed in a solution of heavy water (D2O) with added LiOD. A potential difference was applied across the electrodes from a power source causing electrolysis of the D2O. This produced O2 and D2. During this process, it is believed that D atoms are produced which are very “soluble” in the Pd electrode. The electrode was believed to “charge up” with deuterium atoms, which then react with each other in fusion reactions.

4 „Studená fúze“ - Fleischmann & Pons (II)
A number of fusion reactions involving D have been postulated. It is a system that has been studied for over 50 years and is well understood. A significant amount of energy is released from these reactions as well as large amounts of fusion products. Careful temperature measurements were made after the “charging up” period. On several occasions, the cell appeared to be producing excess heat. A simple neutron detector was also included in the Fleischmann&Pons apparatus, in order to detect the n release expected. The amount of excess heat claimed could be correlated to an expected release of neutrons. A small excess of neutrons, above backround levels, was detected, but not enough to match the energy release claimed. They also claimed that more energy was being released than what was being put in. A paper on Cold fusion was sent to the Journal of Electroanalytical Chemistry early in 1989.

5 What went wrong? Attempts to repeat the work by major, reputable laboratories, were unsuccessful (eg. M.I.T. Plasma Fusion Centre) Some other labs reported positive results (production of heat but not in a production of n and a), but several then proceeded to retract their reports More and more Laboratories began to report no excess heat, excess neutrons or fusion products. Physicists pointed out that the excess heat claimed by Fleischman and Pons (watts of heat release, although it was unclear whether these had actually ever been measured) would have led to enormous releases of neutrons which would have posed a serious health hazard to anyone near the apparatus. The enthusiasm for the new “discovery” waned quickly. Pons a Fleischman byli později také kritizováni za úpravu získaných výsledků tak, aby dokazovaly emisi gama záření, která je typická pro jadernou fúzi.

6 Muon-catalyzed fusion (μCF)
A process allowing nuclear fusion to take place at temperatures significantly lower than the temperatures required for thermonuclear fusion, even at room temperature or lower. Although it can be produced reliably with the right equipment and has been much studied, it is believed that the poor energy balance will prevent it from ever becoming a practical power source. However, if muons (μ−) could be produced more efficiently, or if they could be used as catalysts more efficiently, the energy balance might improve enough for muon-catalyzed fusion to become a practical power source.

7 μCF (II) To create this effect, a stream of negative muons, (from decaying pions), is sent to a block that may be made up of all three hydrogen isotopes, where the block is usually frozen, and the block may be at temperatures of about 3 K or so. The muon may bump the electron from one of the hydrogen isotopes. The muon, 207 times more massive than the electron, effectively shields and reduces the electromagnetic resistance between two nuclei and draws them much closer into a covalent bond than an electron can. Because the nuclei are so close, the strong nuclear force is able to kick in and bind both nuclei together. They fuse, release the catalytic muon (most of the time), The release of the catalytic muon is critical to continue the reactions. The majority of the muons continue to bond with other hydrogen isotopes and continue fusing nuclei together. However, there is a major drawback with muon-catalyzed fusion: not all of the muons are recycled, and too many bond with other debris emitted following the fusion of the nuclei (such as alpha particles and helions), removing the muons from the catalytic process. This gradually and ultimately chokes off the reactions, as there are fewer and fewer muons with which the nuclei may bond. The highest success rate achieved in the lab has been on the order of about 100 reactions or so per muon.

8 μCF (III) - problems The α-sticking problem is the approximately 1% probability of the muon "sticking" to the α particle that results from d-t nuclear fusion, thereby effectively removing the muon from the muon-catalysis process altogether. Even if muons were absolutely stable, each muon could catalyze, on average, only about 100 d-t fusions before sticking to an alpha particle, which is only about one-fifth the number of muon catalyzed d-t fusions needed for break-even, where as much thermal energy is generated as electrical energy is consumed to produce the muons in the first place. More recent measurements seem to point to more encouraging values for the α-sticking probability, finding the α-sticking probability to be about 0.5% (or perhaps even about 0.4% or 0.3%), which could mean as many as about 200 (or more) m-catalyzed d-t fusions per muon. The team led by Steven E. Jones achieved 150 d-t fusions per muon (average) at the Los Alamos Meson Physics Facility. Unfortunately, 200 (or 300) m-catalyzed d-t fusions per muon are still not quite enough even to reach break-even. Even with break-even, the conversion efficiency from thermal energy to electrical energy is only about 40% or so, further limiting viability. The best recent estimated guess of the electrical "energy cost" per m is about 6 GeV with accelerators that are (coincidentally) about 40% efficient at taking electrical energy from the alternating current (AC) mains (the plugs in the wall) and accelerating the deuterons using this electrical energy.

