Физики зря повышают градус
Мир стремительно приближается к серьезному энергетическому кризису. Запасы ископаемого топлива могут иссякнуть к концу первой половины столетия, а его сжигание приведет к необходимости связывать и "сохранять" выпускаемый в атмосферу углекислый газ для предотвращения фатальных изменений климата. Альтернатива – ядерная энергетика.
Основной источник энергии на планете – нефть, из которой вырабатывается 36,8 процента потребляемой энергии. Существенное увеличение добычи в ближайшее время невозможно. Схожая ситуация с углем. Так называемые экологически чистые источники энергии (солнечной, геотермальной и др.) еще долгое время не будут давать серьезной выработки. Кроме того, для солнечных батарей, ветряных электрогенераторов и тому подобных устройств требуются материалы, добыча и производство которых истощают природу. Как и последующая утилизация отработавших агрегатов.
Энергия, полученная на АЭС, экологически чистая, хотя все, что связано с ее получением, представляет определенную угрозу для природы и жизни человека. Но современные технологии позволяют решить эту проблему.
Обойдемся без плазмы
Для полноты представления о перспективах такой энергетики необходимо сказать о программе замыкания ядерного топливного цикла с использованием реакторов на быстрых нейтронах, так называемых бридеров. Однако, по мнению многих ведущих специалистов, вклад этой программы в мировую выработку электроэнергии в перспективе не может быть сколько-нибудь значащим.
“Россия обладает колоссальными резервами тория, его разведанные запасы составляют 1,7 миллиона тонн”
В качестве перспективного источника сегодня рассматривается управляемый термоядерный синтез (УТС) изотопов водорода, реализуемый в установках типа ТОКАМАК. Работы в этом направлении ведутся с 1951 года. Сначала реактор ИТЭР создавался консорциумом, в который входили ЕС, Япония, Россия, США и Индия. Впоследствии к ним присоединились Казахстан и Канада, позже – Китай и Южная Корея. Основные компоненты и узлы реактора ИТЭР уже созданы и испытаны, полным ходом идет строительство в местечке Кадараш (Франция). Запуск реактора запланирован на 2018 год. Но к сути дела.
Чтобы ядра трития и дейтерия вступили в реакцию слияния, они должны преодолеть взаимное электростатическое отталкивание. Для этого в ИТЭР тритий требуется нагреть примерно до 150 миллионов градусов, что приблизительно в десять раз больше, чем в ядре Солнца. При такой температуре кинетическая энергия ядер становится достаточной для зажигания термоядерной реакции. После этого, предполагается, можно выключить внешние нагреватели плазмы. То есть термоядерная реакция должна стать самоподдерживающейся.
При вышеназванных температурах энергия плазмы состоит из движения частиц и излучения (которое генерируют, двигаясь с переменной скоростью, частицы). Поскольку их энергия при нагреве растет пропорционально температуре в первой степени, а энергия излучения – в четвертой, при термоядерных процессах это просто несоизмеримые вещи. От 50 до 70 процентов энергии плазмы сосредоточено в излучении. При температуре в миллиард градусов оно достигает плотности металлов. И эта энергия в случае ИТЭР должна будет попасть на стенку. Именно поэтому термоядерной плазмы в реакторе ни в каком виде никогда получено не будет.
Ториевая дорога в будущее
Еще в 1945 году ведущие разработчики советской ядерной программы И. Гуревич, Я. Зельдович, И. Померанчук и Ю. Харитон подготовили доклад "Использование ядерной энергии легких элементов". Он был заслушан 17 декабря на XII заседании Технического совета Специального комитета при Совете народных комиссаров СССР. Доклад посвящался получению взрывных реакций и энергетическим применениям. Имелись в виду в первую очередь тяжелые изотопы водорода, дейтерия и трития. Основные выводы, к которым пришли авторы доклада.
