Автор: профессор Владимир Высоцкий, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой математики и теоретической радиофизики Киевского национального университета имени Т. Шевченко. 

На прошлой неделе информационные агенства многих стран сообщили об успехе южнокорейских физиков, которые в Дайджоне на реакторе KSTAR (Korean Superconducting Tokamak Advanced Research) получили «один из мировых рекордов удержания плазмы» — удерживали плазму, разогретую до 50 млн. градусов в течение 70 сек индукционным методом, т.е. за счет тока, наводимого в плазменном шнуре.

Этот реактор был построен в 2007 году и как все токамаки имеет форму тора («бублика») с внешним радиусом 1,8 метра. Эксперименты по удержанию плазмы начались в 2011 г. Максимальная индукция магнитного поля в центре плазменного шнура — 3,5 тесла, максимальный ток в плазме — 2 мегаампер. Главная «изюминка» — полностью сверхпроводящая магнитная система, увеличивающая габариты установки до 8,6 метра в высоту и 8,8 метра в диаметре. Сверхпроводящие магниты, которые размещены на внутренней стенке тора, создают управляющее поле «Н-моду», которое должно препятствовать развитию разных типов плазменных нестабильностей, охлаждаются до температуры жидкого гелия -269⁰С и это позволяет резко снизить тепловые потери в обмотках этих электромагнитов. По этим параметрам KSTAR входит в десятку крупнейших в мире токамаков.

Сразу отметим, что по параметрам формируемой плазмы результат KSTAR действительно один из лучших в мире и южнокорейских физиков можно поздравить с  успехом.

Справедливости ради следует отметить, что они не являются абсолютными лидерами, т.к. их основные конкуренты (китайские ученые из института физики плазмы АН КНР) на установке EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) добились не менее впечатляющих результатов, удержав плазму при температуре 50 млн град. в течение 60 сек (по некоторым сообщениям — 100 сек),  но в режиме нагрева внешним инжектором, что потенциально позволяет удерживать плазму намного дольше, чем при индукционном нагреве, используемом в KSTAR.

Еще одна существенная деталь – в токамаке KSTAR плазма состояла не из наиболее оптимальной смеси дейтерия и трития, а из водорода и дейтерия, что удобно для экспериментов (тритий — радиоактивный газ), но никак не подходит для термоядерных реакций.

В заключение можно сделать несколько замечаний как относительно перспективности систем типа токамак, так и относительно метода решения проблемы энергетики за счет термоядерного синтеза.

Есть все основания утверждать, что оптимизм в отношении этой проблемы за последние десятилетия почти исчез, а ее реальная перспектива после 60 лет крайне дорогостоящих исследований становится все более туманной. Характерным примером является знаменитый токамак ITER, который строится с 2006 года во Франции. Начальная стоимость проекта ITER  была 5 млрд евро, плазму на нем планировали зажечь в 2016 году, а положительный выход энергии получить в 2027 г. Сейчас стоимость превышает 21 млрд евро, технологический пуск сдвигается на начало или средину 20-х годов, а выход на штатный режим  — на 2037 год.

Сложно прогнозировать, какая будет его стоимость к этому времени, но по тенденции очевидно, что она будет больше 30 млрд евро. Отметим, что тепловая мощность ITER ожидается на уровне 500 МВт  при мощности , вводимой в плазму, 50 МВт, что соответствует расчетному коэффициенту эффективности к=10.

Следует прокомментировать эти цифры. Из этих данных видно, что стоимость удельных затрат на создание единицы производства тепловой мощности в этой системе в 30 раз больше, чем при строительстве серийной АЭС! Кроме того, если блок АЭС рассчитан на работу в течение 30 лет (а реально такие блоки работают по 40-50 лет), то система токамак из-за воздействия высокотемпературной плазмы и сверхсильного потока нейтронов на электромагниты и стенки камеры  не сможет работать больше 5 лет.

Но и это не самое главное. Дело в том, что распространенный миф о высокой эффективности термоядерных систем основывается на некотором передергивании фактов – оценка эффективности проводится только по сопоставлению энергии, выделяемой при реакциях синтеза, и прямых затрат на нагрев и удержание плазмы.  Однако следует учесть, что последняя величина рассчитывается на основе учета электроэнергии, необходимой для этих затрат.

С другой стороны, такую энергию нужно где-то взять. Для атомной энергетики коэффициент преобразовании тепла в электричество можно легко определить, сопоставив тепловую мощность 3200 МВт типичного реактора ВВЭР-1000 с мощностью вырабатываемой на нем электроэнергии 1000 МВт, что приводит к величине 0.31 и ведет, в идеальном случае полного отсутствия других источников потерь, к электрической мощности ITER на уровне 150 МВт, т.е. к итоговому предельному коэффициенту эффективности к=3.5. Кроме того, необходимо участь достаточно низкую эффективность преобразования исходной электроэнергии на входе в генерируемую в плазме исходную мощность 50 МВт при использовании неиндукционных источников нагрева типа генераторв СВЧ и др., а также учесть очень большие дополнительные затраты на функционирование систем криогенного охлаждения сверхпроводящих электромагнитов, находящихся в непосредственной близости от сверхгорячего плазменного шнура. В этих системах полная эффективность также не превышает 30%, что, в итоге, снижает интегральный коэффициент эффективности ITER  до банальной и бессмысленной величины к=1.

Напомним, что реактор ITER считается наиболее эффективной системой (у остальных токамаков эффективность априори еще ниже).

Ядерные амбиции министра экологии здравы, но они должны быть подкреплены политической волей и надежным финансированием.

Прокомментировал заявление министра экологии относительно создания в Украине «полноценного ядерного цикла» и заведующий кафедрой математики и теоретической радиофизики Киевского национального университета имени Т. Шевченко, доктор физико-математических наук, профессор Владимир Высоцкий.

По его словам, в заявлении министра следует различать два аспекта:
1. В настоящее время создание в Украине полноценного ядерного цикла (от добычи урана и до захоронения отработанного топлива) практически невозможно, хотя все предпосылки такого сценария у нас есть.

«Чисто теоретически Украина может оказаться одним из мировых лидеров в ядерной энергетике, поскольку находящееся на ее территории Новоконстантиновское месторождение урановых руд – крупнейшее в Европе. Таким образом, у нас есть сырье, квалифицированные кадры (пока) и необходимое научное сопровождение», – говорит В. Высоцкий.

«Главная проблема состоит в отсутствии и неясных перспективах создания производства по обогащению урана по изотопу уран-235 до необходимых 3%. В мире сейчас очень болезненно воспринимают любые попытки появления новых игроков, способных обогащать уран. Ведь не секрет, что при еще более высоком обогащении появляется потенциальная опасность возникновения новых очагов «ядерного терроризма», так как сильно обогащенный уран – это основа для подобных геополитических игр. И хотя Украина является абсолютно прогнозируемой миролюбивой страной, но мировое сообщество, обжегшись на Иране и Северной Корее, очень опасается любых потенциальных прецедентов в этой чувствительной области. Я думаю, что нам просто не разрешат играть в эту ядерную «самостийность», – подчеркивает профессор.

На его взгляд, выход пока состоит в нарушении монополизма России и переходе на использование ТВЭЛ от других производителей. В то же время, В. Высоцкий обращает внимание на то, что это не очень простая задача, так как будет крайне важно обеспечить безопасность такой замены.

«Но перспективы тут очевидные, и пример газового реверса четко показывает, что с монополистами лучше всего бороться с помощью реальной конкуренции», – заявляет эксперт.

Однако Украине нет необходимости повторять весь путь, который прошли другие ядерные страны. Мы можем сразу переходить на новые безопасные ядерные технологии, одна из которых (ядерные реакции при низкой энергии на основе легких и средних по массе неделящихся изотопов) в настоящее время очень активно развивается в мире.

«В этом направлении при должном внимании государства (или крупного цивилизованного бизнеса) мы можем оказаться в мировых лидерах, поскольку это направление активно развивается и при нашем непосредственном участии. Но время идет», – предупреждает он.
(Более подробно об этом вы можете прочитать в статье «Ядерный прорыв: гонка за лидером?» см. «Терминал» №12).

2. Захоронение отработанного топлива – это одновременно и экологическая, и экономическая проблема.
Эксперт рассказывает, что согласно практике, сложившейся в мире, страны-поставщики ядерного топлива после завершения цикла его использования обязаны забрать его для первичной утилизации из тех стран, куда топливо было продано (в том числе Россия забирает его из Украины).
Это вовсе не альтруизм восточного соседа. Дело в том, что в таком отработанном топливе сохраняется более 70% изотопа уран-235, а также там нарабатывается большое количество оружейного плутония-239 и ряд других компонентов, которые в случае замкнутого цикла извлекаются и могут быть снова использованы как для повторного производства ТВЭЛов, так и для специальных целей. Страна-поставщик может опять продавать тот же уран и делать так несколько раз.

Продолжение читайте в еженедельном журнале  «Терминал» №18 (812) от 2 мая 2016 г.

Эксперт прокомментировал заявление министра экологии и природных ресурсов относительно создания в Украине полноценного ядерного цикла.

В настоящее время создание в Украине полноценного ядерного цикла (от добычи урана и до захоронения отработанного топлива) практически невозможно, хотя все предпосылки такого сценария у нас есть.

Соответствующее мнение «Терминалу» высказал заведующий кафедрой математики и теоретической радиофизики Киевского национального университета имени Т. Шевченко, доктор физико-математических наук, профессор Владимир Высоцкий.

«Украина располагает богатыми залежами урановых руд. И хотя запасы доступных залежей урана-235 в мире также ограничены (при нынешнем темпе добычи их хватит лет 50-70), но ситуация не такая критичная в связи с возможностью эффективного воспроизводства реакторных изотопов уран-233 и плутоний-239 при облучении нейтронами в реакторах изотопа уран-238, запасы которого в сотни раз больше, чем уран-235», — рассказал В. Высоцкий.

По его словам, чисто теоретически Украина может оказаться одним из мировых лидеров в ядерной энергетике, поскольку находящееся на ее территории Новоконстантиновское месторождение урановых руд – крупнейшее в Европе. Так, у нас есть сырье, квалифицированные кадры и необходимое научное сопровождение.

В то же время, он отмечает, что главная проблема состоит в отсутствии и неясных перспективах создания производства по обогащению урана по изотопу уран-235 до необходимых 3% (в природном уране это 0.72%). И дело вовсе не в затратах на такое производство или отсутствии кадров.

«Просто в мире сейчас очень болезненно воспринимают любые попытки появления новых игроков, способных обогащать уран. Ведь не секрет, что при еще более высоком обогащении появляется потенциальная опасность возникновения новых очагов «ядерного терроризма», т.к. сильно обогащенный уран это основа для подобных геополитических игр. И хотя Украина является абсолютно прогнозируемой миролюбивой страной, но мировое сообщество, обжегшись на Иране и Северной Корее, очень опасается любых потенциальных прецедентов в этой чувствительной области. Я думаю, что нам просто не разрешат играть в эту ядерную «самостийность», — добавил эксперт.

В сложившейся ситуации, выход пока состоит в нарушении монополизма России и переходе на использование ТВЭЛ от других производителей.

«Следует сразу сказать, что это не очень простая задача, так как при этом крайне важно обеспечить безопасность такой замены. Но перспективы тут очевидные и пример газового реверса четко показывает, что с монополистами лучше всего бороться с помощью реальной конкуренции», — подчеркнул В. Высоцкий.

Вместе с тем, эксперт утверждает, что Украине нет необходимости повторять весь путь, который прошли другие ядерные страны. Мы можем сразу переходить на новые безопасные ядерные технологии, одна из которых (ядерные реакции при низкой энергии на основе легких и средних по массе неделящихся изотопов) в настоящее время очень активно развивается в мире.

«Это реакции с участием обычного водорода, лития и никеля, которые не требуют сверхвысоких температур и могут протекать в условиях обычной лаборатории с большим выделением энергии. Главная их особенность – полное отсутствие радиоактивных изотопов в продуктах реакции. В этом направлении при должном внимании государства (или крупного цивилизованного бизнеса) мы можем оказаться в мировых лидерах, поскольку это направлении активно развивается и при нашем непосредственном участии. Но время идет!», — заявил В. Высоцкий.

Другим важным аспектом заявления министра, на котором акцентировал эксперт, является проблема захоронения отработанного топлива.

«Согласно практике, сложившейся в мире, страны, поставщики ядерного топлива, после завершения цикла его использования обязаны забрать его для первичной утилизации из тех стран, куда топливо было продано (в том числе Россия забирает его из Украины). И это вовсе не альтруизм восточного соседа. Дело в том, что в таком отработанном топливе сохраняется более 70% изотопа уран-235. Кроме того, там нарабатывается большое количество оружейного плутония-239 и ряд других компонент. В случае замкнутого цикла все эти ценные компоненты извлекаются и могут быть повторно использованы как для повторного производства ТВЭЛов, так и для специальных целей. В этом случае страна-поставщик может повторно продавать тот же уран и делать так несколько раз! Причем все это делается за наш счет», — говорит он.

Самое интересное, что после извлечения ценных изотопов Россия возвращает нам уже отработанное высокоактивное топливо (но без извлеченных компонент) для последующего хранения. Украина подписала такой договор с Россией в 1993 году и с 2018 года мы должны будем забирать эти отходы себе. Потенциально Россия может хранить их и дальше, но за все это нужно платить. Можно себе представить, сколько придется платить за постоянное хранение все возрастающего количества отработанного топлива! Сейчас это примерно 200 млн долларов ежегодно.

«Только на Запорожской АЭС отработанное топливо не отправляется в Россию на комбинат «Маяк». Министр предлагает сделать эту практику повсеместной. При надлежащей культуре и технологии хранения это совершенно реально. Пример тому Франция, где количество ядерных блоков в несколько раз больше, чем в Украине, а территория меньше. Более того, те же отработанные ТВЭЛы потенциально, при создании новых типов реакторов, могут сами быть топливом для них. На таком принципе работает, например, очень перспективный реактор бегущей волны, в котором нет опасности неконтролируемого ядерного взрыва и в котором топливом является изотоп уран-238, весовая доля которого в отработанном топливе превышает 90%. Таким образом идеи министра здравые, но они должны быть подкреплены политической волей и надежным финансированием», — заключил В. Высоцкий.

Напомним, ранее министр экологии и природных ресурсов Остап Семерак написал на своей странице в Facebook, что Украина должна создать полноценный ядерный цикл и выйти на новый уровень в обращении с отработавшим ядерным топливом, без участия России.

Низкоэнергетический ядерный синтез привлекает к себе все большее внимание энергетиков.

После того, как был в загоне в течение четверти века, низкоэнергетический ядерный синтез набирает авторитет. Кроме того, что он обещает избыток недорогой и децентрализованной энергии, он не дает никакого опасного радиоактивного излучения. Промышленность, университеты, исследовательские центры и стартапы готовы к броску.

В сериале Occupied de Jo Nesbø (телеканал Arte во Франции), Россия вторгается в Норвегию после решения премьер-министра прекратить использование ископаемого топлива в пользу альтернативных источников энергии, работающих на тории – ресурсе чистом, неиссякаемом, гигантской мощности, и чье имя вдохновленный Тор – бог викингов. По мандату Евросоюза Россия требует возобновить добычу нефти и газа в Норвегии и оккупирует страну, призывающую к сопротивлению.

Первая серия описывает события после Конференции по климату в Париже COP21. Это фантастическое шоу показывает, как некоторые государства и промышленные лобби готовы на все для управления настоящей кровью экономики – энергетикой. Войны, коррупция, дезинформации, остановка программ фундаментальных исследований, ликвидации конкурентов… все средства хороши. И это – настоящая гонка!

По данным исследования Международного энергетического агентства (МЭА), мировое потребление энергии за 40 лет в период между 1973 и 2013 гг.  удвоилось (с 6 100 млн т н. э. до 13 541 млн т н. э.).

В настоящее время примерно 81% энергии производится из ископаемого топлива. Цель COP21 – борьба с глобальным потеплением, которая основывается на предположении оставить не менее 70% углеродного энергоресурса в почве. Что касается ядерной энергетики, то эта энергия не возобновляемая и потенциально опасная. Ее доля в общемировом энергобалансе составляет 4,2%, в то время как возобновляемые источники удовлетворяют наши энергетические потребности всего на 1,2%.

Развивая эти секторы энергетики, страны с формирующимся рынком развивают свою экономику. Но это происходит за счет потепления климата, пиков загрязнения воздуха в городах и ядерных катастроф. В ответ на это физики, промышленники и стартапщики ищут фундаментальные решения энергетической проблемы планеты.

По их мнению, «низкоэнергетическая ядерная реакция» – Low Energy Nuclear Reactions (LENR) в ближайшие несколько лет может осуществить настоящий прорыв: экономический, социальный и даже геополитический, поскольку она стремится занять господствующую часть рынка энергии, оцениваемую в $7 млрд в год.

Тем не менее, эта революция была неудачно запущена. Все началось 23 марта 1989-го, когда британский исследователь Мартин Флейшман и американский исследователь Стэнли Понс показали, что с помощью электролиза тяжелой воды и электродов из палладия можно получить выделение тепла намного выше, чем при обычных химических реакциях. Была заявлена очень специ­фическая реакция ядерного синтеза, поскольку она происходит при температуре от 50 до 1 500 °C.

Отсюда выражение «холодный синтез», в отличие от синтеза в несколько миллионов градусов, который происходит в Солнце и звездах.

После публикации Флейшмана и Понса Массачусетский технологический институт (MIT) и Калифорнийский технологический институт (Caltech) безуспешно пытались повторить этот опыт.

Со своей стороны, бывший профессор физики в университете Экс-Марсель, а сегодня независимый исследователь на пенсии, Jean-Paul Bibérian подчерк­нул, что прекратил свои исследования по холодному синтезу, «так как они не стоят ничего»… в сравнении с проектом реактора горячего синтеза ИТЭР (16 млрд евро) и хранилища радиоактивных отходов в г. Bure (25 млрд евро).

Методологические проблемы, из-за которых не могли воспроизвести опыт Флейшмана и Понса, были решены в университетах. Сначала в Италии, затем в России, Украине, Индии, Японии, Китае, Швеции, Великобритании, Греции и США – но не во Франции.

В то же время, никто до сих пор, как ни странно, не знает, как объяснить реакцию холодного синтеза. Однако все лучше и лучше получается усовершенствовать и воспроизвести ее. Все сырье, необходимое для реакции, в том числе никель, литий и водород – очень обильно и хорошо продаются на рынке. А сама реакция происходит без загрязнения окружающей среды и опасных радиоактивных выбросов.

По данным на сайте E-Cat World сообщества LENR, до ста организаций в мире заинтересованы в этой области.

Среди них такие компании, как Airbus, который имеет патент,  а также Boeing, Nissan, Renault, Shell, Toyota. В данной технологии заинтересованы в том числе индийский Bhabha Atomic Research Center (Barc), Elforsk (Швеция), национальное агентство новых технологий, энергетики и экономики Италии (Enea), НАSА, ВМС США, Stanford Research Institute (SRI), Chinese Nuclear Society и другие.

Иначе говоря, холодный синтез снова во всех новостях.

В основном это произошло с появлением нескольких десятков стартапов (Brilliant Light Power, Brust Energy, Jet Energy, Clean Planet, Clean Nuclear Power LLC, Hydro Fusion, Is Tech, NicHenergy, Prometeon SRL и др.).

Некоторые стартапы находятся на старте того, чтобы продать первый реактор LENR. «В течение двадцати пяти лет только несколько университетов вложили в LENR от 5 до 10 млн евро в год на мировом уровне», – отмечает Nicolas Chauvin, который предлагает три реактора LENR, предназначенных для мирного транспорта. «Резкое ускорение произошло за последние три года. В 2014 г. инвестиции  в эту сферу составили от 20 до 30 млн евро. В прошлом году – 100 млн евро. В этом году они должны достичь цифры порядка 300 и 500 млн евро».

«Времена, когда смеялись над ХЯС, теперь прошли», – говорит Мишель Vandenberghe, генеральный директор startup LENR Cities (Швейцария), который создает экосистему в целях стимулирования развития промышленного LENR в мире.

В настоящее время большинство проектов низкоэнергетического ядерного синтеза не выходят за рамки стадии лабораторного прототипа. Тем не менее, два из них, кажется, близки к запуску своих продуктов на рынке.

Один из таких проектов принадлежит компании Leonardo Corporation. Ее реактор LENR, названный E-Cat, который использует водород, а также нано-структурированные никель и литий, был разработан исследователем-предпринимателем Андреа Росси и исследователем Серджио Фокарди из университета Болонья (Италия). В октябре 2014 г. E-Cat, первый реактор LENR, был объектом независимой технической проверки, которая была осуществлена в частности, исследователями университета Болоньи, университета Уппсала (Швеция) и Королевским институтом технологии в Стокгольме. В течение 32 дней этот крошечный аппарат (33 см в длину и 12 см в диаметре) при температуре в диапазоне от 1 260 °C и 1 400 °C сгенерировал 1,5 МВТ∙час, что в 3,2 – 3,6 раза больше энергии, чем было потреблено. В настоящее время А. Росси разрабатывает целый спектр прототипов E-Cat, начиная от внутреннего генератора 10 кВт до станции 1 МВт для промышленности, которые уже тестируются на промплощадке.

Другой пионер низкоэнергетического термоядерного синтеза – калифорнийская Brillouin Energy Corporation 2 ноября прошлого года продемонстрировала перед членами американского Конгресса два реактора WET и HHT.

«Это была возможность показать, что мы близки к коммерциализации нашей продукции», – комментирует Роберт Годес, президент и технический директор компании.

Российская компания под названием НьюInflow утверждает, что разработала новую теорию научной и математической модели, способной имитировать LENR.

По материалам
ТРИБЬЮН – ЧЕТВЕРГ,
11 ФЕВРАЛЯ 2016 г. –
№159 – WWW.LATRIBUNE.FR

«В этой статье есть несколько очень интересных пассажей. В частности, автор статьи жалуется и говорит, что в то время как в Италии, США, Японии, УКРАИНЕ, России и Китае идут активные исследования, во Франции ничего нет. Даже стало приятно, что мы хоть в чем-то впереди Франции – тем более что это отражает истину – и в теоретическом плане, и в понимании процессов мы действительно находимся в лидирующей группе в мире, нас часто приглашают в США и другие страны для чтения лекций по этой тематике.

И еще пара комментариев и уточнений. Первое. Jean-Paul Bibérian сейчас снова активно занимается этими проблемами, он редактор специализированного журнала по этой тематике, но серьезного финансирования у него по-прежнему нет (правда, у нас вообще никакого нет!). Второе. Как показали последующие официальные расследования специальной комиссии Конгресса США, «неудачи» в повторении в 1989 г. экспериментов Флейшмана и Понса в МIT и Caltech (а также в Великобритании в Harwell), оказались заказными. Комиссия, которая работала в 2008-2009 гг., обнаружила, что все положительные результаты, подтверждающие эти эксперименты, были удалены или сфальсифицированы. Но «файлы не горят», и все это стало известным. Был большой скандал, но дело замяли, поскольку фальсификация была явно заказной и нетрудно догадаться, в чьих интересах.»

Владимир Высоцкий,

доктор физико­математических наук, профессор

Источник: «Терминал» №12 (806) от 21 марта 2016 г.

Оформить подписку на издание