Управляемый термоядерный синтез. Ядерный синтез вместо расщепления (путь спасения для человечества?). Физические основы ядерного синтеза

А что же это за "хольраум" такой?

Золотой хольраум лазерного термояда

Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (National Ignition Facility, NIF) в Соединённых Штатах называют лазерным термоядом двойного назначения. Он призван помочь американским вооружённым силам поддерживать в боеспособном состоянии свои ядерные арсеналы в условиях моратория на ядерные испытания, и он же предлагает прорывные открытия, способные обеспечить цивилизацию морем чистой и дешёвой энергии.

Если верить прессе, то дела на NIF разворачиваются как нельзя удачно. Но у аудиторов главной бухгалтерской службы США (GAO, аналог российской Счётной палаты) есть в этом сомнения, которым они поделились с конгрессом в докладе за номером GAO-10-488.

NIF, NIC и NNSA

В марте 2009 года национальное управление США по ядерной безопасности (NNSA) завершило строительство NIF - проекта стоимостью 3,5 миллиарда долларов в национальной лаборатории Лоуренс Ливермор. В смету входят 2,2 миллиарда долларов, затраченных на собственно строительство, и 1,3 миллиарда долларов, ушедших на сборку и монтаж 192 лазеров и связанного оборудования.

Управление планирует создавать в NIF экстремально высокие давления и температуры, характерные для ядерных взрывов. Если всё пройдёт удачно, то новая установка позволит американцам исследовать характеристики ядерных взрывных устройств без их испытаний, запрещённых условиями принятого в США в 1992 году моратория.

NNSA по праву называет лазерный термояд "критическим компонентом" крупномасштабной программы по поддержанию боеготовности американских ядерных арсеналов. Военные задачи станут для NIF первоочередным приоритетом, но военное управление готово предоставлять мощности установки и для гражданских исследователей.

За проектирование и строительство NIF непосредственно отвечает национальная лаборатория Лоуренс Ливермор. Первые теоретические исследования, имеющие целью подготовку к появлению NIF, датируются мартом 1997 года. В 2005 году управление NNSA, выполняя директивы конгресса, создало компанию NIC (National Ignition Campaign) и поручило ей курировать управленческие вопросы по проекту. Кроме этого, для стороннего контроля за проектом приглашаются независимые эксперты и экспертные группы.

Лазеры и хольраум

Технология, используемая в NIF, может быть названа "лазерной термоядерной реакцией". В американской литературе за ней закрепился термин "ignition". После того, как всё будет готово, операторы NIF должны одновременно сконцентрировать пучки 192 лазеров на мишенях с размерами меньше 10-центовой монеты. Общая энергия пучков составит 1,8 МДж.

За один рабочий цикл продолжительностью порядка одной миллионной доли секунды, пучки должны пройти сквозь ряд оптических умножителей, после чего сфокусироваться на микроскопической мишени. Последняя будет располагаться внутри сферической камеры высотой 10 метров.

Схема установки NIF - рисунок аудиторов GAO.

Сама по себе мишень, в свою очередь, представляет собой полый золотой цилиндр. Его называют немецким словом "хольраум" (hohlraum) - это полость, чьи стенки пребывают в радиационном равновесии с полостью. В хольрауме, как в матрёшке, скрывается топливная капсула размером с перчинку. Она состоит из замороженного слоя дейтерия и трития, окружающего охлаждённую газообразную смесь этих же изотопов.

Лазеры установки NIF должны в ходе работы быстро нагревать внутренние стенки хольраума, которые будут конвертировать энергию лазера в рентгеновское излучение. В свою очередь, рентгеновские лучи должны быстро нагревать внешнюю поверхность топливной капсулы. При должном нагреве капсула должна схлопнуться с силой, сравнимой с возникающими при запуске ракеты, то есть должен произойти направленный внутрь взрыв (имплозия) дейтерий-тритиевого слоя.

Если имплозия пройдёт симметрично и с желаемой скоростью, то атомы дейтерия и трития будут принуждены к вступлению в реакцию синтеза длительностью 10 триллионных долей секунды. Температуры, которые будут создаваться в топливной капсуле, ожидаются порядка 100 миллионов градусов - то есть, в капсуле окажется горячее, чем в центре Солнца.

Схема переноса энергии в хольрауме - рисунок аудиторов GAO.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра в полном масштабе.

Предварительные испытания в обоснование процессов, заложенных в установке NIF, проходили в лаборатории лазерной энергетики университета Рочестера (Нью-Йорк). Лазерные системы OMEGA и OMEGA EP, действующие в лаборатории, играют на сегодняшний день роль рабочей лошадки для всех исследований, проводимых в NNSA по направлению лазерного термояда. До создания NIF, им принадлежал мировой рекорд по энергии лазерного пучка.

