На этой неделе появились сенсационные сообщения о прорыве в области практического использования технологии управляемого термоядерного синтеза. Как уверяют исследователи, термоядерные реакторы могут быть достаточно компактными. Это делает их пригодными для использования на кораблях, самолетах, в небольших городах и даже на космических станциях.
Верифицирован реактор холодного термоядерного синтеза
8 октября 2014 года была завершена проверка независимыми исследователями из Италии и Швеции созданного Андреа Росси устройства E-CAT для выработки электроэнергии на основе реактора холодного термоядерного синтеза. В апреле-марте этого года шесть профессоров 32 дня изучали работу генератора и измеряли все возможные параметры, а потом полгода занимались обработкой результатов. По результатам проверки был опубликован отчет .
Установка включает в себя от 52 до 100 и более отдельных “модулей” E-Cat, каждый из которых состоит из 3 маленьких внутренних реакторов холодного термоядерного синтеза. Все модули собраны внутри обычного стального контейнера (размером 5м × 2,6м × 2,6м), который может быть установлен в любом месте. Возможна доставка сухопутным, морским или воздушным транспортом.
Согласно отчету комиссии, генератор Е-САТ действительно производит огромное количество тепла - в течение 32 дней он произвел энергии более 1,5 мегаватт-часов. В самом устройстве меняется изотопный состав “горючих” материалов, то есть происходят ядерные реакции.
Однако в отличие от широко используемых ядерных реакторов деления, реактор холодного синтеза E-Cat не потребляет радиоактивные вещества, не выделяет радиоактивных излучений в окружающую среду, не вырабатывает ядерных отходов и не несет в себе потенциальных опасностей расплавления оболочки или ядра реактора. В качестве топлива установка использует мизерное количество никеля и водорода.
Первая публичная демонстрация Е-САТ состоялась еще в январе 2011 года. Тогда она натолкнулась на полное отрицание и игнорирование академическими учеными кругами. Подозрения в фальсификации подкреплялись рядом соображений: во-первых, Росси не ученый, а инженер, закончивший заштатный вуз; во-вторых, за ним тянулся шлейф судебных преследований за неудачные проекты, и в-третьих, он сам не мог объяснить с научной точки зрения, что происходит в его реакторе.
Итальянское патентное агентство выдало патент на изобретение Андреа Росси после формальной (не технической) экспертизы, а заявка на международный патент получила отрицательный предварительный отзыв из-за вероятного «противоречия общепризнанным законам физики и установленным теориям», в связи с чем заявку следовало дополнить экспериментальными доказательствами или твёрдым теоретическим обоснованием, исходящим из современных научных теорий.
Потом прошел ряд других показов и тестов, в ходе которых Росси не сумели уличить в мошенничестве. В последнем тесте в марте-апреле этого года, как заявляется, были учтены все возможные замечания.
Профессора завершили отчет словами: “Это, конечно, не удовлетворительно, что у этих результатов до сих пор нет убедительного теоретического объяснения, но результат эксперимента не может быть отклонен или проигнорирован только из-за отсутствия теоретического понимания”.
Почти два года было неясно, куда пропал Росси. Противники «холодного синтеза» ликовали. По их мнению, аферист провалился там, где и должен был. Они уверяли, что Андреа Росси не знает основ теоретической физики и обречен на неудачу в силу своего невероятного невежества, - говорит руководитель Центра экономических исследований ИГСО Василий Колташов . - Помню, как в 2013 году на Петербургском международном экономическом форуме я под видом журналиста спросил у президента РАН Владимира Фортова, что он думает о перспективах холодной трансмутации ядер и работе Росси. Фортов ответил, что все это не заслуживает внимания и не имеет перспектив, а имеет их только традиционная ядерная энергетика. Выходит же все совсем не так. Выходит все, как мы прогнозировали в докладе «Энергетическая революция: проблемы и перспективы мировой энергетики» . Старая энергетика должна будет погибнуть и никакая «сланцевая революция» ее не спасет. С удешевлением генерации электроэнергии появится возможность для скачка в автоматизации производства, внедрении роботов. Изменится вся мировая экономика. Но первыми, видимо, будут США. А все почему? Потому, что там плохо разбираются в теоретической физике, зато стремятся к уменьшению себестоимости производства и росту рентабельности. Но Росси не поставит точку в энергетической революции, все только начинается. Будут и другие прорывы.
Между тем, американская компания Lockheed Martin Corp накануне заявила о своем технологическом прорыве в области практического использования технологии управляемого термоядерного синтеза. В последующем десятилетии она обещает представить коммерческий образец компактного термоядерного реактора, а первый опытный образец должен появиться уже через год.
Lockheed Martin сообщает о прорыве в области управляемого термоядерного синтеза
Управляемый термоядерный синтез - Священный Грааль современной энергетики. С учётом повсеместной радиофобии, сильно мешающей развитию классических ядерных технологий, многие считают его единственной реальной альтернативой ископаемому топливу. Но путь к этому Граалю весьма тернист, и лишь недавно китайским учёным, работавшим на установке EAST, удалось добиться превышения критерия Лоусона и получить коэффициент выхода энергии в районе 1,25. Надо отметить, что все основные успехи в области достижения термоядерного синтеза достигнуты на установках типа «токамак», и к ним же относится экспериментальный реактор ITER , строительство которого ведётся на территории Европейского Союза.
Так выглядит работающее сердце токамака
А у токамаков, помимо очевидных достоинств, есть и ряд недостатков. Главный из них то, что все реакторы такого типа проектируются для работы в импульсном режиме, что не слишком удобно для промышленного применения в энергетике. Другой тип реакторов, так называемые «стеллараторы», обещает интересные результаты, но конструкция стелларатора очень сложна из-за особой топологии магнитных катушек и самой плазменной камеры, а условия зажигания реакции более жёсткие. И каждый раз речь идёт о больших стационарных установках.
Один из вариантов конфигурации стелларатора
Но, похоже, корпорации Lockheed Martin удалось добиться прорыва на направлении, которое давно признано безнадёжным. Больше всего схема, опубликованная сотрудниками лаборатории Skunk Works , принадлежащей Lockheed Matrin, напоминает линейную плазменную ловушку с магнитными зеркалами, которую для краткости принято называть «пробкотроном» . Не исключено, что учёным, занятым в этом проекте, удалось решить основную проблему «пробкотрона», связанную с нарушением сверхпроводимости под влиянием сильных магнитных полей при недостаточной длине конструкции. Ранее работы над этим проектом велись под покровом секретности, но теперь он снят, и Lockheed Martin приглашает к открытому сотрудничеству как государственных, так и частных партнёров.
Упрощённая схема реактора Skunk Works
Но надо отметить, что речь по-прежнему идёт о дейтериево-тритиевой реакции, дающей на выходе нейтрон, который человечество пока не умеет использовать иначе, чем через абсорбцию бланкетом реактора с последующим выводом тепловой энергии в классический пароводяной цикл. А значит, никуда не деваются высокие давления, высокоскоростные турбины и, к сожалению, наведённая в бланкете радиоактивность, так что отработавшие компоненты плазменной камеры будут нуждаться в захоронении. Конечно, радиационная опасность термоядерного синтеза типа дейтерий-тритий на несколько порядков ниже, чем у классических реакций деления, но всё же о ней следует помнить и не пренебрегать правилами безопасности.
Разумеется, полных данных о своей работе корпорация не раскрывает, но намекает, что речь идёт о создании реактора мощностью порядка 100 мегаватт при габаритах в районе 2×3 метра, то есть спокойно умещающегося на платформе обычного грузовика. В этом уверен Том МакГайр (Tom McGuire) , возглавляющий проект.
Том МакГайр на фоне экспериментальной установки T-4
В течение года должен быть построен и протестирован первый экспериментальный прототип, а появление промышленных прототипов установки обещается в течение следующих пяти лет. Это куда быстрее темпов работ над ITER. А через 10 лет, если всё пойдёт по плану, появятся и серийные реакторы этого типа. Пожелаем команде МакГайра удачи, ведь если у них всё получится, то мы имеем все шансы увидеть новую эру в энергетике человечества ещё при жизни этого поколения.
