Гафнієва суперечка

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Гафнієва суперечка — дискусія щодо можливості "спровокувати" швидке вивільнення енергії шляхом випромінювання гамма-променів з ядерного ізомеру гафнію 178m2Hf. Виділення енергії потенційно на 5 порядків (у 100 000 разів) більше ніж у хімічної реакції, але на 2 порядки менше, ніж у реакції поділу ядра. У 1998 році група під керівництвом Карла Коллінза з Техаського університету в Далласі повідомила [1][2], що успішно спровокувала таке випромінювання. Співвідношення сигнал / шум було невеликим у цих перших експериментах, і на сьогодні жодна інша група не змогла повторити ці результати. Пітер Ціммерман описав твердження про потенціал використання у якості зброї як такі, що базуються на "дуже поганій науці". [3]

Передумови[ред. | ред. код]

178m2Hf є особливо привабливим кандидатом для експериментів з вимушеним гамма-випромінюванням (ВГВ) через високу щільність накопиченої енергії 2,5 МеВ на ядро ​​та тривалий 31-річний період розпаду для зберігання цієї енергії. Якби випромінювання якогось агента могло "спровокувати" вивільнення цієї накопиченої енергії, отриманий каскад гамма-фотонів мав би найкращі шанси знайти пару збуджених станів з інвертованим часом життя, необхідним для стимульованого випромінювання. У той час як вимушене випромінювання додає лише потужність полю випромінювання, стимульоване випромінювання додає когерентність. Цікавою була б можливість маніпулювати когерентністю гамма-променів, навіть у незначній мірі. [4]

Пропозиція перевірити ефективність "спрацьовування" 178m2Hf була схвалена Семінаром з перспективних досліджень НАТО (NATO-ARW), що відбувся в Предеалі в 1995 р. [5] Незважаючи на те, що пропозиція полягала у використанні протонів, для бомбардування цілі, у першому експерименті використані α-частинки, які були доступні, коли був призначений перший експеримент. Це було зроблено французькою, російською, румунською та американською командою. Результати [6] були названі надзвичайними, але результати не були опубліковані. Тим не менше мається на увазі, що 178m2Hf має особливе значення для потенційних застосувань ВГВ. Швидко спалахнула суперечка.

Важливість[ред. | ред. код]

  • 178m2Hf має найвищу енергію збудження серед порівняно довгоживучих ізомерів. Один грам чистого 178m2Hf містить приблизно 1330 мегаджаулів енергії, що еквівалентно приблизно 300 кілограм тротилу. Період напіврозпаду 178m2Hf становить 31 рік або 1 Гс (гігасекунда, 1 000 000 000 секунд), так що природна радіоактивність грама становить 2,40 ТБк (65 Кі). Радіоактивність полягає у випромінюванні проникаючих гамма-променів, з найбільшою енергією 0,574 МеВ. Для безпеки людини знадобиться значний захист, якщо зразок буде складати один грам чистого ізомеру. Однак поки що ядерний ізомер існує лише у низьких концентраціях (<0,1%) у мультиізотопному гафнії. Один грам цього матеріалу містить близько 1,33 мегаджоулів енергії, приблизно на порядок краще, ніж стиснений водень.
  • Вся енергія була б виділена у вигляді фотонів рентгенівських та гамма-променів.
  • Якби вся енергія в ядрі могла вивільнитися за короткий час (наприклад, одна наносекунда), один грам чистого 178m2Hf створив би рентгенівський сплеск з надзвичайно великою потужністю близько 1 ГДж / нс або 1 еквават (1 x 1018 Вт). Однак кількісні оцінки показують, що енергія, що виділяється ядерним ізомером, набагато менше енергії, необхідної для ініціювання процесу; потужність, необхідна для ініціювання ВГВ, мала б підводитись протягом більш короткого часу, ніж викид ядерної енергії, і була б навіть надзвичайно непропорційною.
  • Характерні шкали часу для процесів, що беруть участь у застосуванні, були б сприятливими для споживання всієї початкової радіоактивності. Процес ініціювання зразка за допомогою ВГВ використовував би фотони для спрацьовування та отримання фотонів як продукту. Поширення фотонів відбувається зі швидкістю світла, тоді як механічне руйнування цілі відбуватиметься зі швидкістю, порівнянною зі швидкістю звуку. Незадіяний матеріал 178m2Hf можливо не змоіг втекти від ініціюючої події, якби фотони не взаємодіяли першими з електронами.
  • Як пропозиція до НАТО-ARW, так і фрагментарні результати подальшого експерименту вказували, що енергія фотона, необхідна для ініціювання ВГВ від 178m2Hf, буде менше 300 КеВ. Доступно багато економічних джерел такого низькоенергетичного рентгенівського випромінювання для доставки досить великих потоків до цільових зразків скромних розмірів.
  • Зразки 178m2Hf були і залишаються доступними при низьких концентраціях (<0,1%).