9 Pyroelectric fusion Technique of using pyroelectric crystals to generate high strength electrostatic fields to accelerate deuterium ions into a metal hydride target also containing deuterium (or t) with sufficient kinetic energy to cause these ions to undergo nuclear fusion. (The process of light ion acceleration using electrostatic fields and deuterium ions to produce fusion in solid deuterated targets was first demonstrated by Cockcroft and Walton in 1932 (see Cockroft-Walton generator). Indeed, the process is used today in thousands of miniaturized versions of their original accelerator, in the form of small sealed tube neutron generators, in the petroleum exploration industry.) The novel idea with the pyroelectric approach to fusion is in its application of the pyroelectric effect to generate the accelerating fields. This is done by heating the crystal from −30°C to +45°C over a period of a few minutes.

10 Pyroelectric fusion (II)
A UCLA team, headed by Brian Naranjo, conducted an experiment demonstrating the use of a pyroelectric power source for producing fusion on a laboratory bench top device in April The device used a lithium tantalate (LiTaO3) pyroelectric crystal to ionize deuterium atoms and accelerate the ions towards a stationary erbium dideuteride (ErD2) target. Around 1000 fusion reactions per second took place, each resulting in the production of an 820 keV 3He and a 2.45 MeV neutron. The team anticipated applications of the device as a neutron generator, or in microthrusters for space propulsion. A team at Rensselaer Polytechnic Institute, led by Dr. Danon and his graduate student Jeffrey Geuther, has confirmed and improved upon these experiments using a device using two pyroelectric crystals and capable of operating at non-cryogenic temperatures. Nuclear D-D fusion driven by pyroelectric crystals was proposed by Naranjo and Putterman in The possibility of using pyroelectric crystals in a neutron production device (by D-D fusion) was first proposed in a conference paper by Geuther and Danon in 2004 and later in a publication discussing electron and ion acceleration by pyroelectric crystals.

11 Sonoluminiscence (I) „zvukem vyvolaná emise fotonů“ - vzniká v některých kapalinách zvukové vlny o frekvenci typicky několik desítek kHz (minimálně okolo 100 dB) jsou přenášeny do kapaliny a v ní dávají vzniknout bublinkám Jak se tvoří bublinka? Zpočátku je její průměr několik mm, rychle expanduje na průměr až 100 mm. Vzhledem k tomu, že za těchto podmínek vzniká uvnitř bubliny vakuum, bublina se stane nestabilní a dojde k jejímu kolapsu. Bublina se opět smršťuje až na 0.5 mm! V tom okamžiku se uvolní světelný záblesk. Dá se říct, že čím silnější zvuk se použije, tím větší bublinka se vytvoří. Kromě viditelného záření se uvolňuje i velké množství ultrafialového záření. Zda se uvolní i záření o kratší vlnové délce nevíme, protože je absorbováno okolní vodou a nelze ho tudíž změřit. Pro uvolnění záblesku ve spektru ultrafialového záření je potřeba, aby teplota uvnitř bublinky dosáhla hodnoty 72000OC! Této teploty ale nelze dosáhnout prostým stlačením bublinky. Určité vysvětlení podává názor, že vzrůst teploty vyvolává tzv. rázová vlna, která vzniká vzhledem k nadzvukové rychlosti kolabování bubliny.

12

13 Sonoluminiscence (II)
Bylo vypočteno, že pokud by rázová vlna pronikla až do vzdálenosti 20 nm od středu bublinky, frontální teplota by dosáhla 1 milion K! Pokud by se podařilo rázovou vlnu "dohnat" až na vzdálenost 10 nm od středu bublinky, došlo by k termonukleární fúzi! Rázová vlna ale začíná ztrácet stabilitu už ve vzdálenosti 100 nm od středu bublinky. Podmínky pro vyvolání sonoluminiscence? Celkem úzce specifikované. Čím je voda studenější, tím větší intenzita záblesků (snížením T z 30OC na 0OC - zvýšení asi 200x). Bublinky ve vodě vytváří v ní rozpuštěný vzduch. Experimentálně bylo zjištěno, že za sonoluminiscenci je zodpovědný Ar, kterého je ve vzduchu asi 1%, a že k vyvolání sonoluministence je ho možno nahradit i He a Xe. Přitom, jak se zdá, je 1% vzácných plynů obsažených ve vzduchu optimálním množstvím pro vyvolání sonoluminiscenčního jevu. Ve vzduchu, z něhož byly vzácné plyny odstraněny, se tento jev nepodařilo vyvolat. Lze ji vyvolat i v jiných kapalinách.

