Ядерный синтез вместо расщепления (путь спасения для человечества?). Холодный ядерный синтез: эксперименты создают энергию, которой не должно быть

28.09.2019

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА

Успешное осуществление реакции синтеза зависит от свойств используемых атомных ядер и возможности получения плотной высокотемпературной плазмы, которая необходима для инициирования реакции.

Ядерные силы и реакции.

Энерговыделение при ядерном синтезе обусловлено действующими внутри ядра чрезвычайно интенсивными силами притяжения; эти силы удерживают вместе входящие в состав ядра протоны и нейтроны. Они очень интенсивны на расстояниях ~10 –13 см и чрезвычайно быстро ослабевают с увеличением расстояния. Помимо этих сил, положительно заряженные протоны создают электростатические силы отталкивания. Радиус действия электростатических сил гораздо больше, чем у ядерных, поэтому они начинают преобладать, когда ядра удалены друг от друга.

Как показал Г.Гамов, вероятность реакции между двумя сближающимися легкими ядрами пропорциональна , где e – основание натуральных логарифмов, Z 1 и Z 2 – числа протонов во взаимодействующих ядрах, W – энергия их относительного сближения, а K – постоянный множитель. Энергия, необходимая для осуществления реакции, зависит от числа протонов в каждом ядре. Если оно больше трех, то эта энергия слишком велика и реакция практически неосуществима. Таким образом, с возрастанием Z 1 и Z 2 вероятность реакции уменьшается.

Вероятность того, что два ядра вступят во взаимодействие, характеризуется «сечением реакции», измеряемом в барнах (1 б = 10 –24 см 2). Сечение реакции – это площадь эффективного поперечного сечения ядра, в которое должно «попасть» другое ядро, чтобы произошло их взаимодействие. Сечение реакции дейтерия с тритием достигает максимальной величины (~5 б), когда взаимодействующие частицы имеют энергию относительного сближения порядка 200 кэВ. При энергии 20 кэВ сечение становится меньше 0,1 б.

Из миллиона попадающих на мишень ускоренных частиц не более одной вступает в ядерное взаимодействие. Остальные рассеивают свою энергию на электронах атомов мишени и замедляются до скоростей, при которых реакция становится невозможной. Следовательно, способ бомбардировки твердой мишени ускоренными ядрами (как это было в эксперименте Кокрофта – Уолтона) для УТС непригоден, так как получаемая при этом энергия намного меньше затраченной.

Термоядерные топлива.

Реакции с участием p , играющие основную роль в процессах ядерного синтеза на Солнце и других гомогенных звездах, в земных условиях не представляют практического интереса, поскольку имеют слишком малое сечение. Для осуществления термоядерного синтеза на земле более подходящим видом топлива, как упоминалось выше, является дейтерий.

Но наиболее вероятная реакция реализуется в равнокомпонентной смеси дейтерия и трития (DT-смесь). К сожалению, тритий радиоактивен и, ввиду короткого периода полураспада (T 1/2 ~ 12,3 года) в природе практически не встречается. Его получают искусственным путем в реакторах деления, а также как побочный продукт в реакциях с дейтерием. Однако отсутствие в природе трития не является препятствием для использования DT – реакции синтеза, т.к. тритий можно производить, облучая изотоп 6 Li образующимися при синтезе нейтронами: n + 6 Li ® 4 He + t .

Если окружить термоядерную камеру слоем 6 Li (в природном литии его содержится 7%), то можно осуществить полное воспроизводство расходуемого трития. И хотя на практике часть нейтронов неизбежно теряется, их потерю легко восполнить, вводя в оболочку такой элемент, как бериллий, ядро которого, при попадании в него одного быстрого нейтрона, испускает два.

Принцип действия термоядерного реактора.

Реакция слияния легких ядер, цель которой – получение полезной энергии – называется управляемым термоядерным синтезом. Осуществляется он при температурах порядка сотен миллионов кельвинов. Такой процесс реализован пока только в лабораториях.

Временне и температурные условия.

Получение полезной термоядерной энергии возможно лишь при выполнении двух условий. Во-первых, предназначенная для синтеза смесь должна быть нагрета до температуры, при которой кинетическая энергия ядер обеспечивает высокую вероятность их слияния при столкновении. Во-вторых, реагирующая смесь должна быть очень хорошо термоизолирована (т.е. высокая температура должна поддерживаться достаточно долго, чтобы произошло необходимое число реакций и выделившаяся за счет этого энергия превышала энергию, затраченную на нагрев топлива).

В количественной форме это условие выражается следующим образом. Чтобы нагреть термоядерную смесь, одному кубическому сантиметру ее объема надо сообщить энергию P 1 = knT , где k – численный коэффициент, n – плотность смеси (количество ядер в 1 см 3), T – требуемая температура. Для поддержания реакции сообщенная термоядерной смеси энергия должна сохраняться в течение времени t. Чтобы реактор был энергетически выгоден, нужно, чтобы за это время в нем выделилось термоядерной энергии больше, чем было потрачено на нагрев. Выделившаяся энергия (также на 1 см 3) выражается следующим образом:

где f (T ) – коэффициент, зависящий от температуры смеси и ее состава, R – энергия, выделяющаяся в одном элементарном акте синтеза. Тогда условие энергетической рентабельности P 2 > P 1 примет вид

Последнее неравенство, известное под названием критерия Лоусона, представляет собой количественное выражение требований к совершенству термоизоляции. Правая часть – «число Лоусона» – зависит только от температуры и состава смеси, и чем оно больше, тем жестче требования к термоизоляции, т.е. тем труднее создать реактор. В области приемлемых температур число Лоусона для чистого дейтерия составляет 10 16 с/см 3 , а для равнокомпонентной DT-смеси – 2Ч10 14 с/см 3 . Таким образом, DT-смесь является более предпочтительным термоядерным топливом.

В соответствии с критерием Лоусона, определяющим энергетически выгодную величину произведения плотности на время удержания, в термоядерном реакторе следует использовать по возможности большие n либо t . Поэтому исследования УТС разошлись по двум разным направлениям: в первом исследователи пытались с помощью магнитного поля в течение достаточно длительного времени удерживать относительно разреженную плазму; во втором – с помощью лазеров на короткое время создать плазму с очень высокой плотностью. Первому подходу было посвящено гораздо больше работ, чем второму.

Магнитное удержание плазмы.

Во время реакции синтеза плотность горячего реагента должна оставаться на уровне, который обеспечивал бы достаточно высокий выход полезной энергии на единицу объема при давлении, которое в состоянии выдержать камера с плазмой. Например, для смеси дейтерий – тритий при температуре 10 8 К выход определяется выражением

Если принять P равным 100 Вт/см 3 (что примерно соответствует энергии, выделяемой топливными элементами в ядерных реакторах деления), то плотность n должна составлять ок. 10 15 ядер/см 3 , а соответствующее давление nT – примерно 3 МПа. Время удержания при этом, согласно критерию Лоусона, должно быть не менее 0,1 с. Для дейтерий-дейтериевой плазмы при температуре 10 9 К

В этом случае при P = 100 Вт/см 3 , n » 3Ч10 15 ядер/см 3 и давлении примерно 100 МПа требуемое время удержания составит более 1 с. Заметим, что указанные плотности составляют лишь 0,0001 от плотности атмосферного воздуха, так что камера реактора должна откачиваться до высокого вакуума.

