Ядерная энергетика дает сейчас около 17% от мирового производства электроэнергии (в России - 12%). Сможет ли она обеспечить большую часть энергетических потребностей Человечества?
В природном уране доля изотопа с атомным весом 235 - собственно ядерного топлив - составляет всего 0.7%. Известные запасы урана заключают в себе энергию урана-235, эквивалентную примерно 15% мировых запасов нефти и газа. Изотоп же урана с атомным весом 238, составляющий остальные 99.3% способный под действием нейтронного излучения превращаться в плутоний, может обеспечить Человечество энергией на века. Но скорость такого превращения весьма мала. Наработка плутония займет многие десятилетия, и вторичное ядерное топливо не может стать основой глобальной энергетики XXI века - в лучшем случае это век XXII-й.
Очевидное решение вопроса - термоядерная энергетика. Но... Если ядерный реактор деления появился даже раньше бомбы, то взрывная неуправляемая реакция синтеза освоена оружейниками почти полвека назад, а электростанции - где? Уже вступили в самостоятельную жизнь поколения людей, родившихся во времена предполагавшегося расцвета термоядерной энергетики, а той как не было, так и нет.
Деление ядер может идти при любых температурах. Другое дело - синтез: эти реакции оттого и зовутся термоядерными, что требуют громадных температур и давлений. В термоядерном боеприпасе они создаются путем взрыва уранового или плутониевого заряда. Для осуществления же управляемого термоядерного синтеза (УТС) видятся два пути. Первый - наиболее старый - УТС с магнитным удержанием плазмы, собственно, медленное горение, когда шнур из ионизированного топлива удерживается, сжимается и нагревается сильнейшим магнитным полем. Работы по магнитному удержанию плазмы были начаты у нас И.Е.Таммом и А.Д.Сахаровым в 1950 г. - еще до того , как был создан термоядерный боеприпас.
Вскоре после изобретения лазеров, в 1962 г., академиками Н.Г.Басовым и А.Д. Сахоровым был предложен и другой путь - УТС с инерционным удержанием: компактная "горошинка" из топливного материала облучается со всех сторон мощными импульсами лазерного излучения (позже возникли идеи использования в тех е целях, например, электронных лучей), и испарение и расширение внешних слоев происходит настолько интенсивно, что внутренняя часть топлива сжимается и нагревается до термоядерных температур; установка работает в режиме периодических вспышек - микровзрывов, примерно как поршневой двигатель внутреннего сгорания.
Но в обоих случаях пока не решена задача нагрева и сжатия топлива, осуществляемого так, чтобы затраты не превышали бы энерговыделения термоядерной реакции - и это еще не все.
Технически наиболее просто получить термоядерный синтез в смеси дейтерия с тритием, все другие компоненты требуют гораздо более высоких температур. Но если дейтерия в природе предостаточно (его можно добывать из обычной воды), то трития нет - он радиоактивный и долго не живет.
Его можно получать при облучении нейтронами лития. Однако реакция одного атома дейтерия с одним атомом лития дает один нейтрон, и один нейтрон нужен для получения одного атома трития из лития. Иными словами, нужна 100% утилизация нейтронов, испускаемых в реакции синтеза (чего в принципе быть не может), и абсолютное недопущение каких бы то ни было потерь трития (нереальность этого требования также очевидна).
Обеспечить тритием экспериментальную термоядерную установку или даже промышленный энергоагрегат нетрудно: достаточно потока нейтронов от уранового (плутониевого) реактора. Но глобальную энергетику на этом не построишь: чтобы уран-плутониевые реакторы могли существовать в сколько-нибудь продолжительной исторической перспективе, они должны нарабатывать вторичное ядерное топливо, на что нейтронный поток и будет расходоваться. А на тритий останется не так уж и много.
Останется использовать размножители нейтронов. Если в ядро атома бериллия попадает нейтрон, оно испускает два нейтрона (и делиться на два ядра гелия). Цикл воспроизводства трития замыкается, но сколько же нужно бериллия? Даже для покрытия половины современного энергопотребления Человечества дейтерий-тритиевой энергетикой придется ежегодно сжигать около 1250 т бериллия, в то время как добывается его сейчас в мире в 10 раз меньше! Далее, при реально достижимых в термоядерных реакторах плотностях нейтронных потоков выгорание бериллия составит доли процента в год, то есть в реакторах его должно находится еще в сотни раз больше. Соответственно, первоначальная закладка бериллия в реакторы составит тысячи годовых добыч!
Доктор физико-математических наук Геннадий Алексеевич Иванов из ВНИ технической физики (г. Снежинск, бывший Челябинск-70), участник создания отечественного термоядерного оружия, предложил остроумный вариант резкого ускорения работы по термоядерной энергетике. Пусть мы не умеем поддерживать медленное термоядерное горение или получать термоядерные вспышки с энерговыделением в граммы или килограммы тротилового эквивалента. Но производить термоядерные взрывы с энерговыделением в килотонны и десятки килотонн тротилового эквивалента мы умеем, и умеем хорошо - так вот, их и давайте использовать для целей энергетики! Для этого их нужно производить в неразрушаемых емкостях - котлах взрывного сгорания (КВС).
КВС - это громадная бочка из железобетона, облицованная изнутри сталью. КВС, способный выдерживать взрыв в 10 Кт тротилового эквивалента, имеет диаметр порядка 150 м, высоту - 200-300 и толщину железобетонной стенки 25 м. Толщина стальной облицовки - 20 см.
За несколько секунд до взрыва в рабочую камеру нагнетается теплоноситель - жидкий натрий. Его перекрывающиеся фонтаны образую защитную завесу, смягчающую и размазывающую по времени действие ударной волны на стенки котла. При этом натрий нагревается и частично испаряется (а потом испарившийся - конденсируется, когда после взрыва внутренность котла орошается дождиком холодного натрия). Огромное давление ударной волны действует в течении ничтожно малых долей секунды. Если же его "размазать" во времени на пути от места взрыва до стенок взрывной камеры, то на них буде действовать уже не более 40 атм. Нагретый натрий запасается в тепловом аккумуляторе, и его хватает (с некоторым избытком) на несколько десятков минут работы энергоагрегатоа - до следующего взрыва. Если взрываь 10-килтонные заряды примерно раз в 25 мин, тепловая мощность энергоагрегата составит 25 ГВт (а электрическая - около 10 ГВт).

Проблем создания высоких температур и давлений снята тем, что термоядерная реакция инициируется взрывом уранового или плутониевого заряда. Поэтому топливом может служить недефицитный дейтерий. Соотношение мощности, выделяемой ураном (плутонием) и дейтерием - от 1:10 до 1:500 (1 условная единица мощности - от ядерного взрыва, 9 - 499 - от термоядерного).
В энергозаряд помещаются ядерный детонатор, дейтерий и воспроизводящий материал - уран-238 или торий, который, будучи обучен нейтронами, превратиться в делящийся материал для новых детонаторов или для реакторного топлива. Из-за того, что потоки нейтронов во взрыве гораздо плотнее, чем в любом реакторе, эффективность такого превращения значительно выше. Все, что осталось от энергозаряда, - несгоревшее топливо, продукты сгорания, распыленные конструкционные материалы и наработанный делящийся материал, - оказывается растворено в жидком натрии, и из него придется все это выделять и возвращать в соответствующие циклы использования.
Чем привлекательна идея КВС? В ее осуществлении нет принципиальных проблем, срок разрешения которых заранее не поддается определению. Большая часть того, что нужно для КВС-электростанции, уже когда-то где-то кем-то делалось; по технологиям же, которые предстоит разработать, есть хороший задел. Далее, малая материалоемкость, причем в сравнении как с атомными реакторами, так и с угольными ТЭС. Наконец, малые затраты на топливо (делящихся материалов требуется гораздо меньше, чем на АЭС, эффективность и скорость их воспроизводства выше, а дейтерий поучается перегонкой простой воды).
А безопасность? Энергозаряд буде собираться манипуляторами непосредственно во взрывной камере из двух частей, каждая из которых по отдельности является безобидной. Максимум, что может произойти нехорошего, - это его взрыв в отсутствие натриевой защитной стенки в камере. По расчетам, в таком случае внутренняя стальная оболочка будет сильно повреждена, что сделает котел непригодным к дальнейшей эксплуатации, но утечки радиоактивных материалов наружу не произойдет.
Парадокс, но именно взрывное выделение энергии само по себе - гарантия безопасности. Если используется медленное выделение энергии, могут сложиться условия, при которых оно резко ускорится, - и установка пойдет вразнос, вплоть до взрыва; катастрофа на Чернобыльской АЭС - наглядный приме. Но если взрывной режим - штатный, а выделение энергии уже при нормальной работе идет с максимально возможной скоростью - ускорять его некуда, и отклонения от расчетного режима возможны только в сторону уменьшения мощности. Что, естественно, никакой угрозы не представляет.
По расчетам Г.А.Иванова, себестоимость энергии КВС, даже при сегодняшних ценах на органическое топлив, будет наименьшей. Ожидаемый срок окупаемости - от года до двух (и это не самая оптимистичная оценка). Электроэнергия от КВС может стать и выгодным экспортным товаром, а при большом масштабе ее производства - и основой благополучия экономики страны.
Дешевизна энергия КВС дает еще одно преимущество. Многие производства становятся нерентабельным при выполнении всех необходимых природоохранных мероприятий, поэтому от таковых отказываются. При дешевой же энергии природоохранные мероприятия будут неразорительны, что позволит выполнять их в достаточном (или, по крайней мере, большем, чем сейчас) объеме.
Базовым для энергетики будущего, по мнению сотрудников ВНИИТФ, МОЖЕТ САТЬ КВС 10/25 (первая цифра означает мощность одного энергозаряда в килотоннах тротилового эквивалента, вторая - снимаемую тепловую мощность в гигаваттах). Прорабатывался и эскизный проект КВС 50/100.
С чего предлагается начать? С экспериментальной установки (КВСЭ), способной давать коммерчески выгодную энергию. Задача выглядит гораздо более легкой, чем строительство Первой АЭС в Обнинске, ибо предлагается использовать уже готовую (или создаваемую помимо КВС для другого использования) "обвязку". Если построить КВСЭ в Озерске (прежнее название - Челябинска -65), то для переработки топлива можно использовать мощности комбината "Маяк", а для выработки электроэнергии - энергоагрегаты строящейся Южно-Уральской АЭС. ЮУАЭС будет оснащена реактором БН-800 на быстрых нейтронах, имеющим тот же самый теплоноситель из жидкого натрия, что и КВС. В итоге, если удастся вывести КВСЭ на режим КВС 3/6, электрическая мощность ЮУАЭС возрастет раза в 3.5 по сравнению с одним БН-800, а затраты на повышение мощности не должны превысить половины от базовых.
Мощность КВСЭ придется наращивать медленно, выявляя слабые места и запасы. Начать можно со взрывов в 1 Кт., а через год или два выйти на номинальный режим. Если взрывная камера котла сможет долгосрочно выдерживать взрывы в в 2-4 Кт тротилового эквивалента по одному-два в час, то тепловая мощность КВСЭ составит от 2 до 9 ГВт, а электрическая от 0.7 до 3 ГВт. А уже после сколько-нибудь длительного опробования КВСЭ на номинальном режиме можно будет переходить и к строительству КВС 10/25.
Но КВС - это еще не вся энергетика, скажет кто-нибудь. Это электро- и (частично, доя городов, близких к электростанциям) теплоснабжение. А для того, что движется, - используя энергию КВС, либо разлагать воду и использовать получающийся водород в качестве моторного топлива, либо производить из угля и того же водорода синтетическое жидкое топливо.
Разумеется, и КВС - отнюдь не на веки вечные. Все-таки заманчивой остается идея осуществить термоядерный синтез, не привлекая (даже для 0.2% энерговыделения) делящихся материалов. А еще хорошо бы обуздать ту энергию, что гуляет в атмосфере в виде смерчей и торнадо... Я уверен, что это будет. Но нам сейчас не дано видеть - когда.
А вот у авторов идеи КВС на вопрос "Когда?" есть четкий ответ: внедрение можно осуществить за пятилетку. Вряд ли сходу надо строить столько мощных КВС, сколько мы осилим (хотя, может быть, уже и пора...). Но экспериментальную установку безусловно нужно делать уже сейчас. А за ней - и что-то более мощное. Чтобы иметь уверенность в том, что мы можем, и нарабатывать опыт. Чтобы не оказаться безоружными к тому моменту, когда клюнет жаренный петух. Причем представляется принципиально важным начать эти работы, пока еще трудятся на своих местах специалисты, разрабатывавшие реально испытанные в натуре ядерные боеприпасы.

ОТ РЕДАКЦИИ.
Воистину - нечто не ново под Луной. Еще в № 3 за 1976 г. "ТМ" рассказывала о проекте "ядерно-взрывной электростанции" кандидата геолого-минералогических наук Джумы Хамраева. Но... какие шансы на реализацию имела сложнейшая конструкция, призванная "переварить" излучение ядерного взрыва в вакуумированной камере?

[ вверх ]

Книга: ВЗРЫВНАЯ ДЕЙТЕРИЕВАЯ ЭНЕРГЕТИКА djvu-файл, 3.70 МБ СКАЧАТЬ Г.А. Иванов, Н.П. Волошин, А.С. Танеев, Ф.П. Крупин, С.Ю. Кузьминых, Б.В. Литвинов, А.И. Свалухин, Л.И. Шибаршов. Снежинск: Изд-во РФЯЦ - ВНИИТФ, 2004. -288 с, ил. Издание представляет собой монографию, посвященную проблемам глобальной энергетики. В ней предложена концепция взрывной дейтериевой термоядерной энергетики на основе котла взрывного сгорания (КВС), разработанного РФЯЦ - ВНИИТФ, г. Снежинск. В монографии авторы рассматривают физические предпосылки грядущей глобальной энергетической катастрофы, техническую осуществимость создания КВС на основе уже имеющихся технологий, вопросы стоимости энергии будущего и экологическую обстановку в масштабе земной цивилизации. Обсуждаются научно-технические, природно-географические и экономические предпосылки, позволяющие России стать родоначальницей взрывной дейтериевой энергетики. Книга предназначена для физиков и экологов, энергетиков и предпринимателей, всех тех, кого интересуют возможности решения энергетических проблем в мире в ближайшие десятилетия.

С сайта salon.extech.ru

В конце 1996 г. ученые-ядерщики из г. Снежинска Челябинской области объявили о реальной возможности создать термоядерную энергетику. Они разработали предварительный проект постройки первой промышленной теплоэлектростанции, работающей за счет регулярных взрывов небольших термоядерных дейтериевых энергозарядов в специальном котле взрывного сгорания (КВС). Базовый вариант КВС-10 имеет вид усеченного конуса

Конструкция реактора КВС-10

внутренняя высота - 140 м, средний диаметр - 110 м, внутри двойная стальная стенка с железобетонной оболочкой 30-метровой толщины. Энергию и импульс взрыва принимают на себя падающие слои теплоносителя - смеси жидкого натрия и калия. Теплоноситель, упавший на дно КВС и разогретый взрывом до 550 С, перекачивается наверх и через теплообменники передает тепло во второй контур, а далее все аналогично атомным станциям, в которых роль теплоносителя выполняет жидкий натрий.

Параметры топливного цикла КВС-10

Взрывы энергозарядов в 10 килотонн тротилового эквивалента каждые полчаса дадут около 30 миллионов киловатт общей мощности, в том числе 10 - электрической мощности и 20 - тепловой! КВС окупится за один-два года и будет давать очень дешевую энергию (до 0,01 $ за киловатт-час) еще 50 лет! Есть основания полагать, что Россия сможет запустить первый КВС в 2005 году в интересах сохранения мира и цивилизации на планете. Взрывные термоядерные теплоэлектростанции, сжигая неисчерпаемые запасы "тяжелой воды" (превращая дейтерий в ценный инертный газ гелий), дадут всему миру дешевую, безопасную и экологически чистую энергию.

