2. О поведении водорода в металле

Несмотря на то, что темой статьи является никель-водородный реактор, придется обратиться к палладию. Дело в том, что интересующие нас экспериментальные данные получены для палладия, а никель и палладий «родственники» по своим химическим и физическим свойствам, так как находятся в одной подгруппе таблицы Менделеева.

Уже прошло много лет с тех пор, как в палладии были обнаружены водородные волны. Эти волны играют ключевую роль в никель-водородном реакторе LENR. Но до сих пор на это никто не обратил внимание.

Явления, присущие палладию, в той или иной степени присущи никелю. Количественно они, конечно, отличаются. В [1] приводится описание эксперимента, в котором получено изображение уединенной водородной волны на поверхности палладия.

Рассмотрим проведенный эксперимент по тексту из [1] и с комментариями по поводу никель-водородного реактора.

Палладиевую проволоку диаметром 0,5 мм отжигали в вакууме в течение часа. На отожженном образце готовили продольный металлографический шлиф размером 0,45х2,6 мм. Образец для исследований помещали в рабочую камеру водородовакуумной установки. Установка позволяет реализовывать на одном образце одновременно две методики исследований: методику оптической микроскопии с видеозаписью протекающих изменений на поверхности шлифа в реальном времени и методику измерения электросопротивления.

Затем в рабочую камеру медленно подавали водород со скоростью ≅0,08 МПа/мин. По достижении давления Р = 0,1 МПа осуществляли выдержку в течение 8 минут до стабилизации удельного электросопротивления. Стабилизация электросопротивления свидетельствовала о полном насыщении образца водородом: в данных условиях (Т = 230ºС = const, Р = 0,68 МПа = const) палладий насыщается водородом до состава PdH_0,1 и представляет собой α-фазу с максимальным содержанием водорода при данной температуре.

В результате проведенных ранее экспериментов авторами статьи было установлено, что дополнительное насыщение сплавов палладий–водород путем медленного увеличения давления водорода происходит без видимых изменений на полированной поверхности. Однако, если давление водорода повышать быстро (условно такой способ подачи водорода они назвали “водородным ударом”), то экспериментально наблюдается сдвиг зерен и иные обратимые и необратимые изменения на поверхности сплавов Pd–H.

Комментарий. Важный экспериментальный факт: поведение водорода в металле зависит от силы «водородного удара», т.е. от dP/dt – скорости нарастания давления. Пиантелли проводил запуск реактора путем откачки водорода до вакуума с последующим быстрым впуском водорода обратно. Другой способ Пиантелли – охлаждение реактора и быстрый нагрев – тоже производит водородный удар за счет роста давления при нагревании. Но он не смог объяснить, почему он производил такие странные манипуляции и почему реактор иногда запускался. Потом Пиантелли решил, что запуск можно осуществлять практически любым способом, который придет в голову. В патентной заявке 1994 года [2] он записал ударное воздействие «vibrational stress», а в заявке 2008 года [3] приводится много возможных воздействий (электрические, магнитные, механические, акустические, фотонные, потоки элементарных частиц). Тут прослеживается стремление «запатентовать все без разбору», просто на всякий случай.

Сплав PdH_0,1, находящийся при Т = 230ºС и Р = 0,68 МПа, подвергали далее “водородному удару” при скорости напуска водорода 0,5 МПа/мин. Давление водорода поднимали при этом до Р = 0,83 МПа.

Водородный удар вызвал на полированной поверхности палладия сдвиг зерен. При этом при водородном ударе в течение 2 с зерна не только смещаются друг относительно друга, но и испытывают деформации, так что на шлифе видно, что поверхности некоторых зерен являются выпуклыми. Эта тенденция со временем усиливается.

Через 8,4 с было зафиксировано зарождение и распространение волнообразного движения в виде удлиненного размытого выпучивания. В момент исчезновения выпучивания № 1 на некотором расстоянии от места его исчезновения немедленно зародилось новое, более ярко выраженное волновое движение.

Покадровый анализ показал следующее. Время жизни выпучивания № 2 составляло ~1,6 с. За это время оно переместилось на расстояние 45 мкм, достигло левой границы зерна 1, “вошло” в границу зерна и полностью исчезло. За все время своего существования оно перемещалось со скоростью, которая увеличивалась от 16 до 40 мкм/с (υ_ср =28 мкм/с).

Ширина выпучивания № 2 составляла ~8 мкм. Высота этого выпучивания больше, чем выпучивания № 1, и по оценкам авторов составляет примерно 1–2 мкм.

В статье приведен рисунок 2 с фотографиями движения волны.

При обсуждении результатов авторы [1] пишут: «Проведенный нами феноменологический анализ позволяет высказать мнение, что наблюдаемое нами солитоноподобное движущееся выпучивание в наибольшей степени подобно КдФ-солитону Рассела, возникающему на поверхности «мелкой воды». При расчете глубины «мелкой воды» солитона авторами получена величина 2,4 мкм.