Мишени, хольраумы и другое связанное оборудование для NIF поставляет калифорнийская компания "General Atomics". Национальная лаборатория Лос-Аламоса отвечает за системы диагностики, а Сандийская лаборатория - за проведение вспомогательных исследований на установке "Z Machine", способной преобразовывать электромагнитное излучение в рентгеновское.

Технические проблемы

Приведёт ли создание NIF к успеху и смогут ли американские учёные зажечь термоядерную реакцию при помощи лазеров? Аудиторы GAO сухо напоминают о выводах независимой группы JASON, в которых перечислены стоящие перед разработчиками NIF технические проблемы.

Одна из главных задач - необходимо минимизировать потери лазерного излучения, то есть, существенно понизить долю энергии, которая пройдёт мимо хольраума или отразится от его стенок. Если отражение грозит простой потерей энергии, то каждый промахнувшийся пучок будет отрицательно влиять на симметричность сжатия топливной капсулы, ставя, тем самым, под сомнение факт инициации термоядерной реакции.

Даже самое точное нацеливание лазерного пучка не гарантирует полного успеха. Под воздействием лазерного излучения внутри хольраума стартует процесс ионизации, и образующийся заряженный газ вмешается в процессы передачи энергии. Говоря кратко, в результате взаимодействия ионизированных частиц и лазерных пучков часть прибывшей в хольраум энергии будет выведена обратно за его пределы.

Учёные называют такой процесс "нестабильностью типа лазер-плазма"(laser-plasma instability) . Помимо потери энергии, он приводит также к нежелательной интерференции между лазерными пучками, что будет плохо сказываться на симметричности имплозии.

Вторая важнейшая проблема NIF связана со скоростью имплозии. Чтобы возбудить термоядерную реакцию, топливную капсулу следует сжать в 40 тысяч раз по сравнению с её исходным размером. При этом капсула обязана сохранять сферическую форму. Более того, имплозия должна происходить с заданной скоростью, иначе не получится создать давления, необходимые для начала синтеза лёгких ядер.

Если поверхность топливной капсулы не будет достаточно гладкой, или если рентгеновские лучи будут падать на капсулу неравномерно, то на капсуле начнут образовываться пальчикообразные выступы. Как показывают результаты расчётов по математическим моделям, образование выступов станет следствием гидродинамических нестабильностей, возникающих при контакте материалов с различными плотностями. Если выступов окажется слишком много, то термоядерная реакция не пойдёт, так как за счёт выступов будет снижаться температура внутри капсулы.

Пальчикообразные выступы на поверхности топливной капсулы - рисунок аудиторов GAO.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра в полном масштабе.

Кроме двух названных проблем, создатели NIF сталкиваются и с более традиционными, но от этого не менее серьёзными сложностями. Так, им нужно обеспечить надёжный контроль за состоянием оптики, которая, разумеется, будет со временем повреждаться проходящими через неё лазерными пучками.

Вначале таких повреждений будет мало, но со временем их количество начнёт расти, и если общий процент повреждений перевалит за определённый предел, то эксплуатация NIF на номинальных параметрах окажется невозможной.

К чести создателей NIF, они не устраняются от проблем. Был полностью переделан проект хольраума, и его новая конструкция обещает минимизировать потери лазерной энергии. Из его проекта были убраны покрытия точек входа лазерных пучков, как только оказалось, что благая на первый взгляд идея особым образом обустроить места попадания лучей в мишень ведёт к резкому росту нестабильностей "лазер-плазма".

После долгих поисков учёные остановились на гелии как материале, заполняющем хольраум. В исходном проекте предполагалось использовать смесь водорода и гелия. Эти и другие модификации прошли проверку боем в ходе первых экспериментов на NIF, выполнявшихся в 2009 году. Полученные результаты признаны удовлетворительными, и есть надежды избежать нестабильностей при работе на номинальной мощности.

Понимание процессов имплозии должно улучшиться после завершения серии компьютерных расчётов в двух- и трёхмерных моделях. Кроме этого, гидродинамическая нестабильность активно изучается на уже упоминавшемся комплексе OMEGA. Персонал NIF надеется также, что сумеет обеспечить контроль за состоянием оптики.

Работа NIF при суммарной энергии лазерных пучков 1,8 МДж отодвинута на 2011 год. До конца 2010 года установка будет трудиться с энергиями 1,2-1,3 МДж. По утверждению специалистов, при энергии 1,2 МДж потери энергии за счёт нестабильностей не превысили в первых экспериментах величины 6%, при том, что проект допускает 15%-ные потери.

