Александр Фролов - Новые источники энергии

Физика плазмы – сложная и разносторонняя наука, как и само понятие «плазма». Это слово, на греческом языке означает «оформленный» или «вылепленный». Физический смысл термина, обычно, относится к ионизированному газу. Можно сказать, что плазменное состояние газа – это, действительно, «оформленное» состояние, в отличие от обычного неионизированного газа.

Рассмотрим некоторые эксперименты в данной области, которые позволяют конструировать высокоэффективные источники энергии. Основные надежды науки и стратегических инвесторов были связаны с получением стабильных результатов в экспериментах по реакции управляемого термоядерного синтеза. Эта реакция приводит к получению более тяжелых атомных ядер из более легких, при этом выделяется огромное количество тепловой энергии. В отличие от взрывного термоядерного синтеза (водородной бомбы), этот процесс имеет управляемый характер. Традиционная урановая ядерная энергетика использует реакции распада, при которых из тяжелых ядер получаются более легкие ядра. В реакциях, которые планируется использовать для управляемого термоядерного синтеза, применяются дейтерий и тритий, а в более отдаленной перспективе гелий и бор.

Идея создания «медленного взрыва» стала популярной, в нее вложены большие деньги. Основная трудность данного метода состоит в инженерных аспектах удержания плазмы в «магнитной ловушке». Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в России сформулировал, и предложил для нее некоторое конструктивное решение О.А. Лаврентьев. Интересно то, что идею подал не академик или профессиональный ученый, а сержант срочной службы. Причем, первоначально, идея удержания плазмы имела другой вид. Лаврентьев предлагал не магнитную, а электростатическую «ловушку» для плазмы. Реализация данного способа намного проще и дешевле, но, по некоторым причинам, в настоящее время, развивается только направление магнитного удержания плазмы, которое предложили Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм. Эти исследования трудно отнести к энергетике, «не требующей топлива», поскольку необходим дейтерий или другие специфические вещества. Себестоимость энергии, при современном уровне развития технологий управляемого синтеза, остается очень высокая. В Казахстане, установку «Токамак» планируют ввести в эксплуатацию в 2011 году, «Токамак» (тороидальная камера с магнитным полем) представляет собой замкнутую магнитную ловушку, имеющую форма тора и предназначенную для создания и удержания высокотемпературной плазмы, что позволит осуществить термоядерную реакцию, в ходе которой должна выделяться энергия. Этот проект является частью международного проекта, общей стоимостью в 15 миллионов долларов. Финансирование осуществляется за счет государственного бюджета республики, а также инвестиций из-за рубежа. В проекте принимают участие Европейский союз, Индия, Китай, Россия, США, Южная Корея и Япония. В новом реакторе, названном «проект Игнитор», зажигание термоядерной плазмы обеспечивается только с помощью омического нагрева, за счет протекающего в тороидальном направлении тока, без привлечения мощных средств дополнительного нагрева. Это требует использования сильных магнитных полей, более чем в 2–4 раза превышающих магнитные поля в традиционных «токамаках», что позволяет удерживать плазму более высокого газокинетического давления, более высокой плотности. Рост удельной плотности плазмы в десять раз, повышает удельный выход термоядерных реакций на два порядка, что в свою очередь дает возможность существенно снизить размеры реактора при той же мощности.

К истории проекта, первый экспериментальный реактор «Токамак» в России был построен в 1954 году. В 2015 году планируется завершить строительство реактора ITER мощностью 1 ГВт при времени непрерывного горения плазмы всего десятки минут.

Стоимость данного проекта оценивается в 5 миллиардов долларов. Намеченная проектировщиками мощность установки 500 МВт (при затрате энергии на входе системы всего около 50 МВт). Это означает, что эффективность процесса будет примерно 10 к 1, не считая затрат на «топливо». Установочная себестоимость энергии составит примерно 5000 – 10000 долларов за киловатт. Это величина на уровне себестоимости современных кристаллических солнечных панелей. Окупается она примерно за 20 лет работы, не считая эксплуатационных затрат на обслуживание реактора.

Активное развитие наблюдается и в области проектов «низкоэнергетических ядерных реакций» (Low energy nuclear reactions LENR) и ядерных реакций, обусловленных кристаллической решеткой вещества (Lattice Assisted Nuclear Reactions LANR). В них применяется дейтериевая вода. Как было отмечено в главе о воде и водороде, такие технологии можно считать «условно-бесплатными», так как стоимость тяжелой воды небольшая. Ученые из США (университет MIT) подсчитали, что 3 литра тяжелой воды хватит на сутки работы 6 Гигаватной электростанции, что эквивалентно 54000 тоннам угля. Эти технологии не требуют удержания плазмы «силовыми методами», поэтому их можно масштабировать от нескольких ватт до гигаватт. Применение расширяется, в том числе для «домашнего использования», а себестоимость установочного киловатта электроэнергии снижается.

По-моему, в данном направлении развития стратегически важной технологии энергоснабжения была допущена какая-то принципиальная ошибка. Проект получается дорогой и, по-прежнему, как и урановые ядерные электростанции, радиоактивно опасным, хотя и в 100 раз меньше. Разве нет других методов дешевого и безопасного энергоснабжения? Есть такие методы! В связи с этим, рассмотрим проекты Бориса Васильевича Болотова, Украина, например его «Способ холодного ядерного синтеза», изобретение № 4739016/25 от 14 июля 1989 года. История изобретений Болотова в области трансмутаций химических элементов началась в его детстве. Его отец в 1940-е годы обеспечивал работу радиоузла в Сибири. Он заметил, что даже в суровые морозы, в комнате радиоузла очень тепло, благодаря тому, что ламповый усилитель выделяет тепла намного больше, чем потребляет. Комната площадью 100 квадратных метров, фактически, отапливалась за счет нагрева анодов ламп усилителя, потребляемая мощность которого была всего 200 ватт. Однако, сильный нагрев анодов ламп со временем пропадал, они хорошо работали как радиолампы, но уже не давали избыточного тепловыделения. Болотов нашел ответ на эту загадку, уже когда был студентом. Он изучал химический состав анодов отработанных радиоламп и обнаружил в них примеси металлов, которых там изначально не могло быть. Например, в молибденовом аноде появлялся технеций, соседний химический элемент. Объясняется такое преобразование атомов только при наличии некоторого количества протонов, а именно протоны, как водород, всегда присутствуют в анодах новых ламп, поскольку их высушивают водородом при изготовлении. Таким образом, в начале работы, в аноде новой лампы, под действием бомбардировки анода электронами, протоны остаточного водорода соединяются с атомами металла анода, образуя новый химический элемент, отличающийся на один протон в большую или меньшую сторону.