14 Sonoluminiscence (III)
Sonoluminiscence vyžaduje dostatečnou hustotu energie zvuku (ani nejvýkonnější zesilovače zvuku nedosahují hustoty energie, kterou má laserový paprsek v obyčejném světelném peru). V provedených experimenech byla energie zvuku soustředěna do velmi malé oblasti, konkrétně do malých bublin v kapalině. Tato soustředěná energie ohřála plyn uvnitř bubliny a výsledkem byl krátký záblesk světla. Přeměna zvukové energie ve světelnou energii představuje soustředění energie více než 1012-krát. Výzkumníci již dlouho přemýšlejí, zda fyzikální podmínky uvnitř bubliny, zejména velmi vysoká teplota a hustota, mohou způsobit termonukleární fúzi. Sonoluminiscence dosud není zcela prozkoumaným fyzikálním jevem. Proto výzkumníci dosud nemohou vyloučit, že fyzikální podmínky uvnitř bublin skutečně mohou termonukleární fúzi vyvolat. podle teoretických odhadů nepřesáhne T K, tedy tisíckrát méně, než je teplota nutná k termonukleární fúzi (existují ale i jiné údaje o T)

15 Experiment - Taleyarkhan et al. Science 295 (2002) 1868, Phys. Rev
Experiment - Taleyarkhan et al. Science 295 (2002) 1868, Phys. Rev. E 69 (2004) bublinková fúze,či acoustic inertial confinement fusion (AICF) Řada detailů se podobá běžnému uspořádání SL experimentu Použity zvukové vlny o frekvenci 19.3 kHz (perioda 52 ms, přenos na nádobu pomocí piezoelektrického kroužku), které vysílali do skleněné láhve naplněné těžkým acetonem (dimethylketonem, (CH3)2CO)), v němž atomy H byly nahrazeny atomy D. Novou součástí experimentu byl pulsní generátor n, který synchronně se zvukovými vlnami (a frekvencí 200 s-1) ostřeloval kapalinu neutrony o energii 14.3 MeV. Výzkumníci tvrdí, že neutrony způsobily tvorbu velmi malých bublin, které vyrůstaly do relativně velkých rozměrů (z ~ 100nm na ~ 1 mm) a implodovaly za vzniku SL záblesků, v souvislosti se záblesky byla oznámena detekce významného množství tritia a důkaz emise neutronů o energii ~ 2.5 MeV - takové n mohou vznikat termonukleární fúzí jader atomů D. Experiment opakovali za stejných podmínek s normálním acetonem, při pokojové teplotě a bez zvukového generátoru a žádné T ani n nedetekovali. Poměr objemu bublinek při maximu a minimu je asi 10^12!

16 Experiment - Taleyarkhan et al.
Projevy fúze emise n s En= 2.45 MeV v koincidenci se SL záblesky Emise g s Eg= 2.2 MeV (ze záchytu termálních n protony) Přítomnost T ve výsledné kapalině

17 Experiment - Taleyarkhan et al.
Experimental setup (dimensions in cm) Images of bubble cloud

18 Experiment - Taleyarkhan et al. – výsledky
> 10 SD > 60 SD Tritium 2-3 SD Tritium – množství tritia v acetonu v závislosti na době „ozařování“. SD – standard deviation Počet detekovaných n > 25 – 50 SD

19 Experiment - Taleyarkhan et al. – výsledky
Časová závislost rozdílu detekovaných událostí pro prvních 100 ms (po neutronovém záblesku) Časový průběh rozdílu pro 0.5 – 2 ms  produkováno 1-4 x 105 n/s

20 Hlavní námitky T může vznikat i reakcí n s atomy D obsaženými v acetonu (v původní práci se předpokládalo, že veškeré detekované T pochází z fúze) v práci ve PRE provedena relativní měření s pozitivním výsledkem absolutní měření počtu vznikajících n je velice náročné - otázka zda neměřeny nějaké odražené n vedení ORNL nechalo experiment zopakovat (D. Shapira a M.J. Saltmarch) a výsledek měření počtu vznikajících n a koincidencí mezi n a záblesky ze sonoluminiscence byl negativní (Teleyarkhan tvrdí, že Shapira & Saltmarch měli špatně okalibrovanou aparaturu - zpracovali nezávisle data z měření S & S a tyto výsledky jsou prý v souhlase s Teleyarkhanovým měřením) Alespoň částečné informace o současném stavu (potvrzení - vyvrácení) lze najít např. na Wikipedii (heslo bubble fusion)

21 Hypotetická elektrárna ?
Lawsonovo kritérium je nesplnitelné I když by se kterýmkoliv z těchto způsobů podařilo dosáhnout zápalné teploty pro jadernou fúzi ve výši několika keV, stále by přetrvával problém. Množství fúzního paliva obsaženého v plynové bublině deuteria by bylo příliš malé, aby samo zpomalilo a-částice v plazmatu vznikající během fúze a přispělo tak k samoohřevu. V tradičních fúzních zařízeních (tokamaku) i při vlivu setrvačnosti (v případě mikroexploze) je tato podmínka v zásadě splněna. Při sonofúzi by proto energetická bilance (+ příspěvěk energetické složky plazmatu díky zpomalení a-částic, - příspěvěk tepelné energie ohřevu dodané ultrazvukem a ztrát v důsledku zpomalení záření) byla negativní. To znamená, že vzniká stále méně fúzní energie, než je potřebné množství ultrazvukové energie. Tím by popisované zařízení ztrácelo jakýkoliv smysl. Podmínkou pro samoohřev plazmatu uvolňovanými a-částicemi je, že u plynové bubliny součin hustoty paliva a poloměru komprimované bubliny bude činit více než  3 g.cm-2. Při nižší hodnotě a-částice neohřejí plazma, ale jen okolní vodu. Pokud by se mělo uvedené hodnoty dosáhnout, byly by zapotřebí vysoké ultrazvukové výkony, které jsou technicky nepředstavitelné.

22 (zazvonil zvonec a pohádky byl konec)
THE END (zazvonil zvonec a pohádky byl konec)

23 Sonoluminiscence

24 Například mezony-katalyzovaná fúze není využitelná pro produkci energie, protože její výtěžek je menší než energie potřebná na její uskutečnění.

25 Experiment - Taleyarkhan et al. – výsledky
Tritium – množství tritia v acetonu v závislosti na době „ozařování“. Tritium

26 V roce 1989 Dr. B. Stanley Pons a Dr
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, která je typická 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. Tato situace se možná dnes překvapivě opakuje v nové podobě. Tým vědců předložil důkaz jaderné fúze jader deuteria ve stolním přístroji v Národní laboratoři v Oak Ridge (Taleyarkhan et al., Science, 8. března 2002), avšak jiní vědci (včetně jiné skupiny v Oak Ridge) vyslovili vážné námitky proti platnosti tohoto výsledku. Výzkumníci Taleyrkhanovy skupiny (tým z Oak Rige, Rennseleaer Polytechnic Institute a Ruské akademie věd) použili sonoluminiscenci, kdy silnými zvukovými vlnami rozrušili jednu nebo více bublin v nádobě s kapalinou. Při zániku těchto bublin vznikají velmi krátké záblesky světla. Sonoluminiscence je fyzikální proces přeměny zvuku ve světlo, který vyžaduje dostatečnou hustotu energie zvuku. Dokonce ani nejvýkonnější zesilovače zvuku nedosahují hustoty energie, kterou má laserový paprsek v obyčejném světelném peru. V provedených experimenech hustota byla energie zvuku soustředěna do velmi malé oblasti, konkrétně do malých bublin v kapalině. Tato soustředěná energie ohřála plyn uvnitř bubliny a výsledkem byl krátký záblesk světla. Přeměna zvukové energie ve světelnou energii představuje soustředění energie více než 10^12 krát. Výzkumníci již dlouho přemýšlejí, zda fyzikální podmínky uvnitř bubliny, zejména velmi vysoká teplota a hustota, mohou způsobit termonukleární fúzi. Sonoluminiscence dosud není zcela prozkoumaným fyzikálním jevem. Proto výzkumníci dosud nemohou vyloučit, že fyzikální podmínky uvnitř bublin skutečně mohou termonukleární fúzi vyvolat. Přední teoretik v oboru sonoluminiscence William Moss z Národní laboratoře Lawrence Livermora ale tvrdí, že typická teplota při sonoluminiscenci podle teoretických odhadů nepřesáhne Kelvinů, tedy tisíckrát méně, než je teplota nutná k termonukleární fúzi. V nově oznámeném experimentu se řada detailů podobá běžnému uspořádání sonoluminiscenčního experimentu. Výzkumníci použili zvukové vlny o kmitočtu 19,3 kHz, které vysílali do skleněné láhve naplněné těžkým acetonem (dimethylketonem, (CH_3)_2 CO)), jehož atomy vodíku byly nahrazeny atomy deuteria. Novou součástí experimentu byl pulsní generátor neutronů, který synchronně se zvukovými vlnami ostřeloval kapalinu neutrony o energii 14,3 MeV. Výzkumníci tvrdí, že neutrony způsobily tvorbu velmi malých bublin, které vyrůstaly do relativně velkých rozměrů a nakonec explodovaly za vzniku krátkých světelných záblesků. V souvislosti se světelnými záblesky výzkumníci oznámili detekci významného množství tritia a důkaz emise neutronů o energii 2,5 MeV. Takové neutrony mohou vznikat termonukleární fúzí jader atomů deuteria. Experiment opakovali za stejných podmínek s normálním acetonem a žádné tritium ani neutrony nedetekovali. Jiný výzkumný tým v Národní laboratoři v Oak Ridge, jehož členy byli D. Shapira a M.J. Saltmarsh, se pokusili experiment zopakovat. Použili však větší detektor neutronů a gama záření. Použili také propracovanější systém získávání měření (viz [X2]). Výsledky jejich experimentů ukázaly, že tok neutronů a gama záření vzrostl o 1% při vzniku bublin působením zvukových vln v porovnání se situací, kdy zvukové vlny nebyly použity. Tým ale nenalezl předpokládané zvětšení množství tritia, potvrzující termonukleární fúzi jader deuteria. Tým také nepozoroval žádnou emisi neutronů nebo gama záření, která by doprovázela světelné záblesky. Řada dalších výzkumníků po prostudování článku v časopise Science vyslovila vážné pochybnosti o platnosti výsledků. Podle Mosse klíčovým výsledkem je maximum emise neutronů o energii 2,5 MeV. Pokud zjištěné neutrony mají být termonukleárního původu, pak jejich největší počet musí mít energií 2,5 MeV. Vznik tritia není dostatečným důkazem, protože lze obtížně určit jeho zdroj. William Moss proto odmítá závěr článku. Neobyčejná tvrzení totiž vyžadují jednoznačná data, která v článku nebyla nabídnuta. Zatím nelze termonukleární vznik neutronů během sonoluminiscence zcela vyloučit, ale získaná data tento závěr dostatečně neprokazují. Seth Putterman z Kalifornské univerzity v Los Angeles (UCLA), který je předním experimentátorem v oboru sonoluminiscence, poukazuje na závěr autorů článku, že počet neutronů, které během sonoluminiscence vznikly, k počtu neutronů, které do oblasti byly vysílány, byl v poměru 1000 ku 1. Putterman tvrdí, že tato data mohou být důsledkem zachycení celého spektra neutronů ze zdroje a nikoliv pouze z oblasti, v níž proběhla sonoluminiscence. Dále poukazuje na fakt, že žádný jiný článek vznik neutronů během sonoluminiscence nepotvrdil. Autoři článku v časopisu Science vyzvali další výzkumníky, aby se pokusili jejich experimenty reprodukovat. Autoři dále tvrdili, že znovu analyzovali data D. Shapiry a M.J. Saltmarshe a zjistili, že tyto výsledky jsou v souladu s představou sonofúze a jsou nezávislým potvrzením jejich rozporných výsledků [X3]. Seth Putterman a William Moss jsou však přesvědčeni, že experiment Taleyarkhanova týmu neřeší otázku, zda akustické pulsy mohou vyvolat termojadernou fúzi. Putterman tvrdí, že tento experiment není průkazný. Průkopník sonoluminiscence Lawrence Crum z Washingtonské univerzity k tomu dodává, že by šlo o velmi významný výsledek, pokud by se prokázalo, že mechanický systém může vyvolat jadernou reakci. Současně však tvrdí, že je velmi skeptický, neboť výsledky Taleyarkhanova týmu se nepodařilo zopakovat. Putterman ale dodává, že tyto výsledky mohou být natolik motivující, že se touto cestou vydají další týmy. Literatura a odkazy: [I1] From: (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 579. March 5, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon. [X1] Cold Fusion Research. November A Report of Energy Research Advisory Board to the United States Department of Energy. DOE/S-0073 DE [X2] D. Shapira a M.J. Saltmarsh [X3] Taleyarkhan et al.

27 SONOLUMINISCENCE Hifi souprava, láhev vody a termonukleární fůze? Tato kombinace slov vyvolává jistě úsměv na tvářích mnoha lidí, ale … Ve třicátých letech fyzikové Schultes a Frentzel působící na univerzitě v Kolíně nad Rýnem narazili na zajímavý fyzikální jev. Když působili zvukovými vlnami na nádobu s vodou, začaly se ve vodě tvořit bublinky a slabé světelné záblesky. Aniž by tehdy došlo k objasnění tohoto jevu, byly další experimenty odloženy nebo zrušeny (a nebo snad tehdejší nacistické laboratoře pokračovaly dál v objasňování tohoto jevu? s jakým úspěchem? k čemu chtěli využít tento jev?). Aktualizace záhad sonoluminiscence spadá až do poloviny osmdesátých let. Tehdy v Los Angeles na kalifornské univerzitě působil Seth Putterman. Doslechl se (prý při obědě) o fenoménu sonoluminiscence a začal s ní experimentovat. Zjistil, že chce-li vyvolat sonoluminiscenci, je potřeba, aby na vodu působil zvukem o síle 110 decibelů. Záblesk trvá 50 pikosekund. A jak se tvoří bublinka? Zpočátku je její průměr několik mikrometrů, rychle expanduje na průměr až 50 mikrometrů. Vzhledem k tomu, že za těchto podmínek vzniká uvnitř bubliny vakuum, bublina se stane nestabilní a dojde k jejímu kolapsu. Bublina se opět smršťuje na 0,5 mikrometrů! A v tom okamžiku se uvolní světelný záblesk. Dá se říct, že čím silnější zvuk se použije, tím větší bublinka se vytvoří. Kromě viditelného záření se uvolňuje i velké množství ultrafialového záření. Zda se uvolní i záření o kratší vlnové délce nevíme, protože je absorbováno okolní vodou a nelze tudíž změřit. Výpočtem bylo zjištěno, že pro uvolnění záblesku ve spektru ultrafialového záření je potřeba, aby teplota uvnitř bublinky dosáhla hodnoty 72000OC! Této teploty ale nelze dosáhnout prostým stlačením bublinky. Určité vysvětlení podává názor, že vzrůst teploty vyvolává tzv. rázová vlna, která vzniká vzhledem k nadzvukové rychlosti kolabování bubliny. Také bylo vypočteno, že pokud by rázová vlna pronikla až do vzdálenosti 20 nanometrů od středu bublinky, frontální teplota by dosáhla 1 milion Kelvinů! A pokud by se podařilo rázovou vlnu "dohnat" až na vzdálenost 10 nanometrů od středu bublinky, došlo by k termonukleární fúzi! Rázová vlna ale začíná ztrácet stabilitu už ve vzdálenosti 100 nanometrů od středu bublinky. A podmínky pro vyvolání sonoluminiscence? Celkem úzce specifikované. Čím je voda studenější, tím větší intenzita záblesků (snížením teploty z 30OC na 0OC - zvýšení asi 200 krát). Bublinky ve vodě vytváří v ní rozpuštěný vzduch. Experimentálně bylo zjištěno, že za sonoluminiscenci je zodpovědný argon, kterého je ve vzduchu asi 1%, a že k vyvolání sonoluministence je ho možno nahradit i heliem a xenonem. Přitom, jak se zdá,je 1% vzácných plynů obsažených ve vzduchu optimálním množstvím pro vyvolání sonoluminiscenčního jevu. Ve vzduchu, z něhož byly vzácné plyny odstraněny, se tento jev nepodařilo vyvolat. Doufejme, že další výzkumy přinesou objasnění tohoto fascinujícího fenoménu.

28 V domácí vodoinstalaci někdy poklesne tlak vody a v části potrubí se dočasně vytvoří vakuum. Jeho důsledkem je rázová vlna, která prudce otřese potrubím. Tento jev můžeme pozorovat při dočasném přerušení dodávky teplé vody. Akustická kavitace Tento jev není dosud dostatečně objasněn, třebaže často jde o jednoduchý fyzikální systém. Dosavadní výklad generování světla vychází z toho, že ultrazvukové pole vytváří ve vodě postupující vlny střídavě zhuštěných a zředěných vodních zón. Šíření zvuku v kapalině se děje formou podélných vln. Vzduchová bublinka ve zředěné (podtlakové) zóně tudíž expanduje a následně (v přetlakovém poli) imploduje na zlomek své původní velikosti. Jelikož je tento děj velice rychlý, proběhne adiabaticky, tj. bez výměny tepla s vodou. Plyn se proto při kompresi zahřeje podle stavové rovnice plynu. Teplota, která se přitom dosáhne, bude zřejmě vyšší než oC, takže u horkého plynu dojde k vybuzení světelných jevů. Při frekvenci ultrazvuku 40 kHz tak vznikne (při popisovaném druhu akusticky indukované kavitace) světelných záblesků za sekundu, které se vnímají jako světla ve vodě. Adiabatický ohřev Dávno je také znám adiabatický ohřev. Lze jej pocítit kupř. na zahřívající se pumpě k jízdnímu kolu. U pneumatických zapalovačů se tento efekt využívá ke zvýšení teploty až na zápalnou hranici (bez kaménků): jestliže se objem vzduchu prudce stlačí na desetinu objemu, ohřeje se obsažený vzduch z pokojové teploty přibližně na 462oC. Při takových dějích má důležitou úlohu tzv. isentropický exponent, což je poměr mezi hodnotami měrného tepla při konstantním tlaku a objemu cp/cv. Cesta k sonofúzi Pokud by se sonoluminiscence měla aplikovat k iniciování procesů jaderné fúze, pak teplota oC nestačí. Jestliže by plynové bublinky rozpuštěné ve vodě tvořily směs plynného deuteria (D2) a tritia (T3), byla by zapotřebí teplota 100 milionů stupňů Celsia. K dosažení tak velkého adiabatického ohřevu by byly nutné extrémně vysoké amplitudy tlaku. Při absenci magnetických polí vzniká také problém, jak horké plazma izolovat od vodních stěn. Pomocí fokusace zvuku (kupř. akustickými čočkami) by se ovšem amplitudy zvuku mohly zesílit natolik, že by se dosáhlo podmínek vhodných pro fúzi. V tomto smyslu se také argumentuje o možné cestě k tzv. sonofúzi. Lawsonovo kritérium je nesplnitelné I když by se kterýmkoliv z těchto způsobů podařilo dosáhnout zápalné teploty pro jadernou fúzi ve výši několika keV, stále by přetrvával rozhodující problém. Množství fúzního paliva obsaženého v plynové bublině deuteria by bylo příliš malé, aby samo zpomalilo alfa-částice v plazmatu vznikající během fúze a přispělo tak k samoohřevu. V tradičních fúzních zařízeních (kupř. Tokamaku) i při vlivu setrvačnosti (v případě mikroexploze) je tato podmínka v zásadě splněna. Při sonofúzi by proto energetická bilance (skládá se z pozitivního příspěvku energetické složky plazmatu prostřednictvím zpomalení alfa-částic, z negativního příspěvku tepelné energie ohřevu dodané ultrazvukem a ze ztrát v důsledku zpomalení záření) byla negativní. To znamená, že vzniká stále méně fúzní energie, než je potřebné množství ultrazvukové energie. Tím by popisované zařízení ztrácelo jakýkoliv smysl. Podmínkou pro samoohřev plazmatu uvolňovanými alfa-částicemi je, že u plynové bubliny součin hustoty paliva a poloměru komprimované bubliny bude činit více než cca 3 g.cm-2. Při nižší hodnotě alfa-částice neohřejí plazma, ale jen okolní vodu. Pokud by se mělo uvedené hodnoty dosáhnout, byly by zapotřebí vysoké ultrazvukové výkony, které jsou technicky nepředstavitelné. Základní myšlenka sonofúze - rozdělit určité množství fúzního paliva na mnoho malých objemů a tyto objemy současně, avšak odděleně ohřívat - vede do slepé uličky. Bezpečný projekt Reálné "zapálení" jaderné syntézy je tedy ještě daleko. Termonukleární elektrárna bude mít ovšem mnoho výhod. Hlavně jde o inherentně (tj. z vlastního principu) bezpečný projekt: v případě poruchy stačí vypojit přívod proudu do cívek formujících magnetické pole a reakce okamžitě vyhasne. Mimoto má Země pro jadernou syntézu prakticky nevyčerpatelné množství paliva. A konečně výstupem jaderných reakcí je neaktivní helium. Nevzniká tedy nebezpečný odpad.