Далее авторы пишут (выделено мной - А.З.): «Напомним далее, что при обычных волновых процессах (за исключением ударных волн) переносится только энергия, а масса не переносится. В этом отношении изучаемое движущееся солитонодобное выпучивание, состоящее из двух атомных подсистем, демонстрирует свою специфичность: при его движении масса металлической подсистемы не переносится, однако масса водородной подсистемы переносится (и при этом, возможно, перманентно частично заменяется). При своем движении солитоноподобное выпучивание переносит избыточную энергию кристаллической решетки без больших видимых потерь (т.к. его форма при движении практически сохраняется). В то же время, энергия выпучивания, связанная с водородной подсистемой, как можно полагать, постепенно уменьшается, и это является энергетическим стимулом его движения».

Итак, опыт показал, при «водородном ударе» возникает движение водорода в толще палладия. Это движение направленное, кооперативное, с довольно большой скоростью.

По расчетам авторов [1] солитон имеет «глубину» 2,4 мкм и высоту «горба» 1 мкм.

При такой геометрии «горба» силы, которые деформируют металл, огромны. Для отожжённого палладия при модуле Юнга порядка 10¹¹ Па и при относительном удлинении 0.4..0.8 давление выпучивания (механическое напряжение) будет порядка (4-8)*10¹⁰ Па.

Авторы считают, что водород движется в толще палладия вдоль поверхности. Но что, если на самом деле водород таким плотным образованием движется не только в поверхностном слое, но и в толще металла? Другой вопрос заключается в величине глубины «мелкой воды». При выпучивании на 1-2 мкм и глубине 2,4 мкм получается такое относительное удлинение, которое свойственно резине, но не металлу. Металл должен был порваться, но вместо этого он вернулся в исходное положение. Это означает, что «мелкая вода» была гораздо глубже и, скорее всего, это был солитон другого рода – сферический. Центр этого солитона был глубоко под поверхностью.

Солитоны не могут заканчиваться в той среде, где они возникли. «Горб» на поверхности – это вершина айсберга. Где-то в глубине должно быть остальное тело солитона. На приведенных в статье фотографиях можно разглядеть такие круги:

На краю, расположенном в направлении на 4 часа, круги выглядят незамкнутыми, но это может быть по причине того, что в этом месте уже на начальном этапе водородного удара получился неровный рельеф, который исказил картину.

Такой расходящийся круг может получиться при расширении сферы из точки под поверхностью.

Для того, чтобы из некоторой точки начала расширяться водородная сфера, эта точка должна была вначале сформироваться. Водород должен был собраться в этой точке путем такого же кооперативного движения. Поступление водорода в зерна шло через поверхность проволоки (не только со стороны шлифа) и через промежутки между зернами, отчетливо видимые на фотографиях.

Если время движения водорода «туда» и «обратно» принять за одинаковое, то путь в одну сторону занял около 4,2 с (выпучивание №1 появилось через 8.4 с). За это время водород со скоростью 16 мкм/с проделал путь около 70 мкм. Это примерная глубина залегания центра. Относительное удлинение в этом случае получится меньше, чем 0.4..0.8. Но, на самом деле, с глубиной залегания центра сферы легко сильно ошибиться, так как неизвестен профиль скорости волны в глубине и неясно время начала водородного удара, поскольку отсчет времени начинается не с подачи давления, а с начала деформации зерен.

Таким образом, в начальной фазе водородного удара водород проник в палладий и сконцентрировался в двух точках в глубине одного кристалла. Затем эти точки стали расширяться. Первая точка была ближе к поверхности и выпучивание №1 появилось раньше. Вторая точка была глубже и появилась чуть позже в виде выпучивания №2. Концентрация водорода на фронтах сфер была столь высока, что давление составило порядка 10⁹ Па. Это означает, что в глубине, ближе к центрам сфер, это давление было ещё больше. Оценку этого давления проведем в одной из следующих глав.

Примечание. Нужно подчеркнуть, что в методике проведения эксперимента водородный удар был не по «сухому» палладию, а по уже наводороженному палладию, находящемуся в установившемся термодинамическом режиме. Точно так же стараются делать экспериментаторы с никель-водородным реактором – проводят предварительное наводороживание никеля. У Пиантелли на этот процесс уходило много часов и даже суток.

Теоретическое объяснение рассмотренных экспериментальных данных приводится в [4]. Автор (Смирнов) пишет, что в его предыдущих работах «…было предсказано новое физическое явление – волновое распространение концентрационных возмущений».

Исходя из предположения, что подобные волновые явления присущи не только палладию, но и никелю, в следующих главах рассмотрим механизм работы никель-водородного реактора.

>>>Далее>>>