Реакция российских учёных
Президент НИЦ "Курчатовский институт" Евгений Велихов сообщил в интервью ТАСС, что о подобных разработках в американской компании ему ничего неизвестно. "Я этого не знаю, я думаю, что это фантазии. Мне неизвестно о проектах Lockheed Martin в этой области, - сказал он. - Пусть заявляют. Разработают - покажут".
По мнению руководителя проектного офиса "ИТЭР-Россия" (ITER - международный проект по созданию экспериментального термоядерного реактора. - ТАСС), доктора физико-математических наук Анатолия Красильникова , заявления американского концерна - это рекламная акция, не имеющая никакого отношения к науке.
"Не будет у них никакого опытного образца. Человечество работает десятилетия, а Lockheed Martin возьмет и запустит? - сказал он, отвечая на вопрос ТАСС. - Я думаю, что они делают хорошую рекламную акцию, привлекая внимание к своему имени. К реальному термоядерному реактору это отношения не имеет".
"Да, это для тех, кто не понимает, кажется правдой. Нельзя вести работы в закрытом режиме, которые человечество ведет в открытом, - добавил ученый, комментируя информацию о секретности проведенной работы. - У них что, другая физика и другие законы природы?"
По мнению Красильникова, Lockheed Martin не раскрывает подробностей своего открытия, потому что профессиональное сообщество сразу разоблачит компанию. "Они не называют установку, и как только они скажут, то профессионалы поймут, что это пиар-акция. Они неспроста так себя ведут, потому что будут разоблачены, - заявил он. - Это не наука, это совсем другая деятельность. Наукой они не занимаются, по крайней мере я об этом не знаю. Это группа инициативных людей решила привлечь к себе внимание, капитализировать потом в акции и получить прибыль".
Красильников напомнил о проекте пилотного термоядерного гибридного реактора, который разрабатывается в России. Как сообщалось, его строительство может начаться только в 2030 году.
"Сейчас в России разрабатывается проект экспериментального гибридного реактора. Он представляет собой сочетание технологий ядерного реактора, работающего на принципе деления ядер, и термоядерного реактора, работающего на принципе синтеза, - пояснил он. - Реальный реактор будет следующим шагом на основании результатов, которые получены на экспериментальном (этапе), - это 2030 год".
Ученые Института ядерной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) намерены создать в своем институте рабочую модель термоядерного реактора. Об этом изданию «Сиб.фм» сообщил руководитель проекта, доктор физико-математических наук Александр Иванов.
Для разворачивания проекта «Развитие фундаментальных основ и технологий термоядерной энергетики будущего» ученые получили правительственный грант. Всего на создание реактора ученым потребуется около полумиллиарда рублей. Построить установку в Институте собираются за пять лет. Как сообщается, исследованиями, связанными с управляемым термоядерным синтезом, в частности физикой плазмы, в ИЯФ СО РАН занимаются давно.
«До сих пор мы занимались физическими опытами для создания класса ядерных реакторов, которые можно использовать в реакциях синтез-деления. Мы добились в этом прогресса, и перед нами встала задача - построить прототип термоядерной станции. К настоящему моменту мы накопили базу и технологии и полностью готовы к началу работ. Это будет полномасштабная модель реактора, которую можно использовать для проведения исследований или, к примеру, для переработки радиоактивных отходов. Технологий для создания такого комплекса много. Они новые и сложные, и требуется некоторое время, чтобы их освоить. Все задачи физики плазмы, которые мы будем решать, актуальны для мирового научного сообщества», - сообщил Иванов.
В отличие от обычной ядерной энергетики, в термоядерной предполагается использование энергии, высвобождаемой при образовании более тяжелых ядер из легких. В качестве топлива предусматривается применение изотопов водорода - дейтерия и трития, однако в ИЯФ СО РАН собираются работать только с дейтерием.
«Мы будем проводить только моделирующие эксперименты с генерацией электронов, но все параметры реакций будут соответствовать реальным. Электроэнергию тоже вырабатывать не будем - только доказывать, что реакция может протекать, что параметры плазмы достигнуты. Прикладные технические задачи будут реализовываться в других реакторах», - подчеркнул заместитель директора Института по научной работе Юрий Тихонов.
Реакции с участием дейтерия относительно недороги и имеют высокий энергетический выход, но при их протекании образуется опасное нейтронное излучение.