Первые включения привели и к первым потерям в оптике. В марте 2009 года часть пучков была неожиданно отражена по дороге к мишени. "Удачный" залп в сочетании с погрешностью конструкции вывел из строя 4% от общего количества имеющихся в системе зеркал. К большой удаче, "расстрел" произошёл при низких энергиях пучков, в противном случае последствия могли оказаться ещё более худшими.

Установка NIF шаг за шагом продвигается к номиналу. Последние по времени результаты, полученные в экспериментах декабря 2009 года, получены при энергии лазеров 1,2 МДж.

Независимые эксперты призывают к осторожности. Они предсказывают, что NIF обязательно столкнётся с новыми технологическими и физическими проблемами, которые на данном этапе невозможно даже предсказать. А аудиторы GAO задаются вопросом - реален ли текущий график, согласно которому первая лазерная термоядерная реакция произойдёт в 2012 году?

Управляемый термоядерный синтез - интереснейший физический процесс, который (пока в теории) может избавить мир от энергетической зависимости от ископаемых источников топлива. В основе процесса лежит синтез атомных ядер из более легких в более тяжелые с выделением энергии. В отличие от другого использования атома - выделение из него энергии в ядерных реакторах в процессе распада - термоядерный синтез на бумаге практически не будет оставлять радиоактивных побочных продуктов. Особые надежды возлагают на реактор ИТЭР, на создание которого затратили безумное количество средств. Скептики, однако, делают ставку на разработки частных корпораций.

В 2018 году ученые сообщили суровую новость: несмотря на беспокойство на тему глобального потепления, за счет угля было выработано 38% мировой электроэнергии в 2017 году - то есть, ровно столько же, сколько и при появлении первых тревожных предупреждений о климате 20 лет назад. Хуже того, выбросы парникового газа выросли на 2,7% в прошлом году - это крупнейшее увеличение за семь лет. Такой застой привел к тому, что даже политики и экологи начали задумываться о том, что нам нужно больше ядерной энергии.

Так как между атомными ядрами на малых расстояниях действуют ядерные силы притяжения, при сближении двух ядер возможно их слияние, т. е. синтез более тяжелого ядра. Все атомные ядра имеют положительный электрический заряд и, следовательно, на больших расстояниях отталкиваются друг от друга. Для того чтобы ядра могли сблизиться и вступить в ядерную реакцию синтеза, они должны обладать достаточной кинетической энергией для преодоления взаимного электрического отталкивания, которое тем больше, чем больше заряд ядра. Поэтому проще всего осуществляется синтез легких ядер с малым электрическим зарядом. В лаборатории реакции синтеза можно наблюдать, обстреливая мишень быстрыми ядрами, разогнанными в специальном ускорителе (см. Ускорители заряженных частиц). В природе реакции синтеза происходят в очень горячем веществе, например в недрах звезд, в том числе в центре Солнца, где температура 14 млн градусов и энергия теплового движения некоторых самых быстрых частиц достаточна для преодоления электрического отталкивания. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называют термоядерным.

Термоядерные реакции, идущие в недрах звезд, играют очень важную роль в эволюции Вселенной. Они - источник ядер химических элементов, которые синтезируются из водорода в звездах. Они - источник энергии звезд. Основным источником энергии Солнца являются реакции так называемого протон-протонного цикла, в результате которых из 4 протонов рождается ядро гелия. Выделяющаяся при синтезе энергия уносится образующимися ядрами, квантами электромагнитного излучения, нейтронами и нейтрино. Наблюдая поток нейтрино, идущий от Солнца, можно установить, какие ядерные реакции синтеза и с какой интенсивностью происходят в его центре.

Уникальная особенность термоядерных реакций как источника энергии - очень большое энерговыделение на единицу массы реагирующих веществ - в 10 млн раз больше, чем в химических реакциях. Вступление в синтез 1 г изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 т бензина. Поэтому ученые давно стремятся овладеть этим гигантским источником энергии. В принципе мы умеем уже сегодня получать на Земле энергию термоядерного синтеза. Нагреть вещество до звездных температур можно, используя энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба - самое страшное оружие современности, в которой взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и последующему термоядерному взрыву.

Но не к такому неуправляемому синтезу, способному погубить все живое на Земле, стремятся ученые. Они ищут способы осуществления управляемого термоядерного синтеза. Какие же условия должны быть для этого выполнены? Прежде всего, конечно, нужно нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Но этого мало. Необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергии, чем затрачивается на нагрев вещества, или, что еще лучше, чтобы рождающиеся при синтезе быстрые частицы сами поддерживали требуемую температуру горючего. Для этого нужно, чтобы вступающее в синтез вещество было надежно теплоизолировано от окружающей и, естественно, холодной на Земле среды, т. е. чтобы время остывания, или, как говорят, время удержания энергии, было достаточно велико.