Приведенные выше оценки времени удержания, температуры и плотности являются типичными минимальными параметрами, необходимыми для работы термоядерного реактора, причем легче они достигаются в случае дейтерий-тритиевой смеси. Что касается термоядерных реакций, протекающих при взрыве водородной бомбы и в недрах звезд, то следует иметь в виду, что в силу совершенно иных условий в первом случае они протекают очень быстро, а во втором – крайне медленно по сравнению с процессами в термоядерном реакторе.

Плазма.

При сильном нагреве газа его атомы частично или полностью теряют электроны, в результате чего образуются положительно заряженные частицы, называемые ионами, и свободные электроны. При температурах более миллиона градусов газ, состоящий из легких элементов, полностью ионизуется, т.е. каждый его атом утрачивает все свои электроны. Газ в ионизованном состоянии называется плазмой (термин введен И.Ленгмюром). Свойства плазмы существенно отличаются от свойств нейтрального газа. Поскольку в плазме присутствуют свободные электроны, плазма очень хорошо проводит электрический ток, причем ее проводимость пропорциональна T 3/2 . Плазму можно нагревать, пропуская через нее электрический ток. Проводимость водородной плазмы при 10 8 К такая же, как у меди при комнатной температуре. Очень велика и теплопроводность плазмы.

Чтобы удержать плазму, например, при температуре 10 8 К, ее нужно надежно термоизолировать. В принципе изолировать плазму от стенок камеры можно, поместив ее в сильное магнитное поле. Это обеспечивается силами, которые возникают при взаимодействии токов с магнитным полем в плазме.

Под действием магнитного поля ионы и электроны движутся по спиралям вдоль его силовых линий. Переход с одной силовой линии на другую возможен при столкновениях частиц и при наложении поперечного электрического поля. В отсутствие электрических полей высокотемпературная разреженная плазма, в которой столкновения происходят редко, будет лишь медленно диффундировать поперек магнитных силовых линий. Если силовые линии магнитного поля замкнуть, придав им форму петли, то частицы плазмы будут двигаться вдоль этих линий, удерживаясь в области петли. Кроме такой замкнутой магнитной конфигурации для удержания плазмы были предложены и открытые системы (с силовыми линиями поля, выходящими из торцов камеры наружу), в которых частицы остаются внутри камеры благодаря ограничивающим движение частиц магнитным «пробкам». Магнитные пробки создаются у торцов камеры, где в результате постепенного увеличения напряженности поля образуется сужающийся пучок силовых линий.

На практике осуществить магнитное удержание плазмы достаточно большой плотности оказалось далеко не просто: в ней часто возникают магнитогидродинамические и кинетические неустойчивости.

Магнитогидродинамические неустойчивости связаны с изгибами и изломами магнитных силовых линий. В этом случае плазма может начать перемещаться поперек магнитного поля в виде сгустков, за несколько миллионных долей секунды уйдет из зоны удержания и отдаст тепло стенкам камеры. Такие неустойчивости можно подавить, придав магнитному полю определенную конфигурацию.

Кинетические неустойчивости очень многообразны и изучены они менее детально. Среди них есть такие, которые срывают упорядоченные процессы, как, например, протекание через плазму постоянного электрического тока или потока частиц. Другие кинетические неустойчивости вызывают более высокую скорость поперечной диффузии плазмы в магнитном поле, чем предсказываемая теорией столкновений для спокойной плазмы.

Системы с замкнутой магнитной конфигурацией.

Если к ионизованному проводящему газу приложить сильное электрическое поле, то в нем возникнет разрядный ток, одновременно с которым появится окружающее его магнитное поле. Взаимодействие магнитного поля с током приведет к появлению действующих на заряженные частицы газа сжимающих сил. Если ток протекает вдоль оси проводящего плазменного шнура, то возникающие радиальные силы подобно резиновым жгутам сжимают шнур, отодвигая границу плазмы от стенок содержащей ее камеры. Это явление, теоретически предсказанное У.Беннеттом в 1934 и впервые экспериментально продемонстрированное А.Уэром в 1951, названо пинч-эффектом. Метод пинча применяется для удержания плазмы; примечательной его особенностью является то, что газ нагревается до высоких температур самим электрическим током (омический нагрев). Принципиальная простота метода обусловила его использование в первых же попытках удержания горячей плазмы, а изучение простого пинч-эффекта, несмотря на то, что впоследствии он был вытеснен более совершенными методами, позволило лучше понять проблемы, с которыми экспериментаторы сталкиваются и сегодня.

Помимо диффузии плазмы в радиальном направлении, наблюдается еще продольный дрейф и выход ее через торцы плазменного шнура. Потери через торцы можно устранить, если придать камере с плазмой форму бублика (тора). В этом случае получается тороидальный пинч.

Для описанного выше простого пинча серьезной проблемой являются присущие ему магнитогидродинамические неустойчивости. Если у плазменного шнура возникает небольшой изгиб, то плотность силовых линий магнитного поля с внутренней стороны изгиба увеличивается (рис. 1). Магнитные силовые линии, которые ведут себя подобно сопротивляющимся сжатию жгутам, начнут быстро «выпучиваться», так что изгиб будет увеличиваться вплоть до разрушения всей структуры плазменного шнура. В результате плазма вступит в контакт со стенками камеры и охладится. Чтобы исключить это губительное явление, до пропускания основного аксиального тока в камере создают продольное магнитное поле, которое вместе с приложенным позднее круговым полем «выпрямляет» зарождающийся изгиб плазменного шнура (рис. 2). Принцип стабилизации плазменного шнура аксиальным полем положен в основу двух перспективных проектов термоядерных реакторов – токамака и пинча с обращенным магнитным полем.

Открытые магнитные конфигурации.

Инерциальное удержание.

Теоретические расчеты показывают, что термоядерный синтез возможен и без применения магнитных ловушек. Для этого осуществляется быстрое сжатие специально приготовленной мишени (шарика из дейтерия радиусом ок. 1 мм) до столь высоких плотностей, что термоядерная реакция успевает завершиться прежде, чем произойдет испарение топливной мишени. Сжатие и нагрев до термоядерных температур можно производить сверхмощными лазерными импульсами, со всех сторон равномерно и одновременно облучающими топливный шарик (рис. 4). При мгновенном испарении его поверхностных слоев вылетающие частицы приобретают очень высокие скорости, и шарик оказывается под действием больших сжимающих сил. Они аналогичны движущим ракету реактивным силам, с той лишь разницей, что здесь эти силы направлены внутрь, к центру мишени. Этим методом можно создать давления порядка 10 11 МПа и плотности, в 10 000 раз превышающие плотность воды. При такой плотности почти вся термоядерная энергия высвободится в виде небольшого взрыва за время ~10 –12 с. Происходящие микровзрывы, каждый из которых эквивалентен 1–2 кг тротила, не вызовут повреждения реактора, а осуществление последовательности таких микровзрывов через короткие промежутки времени позволило бы реализовать практически непрерывное получение полезной энергии. Для инерциального удержания очень важно устройство топливной мишени. Мишень в виде концентрических сфер из тяжелого и легкого материалов позволит добиться максимально эффективного испарения частиц и, следовательно, наибольшего сжатия.