1. В полном термическом равновесии значительная часть энергии превращается в излучение. Это обстоятельство ограничивает равновесную среднюю энергию заряженных частиц порогом 5–15 КэВ, совершенно недостаточным для проведения быстрой ядерной реакции. Медленная ядерная реакция легких элементов при средней энергии около 10 КэВ практически невозможна по той причине, что отвод энергии излучением в ходе медленной реакции приведет к быстрому падению температуры и полному прекращению реакции (10 КэВ – примерно сто миллионов градусов).
2. Для облегчения возникновения ядерной детонации полезно применение массивных оболочек, замедляющих разлет.
Эти выводы полностью подтверждены 60-летними исследованиями. В бомбах термоядерная реакция реализована потому, что горючее на время ее развития окружается массивной оболочкой, удерживающей излучение, в котором сосредоточена основная энергия взрыва.
Таким образом, если термоядерная плазма прозрачна, как считают современные исследователи, то ее просто никогда не нагреть до нужных температур. Всю энергию будет немедленно уносить излучение, в котором при таких температурах сосредоточивается ее большая часть. Термоядерная плазма в принципе не может быть прозрачной. Сегодня данный вывод является наиважнейшим для будущего человечества с точки зрения его энергетического обеспечения и, значит, существования.
Все это заставляет задуматься о возможности выхода из постоянно усугубляющегося мирового энергетического кризиса. Она есть. Это развитие ядерно-релятивистских технологий. В их основе идея использования энергии деления ядер "неделящихся" актиноидов (урана-238, тория и др.) под воздействием нейтронов высоких энергий, получаемых с помощью ускорителей. Положительные результаты экспериментов в Объединенном институте ядерной физики в Дубне (http://vpk-news.ru/articles/31503) в июле 1998 года и в Протвине на ускорителе Института физики высоких энергий в конце ноября 2002-го подтвердили принципиальную возможность разработки таких технологий. Они открыли хорошую перспективу развития энергетики для всего человечества.
Получение значимого результата базируется на том, что при энергиях, недоступных для современных АЭС, вероятность деления тяжелых ядер близка к единице. Кроме того, их концентрация не в пример нынешним реакторам, в которых она составляет два – пять процентов, а в быстрых не более 20, в нашем случае будет равна 100 процентам. Все это требует детальных исследований процессов в данном диапазоне энергий и соответствующих расчетов.
Наиболее вероятным топливом новой ядерной энергетики будут торий, уран-238 и отработавшее ядерное топливо (ОЯТ), то есть ресурсная база новой энергетики практически неограниченна. При использовании тория и природного или обедненного урана не потребуется никаких предварительных операций, необходимых при современных технологиях. Нет нужды в дорогостоящей промышленности по обогащению урана.
Россия обладает колоссальными запасами тория. Например, всего в 20 километрах от Сибирского химического комбината (СХК, Северск, ранее Томск-7) находится гигантское месторождение. Рядом расположена железная дорога, есть необходимая производственная инфраструктура. Поэтому российский торий будет самым дешевым в мире. Разведанные запасы грандиозны, их оценивают в 1,7 миллиона тонн.
Первый контур АЭС будет крайне простым. Перезагрузок топлива не потребуется. Кампания работы реактора без перезагрузок может составить сто и более лет. Исчезнет необходимость в дорогостоящей промышленности по переработке ОЯТ.
Все необходимые технологии по созданию высокоэкономичных ускорителей протонов и более тяжелых ядер в принципе приведены в работах, выполненных А. Богомоловым, предложившим уникальный по своим характеристикам ускоритель на обратной волне.
Новая энергетика не будет производить "бомбовые" материалы и, следовательно, найдет широкое применение в мире. Тем самым будут решены сложнейшие международные проблемы современности.
Но для того чтобы эта перспектива стала реальностью, необходимы всемирная мобилизация всех научных возможностей, сверхусилия для реализации ядерно-релятивистских технологий, создания и развития безопасной, экологически чистой и перспективной ториевой энергетики. Не будем терять время.
Владимир Глушко
Игорь Острецов, доктор технических наук
Опубликовано в газете "Военно-промышленный курьер" в выпуске № 45 (660) за 23 ноября 2016 года