Требования к температуре и времени удержания зависят от используемого горючего. Легче всего осуществить синтез между тяжелыми изотопами водорода - дейтерием (Д) и тритием (Т). При этом в результате реакции получается ядро гелия (He 4) и нейтрон. Дейтерий имеется на Земле в огромных количествах в морской воде (один атом дейтерия на 6000 атомов водорода). Тритий же в природе отсутствует. Сегодня его получают искусственно, облучая в ядерных реакторах нейтронами литий. Отсутствие трития не является, однако, препятствием для использования Д-Т реакции синтеза, так как образующийся при реакции нейтрон можно использовать для воспроизводства трития, облучая литий, запасы которого на Земле достаточно велики.

Для осуществления Д-Т реакции наиболее выгодны температуры около 100 млн градусов. Требование же ко времени удержания энергии зависит от плотности реагирующего вещества, которое при такой температуре неизбежно будет находиться в виде плазмы, т. е. ионизированного газа. Так как интенсивность термоядерных реакций тем выше, чем выше плотность плазмы, требования ко времени удержания энергии обратно пропорциональны плотности. Если выражать плотность в виде числа ионов в 1 см 3 , то для Д-Т реакции при оптимальной температуре условие получения полезной энергии можно записать в виде: произведение плотности n на время удержания энергии τ должно быть больше 10 14 см −3 с, т. е. плазма с плотностью 10 14 ионов в 1 см 3 должна заметно остывать не быстрее, чем за 1 с.

Так как тепловая скорость ионов водорода при требуемой температуре 10 8 см/с, за 1 с ионы пролетают 1000 км. Поэтому нужны специальные устройства, предотвращающие попадание плазмы на стенки, теплоизолирующие её. Плазма - газ, состоящий из смеси ионов и электронов. На заряженные частицы, движущиеся поперек магнитного поля, действует сила, искривляющая их траекторию и заставляющая двигаться по окружностям с радиусами, пропорциональными импульсу частиц и обратно пропорциональными магнитному полю. Таким образом, магнитное поле может предотвратить уход заряженных частиц в направлении, перпендикулярном силовым линиям. На этом основана идея магнитной термоизоляции плазмы. Магнитное поле, однако, не препятствует движению частиц вдоль силовых линий: в общем случае частицы движутся по спиралям, навиваясь на силовые линии.

Физики придумали разные хитрости, предотвращающие уход частиц вдоль силовых линий. Можно, например, сделать «магнитные пробки» - области с более сильным магнитным полем, отражающие часть частиц, но лучше всего свернуть силовые линии в кольцо, использовать тороидальное магнитное поле. Но и одного тороидального поля, оказывается, недостаточно.

Тороидальное поле неоднородно в пространстве - его напряженность спадает по радиусу, а в неоднородном поле возникает медленное движение заряженных частиц - так называемый дрейф - поперек магнитного поля. Ликвидировать этот дрейф можно, пропустив через плазму ток вдоль обхода тора. Магнитное поле тока, складываясь с тороидальным внешним полем, сделает общее поле винтовым.

Двигаясь по спиралям вдоль силовых линий, заряженные частицы будут переходить из верхней полуплоскости тора в нижнюю и обратно. При этом они будут все время дрейфовать в одну сторону, например вверх. Но, находясь в верхней полуплоскости и дрейфуя вверх, частицы уходят от средней плоскости тора, а находясь в нижней полуплоскости и дрейфуя тоже вверх, частицы возвращаются к ней. Так дрейфы в верхней и нижней половинах тора взаимно компенсируются и не приводят к потерям частиц. Именно так и устроена магнитная система установок типа Токамак, на которых получены наилучшие результаты по нагреву и термоизоляции плазмы.

