Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Холодный также может называться холодным термоядом. Его суть заключается в возможности реализации ядерной реакции синтеза, происходящей в каких-либо химических системах. При этом предполагается отсутствие значительного перегрева рабочего вещества. Как известно, обычные при их проведении создают температуру, которая может измеряться миллионами градусов Кельвина. Холодный термояд в теории не требует такой высокой температуры.

Многочисленные исследования и эксперименты

Исследование холодного ядерного синтеза, с одной стороны, считается чистым мошенничеством. Никакие другие научные направления в этом с ним не сравнимы. С другой стороны, возможно, что эта сфера науки до конца не изучена, и вовсе не может считаться утопией, а тем более мошенничеством. Однако в истории развития холодного термояда все же присутствовали если не обманщики, то наверняка сумасшедшие.

Признанию псевдонаукой этого направления и поводом для критики, которой подверглась технология холодного ядерного синтеза, послужили многочисленные неудачи ученых, работавших в этой области, а также произведенные отдельными личностями фальсификации. Уже с 2002 года большинство ученых считают, что работа по решению этого вопроса бесперспективна.

Вместе с тем некоторыми все же попытки провести подобную реакцию продолжаются. Так, в 2008 году японский ученый из университета Осаки публично продемонстрировал эксперимент, совершенный с электрохимической ячейкой. Это был Йошиаки Арата. После такой демонстрации научное общество вновь стало вести разговоры о возможности или невозможности холодного термояда, которые может предоставить ядерная физика. Отдельные ученые, квалифицирующиеся на ядерной физике и химии, занимаются поиском обоснований этого явления. Причем делают это они с целью найти не ядерное ему объяснение, а другое, альтернативное. Вдобавок это еще обусловлено и тем, что сведения о нейтронном излучении отсутствуют.

История Флэйшмана и Понса

Уже сама история обнародования этой разновидности научного направления в глазах мирового сообщества является подозрительной. Все началось 23 марта 1989 года. Именно тогда профессор Мартин Флэйшман со своим напарником Стэнли Понсом собрали пресс-конференцию, которая проходила в университете, где трудились химики, в штате Юта (США). Тогда они и заявили, что ими была осуществлена реакция холодного ядерного синтеза путем обыкновенного пропускания электрического тока сквозь электролит. По словам химиков, в результате проведенной реакции они смогли получить положительный энергетический выход, то есть тепло. Кроме этого, они наблюдали ядерное излучение, возникшее в результате реакции и идущее от электролита.

Сделанное заявление буквально произвело настоящий фурор в научном сообществе. Конечно же, низкотемпературный ядерный синтез, произведенный на простом письменном столе, мог кардинально изменить весь мир. Больше не нужны комплексы огромных химических установок, которые еще и стоят громадную сумму денег, а результат в виде получения нужной реакции когда наступит - неизвестно. Если бы все подтвердилось, Флэйшмана и Понса ждало бы потрясающее будущее, а человечество - немалое сокращение расходов.

Однако сделанное таким образом заявление химиков стало их ошибкой. И, кто знает, возможно, самой главной. Дело в том, что в научном сообществе не принято делать какие-либо заявления перед средствами массовой информации о своих изобретениях или открытиях до того, как сведения о них будут опубликованы в специальных научных журналах. Ученые, поступающие так, мгновенно получают критику в свой адрес, это считается своего рода дурным тоном в научной среде. По правилам, сделавший какое-либо открытие научный сотрудник негласно обязан оповестить об этом сначала научное сообщество, которое и будет решать, действительно ли это изобретение является истинным, стоит ли его вообще признавать открытием. С юридической стороны это считается обязательством полного сохранения тайны о происшедшем, которую первооткрыватель должен соблюдать с момента подачи своей статьи в издание и до момента ее опубликования. Ядерная физика в этом плане не является исключением.

Флэйшман со своим коллегой такую статью направили в научный журнал, который назывался Nature и являлся самым авторитетным научным изданием в масштабах всего мира. Все люди, связанные с наукой, знают, что такой журнал не опубликует непроверенную информацию, а тем более не станет печатать кого попало. Мартин Флэйшман уже в то время считался достаточно уважаемым ученым, работающим в области электрохимии, поэтому поданная статья должна была выйти в скором времени. Так и произошло. Спустя три месяца после злополучной конференции публикация вышла в свет, но ажиотаж вокруг открытия уже вовсю разгорелся. Возможно, поэтому главный редактор Nature Джон Мэддокс уже в следующем ежемесячном выпуске журнала опубликовал свои сомнения по поводу сделанного открытия Флэйшмана и Понса и того, что ими была получена энергия ядерной реакции. В своей заметке он написал, что химики должны понести наказание за его преждевременное обнародование. Там же им было сказано о том, что настоящие ученые никогда бы не позволили придать общественной огласке свои изобретения, а лица, которые так поступают, могут считаться простыми авантюристами.

Спустя некоторое время Понсу и Флэйшману был нанесен еще один удар, который можно назвать сокрушительным. Ряд научных сотрудников из американских научных институтов Соединенных Штатов (Массачусетский и Калифорнийский технологические университеты) провели, то есть повторили эксперимент химиков, создав одинаковые условия и факторы. Однако к заявленному Флэйшманом результату это не привело.

Возможно или невозможно?

С того времени произошло четкое разделение всего научного сообщества на два лагеря. Сторонники одного убеждали всех, что холодный термояд - это выдумка, которая ни на чем не основана. Другие же, напротив, до сих пор уверены, что холодный ядерный синтез возможен, что злополучные химики все же совершили открытие, которое в конце концов может спасти все человечество, дав ему неисчерпаемый источник энергии.

Тот факт, что если все же произойдет изобретение нового метода, с помощью которого будут возможны холодные ядерные реакции синтеза, и, соответственно, значение такого открытия будет неоценимо для всех людей в глобальном масштабе, привлекает к этому научному направлению все новых и новых ученых, часть из которых в действительности могут считаться мошенниками. Целые государства прилагают значительные усилия по постройке всего лишь одной термоядерной станции, затрачивая при этом огромные суммы денежных средств, а холодный термояд способен извлекать энергию абсолютно простыми и довольно недорогими способами. Именно это и привлекает желающих нажиться обманным путем, а также и других лиц, имеющих психические расстройства. Среди приверженцев этого способа получения энергии можно отыскать и тех и других.

История с холодным термоядом просто обязана была попасть в архив так называемых лженаучных историй. Если посмотреть на метод, с помощью которого получается энергия ядерного синтеза, трезвым взглядом, то можно понять, что для соединения двух атомов в один требуется огромное количество энергии. Она необходима для преодоления электрического сопротивления. В строящемся на данный момент Международном который будет располагаться в г. Карадаш во Франции, планируется проводить соединение двух атомов, которые являются наилегчайшими из существующих в природе. В результате такого соединения ожидается положительный выброс энергии. Эти два атома - тритий и дейтерий. Они являются изотопами водорода, поэтому ядерный синтез водорода будет основой. Чтобы осуществить подобное соединение, необходима немыслимая температура - сотни миллионов градусов. Конечно же, для этого понадобится и огромное давление. По этой причине многие ученые и считают, что холодный управляемый ядерный синтез невозможен.

Успехи и неудачи

Однако в оправдание этого рассматриваемого синтеза следует отметить, что среди его поклонников имеются не только люди с бредовыми идеями и мошенники, но и вполне нормальные специалисты. После выступления Флэйшмана и Понса и провала их открытия множество ученых и научных институтов продолжали заниматься этим направлением. Не обошлось здесь и без российских специалистов, которые тоже предпринимали соответствующие попытки. И самое интересное в том, что подобные эксперименты в некоторых случаях заканчивались успехом, а в некоторых - неудачей.

Однако в науке все строго: если произошло открытие, и эксперимент прошел удачно, то он обязан быть повторен вновь с положительным результатом. Если это не так, такое открытие не будет никем признано. Более того, повторение удачного эксперимента не могли сделать и сами исследователи. В одних случаях это у них получалось, в других - нет. Из-за чего это происходит, никто объяснить не мог, до сих пор отсутствует научно обоснованная причина такой непостоянности.

Настоящий изобретатель и гений

У всей вышеописанной истории с Флэйшманом и Понсом есть другая сторона медали, а точнее, тщательно скрываемая западными странами истина. Дело в том, что Стэнли Понс ранее был гражданином СССР. В 1970 году он входил в экспертный состав, разрабатывающий термоэмиссионные установки. Конечно, Понс был посвящен во многие секреты советского государства и, эмигрировав в Соединенные Штаты, попытался их реализовать.

Истинным первооткрывателем, добившимся определенных успехов в холодном ядерном синтезе, был Иван Степанович Филимоненко.

И. С. Филимоненко умер в 2013 году. Он являлся ученым, который чуть не остановил все развитие атомной энергетики не только в своей стране, но и во всем мире. Именно он едва не создал установку ядерного холодного синтеза, которая, в отличие от была бы более безопасной и очень дешевой. Помимо указанной установки, советский ученый создал летательный аппарат, основанный на принципе антигравитации. Был известен как разоблачитель скрываемых опасностей, которые может принести человечеству атомная энергетика. Ученый работал в оборонном комплексе СССР, являлся академиком и экспертом по Примечательно, что некоторые труды академика, в том числе и холодный ядерный синтез Филимоненко, до сих пор засекречены. Иван Степанович был непосредственным участником создания водородной, ядерной и нейтронной бомб, занимался разработкой ядерных реакторов, предназначенных для запуска ракет в космос.

В 1957 году Иван Филимоненко разработал энергетическую установку холодного ядерного синтеза, с помощью которой страна смогла бы сэкономить до трехсот миллиардов долларов в год, применив ее в энергетике. Это изобретение ученого изначально было всецело поддержано государством, а также такими известными научными сотрудниками, как Курчатов, Келдыш, Королев. Дальнейшие разработки и доведение изобретения Филимоненко до готового состояния санкционировал в то время сам маршал Жуков. Открытие Ивана Степановича являлось источником, из которого должна была извлекаться чистая ядерная энергия, а кроме этого, с ее помощью можно было бы получить защиту от ядерных излучений и устранить последствия радиоактивного загрязнения.

Отстранение Филимоненко от работы

Возможно, что спустя какое-то время изобретение Ивана Филимоненко производилось бы в промышленных масштабах, а человечество избавилось бы от многих проблем. Однако судьба в лице некоторых людей распорядилась иным образом. Его коллеги Курчатов и Королев скончались, а маршал Жуков ушел в отставку. Это и послужило началом так называемой подковерной игры в научных кругах. Результатом стала остановка всех работ Филимоненко, а в 1967 году произошло и его увольнение. Дополнительная причина такого обращения с заслуженным ученым стала и его борьба за прекращение испытаний ядерного оружия. Своими работами он постоянно доказывал наносимый вред и природе, и непосредственно людям, с его подачи были остановлены многие проекты по запуску в космос ракет с ядерными реакторами (любая авария на такой ракете, происшедшая на орбите, могла грозить радиоактивным заражением всей Земли). Учитывая гонку вооружений, набирающую в то время обороты, академик Филимоненко стал неугодным некоторым высоким лицам. Его экспериментальные установки признаются противоречащими законам природы, самого ученого увольняют, исключают из коммунистической партии, лишают всех званий и вообще объявляют психически ненормальным человеком.

Уже в конце восьмидесятых - начале девяностых работы академика возобновляются, разрабатываются новые экспериментальные установки, однако все они до положительного результата доведены не были. Иваном Филимоненко была предложена идея использования его передвижной установки с целью ликвидации последствий в Чернобыле, но она была отвергнута. В период с 1968 по 1989 годы Филимоненко был отстранен от каких-либо испытаний и работ в направлении холодного термояда, а сами разработки, схемы и чертежи вместе с некоторыми советскими научными сотрудниками попали за рубеж.

В начале 90-х годов Соединенные Штаты заявили об успешных испытаниях, при которых ими якобы была получена ядерная энергия в результате холодного термояда. Это послужило толчком к тому, что о легендарном советском ученом вновь вспомнило его государство. Он был восстановлен в должности, но и это не помогло. К тому времени начался распад СССР, финансирование было ограниченным, соответственно, и результатов не было. Как рассказал позже Иван Степанович в интервью, видя непрекращающиеся и вместе с тем неудачные попытки многих ученых со всего мира получить положительные результаты холодного ядерного синтеза, он понял, что без него никто не сможет довести дело до конца. И, действительно, он говорил правду. С 1991 по 1993 год американские ученые, заполучившие установку Филимоненко, так и не смогли понять принцип ее действия, а еще спустя год и вовсе демонтировали ее. В 1996 году влиятельные люди из Соединенных Штатов предлагали Ивану Степановичу сто миллионов долларов только за то, чтобы он предоставил им консультации, разъяснив, как работает реактор холодного ядерного синтеза, на что тот ответил отказом.

Иван Филимоненко путем экспериментов установил, что в результате разложения так называемой тяжелой воды путем электролиза она распадается на кислород и дейтерий. Последний, в свою очередь, растворяется в палладии катода, в котором развиваются ядерные реакции синтеза. В процессе происходящего Филимоненко зафиксировал отсутствие как радиоактивных отходов, так и нейтронного излучения. Помимо этого, в итоге своих экспериментов Иван Степанович установил, что его реактор ядерного синтеза испускает неопределенное излучение, и именно это излучение сильно уменьшает период полураспада радиоактивных изотопов. То есть нейтрализуется радиоактивное загрязнение.

Существует мнение, что Филимоненко в свое время отказался от замены ядерных реакторов своей установкой в подземных убежищах, подготовленных для высших руководителей СССР на случай ядерной войны. В те времена бушевал Карибский кризис, а потому была очень высока возможность ее начала. Останавливало правящие круги и США, и СССР лишь то, что в таких подземных городах загрязнение от ядерных реакторов все равно бы убило все живое спустя несколько месяцев. Задействованный реактор холодного ядерного синтеза Филимоненко мог бы создать зону безопасности от радиоактивного загрязнения, поэтому, если бы академик согласился на такое, то вероятность ядерной войны могла быть увеличена в несколько раз. Если это было действительно так, то лишение его всех наград и дальнейшие репрессии находят свое логическое обоснование.

Теплый ядерный синтез

И. С. Филимоненко была создана термоэмиссионная гидролизная энергетическая установка, которая являлась абсолютно экологически чистой. По настоящее время никто так и не смог создать подобный аналог ТЭГЭУ. Суть этой установки и одновременно отличие от других подобных агрегатов заключалось в том, что в ней применялись не ядерные реакторы, а установки ядерного синтеза, происходящего при средней температуре 1150 градусов. Поэтому такое изобретение и было названо установкой теплого ядерного синтеза. В конце восьмидесятых годов под столицей, в городе Подольске, было создано 3 таких установки. Советский академик Филимоненко принимал в этом непосредственное участие, руководя всем процессом. Мощность каждой ТЭГЭУ составляла 12,5 кВт, в качестве основного топлива использовалась тяжелая вода. Всего один ее килограмм при реакции выделял энергию, эквивалентную той, которую можно получить при сжигании двух миллионов килограммов бензина! Одно это говорит об объемности и значимости изобретений великого ученого, о том, что разрабатываемые им холодные ядерные реакции синтеза могли принести требуемый результат.

Таким образом, в настоящее время доподлинно не известно, имеет ли право на существование холодный термояд или нет. Вполне возможно, что если бы не репрессии в отношении настоящего гения науки Филимоненко, то мир сейчас был бы уже не таким, а продолжительность жизни людей могла увеличиться многократно. Ведь еще тогда Иван Филимоненко заявлял, что радиоактивное излучение - причина старения людей и скорой смерти. Именно радиация, которая сейчас есть буквально везде, не говоря уже о мегаполисах, нарушает хромосомы человека. Может быть, поэтому библейские персонажи и жили по тысяче лет, так как в то время наверняка этого губительного излучения не существовало.

Созданная академиком Филимоненко установка в перспективе могла бы избавить планету от подобных убивающих загрязнений, вдобавок предоставив неисчерпаемый источник дешевой энергии. Так это или нет, покажет время, однако жаль, что это время уже могло бы наступить.

«Мы сказали, что поместим Солнце в коробку. Идея прекрасна. Но проблема в том, что мы не знаем, как создать эту коробку» - Пьер Жиль де Жен, лауреат нобелевской премии по физике 1991 года.

В то время, как тяжёлых элементов, требующихся для ядерных реакций на Земле и в целом в космосе довольно мало, лёгких элементов для термоядерных реакций очень много как на Земле, так и в космосе. Поэтому идея использовать термоядерную энергию во благо человечества пришла практически сразу с пониманием процессов, лежащих в её основе – это сулило поистине безграничные возможности, так как запасов термоядерного топлива на Земле должно было хватить на десятки тысяч лет вперёд.

Уже в 1951 году появились два основных направления развития термоядерных реакторов: Андреем Сахаровым и Игорем Таммом была разработана архитектура токамака в котором рабочая камера представляла из себя тор, в то время как Лайманом Спитцером была предложена архитектура более замысловатой конструкции по форме более всего напоминающая лист Мёбиуса перевёрнутый не один, а несколько раз.

Простота принципиальной конструкции токамака позволила длительное время развивать это направление за счёт повышения характеристик обычных и сверхпроводящих магнитов, а также путём постепенного увеличения размеров реактора. Но с повышением параметров плазмы постепенно стали также проявляться и проблемы с её нестабильным поведением, которые тормозили процесс.

Сложность конструкции стеллатора и вовсе привела к тому что после первых экспериментов в 50-х годах развитие этого направления на долгое время остановилось. Новое дыхание оно получило совсем недавно с появлением современных систем автоматизированного проектирования, которые позволили спроектировать стеллатор Wendelstein 7-X с необходимыми для его работы параметрами и точностью конструкции.

Физика процесса и проблемы в его реализации

Атомы железа имеют максимальную энергию связи на нуклон – то есть показатель энергии которую нужно затратить чтобы разделить атом на его составляющие нейтроны и протоны, делённый на их общее количество. Все атомы с меньшей и большей массой имеют этот показатель ниже железа:

При этом в термоядерных реакциях слияния лёгких атомов вплоть до железа выделяется энергия, а масса образующегося атома становится слегка меньше суммы масс исходных атомов на величину, соотносящуюся с выделяемой энергией по формуле E=mc² (так называемый дефект массы). Таким же образом выделяется энергия при ядерных реакциях деления атомов тяжелее железа.

При реакциях слияния атомов выделяется огромная энергия, но для того чтобы извлечь эту энергию нам в начале необходимо приложить определённое усилие для преодоления сил отталкивания между атомными ядрами которые являются положительно заряженными (преодолеть кулоновский барьер). После того как нам удалось сблизить пару атомов на необходимое расстояние в действие вступает сильное ядерное взаимодействие, которое связывает нейтроны и протоны. Для каждого вида топлива кулоновский барьер для начала реакции отличается также, как и отличается оптимальная температура реакции:

При этом первые термоядерные реакции атомов начинают фиксироваться задолго до достижения средней температурой вещества этого барьера благодаря тому, что кинетическая энергия атомов подвержена распределению Максвелла:

Но реакция при относительно низкой температуре (порядка нескольких млн °C) идёт крайне медленно. Так скажем в центре температура достигает 14 млн °C, но удельная мощность термоядерной реакции в таких условиях составляет только 276,5 Вт/м³, а для полного расходования своего топлива Солнцу требуются несколько млрд лет. Такие условия являются неприемлемыми для термоядерного реактора, так как при таком низком уровне выделения энергии мы неизбежно будем затрачивать на нагрев и сжатие термоядерного топлива больше, чем будем получать от реакции взамен.

По мере роста температуры топлива всё большая доля атомов начинает обладать энергией, превышающий кулоновский барьер и эффективность реакции растёт, достигая своего пика. С дальнейшим повышением температуры скорость реакции снова начинает падать уже за счёт того, что кинетическая энергия атомов становится слишком большой и они «проскакивают» мима друг друга не в состоянии удержаться сильным ядерным взаимодействием.

Таким образом решение как получить энергию из управляемой термоядерной реакции было получено довольно быстро, но вот реализация этой задачи затянулась на полвека и так ещё до конца и не закончена. Причина этого кроется в поистине безумных условиях, в которые оказалось необходимо поместить термоядерное топливо – для положительного выхода от реакции его температура должна была составлять несколько десятков млн °C.

Такую температуру физически не могли выдержать никакие стенки, но эта проблема почти сразу привела и к её решению: так как разогретое до таких температур вещество является горячей плазмой (полностью ионизованным газом) которое заряжено положительно, то решение оказалось лежащим на поверхности – нам просто надо было поместить такую разогретую плазму в сильное магнитное поле, которое будет удерживать термоядерное топливо на безопасном расстоянии от стенок.

Прогресс на пути его реализации

Исследования по данной теме идут в нескольких направлениях сразу:

1. с помощью использования сверхпроводящих магнитов учёные стараются сократить энергию, затрачиваемую на зажигание и поддержание реакции;
2. с помощью новых поколений сверхпроводников повышается индукция магнитного поля внутри реактора, которая позволяет удерживать плазму с более высокими показателями плотности и температуры, что увеличивает удельную мощность реакторов на единицу их объёма;
3. исследования в области горячей плазмы и успехи в сфере вычислительной техники позволяют лучше контролировать потоки плазмы, тем самым приближая термоядерные реакторы к их теоретическим пределам эффективности;
4. прогресс в предыдущей области также позволяет дольше удерживать плазму в стабильном состоянии, что увеличивает эффективность реактора за счёт того, что нам не надо так часто разогревать плазму вновь.

Не смотря на все трудности и проблемы, лежавшие на пути к управляемой термоядерной реакции, эта история уже приближается к своему финалу. В энергетике принято использовать показатель EROEI – energy return on energy investment (соотношение затраченной энергии при производстве топлива к тому объёму энергии, который мы из него получаем в итоге) для расчёта эффективности топлива. И в то время как EROEI угля продолжает расти, то этот показатель у нефти и газа достиг своего пика в середине прошлого века и теперь неуклонно падает за счёт того, что новые месторождения этих топлив находятся во всё в более труднодоступных местах и на всё больших глубинах:

При этом наращивать производство угля мы также не можем по той причине, что получение энергии из него является очень грязным процессом и буквально уносит жизни людей прямо сейчас от различных заболеваний лёгких. Так или иначе мы сейчас стоим на пороге заката эры ископаемых топлив – и это не происки экологов, а банальные экономические расчёты при взгляде в будущее. При этом EROI у экспериментальных термоядерных реакторов, появившихся также в середине прошлого века, неуклонно росли и в 2007 году достигли психологического барьера в единицу – то есть в этом году человечеству впервые удалось получить посредством термоядерной реакции больше энергии, чем затратить на её осуществление. И несмотря на то что на реализацию реактора , эксперименты с ним и производство уже первой демонстрационной термоядерной электростанции DEMO на основе полученного при реализации ITER опыта потребуется ещё много времени. Уже нет никаких сомнений в том, что за такими реакторами находится наше будущее.

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

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

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

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

Найти "ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ " на

Авария на японской станции Фукусима во второй раз продемонстрировала всему миру опасность атомной энергетики. В странах Европы прошли демонстрации против использования атомных станций. И все же, нет оснований считать, что АЭС больше не будут строиться. Жители Земли потребляют все больше и больше энергии. Для некоторых регионов, где запасы природного угля, нефти и газа минимальны, атомная энергия необходима. К сожалению, альтернативные источники энергии, такие как энергия солнечного света, ветра, волн и т.д. не способны принципиально заменить огромное количество потребляемой человечеством энергии (16 ТВт). Их доля в мировом производстве энергии пока составляет всего 0,5%.

Между тем, современный мир стоит перед очень серьезным энергетическим кризисом. Проблема связана с тем, что по всем серьезным прогнозам запасы ископаемых горючих веществ могут иссякнуть уже во второй половине текущего столетия. Более того, сжигание ископаемых топлив может привести к необходимости каким-то образом связывать и «сохранять» выпускаемый в атмосферу углекислый газ (программа CCS) для предотвращения серьезных изменений в климате планеты.

Сейчас крайне необходим новый мощный источник энергии. Настало время прорыва. Иначе человечество может само себя уничтожить в борьбе за оставшиеся под землей запасы нефти и газа.

Самой серьезной альтернативой современным источникам энергии ученые считают управляемый термоядерный синтез.

Ядерный синтез, являющийся основой существования Солнца и звезд, потенциально представляет собой неистощимый источник энергии для развития вселенной вообще.

Эксперименты, проводимые в Великобритании в рамках программы Joint European Torus (JET), являющейся одной из ведущих исследовательских программ в мире, показывают, что ядерный синтез может обеспечить не только текущие энергетические потребности человечества, но и гораздо большее количество энергии.

Пример термоядерной реакции — дейтерий + тритий

Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

Именно эту реакцию предполагается использовать в будущих термоядерных реакторах. Но осуществить эту реакцию и сделать ее управляемой очень сложно. Для инициирования (зажигания) реакции синтеза необходимо нагреть газ из смеси дейтерия и трития до температуры выше 100 миллионов градусов Цельсия, что примерно в десять раз выше температуры в центре Солнца. При этой температуре наиболее «энергетические» дейтроны и тритоны (ядра дейтерия и трития) сближаются при столкновениях на столь близкие расстояния, что между ними начинают действовать мощные ядерные силы, заставляющие их сливаться друг с другом в единое целое.

Осуществление процесса ядерного синтеза в лаборатории связано с очень сложными проблемами. Для решения задачи нагрева и удержания газовой смеси ядер D и T были придуманы «магнитные бутылки», получившие название «Токамак» , которые предотвращают взаимодействие плазмы со стенками реактора. Началом современной эпохи в изучении возможностей термоядерного синтеза следует считать 1969 год, когда на российской установке Токамак Т3 в плазме объемом около 1 м 3 была достигнута температура 3 10 6 °C. После этого ученые во всем мире признали конструкцию токамака наиболее перспективной для магнитного удержания плазмы. Уже через несколько лет было принято смелое решение о создании установки JET (Joint European Torus) со значительно большим объемом плазмы (~100 м 3). Эта установка начала работать в 1983 году и остается пока крупнейшим в мире токамаком, обеспечивающим нагрев плазмы до температуры 150 10 6 °C.

В настоящее время во Франции начинается строительство международного экспериментального термоядерного реактора ITER. Расшифровывается аббревиатура как International Tokamak Experimental Reactor, но в настоящее время название ITER официально не считается аббревиатурой, а связывается с латинским словом iter — путь.

На рисунке - проект строительства реактора ITER в местечке Кадараш, Франция

Задачи, стоящие на пути создания термоядерных реакторов и преимущества ядерной энергетики очень подробно и доступно для понимания были изложены в лекции «На пути к термоядерной энергетике», прочитанной председателем Совета ITER Кристофером Ллуэллин-Смитом в ФИАНе. (http:///elementy.ru/lib/430807)

ITER должен стать первой крупномасштабной энергетической установкой, рассчитанной на длительную эксплуатацию. Проблемы и сложности эксплуатации такой установки связаны, прежде всего, с тем, что мощный поток высокоэнергетических нейтронов и выделяющаяся энергия (в виде электромагнитного излучения и частиц плазмы) серьезно воздействуют на реактор и разрушают материалы, из которых он создан. Вторая основная проблема состоит в обеспечении высокой прочности конструкционных материалов реактора при длительной (в течение нескольких лет) бомбардировке нейтронами и под воздействием потока тепла. Третья и, возможно, самая главная проблема состоит в обеспечении высокой надежности работы. Таким образом, проектирование и постройка термоядерных станций требуют от физиков и инженеров решения целого ряда разнообразных и очень сложных технологических задач.

Однако, несмотря на все сложности, проблема стоит того, чтобы ей заниматься самым серьезным образом. Основное преимущество ядерного синтеза состоит в том, что в качестве топлива для него требуется лишь очень небольшое количество весьма распространенных в природе веществ. Реакция ядерного синтеза в описываемых установках может приводить к выделению огромного количества энергии, в десять миллионов раз превышающего стандартное тепловыделение при обычных химических реакциях (типа сжигания ископаемого топлива). Например, количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 ГВт составляет 10 000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 килограмма смеси D+T.

Дейтерий является устойчивым изотопом водорода. Примерно в одной из каждых 3350 молекул обычной воды один из атомов водорода замещен дейтерием (наследие, доставшееся нам от Большого Взрыва). Этот факт позволяет легко организовать достаточно дешевое получение необходимого количества дейтерия из воды. Более сложным является получение трития, который является нестабильным (период полураспада около 12 лет, вследствие чего его содержание в природе ничтожно), однако, тритий будет возникать прямо внутри термоядерной установки в процессе работы, за счет реакции нейтронов с литием.

Таким образом, исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и вода. Литий представляет собой обычный металл, широко используемый в бытовых приборах (в батарейках для мобильных телефонов и т. п.). Описанная выше установка, даже с учетом неидеальной эффективности, сможет производить 200 000 кВт/час электрической энергии, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной батарейке, а количество дейтерия — в 45 литрах воды. Указанная выше величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в пересчете на одного человека) в странах ЕС за 30 лет. Сам факт, что столь ничтожное количество лития может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без выбросов CO 2 и без малейшего загрязнения атмосферы), является достаточно серьезным аргументом для быстрейшего и энергичного развития термоядерной энергетики (несмотря на все сложности и проблемы) и даже без стопроцентой уверенности в успехе таких исследований.

Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет. Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, мы можем добывать его из воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации (в 100 раз превосходящей концентрацию урана), чтобы его добыча была экономически целесообразной.

Термоядерная энергетика не только обещает человечеству, в принципе, возможность производства огромного количества энергии в будущем (без выбросов CO 2 и без загрязнения атмосферы), но и обладает повышенной безопасностью. Используемая в термоядерных установках плазма имеет очень низкую плотность (примерно в миллион раз ниже плотности атмосферы), вследствие чего рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии, достаточной для возникновения серьезных происшествий или аварий. Кроме того, загрузка «топливом» должна производиться непрерывно, что позволяет легко останавливать ее работу, не говоря уже о том, что в случае аварии и резкого изменения условий окружения термоядерное «пламя» должно просто погаснуть.

В чем состоят связанные с ядерной энергетикой опасности? Во-первых, стоит отметить, что оболочка реактора при длительном нейтронном облучении может стать радиоактивной. Однако при подборе для оболочки материалов с заданными свойствами можно обеспечить распад радиоактивных продуктов с периодом полураспада порядка 10 лет, а полная замена всех компонентов могла бы осуществляться через 100 лет. В случае полного отказа контура охлаждения радиоактивность стенок будет продолжать выделять тепло, но максимальная температура будет значительно ниже того значения, при котором установка расплавится.

Во-вторых, тритий является радиоактивным и имеет относительно небольшой период полураспада (12 лет). Но хотя объем используемой плазмы значителен, из-за ее низкой плотности там содержится лишь очень небольшое количество трития (общим весом примерно как десять почтовых марок). Поэтому, даже при самых тяжелых ситуациях и авариях (полное разрушение оболочки и выделение всего содержащегося в ней трития, например, при землетрясении и падении самолета на станцию), в окружающую среду поступит лишь незначительное количество топлива, что не потребует эвакуации населения из близлежащих населенных пунктов.

Основное препятствие на пути развития исследований в области ядерного синтеза состоит в том, что термоядерную установку обсуждаемого типа нельзя создать и исследовать в малых размерах, поскольку для термоядерного синтеза необходимо не только магнитное удержание плазмы, но и достаточный ее нагрев. Отношение затрачиваемой и получаемой энергии возрастает, по меньшей мере, пропорционально квадрату линейных размеров установки, вследствие чего научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на достаточно крупных станциях, типа упоминавшегося реактора ITER. Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не было достаточной уверенности в успехе.

За последние два десятилетия наблюдался и значительный прогресс в теоретическом понимании поведения плазмы. В этой области необходимо отметить два результата, имеющих особую важность в рассматриваемых задачах:

1. Была обнаружена способность горячей плазмы (предсказанная ранее в лаборатории Culham, Великобритания) к самогенерации собственного тока, что получило название «зашнуровки» плазмы. Например, можно ожидать, что примерно 80% от тока величиной 15 MA, необходимого для удержания плазмы в реакторе ITER, будет возникать на основе этого эффекта, в результате чего поддержание рабочего режима реактора потребует намного меньше энергии, а само управление его работой станет гораздо более простым.

2. В Институте физики плазмы в Гархинге (Garching, Германия) в экспериментах по термоядерному слиянию наблюдался режим «высокого удержания», позволяющий значительно повысить давление в системе (то есть увеличить эффективность работы установки) при некоторых значениях магнитного поля в установке.

Реактор ITER создается консорциумом, в который входят Европейское Сообщество, Япония, Россия, США, Китай, Южная Корея и Индия. Общая численность населения этих стран составляет около половины всего населения Земли, так что проект можно назвать глобальным ответом на глобальный вызов. Основные компоненты и узлы реактора ITER уже созданы и испытаны, а строительство уже начато в местечке Кадараш (Франция). Запуск реактора запланирован на 2019 год, а получение дейтерий-водородной плазмы — на 2026 год, так как ввод реактора в действие требует длительных и серьезных испытаний для плазмы из водорода и дейтерия.

Как сказал Кристофер Ллуэллин-Смит, председатель Совета ИТЭР: «Нет абсолютной гарантии, что задача создания термоядерной энергетики (в качестве эффективного и крупномасштабного источника энергии для всего человечества) завершится успешно, но я лично полагаю, что вероятность удачи в этом направлении достаточно высока. Учитывая огромный потенциал термоядерных станций, можно считать оправданными все затраты на проекты их быстрого (и даже ускоренного) развития, тем более, что эти капиталовложения выглядят весьма скромными на фоне чудовищного по объему мирового энергетического рынка (4 триллиона долларов в год). Обеспечение потребностей человечества в энергии является очень серьезной проблемой. По мере того, как ископаемое топливо становится всё менее доступным (помимо этого, его использование становится нежелательным), ситуация изменяется, и мы просто не можем позволить себе не развивать термоядерную энергетику.»

На вопрос «Когда появится термоядерная энергетика?» Лев Арцимович (признанный пионер и лидер исследований в этой области) как-то ответил, что «она будет создана, когда станет действительно необходимой человечеству» . Возможно, это время пришло.

Масса представляет собой особую форму энергии, о чем и свидетельствует известная формула Эйнштейна E = mc 2 . Из нее следует возможность преобразования массы в энергию и энергии в массу. И такие реакции на внутриатомном уровне вещества реально имеют место. В частности, часть массы атомного ядра может превращаться в энергию, и происходит это двумя путями. Во-первых, крупное ядро может распасться на несколько мелких — такой процесс называется реакцией распада . Во-вторых, несколько более мелких ядер могут объединиться в одно более крупное — это так называемая реакция синтеза . Реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко — достаточно упомянуть, что именно из них черпают энергию звезды. Ядерный распад сегодня служит одним из основных источников энергии для человечества — он используется на атомных электростанциях. И при реакции распада, и при реакции синтеза совокупная масса продуктов реакции меньше совокупной массы реагентов. Эта-то разница в массе и преобразуется в энергию по формуле E = mc 2 .

Распад

В природе уран встречается в форме нескольких изотопов, один из которых — уран-235 (235 U) — самопроизвольно распадается с выделением энергии. В частности, при попадании достаточно быстрого нейтрона в ядро атома 235 U последнее распадается на два крупных куска и ряд мелких частиц, включая, обычно, два или три нейтрона. Однако сложив массы крупных фрагментов и элементарных частиц, мы недосчитаемся определенной массы по сравнению с массой исходного ядра до его распада под воздействием удара нейтрона. Эта-то недостающая масса и выделяется в виде энергии, распределенной среди получившихся продуктов распада — прежде всего, кинетической энергии (энергии движения). Стремительно движущиеся частицы разлетаются от места распада и сталкиваются с другими частицами вещества, разогревая их.

Они представляют собой стремительно разлетающиеся от места распада частицы, при этом далеко они не улетают, врезаясь в соседние атомы вещества и разогревая их. Таким образом, энергия, порождаемая ядерным распадом, преобразуется в теплоту окружающего вещества.

В уране, добываемом из природной урановой руды, изотопа урана-235 содержится всего 0,7% от общей массы урана — остальные 99,3% приходятся на долю относительно устойчивого (слабо радиоактивного) изотопа 238 U, который просто поглощает свободные нейтроны, не распадаясь под их воздействием. Поэтому для использования урана в качестве топлива в ядерных реакторах его нужно предварительно обогатить — то есть довести содержание радиоактивного изотопа 235 U до уровня не менее 5%.

После этого уран-235 в составе обогащенного природного урана в атомном реакторе распадается под воздействием бомбардировки нейтронами. В результате из одного ядра 235 U выделяется в среднем 2,5 новых нейтрона, каждый из которых вызывает распад еще 2,5 ядер, и запускается так называемая цепная реакция. Условием для продолжения незатухающей реакции распада урана-235 является превышение числа выделяемых распадающимися ядрами нейтронов числа нейтронов, покидающих урановый конгломерат; в этом случае реакция продолжается с выделением энергии.

В атомной бомбе реакция носит умышленно неконтролируемый характер, в результате чего за доли секунды распадается огромное число ядер 235 U и выделяется колоссальная по своей разрушительности взрывная энергия. В атомных реакторах, используемых в энергетике, реакцию распада необходимо строго контролировать с целью дозирования выделяемой энергии. Хорошим поглотителем нейтронов является кадмий — его-то обычно и используют для управления интенсивностью распада в реакторах АЭС. Кадмиевые стержни погружают в активную зону реактора до уровня, необходимого для снижения скорости выделения свободной энергии до технологически разумных пределов, а в случае падения энерговыделения ниже необходимого уровня частично выводят стержни из активной зоны реакции, после чего реакция распада интенсифицируется до необходимого уровня. Выделившаяся тепловая энергия затем в обычном порядке (посредством турбогенераторов) преобразуется в электрическую.

Синтез

Термоядерный синтез — реакция прямо противоположная реакции распада по своей сути: более мелкие ядра объединяются в более крупные. Самая распространенная во Вселенной реакция вообще — это реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер водорода: она непрерывно протекает в недрах практически всех видимых звезд. В чистом виде она выглядит так: четыре ядра водорода (протона) образуют атом гелия (2 протона + 2 нейтрона) с выделением ряда других частиц. Как и в случае реакции распада атомного ядра совокупная масса образовавшихся частиц оказывается меньше массы исходного продукта (водорода) — она и выделяется в виде кинетической энергии частиц-продуктов реакции, за счет чего звезды и разогреваются.

В недрах звезд реакция термоядерного синтеза происходит не единовременно (когда сталкиваются 4 протона), а в три этапа. Сначала из двух протонов образуется ядро дейтерия (один протон и один нейтрон). Затем, после попадания в ядро дейтерия еще одного протона, образуется гелий-3 (два протона и один нейтрон) плюс другие частицы. И наконец, два ядра гелия-3 сталкиваются, образуя гелий-4, два протона, а также другие частицы. Однако по совокупности эта трехэтапная реакция дает чистый эффект образования из четырех протонов ядра гелия-4 с выделением энергии, уносимой быстрыми частицами, прежде всего фотонами (см. Эволюция звезд).

Естественная реакция термоядерного синтеза происходит в звездах; искусственная — в водородной бомбе. Увы, человек до сих пор не сумел найти средств для того, чтобы направить термоядерный синтез в управляемое русло и научиться получать за счет него энергию для использования в мирных целях. Однако ученые не теряют надежды на достижение положительных результатов в области получения «мирной и дешевой» термоядерной энергии уже в обозримом будущем — для этого главное научиться удерживать высокотемпературную плазму либо посредством лазерных лучей, либо посредством сверхмощных тороидальных электромагнитных полей (см.