Физика будущего - Мичио Каку

Когда реактор будет наконец запущен, он будет нагревать водородную плазму до температуры в 150 млн градусов, что намного превосходит 15 млн градусов в центре Солнца. Если все пойдет хорошо, он будет вырабатывать 500 МВт, т. е. в 10 раз больше, чем потреблять. (Нынешний рекорд для термоядерной энергии — 16 МВт, которые генерирует европейский реактор Joint European Torus в Калэмском научном центре в графстве Оксфордшир, Великобритания). После некоторых задержек выход ITER «в нуль» по балансу мощности назначен на 2019 г.

ITER, как и остальные действующие и строящиеся термоядерные реакторы, — все еще научный проект. Он не предназначен для выработки электроэнергии. Однако физики уже сегодня готовят базу для следующего шага — коммерческого производства термоядерной энергии. Фаррох Наджмабади, руководитель рабочей группы по анализу различных проектов термоядерных электростанций, предлагает проект ARIES-AT — токамак размером меньше европейского ITER, который, по расчетам, должен производить 1 ГВт по цене около 5 центов за киловатт-час, что сделает его конкурентоспособным по отношению к электростанциям на ископаемом топливе. Но даже Наджмабади, большой оптимист во всем, что связано с термоядерным синтезом, признает, что всерьез выйти на рынок термоядерная энергия сможет не раньше середины века.

Еще один коммерческий проект — термоядерный реактор DEMO. Если ITER, по проекту, должен будет производить 500 МВт в течение не менее 500 с., то DEMO проектируется так, чтобы генерировать энергию непрерывно. Кроме того, в DEMO должен присутствовать один дополнительный элемент, которого нет в ITER. Дело в том, что при слиянии двух ядер водорода возникает лишний нейтрон, который затем быстро вылетает из камеры реактора. Но можно окружить камеру специальным покрытием, известным как бланкет, предназначенным исключительно для того, чтобы поглотить энергию этого нейтрона. Поглощая нейтроны, бланкет нагревается. Вода в трубах, проходящих внутри его, нагревается и закипает. Образовавшийся пар направляют в турбину, которая, в свою очередь, вращает электрогенератор.

Если все пойдет как надо, реактор DEMO будет запущен в 2033 г. Планируется, что по размерам он будет на 15 % крупнее ITER, а энергии будет вырабатывать в 25 раз больше, чем потреблять. По проекту DEMO будет производить 2 ГВт энергии, что сделает его сравнимым с традиционными электростанциями. Если проект DEMO будет реализован успешно, начнется стремительное внедрение отработанной технологии.

Однако пока неясностей хватает. Проблема финансирования строительства ITER уже решена, но DEMO находится еще на стадии планирования, а значит, задержки неизбежны.

Специалисты по термоядерному синтезу уверены, что решающие ступени на пути к управляемому термояду уже пройдены. После десятков лет неоправданного оптимизма и неудач они различают впереди контуры будущих промышленных реакторов. В настоящий момент имеется не одна, а целых две разные конструкции (NIF и ITER), которые могут со временем принести энергию ядерного синтеза в каждый дом. Но пока ни тот ни другой проекты не доведены до уровня экономической целесообразности, остается место для самых разных неожиданностей, таких как холодный синтез или пузырьковый синтез.

Настольные установки для ядерного синтеза

Ставки в этой игре настолько высоки, что нельзя упускать из виду вероятности решения проблемы с совершенно иной, неожиданной стороны. Механизм ядерного синтеза хорошо известен, и существуют научные идеи, которые совершенно не укладываются в общее русло гигантских научных проектов с несметным финансированием и тем не менее имеют смысл. Некоторые из этих странных идей могут когда-нибудь принести плоды в виде настольных установок холодного ядерного синтеза.

В финальной сцене фильма «Назад в будущее» мы видим, как безумный ученый Док Браун заправляет свою машину времени — автомобиль «Делориан». Вместо того чтобы залить в бак бензин, он роется в мусорных ящиках в поисках банановых шкурок и другого мусора, а затем загружает все это в маленький контейнер под названием мистер Фьюжн (т. е. мистер Синтез).

Возможно ли, что в результате какого-нибудь неожиданного научного открытия всего через сотню лет громадные установки размером с многоэтажный дом съежатся до размера кофе-машин, как в фильме?