«В существующих установках достигнута температура плазмы в 10 миллионов градусов. Это ключевой параметр, который определяет качество реактора. Надеемся повысить температуру плазмы во вновь созданном реакторе в два или в три раза. На таком уровне мы сможем использовать установку как нейтронный драйвер для энергетического реактора. На основе нашей модели могут создаваться безнейтронные реакторы на тритии-дейтерии. Другими словами, созданные нами установки позволят создавать безнейтронное топливо», - пояснил другой заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе Александр Бондарь.
Текст
Олег Акбаров
Текст
Николай Удинцев
Вчера американская компания Lockheed Martin объявила, что намеревается создать портативный термоядерный реактор . Согласно пресс-релизу, им удалось достичь значительного прогресса в решении неустранимых до настоящего времени проблем, и первый полностью функциональный прототип появится уже в 2019 году. В мире, где колебания цен на энергоносители имеют такое значение, появление такой технологии может глобально изменить не только экологический, но и экономический, и политический ландшафт. Look At Me разобрался в истории проблемы, а также выяснил подробнее, кто такие Lockheed Martin и что они готовят.
Как работает термоядерная реакция
Существующие сейчас ядерные реакторы используют распад ядер атомов сверхтяжёлых элементов, в результате которого образуются более легкие и высвобождается энергия. При термоядерной реакции ядра атомов более лёгких элементов объединяются в более тяжёлые за счёт кинетической энергии теплового движения. Например, по тому же принципу работает Солнце и другие звезды.
Для достижения этого эффекта необходимо, чтобы ядра, преодолев кулоновский барьер , сблизились на расстояние, близкое размеру самих ядер и много меньше размера атома. В таких условиях ядра больше не могут отталкиваться друг от друга, поэтому вынуждены объединиться в более тяжёлый элемент. А при их объединении выделяется значительное количество энергии сильного взаимодействия . Она и является продуктом работы реактора.
Что хотят сделать
в Lockheed Martin
Компания Lockheed Martin на протяжении десятилетий является основным поставщиком Пентагона. На её счету разработка самолёта-разведчика U-2, истребителей F-117 Nighthawk, F-22 Raptor и ещё 22 самолётов. Однако в последние годы количество военных контрактов компании, которая около 90 % своих доходов получает от министерства обороны США, начало снижаться. Поэтому в Lockheed Martin заинтересовались альтернативной энергетикой.
→ Lockheed Martin: Compact Fusion Research & Development
В данный момент управляемую термоядерную реакцию проводят в токамаках или стеллараторах . Это установки в форме тора, которые удерживают высокотемпературную плазму (температура выше миллиона кельвинов) внутри с помощью мощного электромагнита. Проблема такого подхода заключается в том, что на данном этапе получаемая энергия практически равна затрачиваемой на поддержание работы установки.
Главное отличие концепта команды Lockheed Martin от токамака в том, что плазма удерживается другим способом: вместо камер в форме тора используется набор сверхпроводящих катушек. Они создают другую геометрию магнитного поля, которая удерживает всю камеру, где проходит реакция. И чем больше давление плазмы, тем сильнее магнитное поле будет её удерживать.
«Наша технология компактного термоядерного реактора совмещает несколько подходов к проблеме магнитного удержания плазмы и предполагает уменьшение прототипа реактора на 90 % по сравнению с более ранними концептами», - Томас Макгуайр, руководитель подразделения Skunk Works Revolutionaly Technology Programs (является частью Lockheed Martin).
По словам самого Макгуайра, защитившего свою дипломную работу в Массачусетском технологическом институте на тему термоядерного синтеза, он «по сути, соединил разные концепты в единый прототип, восполнив пробелы каждого достоинствами другого». В итоге получился принципиально новый продукт, которым и занимается его команда в Lockheed Martin.
Портативному реактору нужно около 20 кг термоядерного топлива
→ Традиционные реакторы занимают целые полигоны и обслуживаются сотнями специалистов
Несмотря на то что реактор предполагается построить такого размера, чтобы он уместился в прицеп грузовика, его мощности должно хватить на обеспечение энергией маленького города или 80 тысяч домов. Он будет превращать дешевый и экологичный водород (дейтерий и тритий) в гелий. При этом в год портативному реактору нужно около 20 кг термоядерного топлива. Объём его отходов, по словам представителей Lockheed Martin, будет намного меньше отходов от работы, например, угольной электростанции.