Расчеты показывают, что при энергии лазерного излучения порядка мегаджоуля (10 6 Дж) и кпд лазера не менее 10% производимая термоядерная энергия должна превышать энергию, израсходованную на накачку лазера. Термоядерные лазерные установки имеются в исследовательских лабораториях России, США, Западной Европы и Японии. В настоящее время изучается возможность использования вместо лазерного луча пучка тяжелых ионов или сочетания такого пучка со световым лучом. Благодаря современной технике такой способ инициирования реакции имеет преимущество перед лазерным, поскольку позволяет получить больше полезной энергии. Недостаток заключается в трудности фокусировки пучка на мишени.

УСТАНОВКИ С МАГНИТНЫМ УДЕРЖАНИЕМ

Магнитные методы удержания плазмы исследуются в России, США, Японии и ряде европейских стран. Главное внимание уделяется установкам тороидального типа, таким, как токамак и пинч с обращенным магнитным полем, появившимся в результате развития более простых пинчей со стабилизирующим продольным магнитным полем.

Для удержания плазмы при помощи тороидального магнитного поля B j необходимо создать условия, при которых плазма не смещалась бы к стенкам тора. Это достигается «скручиванием» силовых линий магнитного поля (т.н. «вращательным преобразованием»). Такое скручивание осуществляется двумя способами. В первом способе через плазму пропускается ток, приводящий к конфигурации уже рассмотренного устойчивого пинча. Магнитное поле тока B q Ј –B q вместе с B j создает суммарное поле с необходимым закручиванием. Если B j B q , то получается конфигурация, известная под названием токамак (аббревиатура выражения «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками»). Токамак (рис. 5) был разработан под руководством Л.А.Арцимовича в Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова в Москве. При B j ~ B q получается конфигурация пинча с обращенным магнитным полем.

Во втором способе для обеспечения равновесия удерживаемой плазмы применяются специальные винтовые обмотки вокруг тороидальной плазменной камеры. Токи в этих обмотках создают сложное магнитное поле, приводящее к закручиванию силовых линий суммарного поля внутри тора. Такая установка, называемая стелларатором, была разработана в Принстонском университете (США) Л.Спитцером с сотрудниками.

Токамак.

Важным параметром, от которого зависит удержание тороидальной плазмы, является «запас устойчивости» q , равный rB j /RB q , где r и R – соответственно малый и большой радиусы тороидальной плазмы. При малом q может развиваться винтовая неустойчивость – аналог неустойчивости изгиба прямого пинча. Ученые в Москве экспериментально показали, что при q > 1 (т.е. B j B q) возможность возникновения винтовой неустойчивости сильно уменьшается. Это позволяет эффективно использовать выделяемое током тепло для нагревания плазмы. В результате многолетних исследований характеристики токамаков существенно улучшились, в частности за счет повышения однородности поля и эффективной очистки вакуумной камеры.

Полученные в России обнадеживающие результаты стимулировали создание токамаков во многих лабораториях мира, а их конфигурация стала предметом интенсивного исследования.

Омический нагрев плазмы в токамаке недостаточен для осуществления реакции термоядерного синтеза. Это связано с тем, что при нагреве плазмы сильно уменьшается ее электрическое сопротивление, и в результате резко снижается выделение тепла при прохождении тока. Увеличивать ток в токамаке выше некоторого предела нельзя, поскольку плазменный шнур может потерять устойчивость и переброситься на стенки камеры. Поэтому для нагрева плазмы используют различные дополнительные методы. Наиболее эффективные из них – инжекция пучков нейтральных атомов с высокой энергией и микроволновое облучение. В первом случае ускоренные до энергий 50–200 кэВ ионы нейтрализуются (чтобы избежать «отражения» их назад магнитным полем при введении в камеру) и инжектируются в плазму. Здесь они снова ионизуются и в процессе столкновений отдают плазме свою энергию. Во втором случае используется микроволновое излучение, частота которого равна ионной циклотронной частоте (частота вращения ионов в магнитном поле). На этой частоте плотная плазма ведет себя как абсолютно черное тело, т.е. полностью поглощает падающую энергию. На токамаке JET стран Европейского союза методом инжекции нейтральных частиц была получена плазма с ионной температурой 280 млн. кельвинов и временем удержания 0,85 с. На дейтериево-тритиевой плазме получена термоядерная мощность, достигающая 2 МВт. Длительность поддержания реакции ограничивается появлением примесей вследствие распыления стенок камеры: примеси проникают в плазму и, ионизуясь, существенно увеличивают энергетические потери за счет излучения. Сейчас работы по программе JET сосредоточены на исследованиях возможности контроля примесей и их удаления т.н. «магнитным дивертором».

Большие токамаки созданы также в США – TFTR, в России – T15 и в Японии – JT60. Исследования, выполненные на этих и других установках, заложили основу для дальнейшего этапа работ в области управляемого термоядерного синтеза: на 2010 намечается запуск большого реактора для технических испытаний. Предполагается, что это будет совместная работа США, России, стран Европейского союза и Японии. См. также ТОКАМАК .

Пинч с обращенным полем (ПОП).

Конфигурация ПОП отличается от токамака тем, что в ней B q ~ B j , но при этом направление тороидального поля вне плазмы противоположно его направлению внутри плазменного шнура. Дж.Тейлор показал, что такая система находится в состоянии с минимальной энергией и, несмотря на q

Достоинством конфигурации ПОП является то, что в ней отношение объемных плотностей энергии плазмы и магнитного поля (величина b) больше, чем в токамаке. Принципиально важно, чтобы b было как можно больше, поскольку это позволит уменьшить тороидальное поле, а следовательно, снизит стоимость создающих его катушек и всей несущей конструкции. Слабая сторона ПОП состоит в том, что термоизоляция у этих систем хуже, чем у токамаков, и не решена проблема поддержания обращенного поля.

Стелларатор.

В стеллараторе на замкнутое тороидальное магнитное поле налагается поле, создаваемое специальной винтовой обмоткой, навитой на корпус камеры. Суммарное магнитное поле предотвращает дрейф плазмы в направлении от центра и подавляет отдельные виды магнитогидродинамических нестабильностей. Сама плазма может создаваться и нагреваться любым из способов, применяемых в токамаке.

Главным преимуществом стелларатора является то, что примененный в нем способ удержания не связан с наличием тока в плазме (как в токамаках или в установках на основе пинч-эффекта), и потому стелларатор может работать в стационарном режиме. Кроме того, винтовая обмотка может оказывать «диверторное» действие, т.е. очищать плазму от примесей и удалять продукты реакции.

Удержание плазмы в стеллараторах всесторонне исследуется на установках Европейского союза, России, Японии и США. На стеллараторе «Вендельштейн VII» в Германии удалось поддерживать не несущую тока плазму с температурой более 5Ч10 6 кельвинов, нагревая ее путем инжекции высокоэнергетичного атомарного пучка.

Последние теоретические и экспериментальные исследования показали, что в большинстве описанных установок, и особенно в замкнутых тороидальных системах, время удержания плазмы можно увеличить, увеличивая ее радиальные размеры и удерживающее магнитное поле. Например, для токамака подсчитано, что критерий Лоусона будет выполняться (и даже с некоторым запасом) при напряженности магнитного поля ~50 ё 100 кГс и малом радиусе тороидальной камеры ок. 2 м. Таковы параметры установки на 1000 МВт электроэнергии.

При создании столь крупных установок с магнитным удержанием плазмы возникают совершенно новые технологические проблемы. Чтобы создать магнитное поле порядка 50 кГс в объеме нескольких кубических метров с помощью охлаждаемых водой медных катушек, потребуется источник электроэнергии мощностью в несколько сотен мегаватт. Поэтому очевидно, что обмотки катушек необходимо делать из сверхпроводящих материалов, таких, как сплавы ниобия с титаном или с оловом. Сопротивление этих материалов электрическому току в сверхпроводящем состоянии равно нулю, и, следовательно, на поддержание магнитного поля будет расходоваться минимальное количество электроэнергии.

Реакторная технология.

Перспективы термоядерных исследований.

Эксперименты, выполненные на установках типа токамак, показали, что эта система весьма перспективна в качестве возможной основы реактора УТС. На токамаках получены лучшие на сегодня результаты, и есть надежда, что при соответствующем увеличении масштабов установок на них удастся осуществить промышленный УТС. Однако токамак недостаточно экономичен. Для устранения этого недостатка необходимо, чтобы он работал не в импульсном, как сейчас, а в непрерывном режиме. Но физические аспекты этой проблемы пока еще мало исследованы. Необходимо также разработать технические средства, которые позволили бы улучшить параметры плазмы и устранить ее неустойчивости. Учитывая все это, не следует забывать и о других возможных, хотя и менее проработанных вариантах термоядерного реактора, например о стеллараторе или пинче с обращенным полем. Состояние исследований в этой области достигло этапа, когда имеются концептуальные реакторные проекты для большинства систем с магнитным удержанием высокотемпературной плазмы и для некоторых систем с инерциальным удержанием. Примером промышленной разработки токамака может служить проект «Ариес» (США).

Шиканов А.С. // Соросовский образовательный журнал, №8, 1997, с: 86-91

Мы рассмотрим физические принципы лазерного термоядерного синтеза — быстро развивающегося научного направления, в основу которого легли два выдающихся открытия XX столетия: термоядерные реакции и лазеры.

Термоядерные реакции протекают при слиянии (синтезе) ядер легких элементов. При этом наряду с образованием более тяжелых элементов выделяется избыточная энергия в виде кинетической энергии конечных продуктов реакции и гамма-излучения. Большое энерговыделение при протекании термоядерных реакций и привлекает внимание ученых из-за возможности их практического применения в земных условиях. Так, термоядерные реакции в крупных масштабах осуществлены в водородной (или термоядерной) бомбе.

Чрезвычайно привлекательной представляется возможность утилизации энергии, выделившейся при термоядерных реакциях для решения энергетической проблемы. Дело в том, что топливом при таком способе получения энергии является изотоп водорода дейтерий (D), запасы которого в Мировом океане практически неисчерпаемы.

ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ И УПРАВЛЯЕМЫЙ СИНТЕЗ

Термоядерная реакция — это процесс слияния (или синтеза) легких ядер в более тяжелые. Так как при этом происходит образование сильно связанных ядер из более рыхлых, процесс сопровождается выделением энергии связи. Легче всего происходит слияние изотопов водорода — дейтерия D и трития T. Ядро дейтерия — дейтрон содержит один протон и один нейтрон. Дейтерий содержится в воде в соотношении одна часть на 6500 частей водорода. Ядро трития — тритон состоит из протона и двух нейтронов. Тритий нестабилен (период полураспада 12,4 года), однако может быть получен в результате ядерных реакций.

При синтезе ядер дейтерия и трития образуются гелий He с атомной массой, равной четырем, и нейтрон n. В результате реакции выделяется энергия 17,6 МэВ.

Слияние ядер дейтерия происходит по двум каналам примерно с одинаковой вероятностью: в первом образуются тритий и протон p и выделяется энергия, равная 4 МэВ; во втором канале — гелий с атомной массой 3 и нейтрон, а выделившаяся энергия 3,25 МэВ. Эти реакции представляются в виде формул

D + T = 4He + n + 17,6 МэВ,

D + D = T + p + 4,0 МэВ,

D + D = 3He + n + 3,25 МэВ.

До процесса слияния ядра дейтерия и трития обладают энергией порядка 10 кэВ; энергия продуктов реакции достигает величины порядка единиц и десятков мегаэлектронвольт. Следует также отметить, что сечение реакции D + T и скорость ее протекания значительно выше (в сотни раз), чем для реакции D + D. Следовательно, для реакции D + T значительно легче достичь условий, когда выделившаяся термоядерная энергия превзойдет затраты на организацию процессов слияния.

Возможны и реакции синтеза с участием других ядер элементов (например, лития, бора и т.д.). Однако сечения реакций и скорости их протекания для этих элементов существенно меньше, чем для изотопов водорода, и достигают заметных значений лишь для температур порядка 100 кэВ. Достижение таких температур в термоядерных установках в настоящее время предоставляется совершенно нереальным, поэтому лишь реакции слияния изотопов водорода могут иметь практическое применение в ближайшем будущем.

Каким образом можно осуществить термоядерную реакцию? Проблема заключается в том, что слиянию ядер препятствуют электрические силы расталкивания. В соответствии с законом Кулона электрическая сила расталкивания растет обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими ядрами F ~ 1/ r 2. Поэтому для синтеза ядер, образования новых элементов и выделения избыточной энергии необходимо преодолеть кулоновский барьер, то есть совершить работу против сил расталкивания, сообщая ядрам необходимую энергию.

Существуют две возможности. Одна из них заключается в столкновении двух ускоренных навстречу друг другу пучков легких атомов. Оказалось, однако, что этот путь неэффективен. Дело в том, что вероятность слияния ядер в ускоренных пучках чрезвычайно мала из-за низкой плотности ядер и ничтожно малого времени их взаимодействия, хотя создание пучков необходимой энергии в существующих ускорителях проблемы не составляет.

Другой путь, на котором и остановились современные исследователи, — нагрев вещества до высоких температур (порядка 100 млн градусов). Чем выше температура, тем выше среднекинетическая энергия частиц и тем большее их количество может преодолеть кулоновский барьер.

Для количественной оценки эффективности термоядерных реакций вводится коэффициент усиления по энергии Q, равный

где Eвых — энергия, выделившаяся в результате реакций синтеза, Eуст — энергия, идущая на нагрев плазмы до термоядерных температур.

Для того чтобы энергия, выделившаяся в результате реакции, сравнялась с энергетическими затратами на нагрев плазмы до температур порядка 10 кэВ, необходимо выполнение так называемого критерия Лоусона:

(Nt) $ 1014 c/см3 для D-T реакции,

(Nt) $ 1015 с/см3 для D-D реакции.

Здесь N — это плотность дейтериево-тритиевой смеси (количество частиц в кубическом сантиметре), t — время эффективного протекания реакций синтеза.

К настоящему времени сформировались два в значительной мере независимых подхода к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза. Первый из них основан на возможности удержания и термоизоляции высокотемпературной плазмы относительно низкой плотности (N © 1014-1015 см- 3) магнитным полем специальной конфигурации в течение сравнительно длительного времени (t © 1-10 с). К таким системам относится «Токамак» (сокращенно от «тороидальная камера с магнитными катушками»), предложенный в 50-х годах в СССР.

Другой путь импульсный. При импульсном подходе необходимо быстро нагреть и сжать малые порции вещества до таких температур и плотностей, при которых термоядерные реакции успевали бы эффективно протекать за время существования ничем не удерживаемой или, как говорят, инерциально удерживаемой плазмы. Оценки показывают, что, для того чтобы сжать вещество до плотностей 100-1000 г/см3 и нагреть его до температуры Т © 5-10 кэВ, необходимо создать давление на поверхности сферической мишени Р © 5 » 109 атм, то есть нужен источник, который позволял бы подвести к поверхности мишени энергию с плотностью мощности q © 1015 Вт/см2.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА

Впервые идея использования мощного лазерного излучения для нагрева плотной плазмы до термоядерных температур была высказана Н.Г. Басовым и О.Н. Крохиным в начале 60-х годов. К настоящему времени сформировалось самостоятельное направление термоядерных исследований — лазерный термоядерный синтез (ЛТС).

Остановимся кратко на том, какие основные физические принципы заложены в концепцию достижения высоких степеней сжатия веществ и получения больших коэффициентов усиления по энергии с помощью лазерных микровзрывов. Рассмотрение построим на примере так называемого режима прямого сжатия. В этом режиме микросфера (рис. 1), наполненная термоядерным топливом, со всех сторон «равномерно» облучается многоканальным лазером. В результате взаимодействия греющего излучения с поверхностью мишени образуется горячая плазма с температурой в несколько килоэлектронвольт (так называемая плазменная корона), разлетающаяся навстречу лучу лазера с характерными скоростями 107-108 см/с.

Не имея возможности более детально остановиться на процессах поглощения в плазменной короне, отметим, что в современных модельных экспериментах на уровне энергий лазерного излучения 10-100 кДж для мишеней, сравнимых по размерам с мишенями для больших коэффициентов усиления, удается достичь высоких (© 90%) коэффициентов поглощения греющего излучения.

Как мы уже видели, световое излучение не может проникнуть в плотные слои мишени (плотность твердого тела составляет © 1023 см- 3). За счет теплопроводности энергия, поглощенная в плазме с электронной плотностью, меньшей nкр, передается в более плотные слои, где происходит абляция вещества мишени. Оставшиеся неиспаренными слои мишени под действием теплового и реактивного давления ускоряются к центру, сжимая и нагревая находящееся в ней топливо (рис. 2). В итоге энергия лазерного излучения превращается на рассматриваемой стадии в кинетическую энергию вещества, летящего к центру, и в энергию разлетающейся короны. Очевидно, что полезная энергия сосредоточена в движении к центру. Эффективность вклада световой энергии в мишень характеризуется отношением указанной энергии к полной энергии излучения — так называемым гидродинамическим коэффициентом полезного действия (КПД). Достижение достаточно высокого гидродинамического КПД (10-20%) является одной из важных проблем лазерного термоядерного синтеза.

Рис. 2. Распределение по радиусу температуры и плотности вещества в мишени на стадии ускоре- ния оболочки к центру

Какие же процессы могут препятствовать достижению высоких степеней сжатия? Один из них заключается в том, что при термоядерных плотностях излучения q > 1014 Вт/см2 заметная доля поглощенной энергии трансформируется не в классическую волну электронной теплопроводности, а в потоки быстрых электронов, энергия которых много больше температуры плазменной короны (так называемые надтепловые электроны). Это может происходить как за счет резонансного поглощения, так и вследствие параметрических эффектов в плазменной короне. При этом длина пробега надтепловых электронов может оказаться сравнимой с размерами мишени, что приведет к предварительному прогреву сжимаемого топлива и невозможности получения предельных сжатий. Большой проникающей способностью обладают и рентгеновские кванты большой энергии (жесткое рентгеновское излучение), сопутствующие надтепловым электронам.

Тенденцией экспериментальных исследований последних лет является переход к использованию коротковолнового лазерного излучения (l < 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (q < 1015 Вт/см2). Практическая возможность перехода к нагреву плазмы коротковолновым излучением связана с тем, что коэффициенты конверсии излучения твердотельного неодимого лазера (основного кандидата в драйверы для лазерного термоядерного синтеза) с длиной волны l = 1,06 мкм в излучения второй, третьей и четвертой гармоник с помощью нелинейных кристаллов достигает 70-80%. В настоящее время фактически все крупные лазерные установки на неодимовом стекле снабжены системами умножения частоты. Физической причиной преимущества использования коротковолнового излучения для нагрева и сжатия микросфер является то, что с уменьшением длины волны увеличивается поглощение в плазменной короне и возрастают абляционное давление и гидродинамический коэффициент передачи. На несколько порядков уменьшается доля надтепловых электронов, генерируемых в плазменной короне, что является чрезвычайно выгодным для режимов как прямого, так и непрямого сжатия. Для непрямого сжатия принципиально и то, что с уменьшением длины волны увеличивается конверсия поглощенной плазмой энергии в мягкое рентгеновское излучение. Остановимся теперь на режиме непрямого сжатия. Физический анализ показывает, что осуществление режима сжатия до высоких плотностей топлива оптимально для простых и сложных оболочечных мишеней с аспектным отношением R / DR в несколько десятков. Здесь R — радиус оболочки, DR — ее толщина. Однако сильное сжатие может быть ограничено развитием гидродинамических неустойчивостей, которые проявляются в отклонении движения оболочки на стадиях ее ускорения и торможения в центре от сферической симметрии и зависят от отклонений начальной формы мишени от идеально сферической, неоднородного распределения падающих лазерных лучей по ее поверхности. Развитие неустойчивости при движении оболочки к центру приводит сначала к отклонению движения от сферически-симметричного, затем к турбулизации течения и в конце концов к перемешиванию слоев мишени и дейтериево-тритиевого горючего. В результате в конечном состоянии может возникнуть образование, форма которого резко отличается от сферического ядра, а средние плотность и температура значительно ниже величин, соответствующих одномерному сжатию. При этом начальная структура мишени (например, определенный набор слоев) может быть полностью нарушена. Физическая природа такого типа неустойчивости эквивалентна неустойчивости слоя ртути, находящегося на поверхности воды в поле тяжести. При этом, как известно, происходит полное перемешивание ртути и воды, то есть в конечном состоянии ртуть окажется внизу. Аналогичная ситуация и может происходить при ускоренном движении к центру вещества мишени, имеющей сложную структуру, или в общем случае при наличии градиентов плотности и давления. Требования к качеству мишеней достаточно жестки. Так, неоднородность толщины стенки микросферы не должна превышать 1%, однородность распределения поглощения энергии по поверхности мишени 0,5%. Предложение использовать схему непрямого сжатия как раз и связано с возможностью решить проблему устойчивости сжатия мишени. Принципиальная схема эксперимента в режиме непрямого сжатия показана на рис. 3. Излучение лазера заводится в полость (хольраум), фокусируясь на внутренней поверхности внешней оболочки, состоящей из вещества с большим атомным номером, например золота. Как уже отмечалось, до 80% поглощенной энергии трансформируется в мягкое рентгеновское излучение, которое нагревает и сжимает внутреннюю оболочку. К преимуществам такой схемы относятся возможность достижения более высокой однородности распределения поглощенной энергии по поверхности мишени, упрощение схемы лазера и условий фокусировки и т.д. Однако имеются и недостатки, связанные с потерей энергии на конверсию в рентгеновское излучение и сложностью ввода излучения в полость. Каково же состояние исследований по лазерному термоядерному синтезу в настоящее время? Эксперименты по достижению высоких плотностей сжимаемого топлива в режиме прямого сжатия начались в середине 70-х годов в Физическом институте им. П.Н. Лебедева, где на установке «Кальмар» с энергией E = 200 Дж была достигнута плотность сжимаемого дейтерия © 10 г/см3. В дальнейшем программы работ по ЛТС активно развивались в США (установки «Шива», «Нова» в Ливерморской национальной лаборатории, «Омега» в Рочестерском университете), Японии («Гекко-12»), России («Дельфин» в ФИАНе, «Искра-4», «Искра-5» в Арзамасе-16) на уровне энергии лазеров 1-100 кДж. Детально исследуются все аспекты нагрева и сжатия мишеней различной конфигурации в режимах прямого и непрямого сжатий. Достигаются абляционное давление ~ 100 Мбар и скорости схлопывания микросфер V > 200 км/с при значениях гидродинамического КПД порядка 10%. Прогресс в развитии лазерных систем и конструкций мишеней позволил обеспечить степень однородности облучения сжимаемой оболочки 1-2% как при прямом, так и при непрямом сжатии. В обоих режимах были достигнуты плотности сжатого газа 20-40 г/см3, а на установке «Гекко-12» была зарегистрирована плотность сжатой оболочки 600 г/см3. Максимальный нейтронный выход N = 1014 нейтронов за вспышку.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, вся совокупность полученных экспериментальных результатов и их анализ указывают на практическую реализуемость следующего этапа в развитии лазерного термоядерного синтеза — достижение плотностей дейтериево-тритиевого газа 200-300 г/см3, осуществление сжатия мишени и достижение заметных коэффициентов усиления k на уровне энергии E = 1 МДж (см. рис. 4 и ).

В настоящее время интенсивно разрабатывается элементная база и создаются проекты лазерных установок мегаджоульного уровня. В Ливерморской лаборатории начато создание установки на неодимовом стекле с энергией Е = 1,8 МДж. Стоимость проекта составляет 2 млрд долл. Создание установки аналогичного уровня запланировано и во Франции. На этой установке планируется достижение коэффициента усиления по энергии Q ~ 100. Нужно сказать, что запуск установок такого масштаба не только приблизит возможность создания термоядерного реактора на основе лазерного термоядерного синтеза, но и предоставит в распоряжение исследователей уникальный физический объект — микровзрыв с энерговыделением 107-109 Дж, мощный источник нейтронного, нейтринного, рентгеновского и g-излучений. Это будет иметь не только большое общефизическое значение (возможность исследовать вещества в экстремальных состояниях, физики горения, уравнения состояния, лазерных эффектов и т.д.), но и позволит решить специальные задачи прикладного, в том числе военного, характера.

Для реактора на основе лазерного термоядерного синтеза необходимо, однако, создание лазера мегаджоульного уровня, работающего с частотой повторения в несколько герц. В ряде лабораторий исследуются возможности создания таких систем на основе новых кристаллов. Запуск опытного реактора по американской программе планируется на 2025 год.

Инновационные проекты с использованием современных сверхпроводников в ближайшее время позволят осуществить управляемый термоядерный синтез - так утверждают некоторые оптимисты. Эксперты, однако, предсказывают, что практическое применение займет несколько десятилетий.

Почему так сложно?

Энергия термоядерного синтеза считается потенциальным источником Это чистая энергия атома. Но что же она собой представляет и почему ее так сложно добиться? Для начала следует разобраться с различием между классическим и термоядерным синтезом.

Деление атома состоит в том, что радиоактивные изотопы - уран или плутоний - расщепляются и превращаются в другие высокорадиоактивные изотопы, которые затем должны быть захоронены или переработаны.

Синтеза заключается в том, что два изотопа водорода - дейтерий и тритий - сливаются в единое целое, образуя неядовитый гелий и единственный нейтрон, не производя радиоактивных отходов.

Проблема контроля

Реакции, которые происходят на Солнце или в водородной бомбе, - это синтез термоядерный, и перед инженерами стоит грандиозная задача - как контролировать этот процесс на электростанции?

Это то, над чем ученые работают начиная с 1960-х годов. Очередной экспериментальный реактор термоядерного синтеза под названием Wendelstein 7-X начал работу в северном немецком городе Грайфсвальде. Пока еще он не предназначен для создания реакции - это просто особая конструкция, которая проходит испытания (стелларатор вместо токамака).

Высокоэнергетичная плазма

Все термоядерные установки обладают общей чертой - кольцеобразной формой. В ее основе лежит идея использования мощных электромагнитов для создания сильного электромагнитного поля, имеющего форму тора - надутой велосипедной камеры.

Это электромагнитное поле должно быть настолько плотным, что, когда оно нагревается в микроволновой печи до одного миллиона градусов по Цельсию, в самом центре кольца должна появиться плазма. Затем она зажигается, чтобы синтез термоядерный мог начаться.

Демонстрация возможностей

В Европе в настоящее время проводится два подобных эксперимента. Одним из них является Wendelstein 7-X, который недавно сгенерировал свою первую гелиевую плазму. Другой - ITER - огромная экспериментальная установка термоядерного синтеза на юге Франции, которая все еще находится в стадии строительства и будет готова к запуску в 2023 году.

Предполагается, что на ITER будут происходить настоящие ядерные реакции, правда, лишь в течение короткого периода времени и уж точно не дольше 60 минут. Этот реактор является лишь одним из многих шагов на пути к тому, чтобы на практике осуществить ядерный синтез.

Термоядерный реактор: меньше и мощнее

Недавно несколько конструкторов объявили о создании нового дизайна реактора. По словам группы студентов из Массачусетского технологического института, а также представителей компании - производителя вооружений «Локхид Мартин», термоядерный синтез можно осуществить в установках, которые гораздо мощнее и меньше, чем ITER, и они готовы сделать это в течение десяти лет.

Идея новой конструкции заключается в использовании в электромагнитах современных высокотемпературных сверхпроводников, которые проявляют свои свойства при охлаждении жидким азотом, а не обычных, для которых необходим Новая, более гибкая технология позволит полностью изменить конструкцию реактора.

Клаус Хеш, отвечающий за технологии в Технологическом институте Карлсруэ на юго-западе Германии, настроен скептически. Он поддерживает использование новых высокотемпературных сверхпроводников для новых конструкций реакторов. Но, по его словам, что-то разработать на компьютере с учетом законов физики недостаточно. Необходимо принять во внимание вызовы, которые возникают при воплощении идеи на практике.

Научная фантастика

По словам Хеша, модель студентов MIT показывает лишь возможность осуществления проекта. Но на самом деле в ней много научной фантастики. Проект предполагает, что серьезные технические проблемы термоядерного синтеза решены. Но современная наука не имеет ни малейшего представления о том, как их решить.

Одной из таких проблем является идея разборных катушек. Для того чтобы попасть внутрь кольца, удерживающего плазму, в модели MIT-дизайна электромагниты могут быть разобраны.

Это было бы очень полезно, потому что можно бы было иметь доступ к объектам во внутренней системе и заменять их. Но в действительности сверхпроводники выполнены из керамического материала. Сотни их должны быть переплетены изощренным способом, чтобы сформировать правильное магнитное поле. И здесь возникают более фундаментальные трудности: соединения между ними не так просты, как соединения медных кабелей. Никто еще даже не задумывался о концепциях, которые бы помогли решить подобные проблемы.

Слишком горячо

Высокая температура также представляет собой проблему. В сердцевине термоядерной плазмы температура достигнет около 150 миллионов градусов по Цельсию. Эта экстремальная жара остается на месте - прямо в центре ионизированного газа. Но даже вокруг нее все еще очень жарко - от 500 до 700 градусов в зоне реактора, являющейся внутренним слоем металлической трубы, в которой будет «воспроизводиться» тритий, необходимый для того, чтобы происходил ядерный синтез.

Имеет еще большую проблему - так называемый выпуск мощности. Это часть системы, в которую из процесса синтеза поступает использованное топливо, в основном гелий. Первые металлические компоненты, в которые попадает горячий газ, называются «дивертор». Он может нагреваться свыше 2000 °C.

Проблема дивертора

Чтобы установка могла выдерживать такие температуры, инженеры пытаются использовать металлический вольфрам, применяемый в старомодных лампах накаливания. Температура плавления вольфрама около 3000 градусов. Но есть и другие ограничения.

В ITER это можно сделать, потому что нагрев в ней происходит не постоянно. Предполагается, что реактор будет работать лишь 1-3 % времени. Но это не вариант для электростанции, которая должна работать в режиме 24/7. И, если кто-то утверждает, что способен построить меньший реактор с такой же мощностью, как ITER, можно уверенно сказать, что у него нет решения проблемы дивертора.

Электростанция через несколько десятилетий

Тем не менее ученые с оптимизмом смотрят на развитие термоядерных реакторов, правда, оно будет не таким быстрым, как предсказывают некоторые энтузиасты.

ITER должен показать, что управляемый термоядерный синтез на самом деле может произвести больше энергии, чем будет затрачено на нагрев плазмы. Следующим шагом будет строительство совершенно новой гибридной демонстрационной электростанции, которая бы на самом деле вырабатывала электроэнергию.

Инженеры уже сейчас работают над ее дизайном. Они должны будут извлечь уроки из ITER, запуск которой запланирован на 2023 г. Принимая во внимание время, необходимое для проектирования, планирования и строительства, кажется маловероятным, что первая термоядерная электростанция будет запущена намного раньше середины XXI века.

Холодный термоядерный синтез Росси

В 2014 году независимый тест реактора E-Cat пришел к выводу, что устройство в течение 32 дней в среднем производило 2800 Вт выходной мощности при потреблении 900 Вт. Это больше, чем способна выделить любая химическая реакция. Результат говорит либо о прорыве в термоядерном синтезе, либо об откровенном мошенничестве. Отчет разочаровал скептиков, которые сомневаются в том, была ли проверка действительно независимой и предполагают возможную фальсификацию результатов тестирования. Другие занялись выяснением «секретных ингредиентов», которые позволяют осуществить термоядерный синтез Росси, чтобы воспроизвести эту технологию.

Росси - мошенник?

Андреа импозантен. Он издает воззвания к миру на уникальном английском в разделе комментариев своего веб-сайта, претенциозно названного «Журнал ядерной физики». Но его предыдущие неудачные попытки включали итальянский проект превращения мусора в топливо и термоэлектрический генератор. Petroldragon, проект переработки отходов в источник энергии, не удался отчасти потому, что нелегальное захоронение отходов контролируется итальянской организованной преступностью, которая возбудила против него уголовное дело о нарушении правил обращения с отходами. Также он создал термоэлектрическое устройство для Инженерного корпуса сухопутных войск США, но во время тестирования гаджет произвел лишь часть заявленной мощности.

Многие не доверяют Росси, а главный редактор New Energy Times прямо назвал его уголовником, за плечами которого череда неудачных энергетических прожектов.

Независимая проверка

Росси заключил контракт с американской компанией Industrial Heat на проведение годичных секретных испытаний 1-МВт установки холодного термоядерного синтеза. Устройство представляло собой транспортировочный контейнер, упакованный десятками E-Cat. Эксперимент должен был контролироваться третьей стороной, которая бы могла подтвердить, что действительно имеет место генерация тепла. Росси утверждает, что провел большую часть прошлого года, практически живя в контейнере, и наблюдал за операциями в течение более 16 ч в сутки, чтобы доказать коммерческую жизнеспособность E-Cat.

Тест завершился в марте. Сторонники Росси с нетерпением ждали отчета наблюдателей, надеясь на оправдание своего героя. Но в итоге они получили судебный процесс.

Судебное разбирательство

В своем заявлении в суд Флориды Росси утверждает, что тест прошел успешно и независимый арбитр подтвердил, что реактор E-Cat производит в шесть раз больше энергии, чем потребляет. Он также утверждал, что компания Industrial Heat согласилась заплатить ему 100 млн долларов США - 11,5 млн авансом после 24-часового испытания (якобы за права лицензирования, чтобы компания могла продавать эту технологию в США) и еще 89 млн после успешного завершения расширенного испытания в течение 350 дней. Росси обвинял IH в проведении «мошеннической схемы», целью которой была кража его интеллектуальной собственности. Он также обвинил компанию в незаконном присвоении реакторов E-Cat, незаконном копировании инновационных технологий и продуктов, функциональных возможностей и конструкций и неправомерной попытке получить патент на его интеллектуальную собственность.

Золотая жила

В другом месте Росси утверждает, что на фоне одной из его демонстраций компания IH получила от инвесторов 50-60 млн долларов и еще 200 млн от Китая после воспроизведения с участием китайских должностных лиц высшего уровня. Если это правда, то на кону намного больше ста миллионов долларов. Industrial Heat отвергла эти претензии как безосновательные и собирается активно защищаться. Что еще более важно, она утверждает, что «в течение более трех лет работала над подтверждением результатов, которых якобы добился Росси со своей E-Cat-технологией, и все безуспешно».

IH не верит в работоспособность E-Cat, и журнал New Energy Times не видит причин, чтобы в этом сомневаться. В июне 2011 года представитель издания посещал Италию, взял интервью у Росси и заснял демонстрацию его E-Cat. Через сутки он сообщил о своих серьезных опасениях относительно способа измерения тепловой мощности. Через 6 дней журналист выложил свое видео на YouTube. Эксперты со всего мира присылали ему анализы, которые были опубликованы в июле. Стало ясно, что это был обман.

Экспериментальное подтверждение

Тем не менее ряду исследователей - Александру Пархомову из Российского университета дружбы народов и Проекту памяти Мартина Флейшмана (MFPM) - удалось воспроизвести холодный термоядерный синтез Росси. Отчет MFPM назывался «Конец углеродной эры близок». Причиной такого восхищения стало обнаружение которое невозможно объяснить иначе, как термоядерной реакцией. По мнению исследователей, у Росси есть именно то, о чем он говорит.

Жизнеспособный открытый рецепт холодного ядерного синтеза способен вызвать энергетическую «золотую лихорадку». Могут быть найдены альтернативные методы, которые позволят обойти патенты Росси и оставить его в стороне от многомиллиардного энергетического бизнеса.

Так что, возможно, Росси предпочел бы избежать этого подтверждения.

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.

– это процесс, в ходе которого два атомных ядра объединяются, формируя тяжелее ядро. Обычно этот процесс сопровождается выделением энергии. Ядерный синтез является источником энергии в звездах и водородной бомбе.
Для сближения атомных ядер на расстояние, достаточное для того, чтобы произошла ядерная реакция, даже для самого легкого элемента, водорода, нужна очень значительное количество энергии. Но, в случае легких ядер, в результате объединения двух ядер с образованием более тяжелого ядра выделяется значительно больше энергии, чем уходит на преодоление кулоновского отталкивания между ними. Благодаря этому ядерный синтез – очень перспективный источник энергии и является одним из основных направлений исследования современной науки.
Количество энергии, выделяемой в большинстве ядерных реакций намного больше, чем в химических реакциях, так как энергия связи нуклонов в ядре значительно больше, чем энергии связи электронов в атоме. Например, энергия ионизации, которая получается при связывании электрона с протоном с образованием атома водорода, составляет 13.6 электрон-вольт – меньше, чем одну миллионную от 17 МэВ, выделяющиеся при реакции дейтерия с тритием, которая описана ниже.
В атомном ядре действуют два типа взаимодействия: сильное взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны вместе и значительно слабее электростатическое отталкивание между одинаково заряженными протонами ядра, пытается разорвать ядро. Сильное взаимодействие проявляется лишь на очень коротких расстояниях между протонами и нейтронами, непосредственно граничащих друг с другом. Это также означает, что протоны и нейтроны на поверхности ядра содержатся слабее, чем протоны и нейтроны внутри ядра. Сила электростатического отталкивания взамен действует на любых расстояниях и является обратно пропорциональной квадрату расстояния между зарядами, то есть каждый протон в ядре взаимодействует с каждым другим протоном в ядре. Это приводит к тому, что с увеличением размера ядра силы, удерживающие ядро возрастают до определенного атомного номера (атом железа), а затем начинают ослабевать. Начиная с урана энергия связи становится отрицательной и ядра тяжелых элементов становятся нестабильными.
Таким образом для осуществления реакции ядерного синтеза необходимо затратить определенную энергию на преодоление силы электростатического отталкивания между двумя атомными ядрами и свести их на расстояние, где начинает проявляться сильное взаимодействие. Энергия, необходимая для преодоления силы электростатического отталкивания, называется кулоновским барьером (Coulomb barrier).
Кулоновский барьер низкий для изотопов водорода, поскольку они имеют в ядре только один протон. Для DT смеси результирующий энергетический барьер составляет 0.1 МэВ. Для сравнения, чтобы убрать электрон с атома водорода требуется всего 13 эВ, что в 7500 раз меньше. Когда реакция синтеза завершается, новое ядро переходит на более низкий энергетический уровень и выделяет дополнительную энергию, излучая нейтрон с энергией 17.59 MeV, что существенно больше, чем нужно для запуска реакции. То есть реакция DT синтеза очень экзотермической и является источником энергии.
Если ядра является частью плазмы вблизи состояния теплового равновесия, реакция синтеза называется термоядерным синтезом. Поскольку температура является мерой средней кинетической энергии частиц, нагрев плазму можно предоставить ядрам достану энергию для преодоления барьера в 0.1 MэВ. Переведя эВ в Кельвина получим температуру свыше 1 ГК, что является чрезвычайно высокой температурой.
Есть однако два явления, которые позволяют снизить требуемую температуру реакции. Во-первых, температура отражающий среднюю кинетическую энергию, т.е. даже при низких температурах, чем эквивалент 0.1 МэВ, часть ядер будет иметь энергию существенно выше 0.1 МэВ, остальные будут иметь энергию существенно ниже. Во-вторых, следует учесть явление квантового туннелирования, когда ядра преодолевают барьер Кулона, имея недостаточно энергии. Это позволяет получить (медленные) реакции синтеза при низких температурах.
Важным для понимания реакции синтеза является понятие поперечного сечения реакции?: меры вероятности реакции синтеза как функции относительной скорости двух взаимодействующих ядер. Для термоядерной реакции синтеза удобнее рассматривать среднее значение распределения произведения поперечного сечения на скорость ядра . Используя его, можно записать скорость реакции (слияние ядер на объем на время) как

Где n 1 и n 2 это плотность реагентов. возрастает от нуля при комнатной температуре до значительной величины уже при температурах }