[ вверх ]

Послесловие от сайта "ГОРИЗОНТ ВОЗМОЖНОГО"

Здесь собран только позитивный взгляд на технологию. Но существует и обширная критика концепции. Многие специалисты называют затею снеженцев "сном разума". Суть не в обывательском страхе перед ядерными взрывами. Существует ряд реальных технических проблем. На дне камеры кратер-озеро кипящего и радиоактивного натрия. Смогут ли люди научиться обращаться с таким объемом столь капризного материала? Реакторщики выражают сомнение. Даже в обычных ядерных котлах существует масса проблем, решаемых на грани технологических возможностей. КВС же (считают они) будет просто запредельно сложной в обслуживании установкой. Специалисты-скептики заявляют, что КВС просто "рухнет" под тяжестью множества частных трудностей с эксплуатацией и безопасностью. Установка слишком велика. Другое препятствие - высокий экономический барьер инновации. Подобный реактор по объему строительных работ сравним с крупной ГЭС. Даже экспериментальный КВС потребует огромных капиталовложений сразу, чтобы вернуть вложенное потом, за десятки лет. А будет ли отдача на самом деле? Еще одна неприятная сторона взрывной дейтериевой энергетики опять же связана с размерами - чрезмерно высокая мощность реактора. Как тепловая, так и электрическая. Для нашей цивилизации, которая достаточно вольготно раскинулась по поверхности планеты Земля, просто не удобно иметь такие мощные точечные источники энергии. Линии электропередач для раздачи тока потребителям на огромных площадях вокруг реактора, даже если сбросить со счетов омические потери, сами являются дорогим сооружением. Людям выгодней иметь 10 удаленных друг от друга станций по 1 ГВт, чем одну на 10 ГВт. О побочном тепле - и говорить не приходится, его далеко не передашь. Станцию придеться окружить целым городом сопутствующих производств, что будут утилизировать калории, не превратившиеся в электроэнергию. В общем, размер установки играет скорей против нее, чем за нее. Совсем непреодолимы политические проблемы и сопротивление "общественного мнения". Современный мир настроен против любого атома, а такого - тем более. Поэтому котел вспышечного сгорания вряд ли будет реализована завтра. Но что если применить эту идею к послезавтра? Подумайте, в космосе на лунах, астероидах, кометах, в поясе Койпера и области Оорта нет таких требований к радиоактивной безопасности как на Земле. Там и естественный фон радиации зашкаливает. Зато в условиях вакуума и пониженной гравитации можно строить гигантские полые сооружения не боясь обрушения купола под собственным весом (что и ограничивает размеры КВС на Земле, делая их похожими на доменные печи, высокими и узкими). Расплатой за низкую гравитацию там будет проблема с оседанием натриевой завесы. Даже на Земле ее не так просто заставить выпасть дождем в натриевое озеро, а в условиях пониженной гравитации это вообще станет невозможным. Другая специфика космоса - глубокий вакуум, что можно рассматривать и как плюс, и как минус. Возможно, для использования КВС в космосе придется сильно пересмотреть концепцию, в чем-то вернуться к "первоначальной" схеме Хамраева? Никто, насколько мне известно, пока не пытался рассматривать КВС в приложении к космосу. Но именно там, недостатки установки могут стать неважными и даже превратиться в достоинства. Космическая цивилизация будет нуждаться именно в локальных, "точечных" сверхгенераторах энергии в 100-1000 раз более мощных, чем мощность всей цивилизации планеты Земля сейчас. Для сбора солнечной энергии такого порядка потребуются астросооружения планетарных размеров. В любом случае цена солнечной энергии в космосе, даже если допустить ее высокую рентабельность (что вряд ли правда), растет квадратично с удалением от Солнца. А далекая от светила "зона льда" обладает рядом неоспоримых достоинств. Например, гигантские запасы негэнтропии в виде замороженной воды. Да и сами ледяные поля планетоидов являются прекрасным естественным радиатором для тепловых машин, обещая невиданный на Земле тепловой КПД. Единственным препятствием в бесконечном наращивании добычи энергии методом КВС может оказаться торий и уран. Они необходимы в "витаминных" дозах, но эти элементы крайне редких во вселенной. При безудержном производстве сотен и тысяч тераватт методом КВС затраты тория или урана становятся существенными и при бестолковом расточительстве быстро опустошат мыслимые источники редкого сырья где бы то ни было. Энергия никогда не станет бесплатной. Но в силу ряда названных и неназванных особенностей может случится так, что именно батареи циклопических энергоустановок КВС на малых небесных телах запитают многокилометровые массивы лазеров, которые запустят межзвездные световые парусники к чужим звездам. Либо цепочки КВС могут подать целые реки тока на ускорители, которые создадут луч материи, разгоняющий магнитные паруса. Кто знает? А. Семенов, октябрь, 2012 г.

__________________________________________________ [ вверх ] [ оглавление ]