Борьба с глобальным потеплением в соответствии с Парижским соглашением требует от всех стран последовательного отказа от ископаемого углеводородного топлива. Евросоюз провозгласил цель достижения к 2050 г. нулевых выбросов. Очевидно, что на основе традиционной альтернативной энергетики поставленная задача не решается, так как электрификация транспорта в сочетаний с тотальной цифровизацией потребуют кратного роста производства электроэнергии. Венгрия, Польша и Финляндия уже приняли решение, что свою угольную энергетику они заменят атомной. Создана специальная комиссии, которая в 2021 году должна принять решение о том, будет ли атомная энергетика включена в таксономию «зеленых» технологий ЕС, от чего зависит возможность финансирования строительства АЭС с помощью выпуска «зеленых», климатически устойчивых облигаций.
В России в соответствии с указом Владимира Путина №270 от 16 апреля 2020 года разрабатывается комплексная программа «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации на период до 2024 года».
Дональд Трамп сразу после прихода в Белый дом заявил, что будущее американской энергетики он связывает с развитием новых ядерных технологий, и в первую очередь с разработками в области ядерного синтеза, использующими экологически чистую реакцию бора с водородом. Об одной из таких перспективных разработок рассказывается в статье Джонатана Тенненбаума «Фокусированный ядерный синтез — самая горячая идея ядерной энергетики» («Focus fusion is the hottest idea in nuclear energy»), опубликованной на портале Asia Times.
* * *
Использование ядерного синтеза как источника энергии для практического применения сталкивается с огромными проблемами из-за экстремальных физических условий, необходимых для реализации известных сегодня реакций ядерного синтеза. К ним относятся температуры в 100 млн ºС или астрономически высокое давление, которое должны постоянно поддерживаться для того, получить выход энергии.
Все усилия по достижению этой цели привели к появлению дорогостоящих и крупномасштабных экспериментальных установок, в которых используются лазеры сверхвысокой мощности, микроволновые генераторы, пучки частиц, гигантские сверхпроводящие магнитные системы и другие передовые технологии. Можно сделать вывод, что ядерный синтез, если он станет реальностью, превратится в сложный, чрезвычайно капиталоемкий способ производства энергии.
Но что, если бы существовал гораздо более простой подход, который не требовал обеспечения столь сложных технических устройств для достижения сверхвысоких температуры и давления? Метод, в котором природа сделает большую часть работы за нас?
Удивительно, но такой подход существует. Он основан на устройстве для фокусирования плотной плазмы (DPF — the dense plasma focus).
DPF генерирует электрический разряд, который быстро развивается во времени и пространстве, концентрируя свою энергию в массиве нитевидных структур, сходящихся в крошечном узле, который называется плазмоидом. Внутри плазмоида созданы все условия для ядерного синтеза.
С 1960-х годов DPF существует в различных формах и используется в десятках университетских и государственных лабораторий по всему миру для экспериментальных исследований в области физики плазмы. Он также используется в качестве источника рентгеновских лучей и нейтронов.
Помимо перечисленных применений, явления, наблюдаемые в разрядах DPF, лежат в основе модели, описывающей различные самоорганизующиеся процессы в природе — от лабораторного масштаба до масштаба галактик и галактических скоплений.
Энергия ядерного синтеза в фокусе плазмы
Уже давно экспериментально доказано, что DPF может генерировать большое количество реакций синтеза при работе в камере, заполненной газообразным дейтерием.
До недавнего времени возможность использования DPF для коммерческого производства электроэнергии никогда не рассматривалась и, соответственно, не финансировалась.
Сегодня почти все инвестиции в исследования в области термоядерной энергетики идут на обеспечение крупных дорогостоящих проектов, примером которых является гигантский Международный экспериментальным реактор Torus (ITER), строящийся на юге Франции за $40 млрд.
Более инновационные, но менее престижные проекты были лишены таких средств. Эта ситуация, на первый взгляд, парадоксальная, но, к сожалению, хорошо знакомая тем, кто наблюдает за поведением инвесторов в последние десятилетия.
Хорошая новость заключается в том, что одна лаборатория в США — частная компания Lawrenceville Plasma Physics, Inc. из Нью-Джерси, назвавшая свой проект LPPFusion, — всерьез взялась за решение задачи разработки на основе эффекта плотного плазменного фокуса источника термоядерной энергии.
У проекта, очевидно, есть реальные шансы на успех. Основатель и руководитель LPPFusion физик Эрик Лернер является одним из ведущих мировых экспертов в области фокусирования плазмы и смежных областях физики плазмы и астрофизики.
Обладая ограниченным бюджетом и несколькими преданными сотрудниками, LPPFusion шаг за шагом повышала производительность своей технологии, необходимой для получения чистой энергии.
Основные показатели были достигнуты в 2016 году, когда в устройстве Лернера ионы были нагреты до температуры 2,8 млрд ºС, что намного выше температуры, полученной в любом эксперименте по ядерному синтезу на сегодняшний день. Эта температура в 200 раз выше, чем в центре Солнца, и более чем в 15 раз превышает прогнозируемую максимальную температуру для ITER.
LPP Fusion намеревается использовать соединение бор-водород вместо стандартного дейтериево-тритиевого топлива. Уже достигнутые мировые температурные рекорды являются важным предварительным условием для этого шага. Если план сработает, то это будет отличная новость.
Реакция синтеза водорода и бора — мечта ядерной энергии, потому что она не сопровождается опасным излучением и не порождает радиоактивных отходов, а использует практически неограниченный запас топлива и обеспечивает возможность прямого преобразования энергии синтеза в электричество.
Один грамм водородно-борной смеси будет производить примерно столько же энергии, сколько выделяется при сжигании трех тонн угля. Первые эксперименты с водородно-борным топливом запланированы на конец этого года.
Проект Лернера в настоящее время находится на этапе научных исследований. Главная задача сейчас состоит в том, чтобы перейти от получения большого количества реакций синтеза, что уже продемонстрировано и надежно воспроизводится в экспериментах, к достижению чистого выхода энергии. За этим этапом последует этап конструирования установки. Конечно, успех не гарантирован. Но, возможно, отдача будет огромной.
Дешевое будущее ядерного синтеза
Предполагается, что основанные на технологии DPF электростанции, работающие на водороде и боре, будут сочетать простоту конструкции и эксплуатации с небольшими размерами блока, низкими инвестиционными затратами, низкими расходами на топливо и низкой пожарной опасностью.
Для коммерческого производства электроэнергии устройство DPF должно сочетаться с запатентованной системой прямого преобразования энергии синтеза в электричество. При частоте импульсов с 200 разрядов в секунду система будет обеспечивать выходную мощность в 5 мегаватт.
Полный блок питания DPF будет иметь размер всего в несколько метров в поперечнике, что позволит легко и экономично достичь любой желаемой мощности, просто добавив дополнительные блоки. Технология может быть легко масштабировать в массовом стандартизированном производстве.
Достоверные оценки показывают, что технология DPF может снизить стоимость производства электроэнергии в десять и более раз по сравнению с существующими традиционными и альтернативными технологиями получения электроэнергии.