Кроме термоизоляции плазмы необходимо обеспечить также её нагрев. В Токамаке для этой цели можно использовать ток, протекающий по плазменному шнуру. В других устройствах, где удержание осуществляется без тока, а также и в самом Токамаке для нагрева до очень высоких температур используют и иные способы нагрева, например с помощью высокочастотных электромагнитных волн, инжекции (введения) в плазму пучков быстрых частиц, световых пучков, генерируемых мощными лазерами, и т. д. Чем больше мощность нагревающего устройства, тем быстрее можно нагреть плазму до требуемой температуры. Разработка в последние годы очень мощных лазеров и источников пучков релятивистских заряженных частиц позволила нагревать малые объемы вещества до термоядерных температур за очень малое время, столь малое, что вещество успевает нагреться и вступить в реакции синтеза раньше, чем разлететься из‑за теплового движения. В таких условиях дополнительная термоизоляция оказалась ненужной. Единственное, что удерживает частицы от разлета,- это их собственная инерция. Термоядерные устройства, основанные на этом принципе, называют устройствами с инерционным удержанием. Это новое направление исследований, которое называется инерционным термоядерным синтезом, усиленно развивается в настоящее время.

Невероятно оптимистический прогноз на недалекое будущее делает портал «Хорошие Новости России». Причём он касается не только нашей страны, а и в равной степени всего остального мира:

Революции бывают общественно-политические (социалистические, буржуазные, цветные), а бывают научно-технические (НТР). Энергетическая революция - это разновидность НТР.

Революция (лат. revolutio) - это переворот, превращение - радикальное, коренное, глубокое, качественное изменение, скачок в развитии.

Что же такое энергетическая революция, на пороге которой стоит наш мир?

Какой переворот в области энергетики нас ожидает? Какое качественное изменение? В чём будет заключаться скачок в развитии и за счет чего он произойдет?

Все современные виды энергетики обладают разными недостатками, большинство из которых заключается либо в высокой стоимости (установки, подключения, киловатта), либо в низкой доступности.

Каждый, кто сталкивался с подключением к энергосетям, знает, что проблем хватает и доступность оставляет желать лучшего. Да и стоимость тоже.

Газ - один из самых дешевых и экологически чистых видов топлива - проведен не везде. Тянуть газопровод в отдаленные населенные пункты очень накладно. Сжиженный газ - дорогой. Газовая котельная тоже стоит немало. Купить газовый баллон и подключить к плите нетрудно, однако отопление и обеспечение дома электроэнергией покупкой баллона не решается. Кроме этого, газ взрывоопасен.

Дизель, мазут - для использования в котельных (генераторах) получается еще дороже, чем газ. Для использования в личных (подсобных) хозяйствах можно поставить генератор, но электроэнергия на выходе получится довольно дорогой. И генератор тоже денег стоит.

Гидроэнергетика требует строительства ГЭС - это большие капитальные затраты. И эксплуатация тоже далеко не бесплатная. И не везде доступно. И побочные эффекты для экологии. В общем, далеко не идеально. Для малой генерации вообще не годится.

Атомная энергетика сопряжена с риском аварий (Чернобыль, Фукусима) и как бы нас не убеждали, что современные АЭС абсолютно надежны, но жить по соседству с атомным энергоблоком все равно не слишком уютно. Кроме этого, АЭС генерируют отработанное топливо, а оно радиоактивное, его нужно где-то складировать, желательно в безопасном месте, чтобы не возникло утечки. И строительство АЭС - это опять же высокие капитальные затраты. Малых АЭС не существует и не может быть, хотя бы из соображений безопасности.

Солнечная энергетика - дорогая и не везде эффективная исходя из числа солнечных дней в году. Для обеспечения энергией отдаленных поселков и отдельно стоящих домиков в солнечных регионах годится, однако там, где нужна большая мощность, да еще и солнечных дней мало - не подходит.

Ветрогенерация - постепенно развивается, размеры и мощность генераторов растут, стоимость энергии снижается, но назвать этот вид энергетики панацеей тоже нельзя. Не очень дешево и не очень стабильно. И не везде применимо.

Идеального источника энергии пока нет

Одни дорогие, другие не везде доступны, третьи опасны. И все очень ограничены по мощности, не позволяют произвольно наращивать потребление по мере необходимости - в АЭС нельзя воткнуть лишние ТВЭЛы сверх проектной мощности, газопровод нельзя расширить, на ГЭС нельзя добавить пару дополнительных турбин.

В общем, сплошные ограничения...

Яркий пример недостатков современной энергетики - история с Крымом, когда полуостров столкнулся с дефицитом энергии, который не удалось быстро восполнить. Генераторов не хватало, быстро построить газовую электростанцию не представлялось возможным, даже протянуть кабель через пролив - и то заняло существенное время.

И не только доступность энергии оставляет желать лучшего, но и стоимость тоже.

Энергия составляет значительную часть стоимости всех товаров и услуг, потому что на всех этапах производства и доставки используется энергия и топливо (энергоноситель).

Промышленное оборудование работает на электричестве, печи - на газе или опять же на электричестве, в стоимости ж/д транспортировки тоже заложена стоимость электричества. В стоимости услуг автотранспорта - стоимость топлива.

