Александр Чистозвонов
Атомный полицейскиий против коррупции 2.
Термоядерный синтез
Блоха, подкованная Левшой, являет
собой яркий пример Российских нанотехнологий:
ничего не видно и блоха прыгать перестала
Структура Раздела взята на сайте «Луркморье (lurkmore)», там же взяты ограничительные посылки настоящего текста. (Ничего более подходящего и соответствующего моему пониманию вопроса я не нашел) Отличительная часть занимает, как это ей и положено, меньшую часть. Итак, термоядерный синтез-— старый, но всё ещё действующий, метод распила бюджетного бабла в глобальных масштабах, способный дать в качестве побочного результата источник энергии, звездолёты и прочие вещи. Такое определение я нашел в интернете на сайте Луркморья.
Следует заметить, что демонстрационный макет термоядерного реактора доступен для рассмотрения в светлое время суток каждому гражданину России бесплатно и представлен в виде Солнца. В чем дело, почему более полувека нам морочат голову о неисчерпаемой энергии, которую мы должны получить, освоив термояд. Какие барьеры отделяют нас от этого? Почему, вопреки очевидному, говорят о «чистом» термояде? Давайте разберемся. Во –первых, термоядов несколько, если считать «холодный синтез», их около 6.
Полагали, что первые экспериментальные термоядерные электростанции начнут строить чуть ли не сразу после появления первых промышленных атомных электростанций. Но даже несмотря на то что задачу установил лично товарищ Сталин, они не появились до сих пор.
Термоядерные исследования — это в значительной степени экспериментальная наука. Тут вам не Перельман, с тремя копейками денег ничего толкового не сделаешь. Необходимо сложное дорогостоящее оборудование и куча народу, которые будут это оборудование обслуживать. На всё это нужно выделять большие деньги. И, как ни странно, они таки выделяются. А когда любое правительство выделяет на что-то деньги, они неизбежно идут не только на те аспекты, которые реально важны, но и на те, что лучше прорекламированы[1]. Даже те научные организации, которые действительно хотят сделать что-то полезное, нередко вынуждены заниматься чем-то скорее «модным», чем реально важным, так как иначе денег не получат. Вот и термояд… Я занимаюсь околонаучной деятельностью пока бесплатно, можете меня нанять.
Как известно, нефти, угля и газа хватит не так уж и надолго. Да ещё и экологи недовольны. Урана и тория вроде хватает, но народ чего-то боится. Да и неясно, куда столько радиоактивных отходов девать[2].
Термояд же позволяет (или не позволяет) в перспективе получать энергию буквально из воды, причём отходами его работы будут являться только обычные безвредные водород и гелий. Внутри реактора будет радиоактивный тритий (тот еще продукт!). Его будет сотни грамм, в противовес сотне тонн полуотработанного топлива в обычных ядерных реакторах. Источники трития - это ядерные установки и реакторы; хранилища радиоактивных отходов; действующие термоядерные установки с тритием и будущий термоядерный реактор ITER; нейтронные генераторы и ускорители с тритиевыми мишенями; вещества, меченые тритием. Опасность трития определяется его высокой проникающей способностью. Во внешней среде ядерных установок газ тритий НТ переходит в более опасный оксид трития НТО и далее в ещё более опасный органически связанный тритий ОСТ. В веществах (в том числе и органических) происходит замена водорода на тритий. Путём миграции трития является не только водная среда - гидросфера и атмосфера, но и почва. Еще одна опасность трития состоит в сложности его детектирования, обычным дозиметром тут не обойдешься. Тут возникает аналогия с матрешкой- если радиацию не измерить без дозиметра, то содержание трития не измерить без специального прибора и методики. Положительным свойством трития является относительно короткий период полураспада 12,5 лет.(через пару столетий, а то и раньше, он практически весь распадется.
Эксплуатация термоядерных энергетических установок будущего приведет к дальнейшему росту выбросов трития, так как ТЯЭС (термоядерная энергетическая станция) по оценкам будет выделять тритий в 10Е4-10Е6 раз больше, чем АЭС эквивалентной мощности. Согласно энциклопедии всего в земном воздухе находится около 3 кг трития. Так что «сотни грамм трития» –тот еще подарок!
Нормы по тритию для питьевой воды лежат от 3 700 пикокюри/л по МАГАТЭ для Европы, до 7000 пикокюри/л по МКРЗ для России и Канады..
Конечно, это не Чернобыль, но взрыв с неприятностями возможен, например, в случае теракта,
Чтобы произошла реакция синтеза, два ядра должны сблизиться на очень близкое расстояние. Но ядра имеют положительный заряд, а потому отталкиваются друг от друга. Чтобы их сблизить друг с другом, их нужно разогнать до огромных скоростей. Одним из основных вариантов такого разгона является нагрев до высокой температуры. Конкретнее нужна температура порядка ста миллионов Кельвинов. А при таких температурах вещество становится плазмой и очень интенсивно излучает энергию, то есть быстро остывает.
Оказалось, что реальные потери энергии куда больше, чем показывали первые теоретические расчёты, и вообще плазма ведёт себя крайне невоспитанно, не слушается учёных, так что достаточное количество топлива прореагировать не успевает. Уменьшить же потери или увеличить скорость реакции оказалось не так-то просто. Причём зачастую требования друг другу противоречат: чтобы за то же время прореагировало больше топлива его концентрацию нужно повышать, но при повышении концентрации возрастают потери энергии, а оттого время уменьшается.
Каким параметром можно оценить скорость потери энергии топливом? Этот параметр называется «временем удержания». Это время, в течение которого плазма снизит свою температуру в e раз. Оно получается как отношение тепловой энергии, содержащейся в плазме, к мощности нагрева, необходимого для поддержания данной температуры.
Как уже было сказано выше, количество выделяемой в результате реакции энергии зависит от концентрации топлива. Причём зависимость линейная. Значит, отношение мощности термоядерной реакции к мощности, затрачиваемой на нагрев, при данной температуре определяется произведением концентрации на время удержания. Расчёты показали, что при температуре в 10 кэВ (примерно 116 миллионов К) реактор можно будет использовать для электростанции только когда это произведение превысит 1014 см;3*с (то есть время удержание более одной секунды и концентрация плазмы более 1014 частиц в см;). Этот критерий называется критерием Лоусона. Именно за его достижение (при одновременном получении температуры более 10 кэВ) и ведут сейчас борьбу физики по всему миру. Пока лучшие реакторы не дотягивают в разы. Ну, а истинная мечта физиков — это так называемое зажигание плазмы. Это когда та доля термоядерной энергии, которая остаётся в плазме, будет достаточной для поддержания её температуры, то есть нагрев можно будет вовсе отключить. Для этого нужно, чтобы произведение концентрации на время удержание было примерно в пять раз выше, чем нужно по критерию Лоусона.
Справедливости ради стоит отметить, что бабло эти полвека тратилось не только впустую. Современные реакторы лишь в разы хуже того, что нам нужно, а ещё несколько десятков лет назад отставание было на порядки. Так что, если финансирование не прекратится, лет через пятьдесят термоядерные электростанции всё-таки будут .построены. Это если будет кому строить.
На данный момент самыми перспективными признаны два подхода к получению термоядерной энергии: долгое время удерживать магнитным полем разреженную плазму и сжать плазму до такой огромной плотности, что реакция успевает пойти несмотря на то, что от разлёта плазму удерживает лишь инерция.
Первый вариант осуществляется с помощью двух типов установок: токамаки и стеллараторы. На данный момент отличия между ними сводятся к тому, что первые чуть дешевле при тех же размерах, а вторые — чуть лучше. Для неискушённого наблюдателя и то и другое — бублик с каким-то хитроумным магнитным полем внутри (впрочем, последние разработки в области стеллараторов предполагают настолько хитрую форму магнитных катушек и вакуумной камеры, что никто это с токамаком не спутает). Так как чем больше размер реактора — тем лучше в нём удерживается плазма, вопрос строить ли на эти деньги токамак, но побольше, или стелларатор, но поменьше, остаётся открытым. Но чаще выбирают первый вариант
. Самый крупный на данный момент строящийся экспериментальный реактор, например (уже на следующем этапе обещают настоящий), оценивается всего то миллиардов в 20 у.е. При этом масштабы распила и отката несколько ограничены хотя бы тем, что на стройке постоянно работает веб-камера. Ее показания круглосуточно висят на этой ссылке (шутка? Хотите-проверьте!) Непонятно, зачем мы в «Прорыве» дублируем эту работу (так сказано по ТВ), нам что, объектов для распила не хватает? Правда, я мог и неверно понять, телевизор к делу не подошьёшь.
Единственный работающий на практике вариант. Осталась одна «мелочь»: сделать масштабы достаточно малыми для применения в мирной энергетике. А тут, как и в случае магнитного удержания, чем больше, тем проще получить реакцию.
Первоначальная идея заключалась в том, чтобы со всех сторон жахнуть по маленькому шарику дейтерий-тритиевого льда кучей лучей лазеров, пучков электронов или ионов. Но идея провалилась: сжатие происходило неравномерно, а оттого никакой нормальной реакции не получалось. Позже разработали несколько изменённый метод: шарик льда помещают внутрь небольшой металлической сферы с несколькими дырочками для прохода лучей/пучков, лучи/пучки нагревают внутреннюю поверхность сферы до большой температуры и она начинает светить мягким уютным рентгеном, это рентгеновское излучение очень равномерно нагревает поверхность ледяного шарика, та испаряется и реактивной силой равномерно сжимает оставшийся лёд (кстати, это куда ближе к термоядерной бомбе, чем исходная идея). Сейчас к этому ещё добавилась идея использовать не один импульс, а два (fast ignition/быстрое зажигание): один относительно медленно сжимает количество топлива, а второй быстро разогревает малую часть от уже сжатого, потом термоядерная реакция сама распространяется на остальное топливо. Дополнительно можно посмотреть Википедию.
Фузор Фарнсворта
Если тебе неймется осуществить термоядерный синтез и при этом не нужна энергия, то строить мега-реактор совсем не обязательно. Достаточно сабжа — небольшого устройства, позволяющего невозбранно запилить термоядерную реакцию у себя на столе. Единственный минус — энергию фузор Фарнсворта не вырабатывает а, напротив, жрет и нехило.
Холодный синтез и прочее
Сборище тихих и шарлатанов (тихих шарлатанов). Причём если одни из них только предлагают свои перспективные «пути решения», то другие и вовсе предлагают готовые решения, реализованные «в железе».
Среди всего этого многочисленного бреда изредка, но все-таки встречаются нормальные разработки. В частности мюонный катализ, использование встречных пучков быстрых ионов дейтерия и трития и т. д. Но все они пока крайне далеки от получения полезной энергии и на практике могут использоваться (и используются) только в качестве источников быстрых нейтронов. Кстати, нейтроны появляются и при ударе молнии в молниеотвод со свинцовым наконечником (реакция (е ; n?))
Гибридный термоядерный реактор
Известно, что в термоядерных бомбах часто используют оболочку из обеднённого урана для существенного повышения мощности взрыва: нейтроны D-T реакции обладают столь высокой энергией, что вызывают деление даже «неделящихся» тяжёлых изотопов. Разумеется, быстро возникла идея применить этот же принцип и в мирных реакторах.
Для такого реактора, имеющего активную зону обычного реакторного типа , например, БН, и размещенный по центру термоядерный реактор, имеются несколько заблуждений. Во-первых, почему-то считается, что он будет радиационно безопасен по сравнению с обычным реактором деления. Это не так.
