Hvað er kaldur samruni og hafa vísindamenn uppgötvað eitthvað nýtt í þeim efnum?

Samruni felst í því að tveir atómkjarnar renna saman og mynda aðra þyngri, og orka losnar um leið. Kjarnasamruni er einhver helsta orkulind alheimsins í heild því að sólstjörnur fá orku sína frá honum. Auðvelt er að framkalla heitan samruna hér á jörðinni, til dæmis með því að hraða tvívetnisatómi með 15.000 volta spennugjafa og láta rekast á tvívetnismálmsvamp eins og til dæmis MgD₂. Þótt ferlið sé auðvelt er mjög erfitt að vinna orku úr því þar sem orkan sem notuð er við hröðunina nýtist illa vegna smæðar kjarnans.

Léttasti atómkjarni sem til er er kjarni venjulegs vetnis, táknaður með H eða ¹H. Í honum er aðeins ein róteind (p). Næstléttastur er kjarni tvívetnis, d sem hefur að geyma eina róteind og eina nifteind (n). Nift þýddi systir í fornu íslensku máli og nifteindin er eins konar systir róteindarinnar, aðeins þyngri en óhlaðin og hefur að öðru leyti flesta sömu eiginleika. Róteind og nifteind kallast einu nafni kjarnaeindir og fjöldi þeirra í atómkjarna segir til um massatölu hans.

Á eftir tvívetniskjarnanum kemur annars vegar kjarni þrívetnis, t eða ³H, og hins vegar létt, geislavirk samsæta helíns, ³He, en í þeim kjarna eru tvær róteindir og ein nifteind. Kjarninn í stöðugu, náttúrlegu helíni er hins vegar táknaður með ⁴He og hefur massatöluna 4.

Þegar kjarnar renna saman minnkar heildarmassinn við ferlið. Massamunurinn kemur fram sem orka samkvæmt jöfnu Einsteins, E = mc², þar sem E er orkan, m er heildarmassabreytingin og c er ljóshraðinn. Atómkjarnar hafa jákvæða rafhleðslu og hrinda því hver öðrum frá sér með rafkröftum. Þegar kjarnarnir komast hins vegar nógu nálægt hver öðrum taka svokallaðir kjarnakraftar við og yfirgnæfa rafkraftana þannig að samruni getur orðið. Til að koma þessu í kring er nauðsynlegt að gefa atómkjörnunum hraða og hreyfiorku. Í vetnissprengjum er þetta gert með því að venjuleg úransprengja setur sprenginguna af stað sem eins konar hvellhetta. Í venjulegum sólstjörnum veldur hiti efnisins því að kjarnarnir fá hreyfiorku í samræmi við hitastig í miðju sólarinnar og geta náð að renna saman. Jafnvægi kemst síðan á milli samrunaorkunnar, hitans og geislunarinnar burt frá sólstjörnunni, þar til eldsneytið, samrunaefnið, kann að verða uppurið.

Með þessu er því vonandi svarað, hvað heitur samruni er. En snemma árs 1989 töldu tveir vísindamenn (Fleichmann og Ponz) sig hafa mælt of mikla varmaframleiðslu í rafefnafræðilegum tilraunum með palladín tvívetnissvamp. Hana töldu þeir eingöngu vera hægt að útskýra með kjarneðlisfræðilegum ferlum eins og samruna. Þar sem tilraunin fór fram við stofuhita þá var þetta ferli kallað kaldur samruni. Hugmyndin var sú að með einhverjum hætti hefði tekist að láta kjarnana yfirstíga (eða smjúga undir) þröskuldinn sem rafkraftarnir skapa annars milli þeirra, án þess að menn þyrftu að hita efnið upp eins og áður hafði verið talið nauðsynlegt.

Ef þetta hefði reynst rétt hefði það þýtt algera byltingu í orkumálum mannkynsins. Það var því ekki að furða þótt vísindaheimurinn stæði á öndinni árið 1989. Hófust þá tilraunir út um allan heim þar sem reynt var að staðfesta niðurstöður þeirra. Skemmst er frá því að segja að flestar tilraunir gátu ekki endurtekið niðurstöðurnar en nokkuð stór hópur vísindamanna gat mælt varmaframleiðslu í tilraunum sínum. Í framhaldinu var myndað vísindasamfélagið International Society for Condensed Matter Nuclear Science (sjá iscmns.org) sem hefur síðan stundað rannsóknir á þessu sviði í þrjátíu ár. Í tilraunum hefur óútskýrð varmaframleiðsla 1-50W yfir lengri tímabil oft verið endurtekin með erfiðleikum, það hefur valdið því að almenna vísindasamfélagið hefur ýtt þessu til hliðar og ekki lagt áherslu á áframhaldandi rannsóknir.

Athyglisvert er að ef ferlið væri samruni í líkingu við heitan samruna þá hefði hver einasti vísindamaður dáið við það eitt að sjá 1W varmaframleiðslu. Ástæðan er sú að það þarf aðeins nokkrar sekúndur til að geisla vísindamanninn með banvænum skammti af geislavirkni frá samrunaferlinu. Enn hefur enginn vísindamaður látist vegna geislavirkni við þessar tilraunir og því ljóst að ferlið sem veldur varmaframleiðslunni er allt annað en það sem á sér stað í sólinni.

Þegar þetta er skrifað (síðla árs 2019) er hópur japanskra vísindamanna að fikra sig áfram með að stækka og skala upp 50W niðurstöður sínar í 100kW varmagjafa sem á að vera tilbúinn 2022. Þetta eru þeir að gera án þess að viðunandi eðlisfræðileg skýring sé til á ferlinu.

Sveinn Ólafsson eðlisfræðingur stundar grunnrannsóknir við Raunvísindastofnun HÍ á hegðun vetnis í sérstökum vetnisþyrpingarfösum (Ryberg-efni). Þeir gætu tengst köldum samruna.

Íslendingar leggja sitt af mörkum við rannsóknir á þessu sviði því við Raunvísindastofnun Háskólans stundar Sveinn Ólafsson grunnrannsóknir á hegðun vetnis í sérstökum vetnisþyrpingarfösum (Ryberg-efni). Þeir gætu tengst köldum samruna.

Hlutar úr þessu svari eru fengnir úr eldra svari við spurningunni Hvernig er kaldur/heitur samruni og er hægt að framkalla hann? eftir Þorstein Vilhjálmsson.