Хронологія помітних подій[ред. | ред. код]

  • Близько 1997 року консультативна група JASONS отримала свідчення про спрацьовування ядерних ізомерів. Консультативна група з питань оборони JASON опублікувала відповідну публічну доповідь [7], в якій зазначила, що вони дійшли висновку, що таке робити неможливо і не слід намагатися. Незважаючи на втручання публікацій у рецензовані журнали статей, написаних міжнародною групою, що повідомляють ВГВ від 178m2Hf, близько 2003 р., отримала свідчення, знову ж таки, від відповідних вчених щодо питань достовірності повідомлених результатів. Професор Карл Коллінз, провідний член команди США, що публікує успіхи, не дав свідчень.
Експеримент зі створення вимушеного гамма-випромінювання у зразку ядерного ізомера 178m2Hf. (зліва направо) Чергові студенти; (з драбиною) найстабільніша у світі лінія променя для монохроматичного рентгенівського випромінювання, BL01B1; головне кільце синхротрону SPring-8 в Хего.
  • Приблизно в 2003 році DARPA ініціювала пошукові дослідження, які називаються стимульованим вивільненням ізомерної енергії (SIER), і громадський інтерес був викликаний як на популярних рівнях [8], так і на професійних рівнях [9].
  • Першим акцентом SIER було те, чи можна виробляти значну кількість 178m2Hf за прийнятних витрат для можливих застосувань. Закрита комісія під назвою HIPP, якій було доручено це завдання, дійшла висновку, що можливо. Однак науковець, який працював у цій конфіденційній групі огляду DARPA HIPP, "злив" упереджені, але попередні занепокоєння для преси[10]. Це необґрунтоване твердження запустило наступний каскад неточних повідомлень про так звані "обурливі витрати" на напрацьовування ізомерів.
  • Будучи задоволеними панеллю HIPP щодо вивчення проблеми виробництва за прийнятною вартістю, програма SIER звернулася до питання остаточного підтвердження звітів ВГВ від 178m2Hf. Завдання TRiggering Isomer Proof (TRIP) було доручено DARPA і покладено на абсолютно незалежну команду від тих, хто повідомляв про успіх раніше. В якості дисертаційної роботи Русу було встановлено "золотий стандарт" спрацьовування ізомеру гафнію. [11] Експеримент TRIP вимагав незалежного підтвердження дисертації Русу. Він був успішним, але не міг бути опублікований.
  • До 2006 року команда Коллінза опублікувала безліч статей, що підтверджують їх первинні спостереження за ВГВ від 178m2Hf. [12][13] Передруки (доступні за посиланням) статей, опублікованих після 2001 р., описують роботу, виконану з перестроюваними монохроматичними рентгенівськими променями від синхротронних джерел світла SPring-8 у Хего та SLS у Віллігені.
  • До 2006 р. Було 2 статті [14][15], які стверджували, що спростовують можливості для ВГВ з 178m2Hf, і три теоретичні статті, написані тією самою особою, в яких сказано, чому це не повинно бути можливим за допомогою конкретних кроків, передбачених автором [16][17][18] Перші два описали синхротронні експерименти, в яких рентгенівські промені не були монохромними.
  • У 2007 році Перейра та ін. [19] підрахували, що вартість електричної енергії для зберігання енергії в ядерному ізомері становить близько $ 1 / Дж; без створення та підтримки прискорювача частинок, необхідних для цієї мети.
  • 29 лютого 2008 р. DARPA розповсюдила частину із 150 примірників остаточного звіту експерименту TRIP, який незалежно підтвердив "золотий стандарт" спрацьовування ізомеру гафнію. Підтримуваний експертною оцінкою, 94-сторінковий звіт поширюється лише для офіційного використання (FOUO) Офісом технічної інформації DARPA, 3701 N. Fairfax Dr., Arlington, VA 22203 USA.
  • 9 жовтня 2008 року LLNL опублікував 110-сторінкову оцінку експерименту DARPA TRIP. [20] Посилаючись на сторінку 33, "Єдиним експериментом, який демонструє статистичну значимість, є експеримент збігів, описаний у дисертації Русу [131]". [12] Однак у підсумку звіту зазначено, сторінка 65: "Наш висновок полягає в тому, з точки зору ядерної структури, ядерних реакцій та перспектив контрольованого вивільнення енергії ізомери для зберігання енергії є недоцільними. Необхідні для виконання завдання перевищують усе, що було зроблено раніше, і наразі їх складно витратити ".
  • У 2009 році С.А.Караміан та ін. опублікував результати експериментальних вимірювань чотирьох національних команд у Дубні для виробництва 178m2Hf шляхом розростання при енергіях до 80 МеВ. [21] Окрім значного зниження прогнозованої собівартості продукції, цей експериментальний результат довів, що доступ до джерел 178m2Hf відповідає можливостям декількох простоюючих циклотронних пристроїв, розкиданих по всьому світу.

