Сверхприоритетная международная программа перехода к экономике термоядерного синтеза

Из брошюры Комитета политических действий Ларуша "Атомная NAWAPA — начало экономики, основанной на энергетике управляемого ядерного синтеза".

Международное сотрудничество для объединения творческих способностей и физических ресурсов для прорыва в области термоядерного синтеза — сильно запаздывающий шаг в эволюции человечества, в том же ряду, что и прошлые переходы от сжигания древесины к углю, затем нефти и природному газу, а затем и атомной энергии.

Повышение плотности потоков энергии в экономике и возможности создания большей мощности на единицу площади потребует множества технологий, строительства объектов инфраструктуры и новых производств. Термоядерный синтез даст практически неограниченное количество энергии, ведь в одном литре морской воды содержится энергии столько же, сколько в трехстах литрах нефти.

С использованием термоядерного синтеза человечество войдет в область физики высоких плотностей энергии, где речь идет о термоядерных реакциях и плазме с плотностью энергии порядка 1011 Дж/см3 — в миллиард раз больше, чем в аккумуляторе смартфона, а также о динамической взаимосвязи плазм, лазеров, термоядерного синтеза и реакций антивещества. Петаваттные лазеры сверхвысокой мощности могут генерировать чрезвычайно короткие импульсы излучения в 1000 раз большую суммарной энергии всей энергетической сети США.

Новая технологическая платформа даст жизнь самым разнообразным технологиям и экспериментальным установкам, связанным с термоядерным синтезом, от лазеров высокой мощности до ускорителей частиц, генераторов высокотемпературной плазмы, новых технологий применения направленной энергии. Эти технологии будут находиться в динамической взаимосвязи и дополнять друг друга в преобразовании всей экономической системы человечества, освобождая его от страха перед ограниченностью ресурсов. Для выхода на такой уровень развития нужна срочная программа сравнимая с Манхэттенским проектом или программой Аполлон, но в международном масштабе.

Для глубоких преобразований потребуется время, но некоторые технологии термоядерного синтеза могут дать экономический эффект и относительно быстро.

В начале работ в области термоядерного синтеза гениальный провидец Эдвард Теллер, со-основатель Ливерморской национальной лаборатории и сторонник Стратегической оборонной инициативы, поддерживал идею использования энергии реакций синтеза для мирных ядерных взрывов. Было описано, как можно таким образом радикально изменить параметры строительства каналов и портов, горного дела, создания водоносных формаций, строительства туннелей, т. е. использовать для замены широкомасштабных земляных работ. Сегодня ядерные взрывы в мирных целях можно использовать для сокращения сроков строительства и удешевления мегапроектов огромной важности, таких как NAWAPA XXI.

Для обработки материалов и сырья можно использовать плазменные горелки с температурами ниже температур синтеза, но вполне достаточными, чтобы резать и разделять многие материалы на элементы и изотопы. То есть, химические и ядерные "отходы" можно превращать в ценное сырье. Плазменные горелки могут стать трамплином для достижения самоподдерживающегося ядерного синтеза, который в свою очередь откроет возможность извлекать железо, медь, алюминий и многое другое ценное сырье практически из любого грунта , и перерабатывать ценное сырье, ныне скрытое на свалках.

Ядерный синтез позволит создавать совершенно новые материалы с новыми свойствами, а также производить трансмутацию элементов. Уже проводились эксперименты по превращению золота в платину с помощью Петаваттные лазеров.

Термоядерный синтез подтверждает неограниченность ресурсов и отсутствие пределов роста. Широкомасштабное внедрение некоторых из этих технологий потребует работы поколений, но для того, чтобы они стали реальностью, работу нужно начинать сегодня. И первые шаги к созданию экономики на основе термоядерной энергетики ближе, чем кому-то может казаться.

1. Новый Манхэттенский проект

Замедление разработок в области ядерного синтеза в последние сорок лет произошло по политическим причинам, и никак не связано с научными затруднениями. Например, в 1980 году Конгресс по инициативе конгрессмена Майкла Маккормака принял закон "О технологии термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы", призывавший к резкому увеличению финансирования ядерного синтеза и строительству к 2000 году реактора термоядерного синтеза с магнитным удержанием. Прорыв не состоялся из-за отсутствия финансирования.

Необходимо политическое решение о развитии ядерной энергетики. При достаточном финансировании и поддержке правительств крупнейших стран эту идею можно воплотить в жизнь.

Ядерных физиков в различных странах мира (и в особенности ветеранов, занимавшихся НИР/ОКР в 1960-х годах, тех кто еще жив) нужно собрать вместе для подготовки плана такой программы. Смысл прост: не допускать "бухгалтеров", устранить бюрократию и дать ученым договориться, что нужно сделать с научной точки зрения. Следует проанализировать все научные, технические и инженерные предложения, включая альтернативные проекты реакторов ядерного синтеза, которые были заброшены по политическим или бюджетным причинам.

Выполнение такой сверхсрочной программы можно начинать, объединив ресурсы США, России, Китая, Японии, Южной Кореи, европейских и других стран, при поддержке существующих международных организаций, таких как МАГАТЭ.

Наряду с разработкой и практическим воплощением новой программы, можно в полном масштабе финансировать и ускорить выполнение целого ряда уже имеющихся программ ядерного синтеза, включая международный экспериментальный реактор (ITER), которые зависли из-за отсутствия средств или плохой координации.

В самих США нужно решительно увеличить финансирование программ исследований термоядерного синтеза, в то время как администрация Обамы их сокращает. Исследовательский центр Alcator C-Mod в Массачусетском технологическом институте, крупнейшем центре подготовки специалистов в области термоядерного синтеза, нужно сохранить. Необходимо расширить финансирование этих исследований в государственных лабораториях, университетах и крупных компаниях. То же самое можно сказать о китайском токамаке Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), и корейском Superconducting Tokamak Reactor (K-STAR), российско-итальянском проекте IGNITOR, и других.

Необходимо провести анализ всех действующих программ и прошлых предложений с точки зрения выработки неограниченной международной программы. В результате сложится перечень новых экспериментальных и демонстрационных проектов, над которыми можно будет начинать работать.

Термоядерный синтез — это не только неограниченный источник электроэнергии. Международная программа также займется применением термоядерного синтеза для обработки материалов и в новых производствах. Технологии применения термоядерного синтеза изменят взгляд на периодическую систему элементов и отношение к тому, что считать "природными ресурсами".

2. Термоядерный синтез в машиностроении и промышленном производстве

Температура плазмы термоядерных реакций достигает десятков и сотен миллионов градусов, любой известный нам материал при таких температурах разлагается на составляющие его элементы. Даже низкотемпературная плазма (несколько десятков тысяч градусов) уже используется в некоторых отраслях промышленности. Дуговая плазма используется в сварке и производстве специальных сталей, изотопы для медицинских и других целей получают методом плазменного разделения. Хотя низкотемпературная плазма не раскрывает весь потенциал ядерного синтеза, сферу ее применения следует расширять. Она указывает путь к освоению контролируемого ядерного синтеза во всей его полноте, открывающего новую страницу технологических и экономических возможностей человечества.

Расширение сферы применения плазменных технологий 1) углубит наши знания о плазме в целом, 2) будет способствовать разработке технологий обращения с плазмой и практическому ее применению, 3) позволит готовить ученых и производственных специалистов для использования плазменных технологий и технологий, связанных с ядерным синтезом, 4) даст возможность получать новые специализированные материалы, позволяющие преодолевать сложности, возникающие в исследовании термоядерного синтеза.

2.1 Термоядерная горелка

Конструкцию термоядерной горелки впервые предложили в 1969 году Бернард Истлунд и Вильям Гоу из Комиссии по ядерной энергии США. Предлагалось употреблять сверхвысокотемпературную плазму из активной зоны реактора термоядерного синтеза для дробления практически любого сырья (бедных руд, продуктов распада, морской воды, мусора со свалок, и т д.) на составляющие элементы. При контакте сырья с плазмой элементы распадаются на электроны и ионы, и искомые элементы (или изотопы) можно разделять по атомным числам или атомной массе, создавая чистые синтезированные "залежи" практически из любого вещества.

Например, в кубической миле обычного грунта содержится алюминия в 200 раз больше, чем выплавляет вся металлургия США, в 8 раз больше железа, в 100 — олова, в 6 раз больше цинка. Но большей частью эти металлы рассеяны, и современные технологии не позволяют их получить с приемлемой рентабельностью. На практике вряд ли потребуется перерабатывать произвольно выбранные участки земли, сказанное выше лишь указывает на потенциально доступные ресурсы — при наличии технологий на основе высоких энергий, таких как термоядерная горелка.

Бедные руды, сегодня не представляющие интереса, превратятся в доступное сырье. Сам грунт, земля, становится "рудой". Различный лом, уже содержащий химические элементы в концентрированном виде, можно перерабатывать в новое сырье. Городские свалки, где хаотически накапливаются требуемые нам элементы, превратятся в важнейший источник ценного сырья для переработки. Истлунд и Гоу писали, что термоядерная горелка станет эффективным средством получения сырья для промышленности.

Плазменную горелку можно создать на базе уже имеющихся технологий, не дожидаясь освоения технологий самоподдерживающихся термоядерных реакций. Еще в начале 1980-х компания TRW запатентовала и предлагала построить плазменную горелку, которую можно было бы использовать для переработки отработанного ядерного топлива и извлечения ценных изотопов1. Уже тогда "ядерные отходы" и "химические отходы" могли стать потенциальным сырьем, которое можно было перерабатывать на основе существующих технологий.

Возможность выбирать и получать изотопы и химические элементы в требуемых пропорциях и значительных количествах открывает перспективу революции в материаловедении. Например, с помощью изотопов можно подбирать свойства специальных сталей для их использования в высокотемпературных процессах, в термоядерных реакторах и космонавтике.

Термоядерная горелка и экономика, построенная на термоядерном синтезе, снимают вопрос "ограниченных ресурсов" и связанных с этим кризисов.

2.2 Химические технологии

Термоядерная горелка также может использоваться для преобразования энергии плазмы в излучение для обработки промышленного сырья и химических материалов.

Введение в термоядерную горелку определенных количеств "затравки" позволяет изменять и регулировать частоту и интенсивность излучения. Энергию термоядерной плазмы можно концентрировать в определенных узких спектральных диапазонах[1]. Через "передаточный" материал излучение направляется в жидкость или материалы в других состояниях. Частоту излучения можно подбирать в зависимости от типа обрабатываемого материала, это в значительной степени решит проблему существующих ограничений в обработке сыпучих материалов, связанных с поверхностной теплопередачей. Например, ультрафиолетовое излучение можно использовать для стерилизации промышленных стоков и питьевой воды[2].

            Нейтроны реакций синтеза можно использовать для прямого или косвенного нагрева технологических материалов до температур от 1000 до более 30000С. Также, прямо или после преобразования в зоне воспроизводства в гамма-лучи высокой энергии их можно использовать в качестве катализаторов химических реакций, т. е. энергия термоядерного синтеза преобразуется в химическую. Это позволит резко повысить эффективность производства промышленных химреактивов, для производства которых требуется много тепла или большая энергия активации, таких как водород, озон, окись углерода и муравьиная кислота. Эти технологии получения материалов и переработки химических веществ позволят производить их в любых количествах.

Высокотемпературная плазма позволяет радикально повысить качество и количество доступных ресурсов. Как писали в 1969 году Истлунд и Гоу, "есть видение перспективы, и природа, кажется, не ставит препятствий. Достижение цели будет зависеть от воли и желания людей".

3. Магнитогидродинамика и прямая конверсия

Необходимо возродить и развивать магнитогидродинамику. Эту технологию можно использовать с практически любыми источниками для получения электрической энергии непосредственно из высокотемпературной плазмы. Прямое преобразование делает ненужными огромные паровые турбины и потенциально может увеличить энергоотдачу топлива вдвое.

В 1980-х годах в США велись работы по разработке МГД-технологии на базе угля, в СССР экспериментировали с природным газом, в Японии с нефтью. Но главная цель — использовать МГД для выработки электроэнергии на основе термоядерном синтеза.

Смысл магнитогидродинамической конверсии в пропускании высокотемпературной плазмы через магнитное поле. Магнитное поле создает электрический ток в плазме, отбираемый электродами по всей длине плазменного канала. Движущиеся детали практически отсутствуют, плазма сама перемещается в магнитном поле.

Коэффициент полезного действия традиционных электростанций (угольных или атомных) около 30 – 40%, столько энергии топлива превращается в электричество генераторами, приводимыми в действие паровыми турбинами, остальное теряется в виде "тепловых потерь". Прямое преобразование в МГД почти удваивает этот показатель — до 50%. А дополнительное использование паровых турбин позволяет увеличить кпд до 60%.

В конце 1970-х годов ученым Аргоннской лаборатории удалось достичь кпд в 60% на атомной МГД-установке, они были уверены, что можно достичь и 80%.[3]

Несмотря на многообещающие результаты, работы по тематике МГД в 1980-х годах были практически свернуты.

Эти работы нужно возобновить. Если использовать в качестве топлива дейтерий и гелий-3 в магнитозамкнутой системе, заряженные частицы, получаемые в результате синтеза, будут непрерывно циркулировать в магнитном поле и производить электричество с кпд 70%.

4. Проект "Орало" и строительство с использованием мирных ядерных взрывов

Атомную энергию также можно использовать для взрывов в мирных целях в строительстве. Прецедент был в 1960-70-х, когда в США была программа "Орало".

Нам неизвестны подробности планов использования атомных взрывов для проекта NAWAPA, но в 1968 году Ральф Парсонс, чья компания подготовила первоначальный проект NAWAPA, поднимал вопрос о возможности использования атомных взрывов в строительстве в письме сенатору Франку Моссу, ведущему стороннику этого проекта[4].

Для строительства обновленных проектов NAWAPA XXI по переброске воды с Аляски и из Канады, где их в изобилии в засушливые регионы Северной Америки потребуется произвести огромный объем земляных работ — переместить около 21 кубических километров грунта. Плюс 39 туннелей (общей длинной 1920 км) и 8640 км каналов. В строительстве этих туннелей и каналов можно применить мирные атомные взрывы для расширения или углубления русел рек и водохранилищ системы, и даже для строительства новых глубоководных портов. Атомными взрывами можно перемещать грунт в масштабах затруднительных или невозможных при использовании обычных методов.

За два десятилетия по программе "Орало" было произведено 27 испытательных атомных взрывов, предлагалось использовать их в различных проектах, таких как создание искусственной бухты на мысе Томпсона на Аляске, а также в строительстве нового Панамского канала, уже на уровне моря. Программа была отражением оптимизма в отношении "мирного атома" президента Эйзенхауэра и продолжившего его политику Кеннеди.

Официально программа была завершена в 1970-х, но концепцию продолжали обсуждать и анализировать. Хорошо известна идея использования ядерных взрывов для проекта, обретшего второе дыхание — строительство канала Кра через территорию Таиланда, который позволил бы разгрузить перегруженный Малаккский пролив. Хотя строительство предполагается вести традиционными методами, проект привлек внимание ученых Ливерморской национальной лаборатории как раз в плане использования мирных ядерных взрывов. Чтобы рассеять опасения в возможном радиационном загрязнении местности, Эдвард Теллер заявил, что если в строительстве будут применены ядерные взрывы, он готов переселиться в Таиланд с семьей.

Испытательные взрывы по программе "Орало" включали исследования по локализации радиоактивности, выбрасываемой при взрывах. К концу программы испытаний ученые пришли к выводу, что для ядерных взрывов в мирных целях характерны те же опасности, что и при обычных — подземные (сейсмические) и наземные ударные волны, облако пыли, и т. д., они имеют первостепенное значение, а не радиация.

Современные технологии гарантируют безопасность от радиоактивного заражения, если к мирным атомным взрывам будет решено вернуться. Среди них — возможность использования "неядерных триггеров" термоядерных взрывов. Сегодня для начала реакции синтеза необходима реакция распада, это значит, что при взрыве образуются продукты распада (которые можно изолировать)[5]. Для запуска реакций синтеза могут использоваться инерциальное удержание и другие технологии.

Открыть термоядерный век

Экономика на базе термоядерного синтеза это не только энергия для традиционной экономики.

Для истории человечества характерно создание новых экономических систем с новой ресурсной базой, а также новых технологических возможностей. Это последовательность качественных изменений, становившихся возможными при повышении плотности управляемого потока энергии. Такие изменения отражают уникальную способность человека к творчеству.

Экономические революции становились возможными при переходе к более мощным источникам энергии. Освоение контролируемой термоядерной реакции становится одной из приоритетных проблем для человечества. Если начать эту работу сейчас, то на протяжении жизни двух поколений можно будет удовлетворить потребности в энергии и ресурсах растущего населения планеты. Человечество выйдет на новый путь, достойный его истинной творческой природе.