Счета за ЖКХ почти целиком состоят из стоимости энергии - свет, горячая вода, отопление - это все энергия. И даже стоимость холодной воды зависит от стоимости энергии, потому что воду качают электронасосы.

Стоимость цемента (которая составляет значительную часть стоимости жилья) тоже существенно зависит от стоимости электроэнергии и топлива. Стоимость алюминия (одного из основных современных материалов) почти полностью состоит из стоимости электроэнергии, потому что алюминий производится методом электролиза.

Доля энергии и топлива в стоимости различных товаров и услуг сильно варьируется, но почти везде она достаточно высока, если учесть затраты энергии на всех этапах производства, начиная от добычи, очистки и переработки сырья.

Поэтому и хочется, чтобы энергия была и дешевле и доступнее.

Хочется, чтобы масштабируемость была высокой - от киловатт до гигаватт, чтобы можно было и крупный город обеспечить дешевой энергией и малый поселок, и даже отдельно стоящий дом. И чтобы везде работало, независимо от количества солнечных дней в году, наличия ветра, реки, рельефа местности и других природных факторов. И чтобы топливо было доступным. И чтобы экологически чисто.

Но возможно ли это?

Существует ли такой источник энергии, чтобы отвечал всем перечисленным критериям (доступность, масштабируемость, низкая стоимость установки и эксплуатации, экологичность)?

Сегодня на рынке такого источника нет.

Все существующие источники энергии обладают теми или иными недостатками и ограничениями - либо сравнительно дешевая установка, но дорогая энергия, либо высокие капитальные затраты, либо экологические риски, либо иные ограничения.

В ближайшем будущем появится новый источник энергии

Источник, который будет обладать и высокой масштабируемостью (от киловатта до гигаватта), и возможностью повсеместной установки (от крупных городов и промышленных объектов до малых поселков и отдельных домов), и экологичностью, и низкой стоимостью получаемой энергии (в несколько раз или даже в несколько десятков раз дешевле всех существующих).

Энергия, которая будет доступнее в разы и десятки раз как по стоимости, так и по возможностям установки в любой местности - в горах, на крайнем севере, в отдаленных поселках, на островах и полуостровах.

Каждое предприятие сможет позволить себе установку собственной энергетической установки, выдающей более дешевую энергию, чем сегодня доступна в любой сети.

Для строительства поселка или нового жилмассива не нужно будет добиваться отведения мощности от существующих ГЭС, ТЭЦ или АЭС - можно будет установить собственный энергоблок.

Многократное снижение стоимости энергии приведет к изменению в ценообразовании на все товары и услуги, сделает доступными новые материалы и технологии, применять которые сегодня невыгодно из-за высоких энергозатрат.

Энергетическая революция повлечет за собой большие изменения во всех других сферах, возможно тоже революционные.

Вслед за энергетикой будет меняться структура экономики, а вслед за экономикой и общественно-политическое устройство.

Но что за новый источник энергии приведет к мировой энергетической революции и всем вытекающим из этого изменениям?

Откуда возьмутся дешевые киловатты, мегаватты и гигаватты в любом месте и количестве, да еще и с условием экологической чистоты?

Энергетика ядерного синтеза

Существующая сегодня атомная энергетика основана на реакциях деления тяжелых радиоактивных элементов (в действующих АЭС используются изотопы урана). Именно этим вызвана высокая сложность и стоимость атомных электростанций, тяжелые последствия аварий, а также проблемы с отработанным топливом.

Радиоактивное топливо сложно и дорого производить, использовать и утилизировать. Высокие издержки и риски влияют на стоимость получаемой энергии и не позволяют строить малые АЭС везде и всюду, передавая их в эксплуатацию неподготовленному и неподконтрольному персоналу.

Однако наряду с реакциями деления существуют реакции синтеза, которые дают значительно больший выход энергии и при этом на выходе не образуется радиоактивных изотопов, а значит не возникает проблем с отработанным топливом.

Продукты ядерного синтеза - это почти всегда стабильные изотопы, которые ничем не отличаются от тех, что существуют в природе. Существуют, конечно, реакции синтеза с выходом радиоактивных изотопов, но никто не заставляет осуществлять именно их.

Про перспективы энергетики ядерного синтеза говорили и писали давно и много.

Энергетическую революцию, связанную с освоением технологии ядерного синтеза ждали еще в конце прошлого века - ждали, но так и не дождались.

Примерно полвека назад начались попытки запустить ядерный синтез и обеспечить за счет этого весь мир чистой и практически неисчерпаемой энергией (1 грамм синтезируемого вещества дает больше энергии, чем 100 литров бензина при том, что топливом в реакциях синтеза потенциально может быть все, что угодно, в том числе обычная вода).