Один из серьезных вариантов реализации холодного синтеза носит название сонолюминесценция. Дело в том, что схлопывание пузырьков газа в жидкости приводит к возникновению чрезвычайно высоких температур. Иногда такое явление называют акустическим, или пузырьковым, синтезом. Вообще, этот любопытный эффект известен давно; еще в 1934 г. ученые Кёльнского университета экспериментировали с ультразвуком и фотопленками, надеясь ускорить процесс их проявления, и обратили внимание на крохотные точки на пленке. Точки фиксировали вспышки света, возникавшие в кавитационных пузырьках, которые ультразвук создавал в жидкости. Позже нацисты заметили, что пузыри, уходящие от винтов, часто светятся, указывая на то, что внутри их почему-то возникают высокие температуры.

Позже было установлено, что пузырьки ярко светились потому, что схлопывание происходило равномерно, и воздух внутри пузырьков, быстро сжимаясь, нагревался до необычайно высоких температур. Горячему синтезу, как мы уже видели, очень мешает недостаточно хорошая синхронизация и фокусировка лазерных лучей на мишени или неравномерное сжатие газа. А при схлопывании пузырька молекулы движутся так быстро, что давление воздуха внутри пузырька быстро выравнивается вдоль его стенки. В принципе, если схлопывание происходит в таких идеальных условиях, нельзя ли получить внутри пузырька достаточные условия для ядерного синтеза?

В экспериментах по сонолюминесценции ученым удалось получить температуры в десятки тысяч градусов. Если использовать инертные газы, можно существенно увеличить яркость света, излучаемого из пузырьков. Однако пока непонятно, может ли в этих условиях быть достигнута температура, достаточно высокая для ядерного синтеза. Масла в огонь подлила статья Рузи Талейархана (Rusi Taleyarkhan), работавшего прежде в Национальной лаборатории Окридж, который заявил в 2002 г., что получил реакцию ядерного синтеза на своей ультразвуковой установке. Он утверждал, что зарегистрировал в ходе эксперимента нейтроны — верный признак ядерного синтеза. Однако за несколько лет другим исследователям не удалось повторить его работу, поэтому результат Талейархана на данный момент считается недостоверным.

Еще одна темная лошадка — установка Фило Фарнсуорта (Philo Farnsworth), непризнанного соизобретателя телевидения. Еще ребенком Фарнсуорт придумал телевизор, наблюдая, как фермер распахивает свое поле, ряд за рядом, из стороны в сторону. В возрасте 14 лет он даже зарисовал детали своего изобретения — и он же первым воплотил идею в полностью электронное устройство, способное выводить на экран движущееся изображение. К несчастью, Фарнсуорту не довелось насладиться плодами своего эпохального изобретения, все его претензии потонули в бесконечных путаных патентных тяжбах с корпорацией RCA. Юридические баталии буквально свели изобретателя с ума, и кончилось тем, что он добровольно лег на лечение в психиатрическую больницу. Его новаторские работы в области телевидения в значительной степени остались незамеченными.

Много позже Фарнсуорт переключил свое внимание на фьюзор — небольшое настольное устройство, способное генерировать нейтроны путем ядерного синтеза. Прибор состоит из двух больших сфер из проволочной сетки, одна из которых располагается внутри другой. Внешняя сфера заряжена положительно, внутренняя — отрицательно, так что вводимые внутрь протоны отталкиваются от внешней сетки и притягиваются к внутренней. Затем протоны бомбардируют богатую водородом мишень в центре сфер, порождая реакцию синтеза и выброс нейтронов.

Конструкция фьюзора настолько проста, что даже старшекласснику под силу сделать то, чего не смогли добиться Рихтер, Понс и Флейшманн: получить поток нейтронов в результате ядерного синтеза. Однако маловероятно, что при помощи такого устройства можно будет когда-нибудь получать энергию. Число ускоряемых в нем протонов чрезвычайно мало, так что и полученная энергия будет минимальной.

Вообще говоря, реакцию ядерного синтеза можно получить на небольшой установке с использованием стандартного ускорителя атомов или частиц. Ускоритель атомов — более сложное устройство, чем фьюзор, но с его помощью тоже можно разгонять протоны и направлять их в богатую водородом мишень, вызывая реакцию синтеза. Но опять же число протонов при этом совсем невелико, и практического выхода энергии добиться невозможно. Вывод прост: при помощи фьюзора или атомного ускорителя можно провести реакцию ядерного синтеза, но эти устройства слишком неэффективны, чтобы служить источниками дешевой энергии.