Энергия чистой науки: Ток из коллайдера

Современные ускорители частиц вырабатывают больше энергии, чем потребляют. Может, стоит использовать их не только для научных иссследований, но и для получения электричества?

Ускорители частиц – такие, как знаменитый Большой Адронный Коллайдер, о котором во всех подробностях мы писали в заметке «Пока не случился БАК», или Fermilab под Чикаго – никому не приходит в голову использовать в качестве генераторов энергии. И напрасно: идея эта далеко не столь абсурдна, как показывает работа физика Роберт Уилсон (Robert Wilson), один из вдохновителей упомянутого ускорителя Fermilab. Сам Уилсон, к сожалению, умер в 2000 г., но расчеты, посвященные этому вопросу, были опубликованы еще в 1976 г. – и лишь недавно привлекли серьезное внимание.

В те годы Уилсон возглавлял проект Fermilab, на котором тогда возводился ускоритель Energy Doubler/Saver, использующий электромагниты на сверхпроводниках для разгона протонов по огромному круговому туннелю, где поддерживается высокий вакуум. Благодаря ускорению каждый протон здесь приобретает внушительную энергию примерно в 1 тыс. ГэВ. Сегодня сверхпроводниковые электромагниты – обычное дело для подобных установок, но в середине 1970-х это был первый случай использования сверхпроводников в столь больших масштабах. Уилсон писал по этому поводу, что именно это решение позволяет существенно снизить затраты энергии в системе. Что, в свою очередь, натолкнуло его на интересную мысль.

Представим, что протоны, разогнанные в таком ускорителе, направляются на образец урана. Расчет показывает, что каждый из них в результате соударения создаст целый «дождь» из примерно 60 тыс. нейтронов, и практически все из них будут поглощены ядрами урана, которые при этом превратятся в плутоний. В качестве топлива для АЭС плутоний гораздо более эффективен, нежели уран: из расчета на 1 атом они выдают 0,2 ГэВ энергии. Получается, что каждый протон позволит создать 12 тыс. ГэВ, что на порядок больше энергии, затраченной на разгон этой частицы.

Конечно, эти выкладки очень схематичны и не включают массы деталей, из-за которых результативность получения энергии окажется далеко не столь впечатляющей. Но даже при всех побочных эффектах выработка энергии таким путем должна получаться выгодной.

Сегодня, почти 35 лет спустя, некоторые ученые видят смысл в возвращении к идеям Уилсона. Современные ускорители намного энергоэффективнее сконструированных в его времена, что позволяет прогнозировать еще более выгодное соотношение потраченной энергии к полученной. А если добавить серьезные проблемы с ископаемым топливом и глобальным потеплением, то проект кажется и вовсе привлекательным.

Этот подход, кстати, может решить и еще одну проблему. Дело в том, что плутоний используется для питания некоторых космических аппаратов сверхдальних миссий – таких, как Galileo или Cassini. В чистом виде плутоний не встречается, и только СССР и США освоили его производство (для военных, понятно, целей). Однако, стремясь ограничить распространение ядерного оружия, обе страны отказались от опасного производства, что поставило под угрозу реализацию и некоторых космических проектов. Возможность же получать плутоний для научных исследований, не в промышленных, а в небольших количествах, может оказаться очень полезной для освоения Солнечной системы. А для мира на Земле будет полностью безопасна.

По публикации physics arXiv blog