Однако попытки запустить реакции синтеза на практике натолкнулись на кулоновский барьер, преодолеть который оказалось очень непросто.

Кулоновский барьер - это сила отталкивания атомных ядер, которая препятствует их слиянию (синтезу). Именно из-за кулоновского барьера ядерный синтез не идет кругом и всюду сам собой. Не будь этого барьера - все вещество давно бы превратилось в железо и ряд других тяжелых элементов.

Из-за того же кулоновского барьера термоядерный взрыв не может вызвать цепную реакцию, в ходе которой сгорела бы вся планета. При термоядерном взрыве ядерный синтез идет только в том объеме вещества, которое удалось "поджечь" в момент взрыва первой ступени, которой служит обычный ядерный заряд деления.

На протяжении полувека, с момента появления идей об использовании реакций ядерного синтеза в народном хозяйстве, попытки создать энергетику синтеза стабильно разбивались об этот самый кулоновский барьер.

Строились (и продолжают строиться) токамаки (разновидность реакторов синтеза) один больше другого, однако положительного выхода энергии, который превышал бы затраты на разогрев и удержание высокотемпературной плазмы внутри магнитного бублика (тора, отсюда и название - токамак, тороидальная магнитная катушка) - как не было, так и нет. И есть основания полагать, что никогда не будет.

Но если все попытки запустить энергетически эффективный ядерный синтез до сих пор разбивались о кулоновский барьер, если токамаки до сих пор не дали положительный выход энергии и неизвестно, дадут ли его когда-либо - откуда прогноз о скорой энергетической революции?

LENR или НЭЯР - низкоэнергетический ядерный синтез

Наряду с попытками строительства токамаков и запуска ядерного синтеза в высокотемпературной плазме существует направление, которое часто называют холодным синтезом, хотя это не совсем правильный термин, который многих вводит в заблуждение.

Суть в том, что ядерный синтез может идти не только в высокотемпературной плазме, но и при других условиях, в частности при мощном электрическом разряде, в котором ядра атомов приобретают достаточную для синтеза энергию (поэтому называть этот синтез холодным некорректно, сообщаемая частицам энергия в данном случае не меньше, чем в высокотемпературной плазме). Были обнаружены и другие условия, при которых идет «теплый» ядерный синтез - при температурах «ниже плазменной, но выше комнатной».

Долгое время академическая наука не признавала саму возможность ядерного синтеза в каких-либо иных условиях, чем высокотемпературная плазма. Исключение делалось для «мезонного катализа», при котором синтез не требовал разогрева вещества, однако не был энергетически выгоден, потому что затраты на получение мезонов выше, чем выход энергии синтеза.

Ряд ученых, которые вели исследования в области низкоэнергетического синтеза (LENR), подверглись резкой критике со стороны академического сообщества, объявлялись «алхимиками» и некоторые даже оказались уволены из своих институтов « за ересь» .

Но сколько ни утверждали «ортодоксы от физики», что ядерный синтез не может идти при низких энергиях, потому что не может и баста - исследования в этой области продолжались, к ним присоединялись новые научные центры, увеличивалось финансирование, экспериментальная база росла и... в конце концов выяснилось, что невозможное все-таки возможно и ядерный синтез идет не только в высокотемпературной плазме, но и при других условиях и состояниях вещества.

За последние годы ряд экспериментов по осуществлению «теплого» синтеза и синтеза в электрических разрядах удалось повторить разным независимым исследовательским группам, добиться устойчивого воспроизводимого эффекта и, что самое главное - получить положительный выход энергии, который оказался больше, чем при реакциях деления урана (как собственно и должно быть, потому что реакции синтеза энергетически мощнее реакций деления).

Кроме этого, было разработано сразу несколько теорий, объясняющих, как именно ядрам атомов удается преодолеть упрямый кулоновский барьер и почему это происходит при строго определенных условиях.

Единого мнения в научном сообществе, какая из теорий верна, пока еще нет. Остаются и те, кто продолжает упрямо повторять «этого не может быть, потому что не может быть никогда». Но признание фактов неизбежно, равно как и доводка теоретической базы до единого признанного научным сообществом состояния.

Кулоновский барьер оказался преодолен

Кулоновский барьер преодолен во всех смыслах и теперь появление ядерных реакторов, работающих на принципах синтеза - преимущественно инженерная задача и вопрос времени.

Конечно, до появления промышленных реакторов ядерного синтеза может пройти еще много лет. Может быть даже несколько десятилетий. Путь от экспериментальной установки до промышленного образца не всегда бывает простым. И наука должна прийти к единому мнению по физическим основам данных реакций, без этого процесс внедрения будет сильно буксовать.

В качестве примера можно вспомнить историю вертолетостроения. Первые экспериментальные вертолеты появились еще в начале 20-го века, но они были опасны, нестабильны и неэффективны. Только спустя несколько десятилетий, после Второй мировой, удалось разработать надежные и по-настоящему эффективные вертолеты, поставить их выпуск на поток и превратить из экспериментальных образцов в промышленные.

Вероятно такой же путь пройдут и реакторы ядерного синтеза - от экспериментальных установок, действующих сегодня, до промышленного оборудования, которое начнет выпускаться через 10-20 лет.

Но самое главное уже случилось - экспериментальные образцы реакторов синтеза созданы, исследователи добились устойчивого воспроизводимого эффекта и положительного выхода энергии, превышающего выход энергии от ТВЭЛов, используемых в современных АЭС.

Опытные образцы позволяют сделать вывод, что реакторы синтеза будут очень масштабируемыми - минимальная эффективная мощность будет начинаться с нескольких киловатт, а энергоблок этой мощности может быть размером с системный блок компьютера. Стоимость установки в расчете на киловатт мощности будет ниже, чем у любых существующих генераторов. Стоимость топлива (заряда) будет и вовсе ничтожно мала ввиду использования повсеместно распространенного вещества.

Перечислять исследователей и опытные установки, на которых получен эффект ядерного синтеза, в данном материале не буду, потому что они заслуживают отдельного обзора, который подготовлю и выложу дополнительно.

Пока укажу лишь страны, в которых проводились исследования и были получены положительные результаты - это Россия, Япония, Италия и США. При этом первая установка ядерного синтеза, судя по всему, была создана еще в СССР, однако проект не получил своевременного развития и был закрыт.

Особенно важно, что эффект ядерного синтеза удалось воспроизвести ученым из Китая, а если в Китае что-то удалось воспроизвести, то появление промышленных образцов уже точно не остановить.

Энергетика ядерного синтеза из фантастики превращается в реальность.

Мир стоит на пороге энергетической революции, которую уже не отменить.

Не отменить и все другие революции, которые последуют за энергетической, потому что энергия лежит в основе всего - производства, транспорта, жизнеобеспечения, в основе всей экономики. А экономика лежит в основе политики и общественного устройства. Поэтому вслед за энергетической революцией последуют и все остальные, вплоть до общественно-политических.

термоядерный синтез, реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии. Ядерный синтез – это реакция, обратная делению атомов: в последней энергия выделяется за счет расщепления тяжелых ядер на более легкие. См. также ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ; АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.

Согласно современным астрофизическим представлениям, основным источником энергии Солнца и других звезд является происходящий в их недрах термоядерный синтез. В земных условиях он осуществляется при взрыве водородной бомбы. Термоядерный синтез сопровождается колоссальным энерговыделением на единицу массы реагирующих веществ (примерно в 10 миллионов раз большим, чем в химических реакциях). Поэтому представляет большой интерес овладеть этим процессом и на его основе создать дешевый и экологически чистый источник энергии. Однако несмотря на то, что исследованиями управляемого термоядерного синтеза (УТС) заняты большие научно-технические коллективы во многих развитых странах, предстоит решить еще немало сложных проблем, прежде чем промышленное производство термоядерной энергии станет реальностью.

Современные атомные станции, использующие процесс деления, лишь отчасти удовлетворяют мировые потребности в электроэнергии. Топливом для них служат естественные радиоактивные элементы уран и торий, распространенность и запасы которых в природе весьма ограничены; поэтому для многих стран возникает проблема их импорта. Главным компонентом термоядерного топлива является изотоп водорода дейтерий, который содержится в морской воде. Запасы его общедоступны и очень велики (мировой океан покрывает ~ 71% площади поверхности Земли, а на долю дейтерия приходится ок. 0,016% общего числа атомов водорода, входящих в состав воды). Помимо доступности топлива, термоядерные источники энергии имеют следующие важные преимущества перед атомными станциями: 1) реактор УТС содержит гораздо меньше радиоактивных материалов, чем атомный реактор деления, и поэтому последствия случайного выброса радиоактивных продуктов менее опасны; 2) при термоядерных реакциях образуется меньше долгоживущих радиоактивных отходов; 3) УТС допускает прямое получение электроэнергии.

Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции . М., 1963
Тепловые и атомные электрические станции (кн. 1, разд. 6; кн. 3, разд. 8). М., 1989

Найти "ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ " на