Управляемый термоядерный синтез

Суть

Теперь термин предлагают заменить, и вместо холодного ядерного синтеза будет звучать следующее определение: ядерный процесс, индуцированный кристаллической решёткой. Под этим явлением понимают аномальные низкотемпературные процессы, с точки зрения ядерных столкновений в вакууме просто невозможные — выделение нейтронов посредством слияния ядер. Эти процессы могут существовать в неравновесных твёрдых телах, стимулирующихся трансформациями упругой энергии в кристаллической решётке при механических воздействиях, фазовых переходах, сорбции или десорбции дейтерия (водорода). Это аналог уже известной горячей термоядерной реакции, когда сливаются ядра водорода и превращаются в ядра гелия, выделяя колоссальную энергию, но происходит это при комнатной температуре.

Холодный термоядерный синтез точнее определяется как фотоядерные реакции, химически индуцированные. Прямого холодного термоядерного синтеза так и не удалось достичь, но поисками были подсказаны совершенно другие стратегии. Термоядерная реакция запускается генерацией нейтронов. Механическое стимулирование химическими реакциями приводит к возбуждению глубоких электронных оболочек, рождая гамма- или рентгеновское излучение, которое перехватывается ядрами. То есть происходит фотоядерная реакция. Ядра распадаются, и генерируют таким образом нейтроны и, вполне возможно, гамма-кванты. Что же может возбудить внутренние электроны? Вероятно, ударная волна. От взрыва обычной взрывчатки.

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.

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.

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.

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 жидкий гелий. Новая, более гибкая технология позволит полностью изменить конструкцию реактора.

Клаус Хеш, отвечающий за технологии ядерного синтеза 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

Достоинства термоядерной энергетики

Энтузиазм вокруг термоядерной энергии, наблюдавшийся в 60-е и 70-е годы, давно прошел. Теперь сами ученые нехотя признают, что в ближайшее десятилетие работающий термоядерный реактор мы, скорее всего, не увидим. Несмотря на это, попытки «зажечь» искусственное солнце не прекращаются. Выгоды, которые несет укрощение этой технологии, легко объясняют подобную настойчивость.

Колоссальная энергоэффективность

Чтобы понять, какие «пряники» может дать человечеству термоядерная энергия, нужно сравнить ее с обычным ископаемым горючим. Сжигание одного грамма угля дает 34 тыс. джоулей, газа или нефти — 44 тыс. джоулей, древесины — всего 7 тыс. джоулей. При слиянии ядер дейтерия и трития выделяется 17,6 мегаэлектронвольт энергии, что в пересчете на один грамм составляет 170 млрд джоулей тепла. Это количество равняется общемировому потреблению за 14 минут.

Еще один прототип термоядерной установки. Ученые пытаются получить плазму, пропустив через смесь дейтерия и тритий огромный по мощности электрический заряд

Термоядерный синтез – самый эффективный из известных на сегодня способов получения энергии, включая даже обычные ядерные реакторы. Из одного килограмма исходной смеси, в термоядерном реакторе можно получить в три раза больше энергии, чем в ядерном. В 86 г дейтерий-тритиевой смеси находится столько же энергии, как в 1 тыс. тонн высококачественного угля.

Запасы ископаемого топлива не бесконечны. В один «прекрасный» момент мы полностью исчерпаем месторождения угля, нефти и природного газа. Сырье для термоядерного синтеза можно получать буквально из воды. Теоретически управляемый синтез способен открыть человечеству новую эпоху практически бесплатной энергии, кардинально изменив мировую экономику и повседневную жизнь людей.

Безвредность

Сжигание нефти, угля и газа наносит серьезный вред окружающей среде и способствует изменениям климата. Долгое время их альтернативой считался «мирный атом», однако, атомные станции имеют очевидные недостатки. Во время работы они действительно практически не вредят экологии, но аварии на подобных объектах приводят к катастрофическим последствиям колоссальных масштабов. Чернобыль и Фукусима – наглядное тому подтверждение.

Масса топлива, необходимая для работы термоядерного реактора, измеряется граммами, а отходами «производства» являются безвредные вещества типа водорода или гелия. Да, для дейтерий-тритиевой реакции необходим радиоактивный тритий, но вес его будет мизерным.

Безопасность

Термоядерный реактор никогда не взорвется: процессы, проходящие в нем, не являются самоподдерживающимися. В самой его конструкции заложены механизмы, препятствующие распространению радиоактивных веществ. Например, камера, в которой происходит реакция, должна быть герметичной, иначе система просто не будет работать.

Российский лазерный термоядерный реактор, установленный в Сарове

Управляемый синтез не может быть источником материалов для производства оружия массового поражения. Хотя это и кажется не особенно важным, но данный фактор сыграл серьезную роль в развитии и распространении ядерной энергетики. Кто не верит, может спросить у Ирана и Северной Кореи. Невозможность военного использования и отсутствие радиоактивных материалов уменьшает уязвимость термоядерных реакторов для террористической угрозы.

И. С. Филимоненко

Холодный термоядерный синтез исследовался в СССР уже в конце пятидесятых годов прошлого века. Реактор был сконструирован Иваном Степановичем Филимоненко. Однако в принципах действия этого агрегата никто не сумел разобраться. Именно поэтому вместо позиции безусловного лидера в области ядерно-энергетических технологий, наша страна заняла место сырьевого придатка, распродающего собственные природные богатства, лишающего целые поколения будущего. А ведь опытная установка уже была создана, и она производила реакцию тёплого синтеза. Автором самых прорывных энергетических конструкций, подавляющих радиацию, был уроженец Иркутской области, прошедший разведчиком всю войну от своих шестнадцати до двадцати лет, орденоносец, энергичный и талантливый физик И. С. Филимоненко.

Термоядерный синтез холодного типа был, как никогда, близок. Тёплый синтез проходил при температуре всего 1150 градусов по Цельсию, а основой была тяжёлая вода. Филимоненко отказали в патенте: якобы ядерная реакция невозможна при такой низкой температуре. Но синтез шёл! Тяжёлая вода разлагалась посредством электролиза на дейтерий и кислород, дейтерий растворялся в палладии катода, где и происходила реакция ядерного синтеза. Производство безотходное, то есть без радиации, а нейтронное излучение тоже осутствовало. Только в 1957 году, заручившись поддержкой академиков Келдыша, Курчатова и Королёва, чей автортет был непререкаем, Филимоненко сумел сдвинуть дело с мёртвой точки.

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.

Реактор

Более сорока лет мировое термоядерное лобби тратит около миллиона долларов ежегодно на исследования термоядерного синтеза, который предполагается получить с помощью ТОКАМАКа. Однако практически все прогрессивные учёные против таких исследований, поскольку положительный результат, скорее всего, невозможен. Западная Европа и США разочарованно приступили к демонтажу всех своих ТОКАМАКов. И только в России ещё верят в чудо. Хотя многие учёные считают эту идею идеальным тормозом альтернативы ядерному синтезу. Что же такое ТОКАМАК? Это один из двух проектов термоядерного реактора, представляющий собой тороидальную камеру с магнитными катушками. А ещё существует стелларатор, в котором плазма удерживается в магнитном поле, но катушки, наводящие магнитное поле, — внешние, в отличие от ТОКАМАКа.

Это очень непростая конструкция. ТОКАМАК по сложности вполне достоен Большого адронного коллайдера: более десяти миллионов элементов, а общие затраты вместе со строительством и стоимостью проектов значительно превышают двадцать миллиардов евро. Коллайдер намного дешевле обошёлся, а поддержка работоспособности МКС также стоит не дороже. Тороидальные магниты требуют восьмидесяти тысяч километров сверхпроводящей нити, их общий вес превосходит четыреста тонн, а полностью реактор весит примерно двадцать три тысячи тонн. Эйфелева башня, например, весит всего семь тысяч с небольшим. Плазма ТОКАМАКа состаляет восемьсот сорок кубометров. Высота — семьдесят три метра, шестьдесят из них — под землёй. Для сравнения: Спасская башня имеет высоту всего семьдесят один метр. Площадь платформы реактора — сорок два гектара, как шестьдесят футбольных полей. Температура плазмы — сто пятьдесят миллионов градусов по Цельсию. В центре Солнца она в десять раз ниже. И всё это ради управляемого термоядерного синтеза (горячего).

Росси-Пархомов

В 2009 году изобретатель А. Росси запатентовал аппаратуру, названную катализатором энергии Росси, которая реализует холодный термоядерный синтез. Устройство это было неоднократно продемонстрировано на публике, но независимой проверке не подвергалось. Физик Марк Гиббс на страницах журнала морально уничтожил и автора, и его открытие: без объективного анализа, дескать, подтверждающего совпадение полученных результатов с заявленными, это не может быть новостью науки.

Но в 2015 году Александр Пархомов успешно повторил эксперимент Росси с его низкоэнергетическим (холодным) ядерным реактором (LENR) и доказал, что у последнего огромные перспективы, хотя и под вопросом коммерческая значимость. Эксперименты, результаты которых были представлены на семинаре во Всероссийском НИИ эксплуатации атомных электростанций, показывают, что самая примитивная копия детища Росси — его ядерного реактора, может вырабатывать в два с половиной раза больше энергии, чем потребляет.

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.

Термоядерный реактор 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.

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.

Устройства

В ка­че­ст­ве тер­мо­ядер­но­го ре­ак­то­ра для УТС наи­бо­лее при­вле­ка­тель­ны сис­те­мы, ра­бо­таю­щие в ста­цио­нар­ном или ква­зи­ста­цио­нар­ном ре­жи­ме. Та­ки­ми сис­те­ма­ми яв­ля­ют­ся маг­нит­ные ло­вуш­ки, обес­пе­чи­ваю­щие маг­нит­ное удер­жа­ние вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы. Маг­нит­ное по­ле ло­вуш­ки ог­ра­ни­чи­ва­ет дви­же­ние за­ря­жен­ных час­тиц, обес­пе­чи­вая маг­нит­ную тер­мо­изо­ля­цию плаз­мы. Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли маг­нит­ные ло­вуш­ки ти­па то­ка­мак – замк­ну­тые то­рои­даль­ные сис­те­мы, маг­нит­ная кон­фи­гу­ра­ция ко­то­рых соз­да­ёт­ся внеш­ни­ми ка­туш­ка­ми и те­ку­щим по плаз­ме то­ком. То­ка­мак обес­пе­чи­ва­ет бес­ко­неч­но дол­гое удер­жа­ние уе­ди­нён­ной за­ря­жен­ной час­ти­цы, но столк­но­ве­ния ме­ж­ду час­ти­ца­ми и раз­ви­тие плаз­мен­ной тур­бу­лент­но­сти при­во­дят к по­те­рям плаз­мы. Близ­ки­ми свой­ст­ва­ми об­ла­да­ют сис­те­мы ти­па стел­ла­ра­тор – замк­ну­тые ло­вуш­ки, маг­нит­ное по­ле ко­то­рых соз­да­ёт­ся толь­ко внеш­ни­ми об­мот­ка­ми. Стел­ла­ра­то­ры кон­ст­рук­тив­но слож­нее то­ка­ма­ков; их осн. пре­иму­ще­ст­во свя­за­но с воз­мож­но­стью бо­лее про­дол­жи­тель­ной (ста­цио­нар­ной) ра­бо­ты, по­сколь­ку, в от­ли­чие от то­ка­ма­ков, не тре­бу­ет­ся под­дер­жа­ние те­ку­ще­го по плаз­ме то­ка. По­тен­ци­аль­но ин­те­рес­ные кон­фи­гу­ра­ции маг­нит­ных ло­ву­шек с об­ра­щён­ным маг­нит­ным по­лем ши­ро­ко­го рас­про­стра­не­ния не по­лу­чи­ли. От­кры­тые (про­боч­ные или зер­каль­ные) маг­нит­ные ловуш­ки из-за по­вы­шен­ных по­терь час­тиц в ка­че­ст­ве тер­мо­ядер­ных ре­ак­то­ров не рас­смат­ри­ва­ют­ся, од­на­ко со­хра­ня­ют­ся пер­спек­ти­вы их ис­поль­зо­ва­ния в ка­че­ст­ве тер­мо­ядер­ных ис­точ­ни­ков ней­тро­нов и плаз­мен­ных кос­мич. дви­га­те­лей.

Аль­тер­на­ти­вой маг­нит­но­го удер­жа­ния слу­жит прин­цип инер­ци­аль­но­го удер­жа­ния, ос­но­ван­ный на воз­мож­но­сти про­те­ка­ния тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции за вре­мя ес­теств. раз­лё­та вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы. По­сколь­ку это вре­мя очень ко­рот­кое, для вы­пол­не­ния кри­те­рия Ло­усо­на смесь дей­те­рия и три­тия не­об­хо­ди­мо бы­ст­ро и силь­но сжать и на­греть. Для это­го мож­но ис­поль­зо­вать мощ­ные ла­зер­ные им­пуль­сы (ла­зер­ный тер­мо­ядер­ный син­тез), пуч­ки ус­ко­рен­ных час­тиц (ион­ный тер­мо­ядер­ный син­тез), раз­ря­ды с боль­шим то­ком (пинч-эф­фект) и др. По су­ти, речь идёт о ми­ниа­тюр­ных тер­мо­ядер­ных взры­вах, для реа­ли­за­ции ко­то­рых соз­да­ют­ся слож­ные мно­го­слой­ные ми­ше­ни, обес­пе­чи­ваю­щие бо­лее рав­но­мер­ное и од­но­род­ное бы­строе сжа­тие то­п­лив­ной сме­си и её на­грев. Од­но­род­ность не­об­хо­ди­ма, что­бы из­бе­жать раз­ви­тия не­ус­той­чи­во­стей плаз­мы – од­но­го из осн. пре­пят­ст­вий на пу­ти к реа­ли­за­ции УТС. Пред­ло­жен спо­соб т. н. бы­ст­ро­го под­жи­га, ко­гда сжа­тие пред­ше­ст­ву­ет на­гре­ву, ко­то­рый дол­жен быть им­пульс­ным, сверх­ко­рот­ким для ло­каль­но­го под­жи­га ми­ше­ни, с по­сле­дую­щим рас­про­стра­не­ни­ем тер­мо­ядер­но­го го­ре­ния на всю плаз­му.

Звёздный элемент

Самым распространённым элементом в космосе является водород. Примерно половина массы Солнца и большей части остальных звёзд приходится на его долю. Водород есть не только в их составе — его много и в межзвёздном газе, и в газовых туманностях. А в недрах звёзд, в том числе и Солнца, созданы условия термоядерного синтеза: там превращаются ядра атомов водорода в атомы гелия, посредством чего образуется огромная энергия. Водород — главный её источник. Ежесекундно наше Солнце излучает в пространство космоса энергию, эквивалентную четырем миллионам тонн вещества.

Вот что даёт слияние в одно ядро гелия четырёх ядер водорода. Когда сгорает один грамм протонов, энергия термоядерного синтеза выделяется в двадцать миллионов раз больше, чем при сгорании такого же количества каменного угля. В земных условиях сила термоядерного синтеза невозможна, поскольку пока не освоены человеком такие температуры и давления, какие существуют в недрах звёзд. Расчёты показывают: как минимум ещё тридцать миллиардов лет наше Солнце не угаснет и не ослабнет за счёт присутствия водорода. А на Земле люди только начинают понимать, что такое водородная энергетика и какова реакция термоядерного синтеза, поскольку работа с этим газом весьма рискованная, а хранить его чрезвычайно трудно. Пока что человечество умеет только расщеплять атом. И на этом принципе построен каждый реактор (ядерный).