Projekt fúzního reaktoru Dynomak a jeho ekonomika
Než se však budu podrobněji věnovat zařízení E-Cat, dovolím si komentovat článek o zařízení Dynomak. V tomto případě jde o využití klasické termojaderné fúze a zařízení nepopírá známé fyzikální zákony a naše znalosti. Na druhé straně ovšem není vyřešena řada technologických problémů, které jsou s využitím termojaderné fúze spojeny.
Není vyřešen problém převodu energie uvolněné ve fúzi na energii tepelnou. Velkou její část budou odnášet neutrony s vysokou kinetickou energii. Je potřeba mít vhodné materiály, které neutrony zpomalí a dokáží vydržet intenzivní neutronové pole. Dalším důležitým problémem, který dosud není vyřešen, je produkce paliva. Kromě deuteria se potřebuje i tritium. To by se mělo vyrábět z lithia právě ozařováním intenzivními toky neutronů vznikajícími ve fúzním reaktoru. Jak bude vypadat blanket s lithiem a manipulace s tritiem je pořád otevřený problém. O tom, jaká bude ekonomika termojaderných reaktorů nelze vůbec nic říci, dokud nevíme, z jakých materiálů budou všechny jeho komponenty, jak bude vypadat palivový cyklus a jaká bude životnost jednotlivých materiálů i komponent.
Projekt Dynomaku počítá s využitím produkce magnetického pole proudy v plazmě, která by v principu mohla zmenšit nároky na konstrukci a materiály. Má představu, že by mohl využívat blanket obsahující tekuté soli s lithiem (FLiBe), který by tvořil první chladící vrstvu a zároveň by neutrony moderoval a produkoval tritium. Všechny komponenty předpokládá konstruovat na základě současných technologií. Problém ovšem je, že dokud neexistuje ani prototyp takového zařízení, je nemožné získat reálné představy o životnosti, efektivitě i ceně reálné komerční elektrárny. Stačí si vzpomenout na řadu projektů klasických elektráren a rozdílů mezi odhadem a konečnou reálnou cenou. V současné době jsou libovolné ekonomické odhady u termojaderných elektráren úplně na vodě a psány v duchu přístupu „papír snese všechno“. Dokud nebude stát demonstrační prototyp termojaderné elektrárny na úrovni předpokládaného projektu DEMO, nejsou žádné, alespoň trochu realistické, ekonomické odhady v této oblasti možné. Podrobněji o cestě k termojaderné fúzi zde, zde a zde.
Studená fúze – projekt E-Cat
Na rozdíl od projektu Dynomak je situace s projektem E-Cat diametrálně odlišná. V daném případě je „fungování“ zařízení v rozporu s fyzikálními zákony, které známe. U zařízení E-Cat je pozadí také velmi odlišné od původních experimentů se studenou fúzí Martina Fleischmanna a Stanleye Ponse. Experimenty na přelomu osmdesátých a devadesátých let vedly k velmi malé produkci tepelné energie, která se schovala v systematických a statistických nejistotách měření. Stejně tak tomu bylo při zdánlivém pozorování některých produktů jaderných reakcí či emise záření. Hlavně systematickými nejistotami tak bylo možné vysvětlit tato měření poté, když přesnější a pečlivěji provedené experimenty pozitivní výsledky Fleischmanna a Ponse, i některých dalších, vyvrátily. Podrobněji o této historii zde. Naopak E-Cat Andrea Rossiho produkuje tepelný výkon, který dramaticky převyšuje příkon do zařízení. Také, alespoň podle zmíněné nedávné studie, se izotopové složení „paliva“ změnilo tak dramaticky, že proměnu opravdu nelze vysvětlit nějakou experimentální chybou nebo nejistotou. V tomto případě musí jít buď o realitu, nebo o podvod.
Proč se v tomto případě spíše kloním k názoru, že jde o podvod, jsem na základě dřívějšího testu publikovaného v roce 2011 rozebral v článku zde. Pokusím se rozebrat, co se na mém pohledu na tuto záležitost změnilo po nejnovější studii. Jelikož jsem jaderný fyzik, soustředím se zase na otázky z oblasti právě jaderné fyziky.
Prezentované výsledky nové studie a testu
Ve studii se říká několik zajímavých faktů. Prvním je, že během činnosti zařízení nedochází k žádné emisi radiace a také veškeré produkty a zbytky „vyhořelého“ paliva jsou kompletně neradioaktivní. Dále se uvádí, že pro 32 dní provozu se použil zhruba gram paliva. Náhodné vzorky z něj a zbytků, které po jeho spotřebování zůstaly, se podrobily analýze. Jestliže u analyzovaných vzorků došlo během činnosti zařízení ke kompletní přeměně izotopového složení materiálu, pak lze tedy předpokládat, že k tomu došlo u celého spotřebovaného gramu.
Palivo se skládalo z niklu a lithia a u obou těchto složek byl dramatický rozdíl v izotopovém složení. Jestliže u vkládaného paliva bylo izotopu 6Li okolo 8,6 % a izotopu 7Li pak 91,4 %, což je zhruba přírodní směs, u „vyhořelého paliva“ bylo izotopu 6Li 92,1 % a izotopu 7Li pak 7,9 %. U izotopů niklu bylo složení vstupního paliva následující: 58Ni bylo 67 %, 60Ni bylo 26,3 %, 61Ni bylo 1,9 %, 62Ni bylo 3,9 % a 64Ni pak 1 %, což je zase blízké přírodní směsi. U „vyhořelého paliva“ bylo složení úplně jiné, 58Ni bylo 0,8 %, 60Ni bylo 0,5 %, 61Ni bylo 0 %, 62Ni bylo 98,7 % a 64Ni bylo 0 %. Veškerý nikl, který byl původně v izotopech 58Ni a 60Ni se přeměnil na izotop niklu 62. Tyto výsledky byly získány metodou ToF-SIMS (Time of Flight – Secondary Ion Mass Spectrometry), při které se vzorek nejdříve ionizuje, získané ionty se pak urychlí na danou kinetickou energii a z doby letu, která závisí na jejich rychlosti dané jejich hmotností, se určí hmotnost daného iontu.
Je třeba poznamenat, že pro studium chemického i izotopového složení vzorků byly využity i další metody. Jednalo se o ICP MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry), která je opět hmotnostní spektrometrií s využitím indukčně vázaného plazmatu. Výsledek u niklu byl v tomto případě velmi podobný složení získanému předchozí metodou, jak pro vkládané palivo, tak pro „vyhořelé“ palivo. V případě lithia byl výsledek odlišný. Pro vkládané palivo byl opět poměr blízký přirozenému. U vyhořelého paliva se zase dramaticky změnil. Byl však jiný než v dříve popsané analýze. Izotopu lithia 6 bylo 57,5 % a lithia 7 pak 42,5 %. Je otázkou, jestli to bylo způsobeno tím, že „vyhořelé palivo nemělo homogenní charakter a vzorky zkoumané v různých laboratořích nemuselo mít stejné složení. Zvláště lithium může být citlivější na podmínky, kterým je materiál vystaven.
Pomocí ICP AES (Inductivly Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry) nelze určit různé izotopy, ale celkové zastoupení jednotlivých prvků ve vzorku. Zajímavý byl v tomto případě poměr mezi niklem a lithiem v různých vzorcích. Naznačoval, že se množství lithia dramaticky snížilo.
Proč nelze podle mého názoru prezentovaným výsledkům věřit?
Uvedu základní důvody, proč jsou představované výsledky z pohledu jaderné fyziky absurdní. V případě jaderných reakcí se uvolňuje energie v řádu megaelektronvoltů. I v případě, že jsou na konci stabilní izotopy a nedochází k emisí neutronů, částic alfa, elektronů, jsou výsledné produkty v excitovaném stavu a přebytečné energie se zbavují vyzářením fotonu gama. Při provozu E-Catu však žádná emise záření gama nebyla pozorována. To, že by během provozu zařízení, které produkovalo velké množství energie pomocí jaderných reakcí, nebyla žádná emise záření a nevznikly radioaktivní prvky, je nepravděpodobné.
Velice podivné jsou i jaderné reakce, které měly probíhat. Na rozdíl od situace v roce 2011 se už vůbec neuvažuje o reakcích protonů s jádry niklu za vzniku izotopů mědi. Žádné pozorování izotopů mědi ve „vyhořelém“ palivu není ve studii referováno. Podle přeměny paliva, kdy se všechny izotopy niklu od izotopu 58Ni přeměnily na izotop 62Ni, lze vyvozovat, že nikl 58 musel nějakým způsobem získat čtyři neutrony. To by mohl jedině ve velmi intenzivním poli neutronů, které se však nepozorovalo. Neutrony zde také nemají jak vznikat. A navíc by musely v tomto případě vznikat i těžší jádra záchytem neutronů na izotopu niklu 62. Ve „vyhořelém palivu“ by tak byly izotopy 63Ni, 64Ni i těžší radioaktivní izotopy niklu.
Ještě podivnější je téměř úplné převrácení poměru izotopu 7Li a izotopu 6Li. I když v tomto případě se dostávají rozporné výsledky z různých vzorků „vyhořelého“ paliva měřeného různými metodami. I když v obou případech je pozorován radikální rozdíl od přírodního složení. Ve studii se to vysvětluje úbytkem 7Li reakcí protonu s lithiem 7 za vzniku beryllia 8, které se okamžitě rozpadá na dvě alfa částice. Důležitou informací pro zjištění, zda k tomu opravdu dochází, je určení velikosti celkového úbytku lithia. Problém ovšem je, že prezentované informace jsou v této oblasti rozporné. Podle měření pomocí ToF SIMS byl poměr mezi množstvím niklu a lithia v palivu před provozem 1 : 1,32 a ve vyhořelém palivu pak 1 : 4,6. To znamená, že u lithia to spíše nevypadá na tak radikální úbytek, jaký by musel nastat, kdyby dramatická změna izotopového složení vznikla úbytkem izotopu lithia 7. Ovšem nejsem expert na tuto analytickou metodu, takže nevím, s jakou přesností lze počítat při porovnávání zastoupení různých prvků. Naopak, měření pomocí ICP AES naznačuje právě radikální úbytek lithia v průběhu činnosti E-Cat zařízení. Je otázka, čím popsané rozdíly vysvětlit. Jednou z možností je předpoklad nehomogenity vzorků „vyhořelého“ paliva.
Uvažovat by se dalo také o reakci, při které by lithium 7 interagovalo s niklem a předalo mu neutron. Velkým problémem však je v tomto případě coulombovská bariéra způsobená odpuzováním velkých nábojů příslušných jader. Ta v případě slučování dvou jader vodíku, jak se uvažovalo u experimentů Fleischmana a Ponse, není přece jen tak velká jako v tomto případě. Pravděpodobnost kvantového tunelování coulombovské bariery klesá s její velikosti dramaticky rychle – o řády.
Další nepochopitelnou věcí je to, že došlo k přeměně skoro úplně všeho materiálu. To by musely být účinné průřezy (pravděpodobnosti) příslušných reakcí tak extrémně velké, že nic podobného jsme ještě u žádné jaderné reakce nikdy nepozorovali. Stačí si uvědomit rychlost vyhořívání paliva v klasických reaktorech. A to účinné průřezy reakcí štěpení uranu 235 tepelnými neutrony patří k těm velmi velkým.
Závěr
To, že v zařízení E-Cat dochází k jaderným reakcím, je nyní podle mého názoru ještě méně uvěřitelné, než dříve. Zatímco reakce vodíku, který se v zařízení E-Cat ve formě vody vyskytoval, s izotopy niklu mohla v principu vést ke vzniku izotopů mědi a energie, neutrony potřebné k produkci stále těžších izotopů niklu zde nemáme. Jak jsem se snažil ukázat v předchozí diskuzi, je nepředstavitelné, že by došlo k tak dramatickým změnám izotopového složení v daném případě jadernými reakcemi. Z toho je podle mého názoru jasné, že v případě E-Catu jde o podvod.
Ve studii není podrobněji popsáno, jakým způsobem byly odebrány vzorky paliva a „vyhořelého“ paliva. A jak byla zajištěna jejich kontrola. K analýze vzorků paliva a „vyhořelého“ paliva byly použity odpovídající metody. A zmíněné rozpory mezi jednotlivými měřeními mohou být vysvětleny systematickými nejistotami dané případnými nehomogenitami vzorků, případně systematickými nejistotami použitých metod a experimentálních zařízení. U autorů odkazované studie si tak nejsem jistý, kdo z nich je případně účastníkem podvodu nebo podvedeným.
I já jsem, stejně jako jeden z účastníků diskuze pod článkem o Dynomaku, odkojený filmy Star Trek. A řešení energetických problémů lidstva pomocí tak jednoduchého zařízení, jaké nabízí Andrea Rossi, by se mi strašně líbilo. Byla by větší šance, že se dožiji třeba i mezihvězdných letů. Právě ve filmech Star Trek se často konstatuje, že výsledky vědy a pokročilých technologií mohou pro neznalé často připomínat kouzla nebo zázraky. Ovšem jde o něco diametrálně odlišného, věda musí být založena na vědeckých metodách. Bohužel, průběh událostí okolo zařízení E-Cat Andrea Rossiho mi spíše připomíná pouťové eskamotérství.