Вторая из цикла статей научного обозревателя портала Asia.com, бывшего главного редактора международного журнала FUSION Джонатана Тенненбаума «Луч надежды для атомной энергетики: синтез водорода и бора», в которой рассказывается о эксперименте 85-летней давности, который открыл дверь к получению ядерного синтеза без лазерных лучей с температурой в миллиард градусов.
* * *
В 1933 году британские физики Эрнест Резерфорд и Марк Олифант сообщили о серии экспериментов, в которых они обстреляли тонкую пленку соединения бора пучком протонов (ядер атомов водорода) и зарегистрировали испускание высокоэнергетических альфа-частиц (ядер атомов гелия).
Это подтвердило более ранние свидетельства Джона Кокрофта и Эрнста Уолтона о том, что ядерные реакции происходят между протонами и ядрами бора, что приводит к трансмутации химических элементов: из водорода и бора мы получаем гелий. Эта реакция водород-бор (или протон-бор) была одной из многих ядерных реакций, открытых в 1930-х годах.
Более внимательный анализ показал, что ядро бора, поглотив протон, распадается на три альфа-частицы, которые разлетаются с огромной скоростью. Полная энергия, содержащаяся в их движении — их кинетическая энергия — оказывается в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая на один атом в результате любой известной химической реакции.
Это делает водородно-борную реакцию, наряду с более известными ядерными реакциями, такими как деление урана и синтез изотопов водорода дейтерия и трития, потенциальным кандидатом для крупномасштабного производства энергии. Тем более что бор — легкодоступный элемент.
Если присмотреться, рассматриваемая реакция происходит только с определенным изотопом бора, который называется бор-11 (B11). И с этим нет проблем, потому что бор-11 составляет 80% встречающегося в природе бора.
Хотя реакцию водород-бор обычно относят к ядерному синтезу, возможно, было бы правильнее описать ее как комбинацию процессов ядерного синтеза и деления: ядро водорода (протон, обозначенный на диаграмме буквой p) сливается с ядром B11 с образованием нестабильного, сильно возбужденного ядра изотопа углерода C12; это возбужденное ядро углерода почти мгновенно распадается на три альфа-частицы высокой энергии, которые разлетаются с огромной скоростью. (По крайней мере, это считается общепринятым объяснением происходящего в данной реакции).
Схема реакции водород-бор
Ряд причин делают реакцию водород-бор особенно привлекательной в качестве источника энергии.
1. Практически неограниченные запасы топлива
Одна из них, о которой уже упоминалось, заключается в том, что нам доступно большое количество бора вместе с практически бесконечным количеством водорода из обычной воды. На основе реакции водорода с бором один грамм смеси водорода и бора будет производить примерно столько же энергии, сколько выделяется при сгорании трех тонн угля. В настоящее время доказанные запасы бора, содержащегося в буре (borax, тетраборат натрия) и других минералах, составляют более одного миллиарда тонн. Немного арифметики показывает нам, что этого будет достаточно для обеспечения мирового потребления электроэнергии на нынешнем уровне в течение миллиона лет.
2. Отсутствие радиации при производстве энергии
Второе большое преимущество ядерной реакции водород-бор состоит в том, что она практически не вызывает радиоактивности. Продукты этой реакции, альфа-частицы, идентичны ядрам обычных атомов гелия, представляют собой стабильные частицы, которые не подвергаются радиоактивному распаду. Кроме того, альфа-излучение (быстро разлетающиеся альфа-частицы) имеет очень низкую проникающую способность. Альфа-частицы быстро отдают свою энергию за счет упругих столкновений с более тяжелыми ядрами, когда они взаимодействуют с обычными материалами.
Даже при указанных высоких энергиях альфа-частицы имеют пробег в воздухе всего в несколько сантиметров и могут быть остановлены несколькими слоями бумаги. Альфа-излучение опасно для здоровья только в том случае, если человек подвергается его прямому воздействию на очень близком расстоянии. Кроме того, пренебрежимо мала радиоактивность, вызванная вторичными реакциями, например, вызванными редкими реакциями между альфа-частицами и другими ядрами.
Напротив, реакции синтеза между изотопами водорода дейтерия (D) и трития (T), которые до сих пор были основным направлением развития термоядерной энергетики, сопровождаются проникающим гамма-излучением и, что наиболее проблематично, большим количеством нейтронов. Эти нейтроны поглощаются ядрами окружающих материалов, превращая некоторые из них в радиоактивные изотопы.
Хотя проблема утилизации «активированных» материалов в термоядерных реакторах DT относительно невелика по сравнению с проблемой, создаваемой радиоактивными отходами ядерных реакторов деления, она также требует затрат и усложняет реактор. Для реакции водород-бор этой проблемы не существует, так как она относится к классу так называемых анейтронных ядерных реакций.
3. Прямое производство электроэнергии
Третье, очень большое преимущество заключается в том, что альфа-частицы электрически заряжены и несут две единицы положительного электричества. Мы можем представить себе поток быстро движущихся альфа-частиц как электрический ток высокого напряжения. Заставляя частицы проходить через электрическое поле, мы можем преобразовывать их энергию движения в электрическую практически без потерь. Теплообменники, насосы и турбинные системы, на которые приходится большая часть стоимости электростанций, использующих ископаемое топливо или деление атомных ядер, становятся излишними.
Пока всё звучит замечательно. Но теперь начинаются проблемы.
В настоящее время практически все исследования в области термоядерной энергии сосредоточены на дейтерий-тритиевой реакции. DT, безусловно, является наиболее простой в реализации реакцией ядерного синтеза с точки зрения требуемой комбинации температур, давлений и продолжительности «горения». Тем не менее, несмотря на более чем полувековые исследования и десятки миллиардов долларов, потраченных на научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки, цель получения чистой энергии из реакций DT все еще не достигнута.
Даже в этом случае путь от успешного эксперимента до работающего реактора обещает быть долгим и трудным. По крайней мере, для подходов, которые сегодня получают большую часть финансирования. В последние годы значительные суммы частных денег ушли на альтернативные пути, некоторые из которых были весьма многообещающими.
Реакция водород-бор несравнимо сложнее, чем DT, с точки зрения требующейся комбинации физических параметров. Помимо прочего, ядра не всегда реагируют при столкновении, а только с определенной вероятностью, так называемым «сечением» реакции. Поперечное сечение реакции водород-бор и, следовательно, скорость реакции примерно в 300 раз меньше для реакции водород-бор, чем для реакции дейтерий-тритий.
Требующаяся температура также в 10 раз выше, а энергия, получаемая в реакции водород-бор, вдвое меньше энергии, полученной в реакции DT. Причина этих различий заключается в особенностях ядерных структур и их взаимодействий. Есть и другие проблемы, такие как потенциально гораздо большие потери энергии из-за так называемого тормозного излучения, но это слишком сложные для описания технические детали, чтобы вдаваться в подробности.
В общем, препятствия на пути использования реакции водород-бор в качестве практического источника энергии кажутся настолько огромными, что вряд ли она рассматривалась в качестве серьезной альтернативы. По крайней мере, подавляющим большинством сообщества исследователей ядерного синтеза.
Луч надежды?
В этом месте читатель может задать наивный вопрос: если Резерфорд и Олифант уже реализовали водородно-борные реакции с помощью элементарного ускорителя протонов 85 лет назад, то почему бы нам просто не увеличить этот эффект? Их измерения показали, что энергия, выделяемая при столкновении быстро движущегося протона с ядром бора, более чем в 10 раз превышает первоначальную энергию протона.
Простое облучение борной мишени пучком протонов выглядит как простой способ получения энергии. На рынке доступны компактные ускорители протонов. В чём же тогда проблема? И тогда зачем нам нужна температура в миллиард градусов?
Легко объяснить, почему только что описанный простой метод лучевой мишени не работает. Прежде всего, лишь очень крошечный процент протонов в пучке действительно запускает реакции — проблема «сечения реакции». Остальные протоны отскакивают, улетают или иным образом теряются, а вместе с ними и энергия, расходуемая на их ускорение. Общий КПД оказывается меньше нуля. Это относится не только к реакции водород-бор, но и к гораздо более «легкой» дейтерий-тритиевой реакции.
Что теперь?
Чтобы ядерный синтез окупился с энергетической точки зрения, нельзя пытаться заставить реакции происходить отдельно, одну за другой. Нам нужен какой-то коллективный процесс в самом широком смысле этого слова.
Самый грубый подход — просто набить как можно больше взаимно отталкивающих частиц в бутылку (сжатие) и сильно встряхнуть смесь (нагревание), заставляя их как можно чаще подпрыгивать и сталкиваться друг с другом. Продолжайте до тех пор, пока не произойдет как можно больше реакций синтеза. Надеюсь, в итоге у вас будет больше энергии, чем вы вложили в процесс встряхивания.
В конечном итоге, несмотря на всю их огромную технологическую сложность, основные подходы к реализации термоядерной энергии до сих пор сводятся к этому базовому сценарию. Мы могли бы назвать это «тепловым» сценарием, поскольку тепло — неупорядоченная форма энергии — опосредует весь процесс.
В случае реакции водород-бор по причинам, указанным выше, тепловой сценарий дает мало надежды. Его реализация потребует сочетания температуры, давления и так называемого времени удержания — времени, в течение которого процесс поддерживается в сжатом, нагретом состоянии — далеко за пределами досягаемости нынешних и даже предсказуемых технологий.
К счастью, появление сверхмощных лазеров и «экстремального света» открывает дверь к более короткому пути реализации синтеза водорода с бором, в котором решающую роль играют нетепловые высокоорганизованные коллективные процессы.
Продолжение следует…