Невероятно оптимистический прогноз на недалекое будущее делает портал «Хорошие Новости России». Причём он касается не только нашей страны, а и в равной степени всего остального мира:

Революции бывают общественно-политические (социалистические, буржуазные, цветные), а бывают научно-технические (НТР). Энергетическая революция - это разновидность НТР.

Революция (лат. revolutio) - это переворот, превращение - радикальное, коренное, глубокое, качественное изменение, скачок в развитии.

Что же такое энергетическая революция, на пороге которой стоит наш мир?

Какой переворот в области энергетики нас ожидает? Какое качественное изменение? В чём будет заключаться скачок в развитии и за счет чего он произойдет?

Все современные виды энергетики обладают разными недостатками, большинство из которых заключается либо в высокой стоимости (установки, подключения, киловатта), либо в низкой доступности.

Каждый, кто сталкивался с подключением к энергосетям, знает, что проблем хватает и доступность оставляет желать лучшего. Да и стоимость тоже.

Газ - один из самых дешевых и экологически чистых видов топлива - проведен не везде. Тянуть газопровод в отдаленные населенные пункты очень накладно. Сжиженный газ - дорогой. Газовая котельная тоже стоит немало. Купить газовый баллон и подключить к плите нетрудно, однако отопление и обеспечение дома электроэнергией покупкой баллона не решается. Кроме этого, газ взрывоопасен.

Дизель, мазут - для использования в котельных (генераторах) получается еще дороже, чем газ. Для использования в личных (подсобных) хозяйствах можно поставить генератор, но электроэнергия на выходе получится довольно дорогой. И генератор тоже денег стоит.

Гидроэнергетика требует строительства ГЭС - это большие капитальные затраты. И эксплуатация тоже далеко не бесплатная. И не везде доступно. И побочные эффекты для экологии. В общем, далеко не идеально. Для малой генерации вообще не годится.

Атомная энергетика сопряжена с риском аварий (Чернобыль, Фукусима) и как бы нас не убеждали, что современные АЭС абсолютно надежны, но жить по соседству с атомным энергоблоком все равно не слишком уютно. Кроме этого, АЭС генерируют отработанное топливо, а оно радиоактивное, его нужно где-то складировать, желательно в безопасном месте, чтобы не возникло утечки. И строительство АЭС - это опять же высокие капитальные затраты. Малых АЭС не существует и не может быть, хотя бы из соображений безопасности.

Солнечная энергетика - дорогая и не везде эффективная исходя из числа солнечных дней в году. Для обеспечения энергией отдаленных поселков и отдельно стоящих домиков в солнечных регионах годится, однако там, где нужна большая мощность, да еще и солнечных дней мало - не подходит.

Ветрогенерация - постепенно развивается, размеры и мощность генераторов растут, стоимость энергии снижается, но назвать этот вид энергетики панацеей тоже нельзя. Не очень дешево и не очень стабильно. И не везде применимо.

Идеального источника энергии пока нет

Одни дорогие, другие не везде доступны, третьи опасны. И все очень ограничены по мощности, не позволяют произвольно наращивать потребление по мере необходимости - в АЭС нельзя воткнуть лишние ТВЭЛы сверх проектной мощности, газопровод нельзя расширить, на ГЭС нельзя добавить пару дополнительных турбин.

В общем, сплошные ограничения...

Яркий пример недостатков современной энергетики - история с Крымом, когда полуостров столкнулся с дефицитом энергии, который не удалось быстро восполнить. Генераторов не хватало, быстро построить газовую электростанцию не представлялось возможным, даже протянуть кабель через пролив - и то заняло существенное время.

И не только доступность энергии оставляет желать лучшего, но и стоимость тоже.

Энергия составляет значительную часть стоимости всех товаров и услуг, потому что на всех этапах производства и доставки используется энергия и топливо (энергоноситель).

Промышленное оборудование работает на электричестве, печи - на газе или опять же на электричестве, в стоимости ж/д транспортировки тоже заложена стоимость электричества. В стоимости услуг автотранспорта - стоимость топлива.

Счета за ЖКХ почти целиком состоят из стоимости энергии - свет, горячая вода, отопление - это все энергия. И даже стоимость холодной воды зависит от стоимости энергии, потому что воду качают электронасосы.

Стоимость цемента (которая составляет значительную часть стоимости жилья) тоже существенно зависит от стоимости электроэнергии и топлива. Стоимость алюминия (одного из основных современных материалов) почти полностью состоит из стоимости электроэнергии, потому что алюминий производится методом электролиза.

Доля энергии и топлива в стоимости различных товаров и услуг сильно варьируется, но почти везде она достаточно высока, если учесть затраты энергии на всех этапах производства, начиная от добычи, очистки и переработки сырья.

Поэтому и хочется, чтобы энергия была и дешевле и доступнее.

Хочется, чтобы масштабируемость была высокой - от киловатт до гигаватт, чтобы можно было и крупный город обеспечить дешевой энергией и малый поселок, и даже отдельно стоящий дом. И чтобы везде работало, независимо от количества солнечных дней в году, наличия ветра, реки, рельефа местности и других природных факторов. И чтобы топливо было доступным. И чтобы экологически чисто.

Но возможно ли это?

Существует ли такой источник энергии, чтобы отвечал всем перечисленным критериям (доступность, масштабируемость, низкая стоимость установки и эксплуатации, экологичность)?

Сегодня на рынке такого источника нет.

Все существующие источники энергии обладают теми или иными недостатками и ограничениями - либо сравнительно дешевая установка, но дорогая энергия, либо высокие капитальные затраты, либо экологические риски, либо иные ограничения.

В ближайшем будущем появится новый источник энергии

Источник, который будет обладать и высокой масштабируемостью (от киловатта до гигаватта), и возможностью повсеместной установки (от крупных городов и промышленных объектов до малых поселков и отдельных домов), и экологичностью, и низкой стоимостью получаемой энергии (в несколько раз или даже в несколько десятков раз дешевле всех существующих).

Энергия, которая будет доступнее в разы и десятки раз как по стоимости, так и по возможностям установки в любой местности - в горах, на крайнем севере, в отдаленных поселках, на островах и полуостровах.

Каждое предприятие сможет позволить себе установку собственной энергетической установки, выдающей более дешевую энергию, чем сегодня доступна в любой сети.

Для строительства поселка или нового жилмассива не нужно будет добиваться отведения мощности от существующих ГЭС, ТЭЦ или АЭС - можно будет установить собственный энергоблок.

Многократное снижение стоимости энергии приведет к изменению в ценообразовании на все товары и услуги, сделает доступными новые материалы и технологии, применять которые сегодня невыгодно из-за высоких энергозатрат.

Энергетическая революция повлечет за собой большие изменения во всех других сферах, возможно тоже революционные.

Вслед за энергетикой будет меняться структура экономики, а вслед за экономикой и общественно-политическое устройство.

Но что за новый источник энергии приведет к мировой энергетической революции и всем вытекающим из этого изменениям?

Откуда возьмутся дешевые киловатты, мегаватты и гигаватты в любом месте и количестве, да еще и с условием экологической чистоты?

Энергетика ядерного синтеза

Существующая сегодня атомная энергетика основана на реакциях деления тяжелых радиоактивных элементов (в действующих АЭС используются изотопы урана). Именно этим вызвана высокая сложность и стоимость атомных электростанций, тяжелые последствия аварий, а также проблемы с отработанным топливом.

Радиоактивное топливо сложно и дорого производить, использовать и утилизировать. Высокие издержки и риски влияют на стоимость получаемой энергии и не позволяют строить малые АЭС везде и всюду, передавая их в эксплуатацию неподготовленному и неподконтрольному персоналу.

Однако наряду с реакциями деления существуют реакции синтеза, которые дают значительно больший выход энергии и при этом на выходе не образуется радиоактивных изотопов, а значит не возникает проблем с отработанным топливом.

Продукты ядерного синтеза - это почти всегда стабильные изотопы, которые ничем не отличаются от тех, что существуют в природе. Существуют, конечно, реакции синтеза с выходом радиоактивных изотопов, но никто не заставляет осуществлять именно их.

Про перспективы энергетики ядерного синтеза говорили и писали давно и много.

Энергетическую революцию, связанную с освоением технологии ядерного синтеза ждали еще в конце прошлого века - ждали, но так и не дождались.

Примерно полвека назад начались попытки запустить ядерный синтез и обеспечить за счет этого весь мир чистой и практически неисчерпаемой энергией (1 грамм синтезируемого вещества дает больше энергии, чем 100 литров бензина при том, что топливом в реакциях синтеза потенциально может быть все, что угодно, в том числе обычная вода).

Однако попытки запустить реакции синтеза на практике натолкнулись на кулоновский барьер, преодолеть который оказалось очень непросто.

Кулоновский барьер - это сила отталкивания атомных ядер, которая препятствует их слиянию (синтезу). Именно из-за кулоновского барьера ядерный синтез не идет кругом и всюду сам собой. Не будь этого барьера - все вещество давно бы превратилось в железо и ряд других тяжелых элементов.

Из-за того же кулоновского барьера термоядерный взрыв не может вызвать цепную реакцию, в ходе которой сгорела бы вся планета. При термоядерном взрыве ядерный синтез идет только в том объеме вещества, которое удалось "поджечь" в момент взрыва первой ступени, которой служит обычный ядерный заряд деления.

На протяжении полувека, с момента появления идей об использовании реакций ядерного синтеза в народном хозяйстве, попытки создать энергетику синтеза стабильно разбивались об этот самый кулоновский барьер.

Строились (и продолжают строиться) токамаки (разновидность реакторов синтеза) один больше другого, однако положительного выхода энергии, который превышал бы затраты на разогрев и удержание высокотемпературной плазмы внутри магнитного бублика (тора, отсюда и название - токамак, тороидальная магнитная катушка) - как не было, так и нет. И есть основания полагать, что никогда не будет.

Но если все попытки запустить энергетически эффективный ядерный синтез до сих пор разбивались о кулоновский барьер, если токамаки до сих пор не дали положительный выход энергии и неизвестно, дадут ли его когда-либо - откуда прогноз о скорой энергетической революции?

LENR или НЭЯР - низкоэнергетический ядерный синтез

Наряду с попытками строительства токамаков и запуска ядерного синтеза в высокотемпературной плазме существует направление, которое часто называют холодным синтезом, хотя это не совсем правильный термин, который многих вводит в заблуждение.

Суть в том, что ядерный синтез может идти не только в высокотемпературной плазме, но и при других условиях, в частности при мощном электрическом разряде, в котором ядра атомов приобретают достаточную для синтеза энергию (поэтому называть этот синтез холодным некорректно, сообщаемая частицам энергия в данном случае не меньше, чем в высокотемпературной плазме). Были обнаружены и другие условия, при которых идет «теплый» ядерный синтез - при температурах «ниже плазменной, но выше комнатной».

Долгое время академическая наука не признавала саму возможность ядерного синтеза в каких-либо иных условиях, чем высокотемпературная плазма. Исключение делалось для «мезонного катализа», при котором синтез не требовал разогрева вещества, однако не был энергетически выгоден, потому что затраты на получение мезонов выше, чем выход энергии синтеза.

Ряд ученых, которые вели исследования в области низкоэнергетического синтеза (LENR), подверглись резкой критике со стороны академического сообщества, объявлялись «алхимиками» и некоторые даже оказались уволены из своих институтов « за ересь» .

Но сколько ни утверждали «ортодоксы от физики», что ядерный синтез не может идти при низких энергиях, потому что не может и баста - исследования в этой области продолжались, к ним присоединялись новые научные центры, увеличивалось финансирование, экспериментальная база росла и... в конце концов выяснилось, что невозможное все-таки возможно и ядерный синтез идет не только в высокотемпературной плазме, но и при других условиях и состояниях вещества.

За последние годы ряд экспериментов по осуществлению «теплого» синтеза и синтеза в электрических разрядах удалось повторить разным независимым исследовательским группам, добиться устойчивого воспроизводимого эффекта и, что самое главное - получить положительный выход энергии, который оказался больше, чем при реакциях деления урана (как собственно и должно быть, потому что реакции синтеза энергетически мощнее реакций деления).

Кроме этого, было разработано сразу несколько теорий, объясняющих, как именно ядрам атомов удается преодолеть упрямый кулоновский барьер и почему это происходит при строго определенных условиях.

Единого мнения в научном сообществе, какая из теорий верна, пока еще нет. Остаются и те, кто продолжает упрямо повторять «этого не может быть, потому что не может быть никогда». Но признание фактов неизбежно, равно как и доводка теоретической базы до единого признанного научным сообществом состояния.

Кулоновский барьер оказался преодолен

Кулоновский барьер преодолен во всех смыслах и теперь появление ядерных реакторов, работающих на принципах синтеза - преимущественно инженерная задача и вопрос времени.

Конечно, до появления промышленных реакторов ядерного синтеза может пройти еще много лет. Может быть даже несколько десятилетий. Путь от экспериментальной установки до промышленного образца не всегда бывает простым. И наука должна прийти к единому мнению по физическим основам данных реакций, без этого процесс внедрения будет сильно буксовать.

В качестве примера можно вспомнить историю вертолетостроения. Первые экспериментальные вертолеты появились еще в начале 20-го века, но они были опасны, нестабильны и неэффективны. Только спустя несколько десятилетий, после Второй мировой, удалось разработать надежные и по-настоящему эффективные вертолеты, поставить их выпуск на поток и превратить из экспериментальных образцов в промышленные.

Вероятно такой же путь пройдут и реакторы ядерного синтеза - от экспериментальных установок, действующих сегодня, до промышленного оборудования, которое начнет выпускаться через 10-20 лет.

Но самое главное уже случилось - экспериментальные образцы реакторов синтеза созданы, исследователи добились устойчивого воспроизводимого эффекта и положительного выхода энергии, превышающего выход энергии от ТВЭЛов, используемых в современных АЭС.

Опытные образцы позволяют сделать вывод, что реакторы синтеза будут очень масштабируемыми - минимальная эффективная мощность будет начинаться с нескольких киловатт, а энергоблок этой мощности может быть размером с системный блок компьютера. Стоимость установки в расчете на киловатт мощности будет ниже, чем у любых существующих генераторов. Стоимость топлива (заряда) будет и вовсе ничтожно мала ввиду использования повсеместно распространенного вещества.

Перечислять исследователей и опытные установки, на которых получен эффект ядерного синтеза, в данном материале не буду, потому что они заслуживают отдельного обзора, который подготовлю и выложу дополнительно.

Пока укажу лишь страны, в которых проводились исследования и были получены положительные результаты - это Россия, Япония, Италия и США. При этом первая установка ядерного синтеза, судя по всему, была создана еще в СССР, однако проект не получил своевременного развития и был закрыт.

Особенно важно, что эффект ядерного синтеза удалось воспроизвести ученым из Китая, а если в Китае что-то удалось воспроизвести, то появление промышленных образцов уже точно не остановить.

Энергетика ядерного синтеза из фантастики превращается в реальность.

Мир стоит на пороге энергетической революции, которую уже не отменить.

Не отменить и все другие революции, которые последуют за энергетической, потому что энергия лежит в основе всего - производства, транспорта, жизнеобеспечения, в основе всей экономики. А экономика лежит в основе политики и общественного устройства. Поэтому вслед за энергетической революцией последуют и все остальные, вплоть до общественно-политических.

А что же это за "хольраум" такой?

Золотой хольраум лазерного термояда

Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (National Ignition Facility, NIF) в Соединённых Штатах называют лазерным термоядом двойного назначения. Он призван помочь американским вооружённым силам поддерживать в боеспособном состоянии свои ядерные арсеналы в условиях моратория на ядерные испытания, и он же предлагает прорывные открытия, способные обеспечить цивилизацию морем чистой и дешёвой энергии.

Если верить прессе, то дела на NIF разворачиваются как нельзя удачно. Но у аудиторов главной бухгалтерской службы США (GAO, аналог российской Счётной палаты) есть в этом сомнения, которым они поделились с конгрессом в докладе за номером GAO-10-488.

NIF, NIC и NNSA

В марте 2009 года национальное управление США по ядерной безопасности (NNSA) завершило строительство NIF - проекта стоимостью 3,5 миллиарда долларов в национальной лаборатории Лоуренс Ливермор. В смету входят 2,2 миллиарда долларов, затраченных на собственно строительство, и 1,3 миллиарда долларов, ушедших на сборку и монтаж 192 лазеров и связанного оборудования.

Управление планирует создавать в NIF экстремально высокие давления и температуры, характерные для ядерных взрывов. Если всё пройдёт удачно, то новая установка позволит американцам исследовать характеристики ядерных взрывных устройств без их испытаний, запрещённых условиями принятого в США в 1992 году моратория.

NNSA по праву называет лазерный термояд "критическим компонентом" крупномасштабной программы по поддержанию боеготовности американских ядерных арсеналов. Военные задачи станут для NIF первоочередным приоритетом, но военное управление готово предоставлять мощности установки и для гражданских исследователей.

За проектирование и строительство NIF непосредственно отвечает национальная лаборатория Лоуренс Ливермор. Первые теоретические исследования, имеющие целью подготовку к появлению NIF, датируются мартом 1997 года. В 2005 году управление NNSA, выполняя директивы конгресса, создало компанию NIC (National Ignition Campaign) и поручило ей курировать управленческие вопросы по проекту. Кроме этого, для стороннего контроля за проектом приглашаются независимые эксперты и экспертные группы.

Лазеры и хольраум

Технология, используемая в NIF, может быть названа "лазерной термоядерной реакцией". В американской литературе за ней закрепился термин "ignition". После того, как всё будет готово, операторы NIF должны одновременно сконцентрировать пучки 192 лазеров на мишенях с размерами меньше 10-центовой монеты. Общая энергия пучков составит 1,8 МДж.

За один рабочий цикл продолжительностью порядка одной миллионной доли секунды, пучки должны пройти сквозь ряд оптических умножителей, после чего сфокусироваться на микроскопической мишени. Последняя будет располагаться внутри сферической камеры высотой 10 метров.

Схема установки NIF - рисунок аудиторов GAO.

Сама по себе мишень, в свою очередь, представляет собой полый золотой цилиндр. Его называют немецким словом "хольраум" (hohlraum) - это полость, чьи стенки пребывают в радиационном равновесии с полостью. В хольрауме, как в матрёшке, скрывается топливная капсула размером с перчинку. Она состоит из замороженного слоя дейтерия и трития, окружающего охлаждённую газообразную смесь этих же изотопов.

Лазеры установки NIF должны в ходе работы быстро нагревать внутренние стенки хольраума, которые будут конвертировать энергию лазера в рентгеновское излучение. В свою очередь, рентгеновские лучи должны быстро нагревать внешнюю поверхность топливной капсулы. При должном нагреве капсула должна схлопнуться с силой, сравнимой с возникающими при запуске ракеты, то есть должен произойти направленный внутрь взрыв (имплозия) дейтерий-тритиевого слоя.

Если имплозия пройдёт симметрично и с желаемой скоростью, то атомы дейтерия и трития будут принуждены к вступлению в реакцию синтеза длительностью 10 триллионных долей секунды. Температуры, которые будут создаваться в топливной капсуле, ожидаются порядка 100 миллионов градусов - то есть, в капсуле окажется горячее, чем в центре Солнца.

Схема переноса энергии в хольрауме - рисунок аудиторов GAO.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра в полном масштабе.

Предварительные испытания в обоснование процессов, заложенных в установке NIF, проходили в лаборатории лазерной энергетики университета Рочестера (Нью-Йорк). Лазерные системы OMEGA и OMEGA EP, действующие в лаборатории, играют на сегодняшний день роль рабочей лошадки для всех исследований, проводимых в NNSA по направлению лазерного термояда. До создания NIF, им принадлежал мировой рекорд по энергии лазерного пучка.

Мишени, хольраумы и другое связанное оборудование для NIF поставляет калифорнийская компания "General Atomics". Национальная лаборатория Лос-Аламоса отвечает за системы диагностики, а Сандийская лаборатория - за проведение вспомогательных исследований на установке "Z Machine", способной преобразовывать электромагнитное излучение в рентгеновское.

Технические проблемы

Приведёт ли создание NIF к успеху и смогут ли американские учёные зажечь термоядерную реакцию при помощи лазеров? Аудиторы GAO сухо напоминают о выводах независимой группы JASON, в которых перечислены стоящие перед разработчиками NIF технические проблемы.

Одна из главных задач - необходимо минимизировать потери лазерного излучения, то есть, существенно понизить долю энергии, которая пройдёт мимо хольраума или отразится от его стенок. Если отражение грозит простой потерей энергии, то каждый промахнувшийся пучок будет отрицательно влиять на симметричность сжатия топливной капсулы, ставя, тем самым, под сомнение факт инициации термоядерной реакции.

Даже самое точное нацеливание лазерного пучка не гарантирует полного успеха. Под воздействием лазерного излучения внутри хольраума стартует процесс ионизации, и образующийся заряженный газ вмешается в процессы передачи энергии. Говоря кратко, в результате взаимодействия ионизированных частиц и лазерных пучков часть прибывшей в хольраум энергии будет выведена обратно за его пределы.

Учёные называют такой процесс "нестабильностью типа лазер-плазма"(laser-plasma instability) . Помимо потери энергии, он приводит также к нежелательной интерференции между лазерными пучками, что будет плохо сказываться на симметричности имплозии.

Вторая важнейшая проблема NIF связана со скоростью имплозии. Чтобы возбудить термоядерную реакцию, топливную капсулу следует сжать в 40 тысяч раз по сравнению с её исходным размером. При этом капсула обязана сохранять сферическую форму. Более того, имплозия должна происходить с заданной скоростью, иначе не получится создать давления, необходимые для начала синтеза лёгких ядер.

Если поверхность топливной капсулы не будет достаточно гладкой, или если рентгеновские лучи будут падать на капсулу неравномерно, то на капсуле начнут образовываться пальчикообразные выступы. Как показывают результаты расчётов по математическим моделям, образование выступов станет следствием гидродинамических нестабильностей, возникающих при контакте материалов с различными плотностями. Если выступов окажется слишком много, то термоядерная реакция не пойдёт, так как за счёт выступов будет снижаться температура внутри капсулы.

Пальчикообразные выступы на поверхности топливной капсулы - рисунок аудиторов GAO.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра в полном масштабе.

Кроме двух названных проблем, создатели NIF сталкиваются и с более традиционными, но от этого не менее серьёзными сложностями. Так, им нужно обеспечить надёжный контроль за состоянием оптики, которая, разумеется, будет со временем повреждаться проходящими через неё лазерными пучками.

Вначале таких повреждений будет мало, но со временем их количество начнёт расти, и если общий процент повреждений перевалит за определённый предел, то эксплуатация NIF на номинальных параметрах окажется невозможной.

К чести создателей NIF, они не устраняются от проблем. Был полностью переделан проект хольраума, и его новая конструкция обещает минимизировать потери лазерной энергии. Из его проекта были убраны покрытия точек входа лазерных пучков, как только оказалось, что благая на первый взгляд идея особым образом обустроить места попадания лучей в мишень ведёт к резкому росту нестабильностей "лазер-плазма".

После долгих поисков учёные остановились на гелии как материале, заполняющем хольраум. В исходном проекте предполагалось использовать смесь водорода и гелия. Эти и другие модификации прошли проверку боем в ходе первых экспериментов на NIF, выполнявшихся в 2009 году. Полученные результаты признаны удовлетворительными, и есть надежды избежать нестабильностей при работе на номинальной мощности.

Понимание процессов имплозии должно улучшиться после завершения серии компьютерных расчётов в двух- и трёхмерных моделях. Кроме этого, гидродинамическая нестабильность активно изучается на уже упоминавшемся комплексе OMEGA. Персонал NIF надеется также, что сумеет обеспечить контроль за состоянием оптики.

Работа NIF при суммарной энергии лазерных пучков 1,8 МДж отодвинута на 2011 год. До конца 2010 года установка будет трудиться с энергиями 1,2-1,3 МДж. По утверждению специалистов, при энергии 1,2 МДж потери энергии за счёт нестабильностей не превысили в первых экспериментах величины 6%, при том, что проект допускает 15%-ные потери.

Первые включения привели и к первым потерям в оптике. В марте 2009 года часть пучков была неожиданно отражена по дороге к мишени. "Удачный" залп в сочетании с погрешностью конструкции вывел из строя 4% от общего количества имеющихся в системе зеркал. К большой удаче, "расстрел" произошёл при низких энергиях пучков, в противном случае последствия могли оказаться ещё более худшими.

Установка NIF шаг за шагом продвигается к номиналу. Последние по времени результаты, полученные в экспериментах декабря 2009 года, получены при энергии лазеров 1,2 МДж.

Независимые эксперты призывают к осторожности. Они предсказывают, что NIF обязательно столкнётся с новыми технологическими и физическими проблемами, которые на данном этапе невозможно даже предсказать. А аудиторы GAO задаются вопросом - реален ли текущий график, согласно которому первая лазерная термоядерная реакция произойдёт в 2012 году?

Все звёзды, и наше Солнце в том числе, производят энергию с помощью термоядерного синтеза. Научный мир находится в затруднении. Ученые знают не все способы, которыми можно получить подобный синтез (термоядерный). Слияние лёгких атомных ядер и превращение их в более тяжёлые говорит о том, что получилась энергия, которая может носить либо управляемый характер, либо взрывной. Последний используется в термоядерных взрывных конструкциях. Управляемый же термоядерный процесс имеет отличие от остальной ядерной энергетики тем, что она использует реакцию распада, когда тяжёлые ядра расщепляются на более лёгкие, а вот ядерные реакции с применением дейтерия (2 Н) и трития (3 Н) - слияние, то есть именно управляемый синтез термоядерный. В будущем планируется применение гелия-3 (3 Не) и бора-11 (11 В).

Мечта

Нельзя путать традиционный и всем известный синтез термоядерный с тем, что представляет собой мечта сегодняшних физиков, в воплощение которой пока не верит никто. Имеется в виду ядерная реакция при любой, даже комнатной температуре. Также это отсутствие радиации и холодный термоядерный синтез. Энциклопедии говорят нам, что ядерная реакция синтеза в атомно-молекулярных (химических) системах - это процесс, где не требуется значительного нагрева вещества, но подобную энергию человечество пока не добывает. Это при том, что абсолютно все ядерные реакции, при которых происходит синтез, находятся в состоянии плазмы, а температура её составляет миллионы градусов.

На данный момент это мечта даже не физиков, а фантастов, но тем не менее разработки ведутся давно и упорно. Синтез термоядерный без постоянно сопутствующей опасности уровня Чернобыля и Фукусимы - это ли не великая цель для блага человечества? Зарубежная научная литература дала разные названия этому явлению. Например, LENR - обозначение низкоэнергетических ядерных реакций (low-energy nuclear reactions), и CANR - химически индуцируемых (ассистируемых) ядерных реакций. Удачные осуществления подобных экспериментов декларировались достаточно часто, представляя обширнейшие базы данных. Но либо СМИ выдавали очередную "утку", либо результаты говорили о некорректно поставленных опытах. Холодный термоядерный синтез не снискал пока по-настоящему убедительных доказательств своего существования.

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).

Термоядерный синтез

Ядерная энергия - продукт расщепления атомов. Синтез же получает энергию другим путём - методом соединения их друг с другом, когда не образуются смертоносные радиоактивные отходы, а небольшого количества морской воды хватило бы на производство такого же количества энергии, сколько получается от сжигания двух тонн угля. В лабораториях мира уже было доказано, что вполне возможен управляемый термоядерный синтез. Однако электростанции, которые использовали бы эту энергию, пока не возведены, даже строительство их не предвидится. Но двести пятьдесят миллионов долларов были потрачены только Соединёнными Штатами, чтобы исследовать такое явление, как управляемый термоядерный синтез.

Затем эти исследования были буквально дискредитированы. В 1989 году химики С. Понс (США) и М. Флешман (Великобритания) заявили на весь мир, что им удалось достичь положительного результата и запустить термоядерный синтез. Проблемы заключались в том, что учёные слишком поторопились, не подвергнув своё открытие рецензированию со стороны научного мира. СМИ мгновенно схватили сенсацию и подали это заявление как открытие века. Проверка была проведена позже, и обнаружились не просто ошибки в проведении эксперимента - это был провал. И разочарованию тогда поддались не только журналисты, но и многие весьма уважаемые физики мировой величины. Солидные лаборатории Принстонского университета потратили на проверку эксперимента более пятидесяти миллионов долларов. Таким образом, холодный термоядерный синтез, принцип его получения были объявлены лженаукой. Лишь маленькие и разобщённые группы энтузиастов продолжили эти исследования.

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.

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).

Физики и химики

Но вернёмся к "забракованному" открытию Флешмана и Понса. Все их коллеги заявляют, что всё-таки удалось создать условия, где атомы дейтерия подчиняются волновым эффектам, ядерная энергия высвобождается в виде тепла в соответствии с теорией квантовых полей. Последняя, кстати, прекрасно разработана, но адски сложна и к описанию каких-то конкретных явлений физики с трудом приложима. Именно поэтому, наверное, люди не хотят её доказывать. Флешман демонстрирует выемку в бетонном полу лаборатории от взрыва, случившегося, как он утверждает, от холодного термояда. Однако физики химикам не верят. Интересно, почему?

Ведь сколько возможностей для человечества закрываются с прекращением исследований в этом направлении! Проблемы же просто глобальные, и их много. И все они требуют решения. Это экологически чистый источник энергии, посредством которого можно было бы дезактивировать громадные объёмы радиоактивных отходов после работы атомных электростанций, опреснять морскую воду и много чего ещё. Если бы освоить выработку энергии способом превращения одних элементов таблицы Менделеева в совершенно другие без использования для этой цели потоков нейтронов, которые создают наведённую радиоактивность. Но наука официально и сейчас считает невозможным превращение каких-либо химических элементов в совершенно другие.

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.

"Энергонива"

Легендарный учёный из Магнитогорска А. В. Вачаев создал установку "Энергонива", с помощью которой им был обнаружен некий эффект трансмутации элементов и выработка электроэнергии в этом процессе. Верилось с трудом. Попытки обратить внимание фундаментальной науки на это открытие оказались тщетными. Критика раздавалась отовсюду. Наверное, авторам не нужно было самостоятельно выстраивать теоретические выкладки относительно наблюдаемых явлений, или физикам высшей классической школы стоило быть повнимательнее к экспериментам с высоковольтным электролизом.

Но зато была отмечена такая взаимосвязь: ни один детектор не зарегистрировал ни одного излучения, однако рядом с работающей установкой находиться было нельзя. В группе исследователей трудились шесть человек. Пять из них вскоре умерли в возрасте от сорока пяти до пятидесяти пяти лет, а шестой получил инвалидность. Смерть наступила по совершенно разным причинам через некоторе время (в течение примерно семи-восьми лет). И тем не менее на установке "Энергонива" последователями уже третьего поколения и учеником Вачаева были проделаны опыты и сделано предположение, что низкоэнергетическая ядерная реакция имела место в экспериментах погибшего учёного.

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.

Распад

В 1960-м году, в связи с секретным постановлением Совета министров СССР и ЦК КПСС, начались работы по изобретению Филимоненко под контролем Министерства обороны. В ходе экспериментов исследователь обнаружил, что при работе реактора появляется некое излучение, сокращающее период полураспада изотопов очень быстро. Чтобы понять природу этого излучения, потребовалось полвека. Теперь мы знаем, что это такое - нейтроний с динейтронием. А тогда, в 1968-м, работа практически остановилась. Филимоненко был обвинён в политической нелояльности.

В 1989 году учёного реабилитировали. Его установки начали было воссоздаваться в НПО "Луч". Но дальше опытов дело не пошло - не успели. Страна погибла, а новым русским было не до фундаментальной науки. Один из лучших инженеров двадцатого века умер в 2013 году, так и не увидев счастья человечества. Мир запомнит Ивана Степановича Филимоненко. Холодный термоядерный синтез когда-нибудь наладят его последователи.

Управляемый термоядерный синтез - интереснейший физический процесс, который (пока в теории) может избавить мир от энергетической зависимости от ископаемых источников топлива. В основе процесса лежит синтез атомных ядер из более легких в более тяжелые с выделением энергии. В отличие от другого использования атома - выделение из него энергии в ядерных реакторах в процессе распада - термоядерный синтез на бумаге практически не будет оставлять радиоактивных побочных продуктов. Особые надежды возлагают на реактор ИТЭР, на создание которого затратили безумное количество средств. Скептики, однако, делают ставку на разработки частных корпораций.

В 2018 году ученые сообщили суровую новость: несмотря на беспокойство на тему глобального потепления, за счет угля было выработано 38% мировой электроэнергии в 2017 году - то есть, ровно столько же, сколько и при появлении первых тревожных предупреждений о климате 20 лет назад. Хуже того, выбросы парникового газа выросли на 2,7% в прошлом году - это крупнейшее увеличение за семь лет. Такой застой привел к тому, что даже политики и экологи начали задумываться о том, что нам нужно больше ядерной энергии.

Рис. 25. Положение rp -процесса относительно линииβ стабильности.

Процесс, который временами связан с р -процессом, естьrp - процесс – быстрый процесс захвата протона. Этот процесс создаёт протонами обогащённые ядра с Z =7-26. Он включает серию (р,γ) иβ + - распадов, которые характерны для р-обогащённых ядер. Процесс стартует как «выпадение» из CNO цикла. Это - боковая цепь CNO-цикла, создающая р-обогащённые ядра, такие как21 Na

и 19 Ne. Эти ядра создают основу для дальнейшего захвата

нейтронов, приводя к пути нуклеосинтеза, показанному на Рис. 25 . rp -процесс создаёт малое число ядер сА <100. Процесс следует по пути, аналогичному r -процессу, но на протон-обогащённой стороне стабильности. В настоящее время источником протонов

для этого процесса являются некоторые двойные звёзды. Заметим, что этот процесс временами близок к линии β стабильности, приближаясь к протоновой линии, когда ядро становится тяжелее.

6. ПРОБЛЕМА СОЛНЕЧНОГО НЕЙТРИНО

Многие ядерные реакции, обеспечивающие звёзды энергией, сопровождаются эмиссией нейтрино. Ввиду малого сечения поглощения нейтрино веществом (σ 10-44 см2 ), они практически не поглощаются Солнцем и другими звёздами. (Эти потери нейтрино соответствуют потери 2% энергии Солнца). Поэтому нейтрино – окно внутрь звезды. В тоже время, малое сечение поглощения затрудняет регистрацию нейтрино, поскольку практически все нейтрино проходят планету Земля без поглощения.

Поэтому существует проблема солнечного нейтрино. Табл. 4. Предсказанные потоки солнечного нейтрино.

6.1 Ожидаемые источники солнечного нейтрино, энергии и потоки

В виду своей близости к нашей планете, Солнце – основной источник достигающего Земли нейтрино.

Солнце испускает 1,8х1038 нейтрино/сек, которые через 8 мин достигают поверхности Земли с плотностью потока 6,4х1010 нейтрино/с/см2 . Предсказания стандартной солнечной модели для потоков нейтрино на поверхности Земли для различных ядерных реакций представлены вТабл. 4, а для распределения энергий - наРис. 26 . Каждая ядерная реакция имеет

характеристическое распределение энергии.

Рис. 25. Предсказание потоков нейтрино от различных ядерных реакций на Солнце. Области энергий, в которых детекторы чувствительны к нейтрино, показаны наверху.

13N → 13C+ β ++ ν e 15O → 15N+ β ++ ν e 17F → 17O+ β ++ ν e

Источник, помеченный «рр », вТабл. 4 иРис. 26 отражает реакцию

p+p→ d+e+ +ν e (65)

и является основной реакцией, производящей одно нейтрино на каждое синтезированное ядро 4 Не. «рер » источником является реакция

p+p+e- → d+ν e , (66)

которая производит моноэнергетические нейтрино, тогда как «hep» означает реакцию: p+3 He→ 4 He+e+ +ν e (67)

Эта последняя реакция производит нейтрино наивысшей энергии с максимальной энергией 18,77 МэВ (из-за высокого значенияQ реакции). Интенсивность этого источника в 107 раз меньше рр-источника. «7 Ве» источник означает рр -цепь реакции распада электронным захватом

в котором заселено первое возбуждённое состояние 8 Ве (при 3,04 МэВ). Слабые источники «13 N», «15 O» и «17 F» означаютβ + распады, происходящие в CNO цикле:

6.2 Детектирование нейтрино

Как уже упоминалось, детектирование слабо взаимодействующих нейтрино затруднено ввиду низкого значения сечения взаимодействия. Для преодоления этого препятствия предложено два типа детекторов: радиохимические детекторы и детекторы Черенкова. Радиохимические детекторы регистрируют продукты вызванных нейтрино реакций, тогда как Черенковские детекторы наблюдают рассеяние нейтрино. Так, в пещере Южной Дакоты на 1500 м ниже поверхности земли помещён массивный радиохимический детектор, содержащий 100000 галлонов очищенной жидкости, С2 Сl4 . Очищенная жидкость весила 610 тонн (объём 10 железнодорожных цистерн). В детекторе происходит следующая реакция:

Продукт реакции 37 Ar распадается электронным захватом с Т=35 дней. После очистки жидкость экспонируется солнечным нейтрино определённый период времени, образовавшийся37 Ar вымывается из детектора потоком газообразного гелия и поступает в пропорциональный счётчик, который детектирует 2,8 электроны Оже, образовавшиеся при электронном захвате. Детектируемая реакция имеет порог 0,813 МэВ, т.е. детектор чувствителен к8 В, hep, pep и7 Be (распад основного состояния) нейтрино. Здесь наиболее важным является регистрация8 В. Обычно 3 атома37 Аr образуются за неделю и их надо изолировать от 1010 атомов жидкости. Детектор помещён глубоко под землёй и защищён от космической радиации.

Эти детекторы имеют порог 0,232 МэВ и могут быть использованы для прямого детектирования доминирующих рр нейтрино Солнца. Галлий присутствует как раствор GaCl3 .71 Ge собирают, промывая детектор азотом и конвертируя Ge в GeH4 перед счётом. Эти детекторы используют 30-100 тонн галлия и потребляют значительную долю ежегодного производства галлия.

Черенковские детекторы работают на эффекте рассеяния нейтрино заряженными частицами. После столкновения с нейтрино, выбитый электрон испускает черенковское излучение, которое можно зарегистрировать сцинтилляционными детекторами. Первый из таких детекторов был помещён в шахту Камиока в Японии. Супер Камиока содержал 50000 тонн высокочистой воды. Детектируемая реакция в этом случае – реакция рассеяния ν +e- →ν +e- , а порог детектирования 8 МэВ, что позволяет регистрировать8 В нейтрино.

Рис. 27. Сравнение предсказаний стандартной солнечной модели и экспериментальных измерений.

Канадский SNO детектор был смонтирован в никелевой шахте на глубине 2 км и содержал 1000 тонн тяжёлой воды (D2 O). В дополнении к нейтриноэлектронному рассеянию, этот детектор способен использовать ядерные реакции на дейтерии:

ν e+d→ 2p+e- (72)ν +d→ n+p+ν (73)

Последняя реакция может быть использована для регистрации всех типов нейтрино, ν е ,ν μ иν τ , тогда как первая реакция чувствительна только к электронным нейтрино. Набор протекающих в детекторе реакций можно использовать для наблюдения осцилляций нейтрино. В последней реакции, испущенный нейтрон детектируется (n ,γ) реакцией, в которой γ лучи регистрируются сцинтилляционным детектором (Тяжёловодный детектор окружён 7000 тон обычной воды, чтобы предохранить детектор от нейтронов, связанных с радиоактивностью стен шахты). Канадский детектор потребовал разработки новых методов глубокой очистки воды, т.к. чистота воды требовала содержание урана или тория менее 10 атомов на 1015 молекул воды.

6.3 Проблема солнечного нейтрино

Проблема солнечного нейтрино возникла из того факта, что детекторы зарегистрировали только 1/3 от ожидавшегося по стандартной модели солнечного нейтрино, которая предполагает, что 98,5% энергии Солнца происходит из рр -цепочки и 1,5 из CNO цикла.

Рис. 28 . Энергетические спектры галактических космических лучей, GCR.

Такое расхождение указывает, что или модель Солнца неверна или есть фундаментальные ошибки в использованной ядерной физике.

Проблема солнечного нейтрино заключается в ошибочных идеях о фундаментальной структуре вещества, задаваемых стандартной моделью. Стандартная модель предсказывает, что три типа нейтрино не имеют массы и что, будучи созданными, они продолжают существовать в неизменном виде всё остальное время. Основная идея альтернативной модели – модели осцилляции нейтрино – состоит в утверждении, что пока нейтрино выходят из Солнца, они трансформируются из электронных в мюонные нейтрино и обратно. Эти осцилляции

возможны, если нейтрино имеют массу и эта масса у электронного и мюонного нейтрино различны. Эти осцилляции усиливаются нейтрон-электронными взаимодействиями в Солнце. Полагают, что

масса τнейтрино>масса μ нейтрино>масса электронного нейтрино. Верхний предел этих масс

Рис. 29 . Относительная (по кремнию) распространённость элементов в солнечной системе и в космических лучах.

Нейтринные осцилляции - превращения нейтрино (электронного, мюонного или таонного) в нейтрино другого сорта (поколения), или же в антинейтрино. Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы собственного времени. Наличие нейтринных осцилляций важно для решения проблемы солнечных нейтрино. Предполагается, что такие превращения - следствие наличия у нейтрино массы покоя или (для случая превращений нейтрино↔антинейтрино) несохранения лептонного заряда при высоких энергиях. Стандартная модель в первоначальной версии не описывает массы нейтрино и их осцилляции, однако они могут быть включены в эту теорию с помощью сравнительно небольшой модификации - включении в общий лагранжиан массового члена и PMNS-матрицы смешивания нейтрино.

Прямое доказательство осцилляций нейтрино пришло из наблюдений черенковского свечения. SNO детектор нашёл одну треть ожидавшегося числа электронных нейтрино, приходящих из Солнца в согласии с предыдущими данными, полученными радиохимическими детекторами. Японский детектор, который чувствителен преимущественно к электронным нейтрино, но имеет

чувствительность и к другим типам нейтрино, нашёл половину от потока нейтрино, ожидавшегося из