Примітки[ред. | ред. код]

  1. Collins, C.B., Davanloo, F., Iosif, M. (1999). Accelerated Emission of Gamma Rays from the 31-yr Isomer of 178Hf Induced by X-Ray Irradiation. Physical Review Letters 82 (4): 695–698. Bibcode:1999PhRvL..82..695C. doi:10.1103/PhysRevLett.82.695. 
  2. Collins, C.B., Davanloo, F., Rusu, A.C. (2000). Gamma emission from the 31-yr isomer of 178Hf induced by x-ray irradiation. Physical Review C 61 (5): 054305–054305–7. Bibcode:2000PhRvC..61e4305C. doi:10.1103/PhysRevC.61.054305. 
  3. Peter Zimmerman (June 2007). The Strange Tale of the Hafnium Bomb: A Personal Narrative. American Physical Society. Процитовано 5 March 2016. 
  4. Dietrick E. Thomsen Pumping up hope for gamma ray laser, Science News, Nov 1, 1986
  5. Proceedings of the NATO-ARW are collected in Hyperfine Interactions, 107, pp 3–492 (1997).
  6. Link to review of "Isomer Triggering history from one participant.
  7. N. Lewis; R. Garwin; D. Hammer; W. Happer; R. Jeanloz; J. Katz; S. Koonin; P. Weinberger та ін. (October 1997). High Energy Density Explosives. JSR-97-110.  Sect. 4, p. 13.
  8. S. Weinberger (28 March 2004). Scary things come in small packages. Sunday Supplement Magazine. Washington Post. Процитовано 2009-05-03. 
  9. Bertram Schwarzschild (May 2004). Conflicting Results on a Long-Lived Nuclear Isomer of Hafnium Have Wider Implications. Physics Today 57 (5): 21–24. Bibcode:2004PhT....57e..21S. doi:10.1063/1.1768663. 
  10. San Jose newspaper article., October, 2003.
  11. C. Rusu (PhD Dissertation, U of Texas at Dallas, 2002)Available from: Proquest (Order Number: 3087127) Архівовано 2005-10-15 у Wayback Machine..
  12. а б Publications by Center for Quantum Electronics, University of Texas at Dallas Retrieved on 2010-12-12.
  13. C.B. Collins, N.C. Zoita, F. Davanloo, Y. Yoda, T. Uruga, J.M.Pouvesle, and I.I. Popescu (2005). Nuclear resonance spectroscopy of the 31-yr isomer of Hf-178. Laser Physics Letters 2 (3): 162–167. Bibcode:2005LaPhL...2..162C. doi:10.1002/lapl.200410154. 
  14. Ahmad, I. (2001). Search for X-Ray Induced Acceleration of the Decay of the 31-Yr Isomer of 178Hf Using Synchrotron Radiation. Physical Review Letters 87 (7): 072503. Bibcode:2001PhRvL..87g2503A. PMID 11497887. doi:10.1103/PhysRevLett.87.072503. 
  15. Ahmad, I. (2003). Search for x-ray induced decay of the 31-yr isomer of 178Hf at low x-ray energies. Physical Review C 67 (4): 041305R. Bibcode:2003PhRvC..67d1305A. doi:10.1103/PhysRevC.67.041305. 
  16. Tkalya, Eugene V. (2003). Probability of L-shell nuclear excitation by electronic transitions in 178Hfm2. Physical Review C 68 (6): 064611. Bibcode:2003PhRvC..68f4611T. doi:10.1103/PhysRevC.68.064611. 
  17. Tkalya, Eugene V. (2005). Induced decay of 178Hfm2: Theoretical analysis of experimental results. Physical Review C 71 (2): 024606. Bibcode:2005PhRvC..71b4606T. doi:10.1103/PhysRevC.71.024606. 
  18. Tkalya, Evgenii V (2005). Induced decay of the nuclear isomer 178m2Hf and the 'isomeric bomb'. Physics-Uspekhi 48 (5): 525–531. Bibcode:2005PhyU...48..525T. doi:10.1070/PU2005v048n05ABEH002190.  [Uspekhi Fiz. Nauk 175, 555 (2005)].
  19. Pereira (2007). Economics of isomeric energy. Laser Physics 17 (6): 874–879. Bibcode:2007LaPhy..17..874P. doi:10.1134/S1054660X0706014X. 
  20. Hartouni, E.P, et al., "Theoretical Assessment of 178Hfm2 De-excitation, LLNL Report TR-407631, October 9, 2008, p.33. https://e-reports-ext.llnl.gov/pdf/366265.pdf
  21. Karamian, S. E. (2009). Spallation and fission products in the (p+179Hf) and (p+natHf) reactions. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 600 (2): 488–497. Bibcode:2009NIMPA.600..488K. doi:10.1016/j.nima.2008.12.001. 

Див. також: