Книга: Планета бурь

Энергия будущего

Энергия будущего

«Водородная термоядерная энергетика» – ну кто не слышал эти слова, так заманчиво рисующие перед нами безоблачное будущее нашей цивилизации…

Несколько лет назад наш выдающийся современник академик Велихов сделал замечательный доклад о том, сможет ли человечество поставить себе на службу тот безбрежный океан энергии, который скрыт в глубинах земной гидросферы. Выдающийся ученый рассказал, что по современным физическим представлениям существует всего несколько фундаментальных источников энергии, которые в принципе могут быть освоены и использованы человечеством. Ядерные реакции синтеза – один из таких источников.

В реакциях синтеза энергия производится за счет работы ядерных сил, совершаемых при слиянии ядер легких элементов и образовании более тяжелых ядер. Эти реакции широко распространены в природе – считается, что энергия звезд, и Солнца в том числе, производится в результате цепочки ядерных реакций синтеза, превращающих 4 ядра атома водорода в ядро гелия. Можно сказать, что Солнце – это большой естественный термоядерный реактор, снабжающий энергией экологическую систему Земли.

Академик Велихов, характеризуя современное положение дел в тепловой энергетике, подчеркивает, что в настоящее время более 85 % энергии, производимой человеком, получается при сжигании органического топлива: угля, нефти и природного газа. Этот дешевый источник энергии, освоенный человеком около 200–300 лет назад, привел к быстрому развитию человеческого общества, его благосостоянию и, как результат, к росту народонаселения Земли.

Очевидно, что будущая энергетика начнет более широко, чем нынешняя энергетическая система, использовать разнообразные и в том числе возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ядерная, гидроэлектроэнергия, энергия ветра, выращивание и сжигание биомассы. Доля каждого источника энергии в общем производстве будет определяться структурой потребления и экономической эффективностью каждого из этих источников

Предполагается, что из-за роста народонаселения и более равномерного потребления энергии по регионам производство энергии возрастет к 2050 г примерно в 3 раза по сравнению с нынешним уровнем и достигнет 1021 Дж в год. Не вызывает сомнения, что в обозримом будущем прежний источник энергии – органическое топливо – придется заменить на другие виды производства энергии. Это произойдет как из-за истощения природных ресурсов, так и по причине загрязнения окружающей среды, которое по оценкам специалистов должно наступить гораздо раньше, чем будут выработаны дешевые природные ресурсы (нынешний способ производства энергии использует атмосферу в качестве помойки, выбрасывая ежедневно 17 миллионов тонн углекислого и других газов, сопутствующих сжиганию топлив). Переход от органического топлива к широкомасштабной альтернативной энергетике ожидается в середине XXI века.

Именно поэтому уже первые сообщения более чем десятилетней давности о том, что открыт низкотемпературный аналог ядерного водородного синтеза, вызвали очень большой интерес даже у ученых, весьма далеких от ядерной физики. Увы, открытие уже вскоре получило самый страшный диагноз в науке, поскольку было признано «неповторяемым».

Однако, в отличие от многих других сенсаций-пустышек, «холодный термояд» до сих пор продолжает будоражить околонаучные круги журналистов, которые время от времени выискивают энтузиастов-разработчиков очередного типа «холодного» ядерного реактора. Эти непризнанные гении яростно убеждают репортеров, что в определенных условиях реакция термоядерного синтеза может протекать при комнатной температуре, а устройства, в которых это будет происходить, разместятся на обычном письменном столе! И абсолютно никакой радиации! Естественно, в подобную маниловщину настоящие ученые не верят, однако несколько лет назад некоторым вполне серьезным физикам-ядерщикам казалось, что в направлении поиска «холодного термояда» сделаны первые решительные шаги. Об этой сенсации ежедневно писали газеты, взахлеб рассказывали радио– и телекомментаторы. Куда же исчез этот баснословный источник неограниченной и практически бесплатной энергии и почему мы продолжаем бездумно сжигать ограниченные запасы углеводородов, вместо того чтобы топить дешевой (сравнительно) тяжелой, или даже полутяжелой, водой «холодные» термоядерные печи?

Не обошел стороной академик Велихов и вопрос о том, что в современном индустриальном обществе более половины энергии используется в режиме постоянного потребления, не зависящего от времени суток и сезона. На эту базовую мощность накладываются суточные и сезонные колебания. Таким образом, энергетическая система должна состоять из базовой энергетики, которая снабжает общество энергией на постоянном или квазипостоянном уровне, и энергетических ресурсов, которые используются по мере надобности. Ожидается, что возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, сжигание биомассы и др., будут использоваться в основном в переменной составляющей потребления энергии. Основной и единственный кандидат для базовой энергетики – ядерная энергия. В настоящее время для получения энергии освоены лишь ядерные реакции деления, которые используются на современных атомных электростанциях. Управляемый термоядерный синтез – это пока лишь потенциальный кандидат для базовой энергетики.

Какие же преимущества имеет термоядерный синтез по сравнению с ядерными реакциями деления, которые позволяют надеяться на широкомасштабное развитие термоядерной энергетики? Основное и принципиальное отличие заключается в отсутствии долгоживущих радиоактивных отходов, которые характерны для ядерных реакторов деления. И хотя в процессе работы термоядерного реактора первая стенка активируется нейтронами, выбор подходящих низкоактивируемых конструкционных материалов открывает принципиальную возможность создания термоядерного реактора, в котором наведенная активность первой стенки будет снижаться до полностью безопасного уровня за 30 лет после остановки реактора. Это означает, что выработавший ресурс реактор нужно будет законсервировать всего на тридцатилетие, после чего материалы могут быть переработаны и использованы в новом реакторе синтеза. Эта ситуация принципиально отличается от реакторов деления, которые производят радиоактивные расходы, требующие переработки и хранения в течение десятков тысяч лет. Кроме низкой радиоактивности, термоядерная энергетика имеет огромные, практически неисчерпаемые запасы топлива и других необходимых материалов, достаточных для производства энергии сотни, если не тысячелетия.

Нужно заметить, что любой более или менее грамотный физик сразу бы заметил, в обычных (по-научному «нормальных») условиях соединить атомные ядра просто невозможно, ведь они имеют одноименный положительный электрический заряд и по школьному закону Кулона отталкиваются друг от друга с чудовищной силой. Сблизиться они могут, лишь если их разогнать мощным электромагнитным полем ускорителя элементарных частиц – циклотрона. Еще один вариант – взорвать термоядерную бомбу или создать облако высокотемпературной плазмы внутри реактора!

По словам академика Велихова, именно эти преимущества побудили основные ядерные страны начать в середине 50-х годов широкомасштабные исследования по управляемому термоядерному синтезу. В Советском Союзе и США к этому времени уже были проведены первые успешные испытания водородных бомб, которые подтвердили принципиальную возможность использования энергии ядерного синтеза в земных условиях. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 году исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества.

Водородная бомба была создана всего за несколько лет, и в то время казалось, что цель близка и что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце 50-х, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более 40 лет исследований, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси.

В 1997 году самая крупная термоядерная установка – Европейский токамак (JET) – получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.

Существует ложная точка зрения о том, что термоядерные исследования – чрезвычайно дорогая программа. Можно убедиться в обратном, пронормировав полную сумму на душу налогоплательщика стран, активно участвующих в термоядерных исследованиях: США, Японии, Европы и России. Окажется, что средний налогоплательщик этих стран платит 2–3 доллара в год на развитие термоядерной энергетики, а это составляет всего 0,1 % его расходов на энергию и другие энергоносители. И хотя предварительные оценки показывают, что цена электроэнергии, производимой термоядерным реактором, будет в 1,5–2 раза выше, чем нынешняя цена электроэнергии от современных электростанций, сжигающих органическое топливо, такое сравнение неправомерно для систем, которые будут конкурировать лишь через несколько десятков лет. Непрерывный прогресс в области термоядерного синтеза, который происходил в течение последних 30 лет, приводил к постепенному, но уверенному продвижению параметров плазмы в термоядерных устройствах. В то же время можно ожидать, что в долговременной перспективе традиционные методы производства энергии будут испытывать все более ужесточающиеся экономические последствия загрязнения окружающей среды.

Что же явилось причиной такой задержки? Оказалось, что для достижения цели физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых и не догадывались в начале пути. В течение этих 40 лет была создана физика плазмы, которая позволила понять и описать сложные физические процессы, происходящие в реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить не менее сложные проблемы, в том числе научиться создавать глубокий вакуум в больших объемах, подобрать и испытать подходящие конструкционные материалы, разработать большие сверхпроводящие магниты, мощные лазеры и источники рентгеновского излучения, разработать импульсные системы питания, способные создавать мощные пучки частиц, методы высокочастотного нагрева смеси и еще многое другое.

Однако многие сторонники холодного термояда считают, что природа хитра на выдумки, и электрические поля внутри сложных кристаллических структур скрывают еще немало сюрпризов. Например, в силу какой-то не понятной нам пока игры межатомных сил в жидкостях или в твердых кристаллах, где присутствует большое количество отрицательно заряженных электронов, могут сложиться условия, при которых происходит частичная компенсация сил электрического отталкивания, и реакция слияния ядер может происходить при меньших энергиях, чем в газообразной плазме токамака. Конечно, ни один из законов физики при этом не нарушается. Просто находятся обходные пути, на которых эти законы частично компенсируют друг друга. Так может быть, перспективы развития «холодного термояда» как раз и связаны с такой необычной ситуацией?

Химики из университета Юта Стэнли Понс и Мартин Флейшман пытались использовать процесс электролиза. Чуть-чуть подкисленную воду, куда опускаются подключенные к электрической цепи электроды, они заменили тяжелой, в которой атомы водорода замещены атомами его тяжелого собрата дейтерия. При прохождении электрического тока положительно заряженные ионы дейтерия – дейтроны – устремляются к отрицательному электроду, бомбардируя его поверхность и проникая «с разбега» в его внутренние слои.

Казалось бы, незатейливый, почти школьный эксперимент. Вот только в качестве электрода использовалась пластина благородного, похожего на золото и платину металла палладия, и не простая, а тоже пропитанная дейтерием. Палладий обладает замечательной способностью растворять в себе водород и дейтерий – впитывать их, как губка воду. Своего рода корзина для атомов дейтерия! При этом их число может стать сравнимым с числом атомов самого палладия и даже большим. Расталкивание кулоновских сил усмиряется экранирующим действием отрицательно заряженных облаков электронного газа, заполняющего пластину палладия, как и любое твердое тело. Атомы дейтерия располагаются там столь тесно, что если сравнить с плазмой, то, чтобы их так сжать, потребовалось бы фантастически огромное давление.

Бомбардирующие дейтроны сближаются с плотно заполняющими палладиевую пластинку атомами дейтерия и, можно надеяться, подходят к ним на значительно меньшие расстояния, чем в газообразной плазме. А это означает, что некоторые пары будут вступать в ядерные реакции и сливаться в тяжелый изотоп водорода тритий (он состоит из протона и двух нейтронов) или в ядро гелия. При этом, как нетрудно подсчитать, выделится значительная энергия. В первом случае ее унесет оставшийся лишним нейтрон, а в случае гелия – родившийся гамма-квант. Эта энергия пойдет на разогрев окружающего вещества.

Кроме того, был еще один поразительный результат. Как уже говорилось, в термоядерной реакции должны рождаться нейтроны и гамма-кванты. При том количестве тепла, которое выделялось в приборе Понса и Флейшмана, их число измерялось бы триллионами. Прибор должен был бы стать мощным источником радиоактивных излучений, а их наблюдалось очень мало… Реакция получилась экологически чистой, безопасной в использовании – не нужно никакой защиты: термоядерную плиту можно безбоязненно установить в любой кухне! Понятно, что все зависит от того, насколько сильно электронная экранировка уменьшит кулоновское расталкивание. Теоретически понять, какой именно физический фактор уменьшает кулоновское отталкивание одноименных ядер, невозможно. Не подтвердились и заверения конструкторов реактора Понса – Флейшмана о гигантском положительном энергетическом балансе, от которого электролит у них будто бы буквально вскипал.

Вообще говоря, идея создания «холодного» термоядерного реактора носится в воздухе еще с середины прошлого столетия. Многие пытались изобретать «холодные» термоядерные котлы, но только Понс и Флейшман набрались смелости заявить об успешных испытаниях. Прошла четверть века – в современном мире это гигантский срок для проверки и воплощения любой экспериментальной схемы. Однако никому так и не удалось повторить успех «холодного термояда» американских физиков…

Сообщение Понса и Флейшмана было подобно взрыву бомбы. Большинство физиков узнали о нем из газет и с экранов телевизоров, сенсационно, в рекламном стиле подающих новость. Но поражал сам факт – термоядерная реакция в стакане кипящей воды! Новость обсуждалась на семинарах и в институтских коридорах. На второй план отошли даже споры о горбачевской перестройке.

Многое вызывало сомнения – уж очень противоречивой была информация. Конечно, опыт – высший судья науки, однако нужно иметь уверенность в том, что он правильно поставлен и грамотно интерпретирован – в науке бывают пузыри-сенсации.

Тем не менее вскоре пришли известия о выступлениях Понса и Флейшмана в американских и европейских институтах. В самом университете Юта на продолжение их исследований было срочно выделено 5 млн долларов. И хотя число вопросов не уменьшилось, а скорее даже возросло, пришлось признать: это не первоапрельская шутка (пресс-конференция Понса и Флейшмана состоялась в самом конце марта) и не плод журналистского воображения. Даже самые ярые скептики призадумались после того, как стало известно о распоряжении, которое адмирал Уэткинс, руководитель департамента энергетики, разослал государственным лабораториям США. В этом распоряжении он обязал их незамедлительно проверить выводы, сделанные в университете Юта.

Результаты проверки оказались противоречивы, подавляющее большинство экспериментов не воспроизводили того, что наблюдали Понс и Флейшман. Судя по всему, их данные были явно ошибочными, причем иногда просматривался и пристрастный отбор авторами «изобретения» своих результатов. Появилось несколько серьезных критических статей, написанных признанными профессионалами, в которых показывалось, что беспристрастный анализ не оставляет камня на камне от помпезного «открытия» американских исследователей. Даже оптимистично настроенные ученые признавали, что если экспериментаторы и регистрируют избыток тепла, то он крайне неустойчив и меняется от эксперимента к эксперименту. Создавалось впечатление, что результаты зависят от каких-то невыясненных факторов.

Может быть, для «холодного термояда» тоже нужна какая-то особая, весьма редкая комбинация факторов, лишь случайно реализующаяся в удачных опытах? Эти соображения стимулировали продолжение исследований, тем более что для них не требовалось дорогостоящего многотонного оборудования. Изобретателей и многочисленных любителей физики охватила самая настоящая «холоднотермоядерная лихорадка». Желтая пресса была переполнена сенсационными сообщениями о том, что наконец-то найдены условия стабильной реакции ядерного синтеза. Тут же сообщалось и о наблюдении нейтронного и гамма-квантового излучения, отсутствие которых весьма смущало физиков. В журналах печатались графики скоростей наработки различных изотопов в реакциях холодного синтеза… Настоящая эпидемия открытий и… ни одного реального!

Все эти сенсационные результаты не выдерживали научной критики и были полностью опровергнуты контрольными экспериментами.

Сегодня очень модно говорить о явлениях, протекающих как бы «за гранью реальности». Существуют даже специальные телепрограммы, демонстрирующие зрителям необъяснимые на первый взгляд, противоречащие науке явления. Как правило, большинство из них – следствие методических погрешностей, случайных или умышленных, как это бывает в фокусах. Вот и получается, что все опыты Понса – Флейшмана вместе с многочисленными последующими экспериментами безрезультатны, и «холодный термояд» – мираж! Ведь ни в одном опыте при строгом его анализе не нашлось нарушения теплового баланса и избыточного выхода энергии.

Внутренний вид стелларатора в японском национальном институте ядерного синтеза

Итог подвели две международные конференции – одна в Монте-Карло, недалеко от новой лаборатории французских исследователей «холодного термояда», другая в окрестностях японского города Саппоро, где построена хорошо оснащенная лаборатория – специально для изучения холодного термоядерного синтеза. За последние годы на эти цели были истрачены десятки миллионов долларов. Не удивительно, что наиболее обстоятельные и надежные данные получены именно японскими учеными. В трех тщательно проведенных экспериментах ими было доказано, что выводы Понса и Флейшмана о положительном балансе энергии глубоко ошибочны. В их опытах слишком грубо учитывались процессы теплообмена с внешним окружением прибора, и при более точных измерениях отношение прироста энергии к ее затратам оказалось в пределах точности экспериментов – никакого избытка энергии не замечено.

Не замечено и следов гамма-излучения, которое непременно должно быть, если нейтроны объединяются с протонами в ядра дейтерия, несмотря на противоположные утверждения энтузиастов «холодного термояда». Действительно, ни один независимый профессиональный эксперт гамма-квантов не наблюдал, хотя была использована наисовременная сверхвысокоточная аппаратура, способная зафиксировать всего лишь десятки этих сверхкоротких электромагнитных волн. Получается, что и эта часть опытов оказалась совершенно неверной.

Сегодня известны три точки зрения на «холодный термояд». Прежде всего, значительная часть ученых убеждена в том, что такого процесса в природе просто нет – мы, мол, неверно интерпретируем наблюдения, только и всего. Однако голословное отрицание – не лучший способ ведения научных дискуссий. Когда речь идет о новом явлении, нужно быть весьма осмотрительными и всецело полагаться на мнение настоящих ученых – специалистов в области атомной и ядерной физики.

Еще с тридцатых годов прошлого века физикам было известно, что некоторые вещества начинают светиться, когда сквозь них пропускается слабый ультразвук. Хотя его энергия слишком мала, чтобы заставить атомы испускать световые кванты, под его влиянием в веществе образуются неоднородности – микрокаверны, трещинки, перепады плотности, на краях которых собираются электрические заряды. Каждая из таких неоднородностей похожа на конденсатор, в котором разгоняется попавший туда ион. Своего рода микроускорители частиц!

В плотно набитой дейтронами пластинке палладия это дополнительно подталкивает ионы к сближению и повышает вероятность их слияния. Во всяком случае, так говорит одна из гипотез, точной-то теории этого явления до сих пор нет. Несколько лет назад, незадолго до своей смерти, ее пытался создать знаменитый американский физик, нобелевский лауреат Ю. Швингер. Он считал, что на этом пути, создавая различными способами электрические неоднородности в веществе, можно продвинуться к «холодному термояду». Однако его взгляды были встречены «в штыки» ортодоксальными физиками. Журналы отказывались печатать его статьи. Дело дошло до того, что в знак протеста он вышел из Американского физического общества.

Тут недопустимы всяческие фантазии, которыми сегодня грешат и маститые научно-популярные журналы. Так, на страницах одного из них вполне серьезно обсуждалось наличие в природе неких быстротекущих каталитических процессов, порождаемых некими гипотетическими отрицательно заряженными частицами, которые фантастическим образом «прилипают» к дейтрону, нейтрализуют его положительный заряд и резко уменьшают силы кулоновского расталкивания. Далее продолжалась научная фантастика о том, что после слияния ядер мистическая частица «отцепляется», прилипает к следующему дейтрону и так далее. Не ясно, правда, почему такая частица-катализатор не проявляется в других опытах. Остается загадкой, почему реализуется только часть возможных каналов реакции, а те, что с нейтронами и гамма-квантами, оказываются заблокированными. Не исключено также, что избыток энергии в некоторых опытах является всего лишь разовым выделением ранее накопленной энергии. Подтверждение этому можно видеть в том, что энерговыделение часто действительно имеет характер неожиданной вспышки…

По мнению некоторых физиков-теоретиков, феномен «холодного термояда» – это первые сигналы с какого-то очень глубокого, заквантового уровня, когда энергия для преодоления кулоновского расталкивания ионов возникает из каких-то еще не изученных нами процессов перестройки вакуума и других гипотетических явлений, требующих принципиально новой физической теории. Сегодня такой теории нет, имеются лишь отдельные, иногда весьма остроумные, но плохо стыкующиеся фрагменты, с которыми согласны далеко не все физики. Однако смущает не это.

Когда создавалась квантовая теория, ее фрагменты тоже выглядели противоречивыми – «сумасшедшими», как сказал однажды о них Нильс Бор. Однако они не только объясняли уже известные факты, но и предсказывали новые, которые находили подтверждение в экспериментах, и это убеждало в их справедливости. Предлагаемые сегодня теории таких подтверждений не имеют…

Разумеется, было бы опрометчивым думать, что вопрос «холодного термояда» теперь окончательно закрыт, ведь непонятные явления существуют, и споры о них продолжаются. Технология «холодного термояда» обсуждается на международных конференциях, ей посвящены сотни статей в научных журналах. И похоже, что вопрос не будет закрыт до тех пор, пока не очень-то грамотные изобретатели будут пытаться не исследовать, а переделывать окружающую природу…

И тут, конечно, возникает неизбежный вопрос: почему же до сих пор не создан «горячий термояд»?

Надо заметить, что основным недостатком термоядерных реакторов является технологическая сложность осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции. Системы с магнитным удержанием требуют огромных сверхпроводящих магнитных катушек, глубокого вакуума и чистоты стенок реактора, умения утилизировать высокие тепловые и нейтронные потоки, дистанционного обслуживания реактора. Импульсные системы требуют развития эффективных драйверов, способных сконцентрировать мощности свыше 1014 Вт/см² и равномерно облучать миллиметровые мишени, изготовленные с большой точностью.

Вы, конечно, знаете, что Солнце – это термоядерный реактор, в котором плазма (электроны и ионы) удерживается от разлета силами тяготения. Так вот. На Земле силы тяготения для удержания высокотемпературной плазмы использовать нельзя: они слишком слабы. В 1951 году лауреат Нобелевской премии Игорь Тамм и его ученик, будущий академик и один из создателей водородной бомбы Андрей Сахаров, создали теорию магнитного термоядерного реактора. Причем Сахаров предложил даже конкретную схему тороидального термоядерного реактора, которая после некоторых усовершенствований превратилась в знаменитый токамак, получивший безоговорочное признание во всем мире в 1968 году.

С этого момента большинство лабораторий мира переключилось на токамаки. Почему же до сих пор термоядерный реактор не построен? Вы наверняка знаете, что на Солнце время от времени возникают протуберанцы – гигантские образования, выбрасывающие в космическое пространство огромное количество быстрых заряженных частиц. С точки зрения физики это не что иное, как проявление неустойчивости плазмы. Так вот, за прошедшие годы физиками обнаружены и исследованы сотни неустойчивостей, многие из которых приводят к выбросу высокотемпературной плазмы, удерживаемой магнитным полем, на стенки.

Когда-то академик Арцимович заметил, что за всю свою историю наука никогда не сталкивалась с проблемой, сопоставимой по сложности с проблемой управляемого термоядерного синтеза. И тем не менее большинство проблем, стоявших перед учеными, удалось преодолеть. С 60-х годов минувшего столетия температуру плазмы удалось поднять со 100 тысяч до 400 миллионов градусов, поток нейтронов из рукотворной термоядерной плазмы вырос в 100 миллиардов раз! Значительно подросли и другие параметры плазмы, необходимые для решения проблемы. На крупнейшем токамаке европейского сообщества JET величина Q (отношение энергии, выделенной в термоядерных реакциях, к энергии, вложенной в нагрев плазмы) достигла уровня единицы. По инициативе СССР в 90-х годах возник международный проект экспериментального термоядерного реактора ИТЭР (ITER).

Буквально сегодня начинается строительство ИТЭРа в Кадараше (Франция). Запуск намечен на 2018 год. Это будет практически стационарный реактор (длительность отдельного цикла около тысячи секунд, коэффициент усиления мощности в разных режимах, которые надлежит исследовать, – от 5 до 10, а уровень вырабатываемой мощности – 1 тысяча мегаватт). После этого этапа потребуется построить опытную термоядерную электростанцию, ну а далее начнется промышленное освоение термоядерной энергетики. Вот откуда набегают десятилетия. Увы, быстрее не получится.