29 Cold Fusion -Pons & Fleischman Style
To: "Radsafe" Subject: Cold Fusion -Pons & Fleischman Style From: "H.B. Knowles" Date: Tue, 15 Aug :54: The major problems with Cold Fusion, University of Utah-Chemistry style , were the following: I. Theoretical: a. Basic Concept The original idea being pushed by Profs. Pons and Fleischman was that a block of Palladium could be electrochemically "stuffed" with Deuterium to such an exrtent that the barrier leakage between deuterium ions would cause the formation of a He-4 + energy. Now the wave function of the neutron-proton separation in a deuteron is an exponential with an exponential decay length of (according to my notes ) 4.17 x E-12 cm It is simple to estimate from this value what the average deuteron-to-deuteron distance would have to be to produce any significant heat, and find a loading of deuterium many orders of magnitude greater than what a Pd structure could maintain without rupture. So their basic explanation is nonsense b. Reaction and Hazard Something else that is wrong is their nuclear physics. The reaction suggested has never been observed (they were talking about "an entirely new kind of nuclear physics", and boy, was it!). The observed reactions are: D + D > T + P and D + D > He-3 + N which occur in about equal proportions. The He-4 formation would necessitate a gamma emission, which is at least two orders of magnitude less probable than either of these, because it is an electromagnetic-force driven reaction. So if real nuclear physics occurs (as I postulate) every second cold fusion reaction produces a fast neutron, and, at the rate P & F claimed it occurred, anyone in the same room for a couple of hours would have been fried by the neutron flux, and DOA. They asserted that they had spent hours together in the same room with the "reaction", a few feet away. II Exprimental No one could (as stated) really replicate the effect. I will quote myself, teaching nuclear physics to a class of seniors:"Neutrons are very difficult to count when you want to count them, and very easy to count when you don't want to count them." After the first announcement, a lot of chemists and engineers (and maybe theologians) went to the local physics department and borrowed neutron counters and tried to replicate the results, not realizing how tricky such counters can be. There is some testimony to this effect in other letters. III Political a. When P & F announced their discovery, they used a press conference. (not a letter to Phys Rev or other acceptable venue.) b. When asked several questions , such as what kind of Palladium they used, they refused to answer. This is not open science, but witchcraft. c. Most damning, as far as I was concerned, was that reaction of a Professor Jones (?) at BYU, who had been collaborating with P & F for some time. Weeks before the afore-mentioned press conference, Jones withdrew from the collaboration, and published a hastily thrown-together paper including a lot of similar phenomena, but mostly based on geological pressures that might have, for example, produced a tiny excess of tritium over natural abundance in the gases which came out of volcanos.( Observed) It was not as good a paper as might have been possible, given more time, but it was clear that he had rushed it to dissociate himself from the U Utah pair. This fragmentary work sort of validates Schwinger's suggestion about low-level cold fusion. Comment The continuing fascination of people with cold fusion is understandable: it is something for nothing. This is why industrial firms, all of whom worship only the bottom line and really do not want to believe the results that hard science produces, especially if the latter deny the prospect of a free lunch. I know of three or four industries (bet there are more) who, have tried to make cold fusion work, enlisting the support of (former)scientists who are trying to make a big hit with management. A guy was blown through a wall and thoroughly killed a few years ago in pursuit of this pot of gold. I always get a bit defensive about cold fusion, because I was completing my doctoral thesis out of Luie Alvarez' office when the first fusion of a proton plus a deuteron was discovered in a bubble chamber exposed to negative muons. Having just spent a lot of time correcting particle ranges from the existing calculations and data, I stated that the ejected muons of "anomalous range" were simply the results of poorly understood range-energy correlations. In this simpleminded manner, I missed the chance to be one of the 25 or so persons who reported the cold fusion process in Phys Rev. Letters. The annoying thing was that I had all the data to have discovered it myself. H.B. Knowles, PhD, Physics Consulting 4030 Hillcrest Rd, El Sobrante, CA Phone (510) Fax (510) < ************************************************************************ The RADSAFE Frequently Asked Questions list, archives and subscription information can be accessed at