Компания хочет построить опытную модель портативного термоядерного реактора к 2016 году, первые прототипы мощностью 100 МВт - к 2019 году, а рабочие модели - к 2024 году. Повсеместное распространение устройств планируется к 2045 году.
Что даст человечеству управляемый термояд
Экологически
чистая энергия
Термоядерная реакция проходит намного безопаснее ядерной. Например, практически невозможным считается выход термоядерной реакции из-под контроля. Если же в реакторе случится авария, то ущерб для окружающей среды будет в разы меньше, чем при аварии на ядерном реакторе. Стоит отметить, что существующие реакции с участием дейтерия и трития всё же выделяют достаточное количество радиоактивных отходов, однако у них короткий период полураспада. При этом перспективные реакции с применением дейтерия и гелия-3 будут проходить почти без их образования.
Полёты
по Солнечной системе
Установка Lockheed Martin - прообраз термоядерного ракетного двигателя (ТЯРД). Такой можно установить на космический корабль для освоения Солнечной системы и ближайшего к Земле космического пространства. Считается, что ТЯРД сможет развивать скорость в 10 % от скорости света (примерно 30 тысяч км/с). В теории эффективность такого двигателя (его удельный импульс) минимум в 20 раз (а максимум - в 9 тысяч раз) превзойдёт эффективность существующих ракетных двигателей.
Практически бесконечный
источник энергии
Поскольку для работы термоядерного реактора нужен водород, топливо для него можно добывать из любой воды. В перспективе вместо трития будут использовать гелий-3, которого достаточно много в земной атмосфере и ещё больше (сотни тысяч тонн) на Луне. Со временем (и при достаточном распространении термоядерной энергетики) компании могут сократить добычу полезных ископаемых для их сжигания на существующих электростанциях.
«Lockheed Martin начала разработку компактного термоядерного реактора… На сайте фирмы говорится о постройке первого опытного образца уже через год. Если это окажется правдой, через год мы будем жить в совершенно ином мире», - это начало одной из «Чердака». Со времени ее публикации прошло три года, и мир с тех пор не так уж сильно изменился.
Сегодня в реакторах атомных электростанций энергия вырабатывается за счет распада тяжелых ядер. В термоядерных же реакторах энергия получается в ходе процесса слияния ядер, при котором образуются ядра меньшей массы, чем сумма исходных, а «остаток» уходит в виде энергии. Отходы ядерных реакторов радиоактивны, их безопасное захоронение - это большая головная боль. Термоядерные реакторы такого недостатка лишены, а также используют широко доступное топливо, такое как водород.
У них есть только одна большая проблема - промышленных образцов еще не существует. Задача непростая: для термоядерных реакций нужно сжать топливо и нагреть до сотен миллионов градусов - горячее, чем на поверхности Солнца (где термоядерные реакции происходят естественным путем). Достичь такой высокой температуры сложно, но можно, только вот потребляет такой реактор энергии больше, чем вырабатывает.
Однако потенциальных достоинств у них все равно так много, что разработкой занимается, конечно же, не только Lockheed Martin.
ITER
ITER - cамый крупный проект в этой области. В нем участвуют Евросоюз, Индия, Китай, Корея, Россия, США и Япония, а сам реактор строится на территории Франции с 2007 года, хотя его история уходит намного глубже в прошлое: о его создании договаривались еще Рейган с Горбачевым в 1985-м. Реактор представляет собой тороидальную камеру, «бублик», в которой плазму удерживают магнитные поля, потому и называется токамак - то
роидальная ка
мера с ма
гнитными к
атушками. Энергию реактор будет вырабатывать за счет слияния изотопов водорода - дейтерия и трития.
Планируется, что ITER будет получать энергии в 10 раз больше, чем потреблять, однако будет это не скоро. Изначально планировалось, что в экспериментальном режиме реактор начнет работать в 2020 году, однако затем этот срок перенесли на 2025-й. При этом промышленное производство энергии начнется не раньше 2060 года, а уж ждать распространения этой технологии можно только где-то в конце XXI века.
Wendelstein 7-X
Wendelstein 7-X - крупнейший термоядерный реактор типа стелларатор. Стелларатор решает проблему, которая преследует токамаки, - «расползание» плазмы из центра тора к его стенкам. То, с чем токамак пытается справиться за счет мощи магнитного поля, стелларатор решает за счет своей сложной формы: удерживающее плазму магнитное поле изгибается, чтобы пресечь поползновения заряженных частиц.
Wendelstein 7-X, как надеются его создатели, в 21-м году сможет проработать полчаса, что даст «билет в жизнь» идее термоядерных станций подобной конструкции.
National Ignition Facility
Еще один тип реакторов использует для сжатия и разогрева топлива мощные лазеры. Увы, крупнейшая лазерная установка для получения термоядерной энергии, американская NIF, не смогла выдать энергии больше, чем потребляет.
Какие из всех этих проектов действительно «взлетят», а кого постигнет участь NIF, предсказать сложно. Остается ждать, надеяться и следить за новостями: 2020-е обещают стать интересным временем для ядерной энергетики.
«Ядерные технологии » - один из профилей Олимпиады НТИ для школьников.
Испанские инженеры разработали прототип экологически чистого термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы, в основе работы которого используется ядерный синтез вместо ядерного деления. Утверждается, что изобретение позволит существенно экономить на топливе и избежать загрязнения окружающей среды.
Профессор Политехнического университета Мадрида Хосе Гонсалес Диез запатентовал реактор, использующий в качестве топлива изотоп водорода, который можно выделить из воды, что позволяет существенно экономить при производстве электроэнергии. Синтез в реакторе происходит посредством лазерного излучения в 1000 МВт.
На протяжении многих лет ядерный синтез изучался на предмет создания альтернативы ядерному делению с точки зрения безопасности и финансовых преимуществ. Тем не менее сегодня не существует ни одного термоядерного реактора для производства непрерывной электрической энергии высокого напряжения. Примером естественного термоядерного реактора может служить Солнце, внутри которого нагретая до огромных температур плазма удерживается в состоянии с высокой плотностью.
В рамках проекта Fusion Power Гонсалес Диез создал прототип термоядерного реактора с инерциальным удержанием плазмы. Синтезирующая камера реактора может адаптироваться к типу используемого топлива. Теоретически возможными реакциями могут стать реакции дейтерий-тритий, дейтерий-дейтерий или водород-водород.
Размеры камеры, а также ее форма могут быть адаптированы в зависимости от типа топлива. Кроме того, можно будет менять форму внешнего и внутреннего оборудования, тип охлаждающей жидкости и т.д.
По словам кандидата физико-математических наук Бориса Бояршинова, проекты по созданию термоядерного реактора реализуются на протяжении сорока лет.
«С 70-х годов остро стоит проблема управляемого термоядерного синтеза, но пока многочисленные попытки создать термоядерный реактор были неудачными. Работы по его изобретению до сих пор ведутся и, скорее всего, вскоре увенчаются успехом», - отметил г-н Бояршинов.
Руководитель энергетической программы «Гринпис России» Владимир Чупров скептически относится к идее использования термоядерного синтеза.
«Это далеко не безопасный процесс. Если разместить рядом с термоядерным реактором «бланкет» из урана-238, то все нейтроны будут поглощаться этой оболочкой и уран-238 будет превращаться в плутоний-239 и 240. С точки зрения экономики даже если термоядерный синтез удастся реализовать и ввести в коммерческую эксплуатацию, его стоимость такова, что позволить его себе сможет далеко не каждая страна, хотя бы потому, что для обслуживания этого процесса нужны очень компетентные кадры», - говорит эколог.
По его словам, сложность и дороговизна этих технологий представляет собой тот камень преткновения, о который запнется любой проект, даже если он состоится на техническом уровне. «Но даже в случае успеха максимальная установленная мощность термоядерных станций к концу столетия составит 100 ГВт, что составляет около 2% от того, что потребуется человечеству. В итоге термоядерный синтез не решает глобальной проблемы», - уверен г-н Чупров.