Мир накрыла ядерная гонка

Современная физика знает всего несколько источников энергии, которые могут быть освоены человечеством. И один из них - ядерные реакции синтеза. Самый большой и ближайший к нам естественный термоядерный реактор - наше Солнце. По принципу происходящих там процессов могут быть устроены и земные реакторы. Тем более что производство термоядерной энергии имеет ряд неоспоримых преимуществ перед уже освоенным ядерным. Во-первых, это огромные, практически неисчерпаемые запасы топлива и других необходимых материалов, достаточных для производства энергии в течение многих сотен, если не тысяч лет. Во-вторых, стоимость такой энергии - копеечная. В-третьих, это отсутствие долгоживущих вредных отходов: выработавший ресурс реактор нужно законсервировать всего на 30 лет, после чего материалы могут быть переработаны и использованы в новом реакторе синтеза. Тогда как отходы ядерных реакторов, в основе которых лежат реакции деления, требуют переработки и хранения в течение десятков тысяч лет.

Именно данные 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 возможность использования энергии ядерного синтеза в земных условиях. Тогда же стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 г. 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 годов, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более 40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В 1997 г. самая крупная термоядерная установка - Европейский ТОКАМАК (JET) - получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.

Что же явилось причиной такой задержки? Оказалось, что для достижения цели физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых не догадывались в начале пути. Например, 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, открыть методы высокочастотного нагрева смеси и многое другое. За шесть с половиной десятилетий на разработки термоядерного синтеза в мире было потрачено свыше $200 млрд и построено порядка 300 экспериментальных токамаков. Но только за последний год появилось несколько новых направлений, обещающих дать быстрые и убедительные результаты при куда меньших затратах.

Плазму заперли в магнитной ловушке

В апреле 2014 г. группа физиков Вашингтонского университета опубликовала статью, в которой сообщила о разработанной ими концепции термоядерного реактора диномак (dynomak). Исследования финансировались министерством энергетики США. В отличие от токамаков, диномак не нуждается в гигантских сверхпроводящих электромагнитах: необходимые магнитные поля формируются за счет прикладывания к центру плазменного сгустка сильных электрических полей, источниками которых являются ленты из высокотемпературных сверхпроводников, обернутые вокруг камеры реактора. "В данный момент эта конструкция имеет потенциал производства экономичной термоядерной энергии куда больший, чем любая из современных концепций", - утверждает руководитель группы профессор Томас Джарбо (Thomas Jarboe).

Группа уже построила экспериментальную модель HIT-SI3, способную удерживать плазму в магнитной ловушке. По своим размерам она в десять раз меньше проектируемого промышленного диномака. Строительство электростанции с диномаком мощностью 1 ГВт с учетом расходов на инфраструктуру обойдется в $2,7 млрд, аналогичной угольной электростанции - $2,8 млрд. Пока же группа планирует найти $8-10 млн, чтобы построить модель HIT-SIX - вдвое крупнее, чем HIT-SI3 - и поднять в ней температуру нагрева плазмы до такого значения, которое обеспечит положительный энергетический баланс, то есть реактор должен вырабатывать электроэнергии больше, чем потреблять. Лишь после успешного прохождения этого этапа можно будет говорить о строительстве полногабаритной промышленной электростанции.

Реактор для космических кораблей от Lockheed

В октябре о своих успехах в укрощении термоядерной энергии объявила компания Lockheed Martin - крупнейший производитель вооружений для Пентагона. В ее секретном подразделении Skunk Works, в числе разработок которого многоцелевой истребитель-невидимка F-35 Lightning II, создана группа "Программа революционных технологий". Ее лидер Том Макгуайр (Tom McGuire) рассказал о проекте компактного термоядерного реактора мощностью 100 МВт. Установка размером 7 на 10 м сможет питать подводную лодку, авианосец, космический корабль или же небольшой город (c населением до 100 тыс.). Конечно, это не исключает строительства более мощных реакторов (но габаритами покрупнее). Дешевизна вырабатываемой электроэнергии сделает экономически выгодным опреснение морской воды, что позволит дать новую жизнь пустынным регионам. "Наша концепция сочетает в себе несколько альтернативных (по отношению к токамаку) подходов к проблеме магнитного удержания плазмы, беря лучшее из каждого", - говорит г-н Макгуайр. В частности, для поддержания геометрии магнитного поля используется новый тип самонастройки посредством обратной связи. Skunk Works планирует представить полностью завершенный рабочий проект в течение года, а через десять лет обещает построить полноценный рабочий реактор.

Энергия по центу за киловатт от Росси

И токамаки, и другие альтернативные плазменные реакторы нуждаются в создании сверхвысоких температур для осуществления термоядерного синтеза. Но есть и совсем другой подход, называемый холодным ядерным синтезом, который не требует разогрева плазмы до многих миллионов градусов. Он вообще не использует плазму, а обещает добывать тепловую энергию, например, из контейнера с никелевым порошком и неким катализатором, куда под высоким давлением закачан водород.
Именно так устроен генератор E-Cat (Energy Catalyzer), изобретенный итальянцем Андреа Росси (Andrea Rossi), который в 1996 г. эмигрировал в США. О создании теплового генератора, работающего благодаря низкоэнергетическим ядерным реакциям, г-н Росси объявил в 2009 г., однако потребовалось еще много работы для технологического усовершенствования устройства и придания ему вида, удобного для практического использования. В октябре прошлого года был опубликован 54-страничный доклад о результатах тестовых испытаний E-Cat, проведенных в Швейцарии шестью физиками из Италии и Швеции в марте-апреле того же года.

Устройство в виде палочки диаметром 2 см и длиной 20 см выработало тепла на 1,5 МВт•ч, потребив при этом в десять раз меньшее количество электроэнергии. Плотность энергии в миллионы раз больше, чем при сгорании бензина такой же массы. Мир получил источник почти дармовой, абсолютно безопасной и чистой, неограниченной энергии, которую можно производить хоть на письменном столе.
Стоит сказать, что изначально научным мир отнесся к разработкам Андреа Росси довольно скептически: его реферат не приняли даже в журнал открытых научных публикаций на сайте ArXiv.com. Однако он в качестве стратегии выбрал не полемику с учеными мужами, а реализацию своего изобретения в виде работающего устройства. Коммерческое внедрение генератора теплоты с ценой 1 цент за киловатт электроэнергии - разве может быть более полный ответ скептикам? После появления этого отчета лауреат Нобелевской премии по физике Брайан Джозефсон в своем комментарии для журнала Nature указал: "Какая наиболее важная новость года? Результаты нового исследования реактора Андреа Росси. В докладе не только подтверждается выходная мощность, намного превышающая все возможное в результате химической реакции, но и дается четкое представление о том, что в нем происходит ядерная реакция".

Фирма Leonardo Corporation из штата Флорида, принадлежащая Росси, уже объявила о приеме предварительных заказов на приобретение заводов E-Cat по производству тепловой энергии мощностью 1 МВт (потребляемая мощность электропитания в пять-шесть раз меньше). Цена одного предприятия сроком службы 30 лет - $1,5 млн, оно умещается в обычном 20-футовом транспортном контейнере и состоит из 106 маленьких реакторов длиной и шириной по 20 см и высотой 1 см.

Количество уже произведенных и проданных заводов фирма пока не сообщает. Но важнее другое: еще в январе 2014 г. права на технологию E-Cat приобрела компания Industrial Heat, которую специально для этого основали Том Дарден (Tom Darden) и Джей Ти Вон (JT Vaughn) - совладельцы предприятия CIP (Cherokee Investment Partners) из штата Северная Каролина. Затем CIP быстро продала лицензию на выпуск E-Cat в Китай. 16 апреля в городе Тяньцзине (это южный сосед китайской столицы) Том Дарден подписал соглашение о передаче технологии в создаваемый там Nickel-Hydrogen Research Center. По сообщению газеты Triangle Business Journal, выходящей в Северной Каролине, во время той поездки Дарден "имел разговоры о технологиях с китайскими чиновниками высокого уровня".

10-11 ноября в Пекине состоялся саммит Азиатско-Тихоокеанского экономического сотрудничества (АТЭС). Агентство CNN опубликовало статью, посвященную некоторым деталям этой встречи. Оказывается, в составе делегации США президент Барак Обама привез совладельца CIP Джей Ти Вона, который был принят председателем КНР Си Цзиньпином. Стороны пришли к решению о создании специальной зоны в городском округе Баодин рядом с Пекином для промышленного выпуска генераторов E-Cat.

Конкуренция ожиданий

В различных странах мира сейчас пытаются построить аналоги генератора Росси. На сайте ECAT.com можно найти список групп, работающих над изучением низкоэнергетических ядерных реакций. В него входят группы из 34 университетов, 25 государственных научных лабораторий и девять компаний. В числе последних - японские Mitsubishi Heavy Industries и Toyota R&D Center, британская Royal Dutch Shell, американские Boeing Research and Technology, JET Energy Technology, Energetics, Brillouin Energy, Coolescence, JWK Technologies Corporation.

Через неделю после пекинского саммита АТЭС индийский сайт Business Standard сообщил, что несколько ведущих физиков-ядерщиков Индии при поддержке экс-главы комиссии по атомной энергии Индии Шрикумара Банерджи (Srikumar Banerjee) пытаются убедить правительство страны создать целевую группу для исследования холодного ядерного синтеза. В качестве аргумента они приводят китайцев, создающих центр в Баодине.

Самый дорогой научный проект

21 ноября 2006 г. в Париже, в Елисейском дворце, представители Евросоюза, Индии, Китая, Кореи, России, США и Японии подписали соглашение о строительстве Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER) на юге Франции, в 60 км от Марселя. Первоначально стоимость проекта оценивалась в $6 млрд, однако с тех пор она выросла до $50 млрд. Это в пять раз дороже Большого адронного коллайдера (LHC), на который потрачено около $10 млрд.

Непосредственно монтаж реактора ITER планируется начать в 2015 г. и завершить в 2019 г. Высота токамака должна составить 29 м (как девятиэтажное здание), почти такого же размера будет его диаметр - 28,6 м. Первые эксперименты намечены на 2021 г., а начало полноценного функционирования реактора - на 2025 г. Основная цель на данном этапе - убедиться в том, что термоядерный синтез может стать эффективным источником энергии. Однако ITER преследует и научные цели: изучить физику плазмы в условиях реактора, а также найти способы усовершенствования технологий термоядерного синтеза. В 2035 г. начнется строительство первого прототипа термоядерной электростанции - реактора DEMO, который должен быть запущен в 2045 г. Согласно проекту он сможет производить от 2 до 4 ГВт электроэнергии. А на 2055 г. намечен запуск первой в мире промышленной термоядерной электростанции.

Как это работает

Термоядерная реакция представляет собой слияние легких атомных ядер в более тяжелые. Однако в обычных условиях ядра атомов не могут сблизиться, утверждает теория. Им мешает так называемый кулоновский барьер - взаимное отталкивание одинаково заряженных тел. Только при температурах в миллионы градусов по Кельвину кулоновский барьер может быть преодолен и начинается самоподдерживающаяся термоядерная реакция. Именно из-за проблем достижения сверхвысоких температур и удержания плазмы так надолго застопорилась идея получения термоядерной энергии. А так называемый холодный ядерный синтез, когда реакция происходит при комнатной температуре, еще недавно официальной наукой вообще не признавался. К сообщениям об осуществлении холодного ядерного синтеза стали относиться скептически после инцидента, произошедшего в 1989 г. Тогда физики Мартин Флейшман (Martin Fleischmann) и Стэнли Понс (Stanley Pons) заявили, что добились осуществления ядерного синтеза в приборе для электролиза воды. Однако другие группы не смогли повторить результаты ученых.