Предположим, что термоядерный реактор создан. Пасть он имеет, например, форму и размер ведра (для определенности, можете представить себе все что угодно). Тепло на 80% отводятся 14 МэВными нейтронами. Задача-превратить кинетическую энергию нейтрона в тепловую. Это можно сделать, поставив вокруг замедлители-поглотители. Сравним с одним актом деления обычного реактора (;200 МЭв). Пусть рождается 3 нейтрона на деление, с энергией ;5МЭв х3=15; 14 МэВ, т.е. по энергии нейтронов один акт деления примерно равен одному акту синтеза. Но кроме этого в делении образуются осколки деления. Для того, чтобы достичь равенства энергий, количество актов синтеза должно превышать количества актов деления более чем на порядок. Такой бешенный флюенс не выдержит никакой материал. Наведенной активности тоже будет немало. Нет, не конкурент нам синтез, не конкурент. Применение бериллий-вольфрамовых конструкций тоже не спасает.
Возникает предложение – а давайте засунем реактор синтеза в реактор деления ! Мы сможем вырабатывать энергию на подкритическом реакторе, обеспечивая ядерную безопасность. Возражение –это нам тоже ни к чему, потому что возможен гораздо более простой электроядерный бридинг (бустеры, бустероиды). Остается один впрос- дожигание трансуранов и прочей грязи. Но этот вопрос сегодня перед нами не стоит, как не стоит и постройка дирижабля. Если прикажут –сделаем!
Заключение
Я где- то читал, что в конце войны Гитлер дал приказ не заниматься НИР и ОКР, если они не обещают практического выхода в течение полугода.
Мне рассказывал один мой друг, что в танкостроении якобы существовали каталоги узлов, запрещенных к проектированию.
Идея термояда-красивая и манящая, требует либо новых нестандартных решений, разрабатываемых одиночками или малыми коллективами, либо силовых решений. Работать по термояду -то же, что искать квадратуру круга.
Проведенные автором демографические оценки (см. например за 20 лет до конца Света) показывают, что к 2070±10 и к 2030±5 годам следует ожидать системных кризисов, связанных с ограниченной площадью Земли, и тогда нам будет не до термояда, а энергия будет востребована.
Не так давно по ТВ «один из ученых» похвалился, что идет работа над предпоследним термоядерным реактором в рамках проекта «Прорыв». Или он не в теме, или… Речь идет о миллиардах. Тогда зачем нам ITER? Может, стоит затаится в его тени и совершить «Прорыв» созданием демонстрационного реактора ТЯЭС с учетом выявленных на ITER ошибок и заблуждений (или отказаться от строительства)?
Видимо, не напрасно Демиург не дает нам ключи от «покататься на ITER»- малы еще. Однако ночью на безоблачном небе опять же каждый Россиянин совершенно бесплатно может посмотреть на мириады термоядерных реакторов, зажженных безвестными Творцами и указывающих нам путь. Доверенный нам единственный работающий термоядерный реактор следует блюсти и сберегать –не бросать туда отходы, не замутнять атмосферу, не производить выбросы парниковых газов, следить за числами Вольфа, регулярно посещать планетарий. У кого есть возможность –купить планетарий, сделать это модным.
Считаю целесообразным вывести тему термояда за границы проекта «Прорыв»
Кстати, если у нас на повестке дня «глобальное потепление», то новые атомные ледоколы строить не надо, если «малый ледниковый» -тоже. Из сэкономленных средств –хорошо премировать, но тех, кто ошибся…
А.Чистозвонов
ITER is based on the 'tokamak' concept of magnetic confinement, in which the plasma is contained in a doughnut-shaped vacuum vessel. The fuel—a mixture of deuterium and tritium, two isotopes of hydrogen—is heated to temperatures in excess of 150 million°C, forming a hot plasma. Strong magnetic fields are used to keep the plasma away from the walls; these are produced by superconducting coils surrounding the vessel, and by an electrical current driven through the plasma. Scroll over the machine with your cursor to identify the different parts of the machine.