Энергетический Грааль человечества — это освоение энергии управляемого термоядерного синтеза. Энергия, которая заставляет звезды светиться и существовать жизни на земле.
Но хотя в начале эры термоядерных исследований (середина 1950-х) казалось, что человечество через 20 лет будет купаться в изобилии чистой энергии, так и сегодня, в 2024 году, термоядерная энергетика наступит через 20лет…
- Но что-то она не собирается наступать в силу таких технологических трудностей, о которых не помышляли тогда ученые 1960-1980-х годов.
Даже сегодня запуск самого амбициозного международного проекта по управляемому термоядерному синтезу, ITER, был перенесен с 2025 на 2035 год, фактически сдвинув сроки сразу на 10 лет!
Сам проект международного термоядерного реактора берет свое начало еще с 1988 года, когда проект ИТЭР был официально инициирован. И если удастся его запустить в 2035 году, то проекту без малого будет под 50лет.
Тем не менее запуск в 2035году — это только одно из подготовительных мероприятий к полноценному тестированию и проведению экспериментов. Там будет задействована простая дейтерий-дейтериевая плазма, предназначенная для отработки всех технических аспектов и своеобразной обкатки установки.
Эксперименты с термоядерной дейтерий-тритиевой плазмой должны начаться в 2040 году, то есть всего-то осталось каких-то 16 лет…
К слову, из-за подобных сложностей некоторые ученые начали разочаровываться в концепции управляемой термоядерной энергии, аргументируя это тем, что физические принципы, на которых собираются реализовать термоядерную энергетику, абсолютно нефизичны.
Как известно, Игорь Николаевич — ярый противник термоядерной энергетики, а именно его принципа реализации тут на земле в магнитных ловушках типа ТОКАМАК или Стелларатор.
Главным образом, по мнению Острецова, не сходится термодинамика процесса, где энергия частиц растет как первая степень температуры, при этом энергия излучения увеличивается в четвертой степени.
Получается, чем выше температура, тем больше энергии приходится на излучение, так в термоядерных реакциях до 70% энергии будет приходиться на излучение, этим достигается равновесное состояние, когда излучение способно поддерживать дальнейшие термоядерные реакции.
Плотность энергии в виде излучения столь высока, что может быть сравнима с плотностью металлов, по крайней мере, такие расчеты приводит Острецов.
И главная претензия тут сводится к критерию Лоусона, который призван оценить минимальную частоту реакций синтеза в секунду в определенном объеме, необходимую для устойчивого поддержания термоядерной реакции в плазме.
Фундаментальным физическим фактом, на котором базируется критерий Лоусона и, следовательно, вся наука о термоядерном синтезе в магнитных ловушках любого типа, является следующее утверждение:
«Если объем, занимаемый плазмой, гораздо больше длины пробега излучения, так что все излучаемые фотоны поглощаются внутри его, то излучение поверхности плазмы соответствует плотности излучения черного тела, которую можно описать формулой Стефана-Больцмана».
- Но это справедливо только для плотной и невысокотемпературной плазмы. А раз термоядерная плазма прозрачна для излучения, то эта формула не применима.
Острецов в расчетах показывает, что критерий Лоусона будет недостижим в термоядерных установках, основанных на магнитных ловушках, тем самым самоподдерживающаяся термоядерная реакция там будет невозможна.
Тем не менее, Игорь Николаевич, допускает, что протекание термоядерных реакций возможно при подпитке энергией извне, а именно так будет работать ТОКАМАК в ИТЕР.
Да, верно, критерий Лоусона действительно может быть недостижим или вообще неприменим в термоядерных установках, основанных на магнитных ловушках, но разве это обязательное условие для получения термоядерной энергии?
В конце октября 2021 года я задался таким же вопросом и пришел к выводу, что критерий Лоусона вообще не обязательно соблюдать в управляемой термоядерной энергетике, написал об этом статью:
Дополнительно я рассчитал наиболее перспективные проекты в термоядерной энергетике по коэффициенту эффективности и получил следующие значения, которые свёл в таблицу:
Что тут важно, так это параметр «Q» и сам коэффициент эффективности.
Q — это коэффициент усиления энергии термоядерного синтеза, представляет собой отношение мощности термоядерного синтеза, вырабатываемой в термоядерном реакторе, к мощности, необходимой для поддержания плазмы в устойчивом состоянии.
- Условие Q = 1 означает, что мощность, выделяемая в результате реакций термоядерного синтеза, равна требуемой мощности нагрева, и называется энергетической безубыточностью.
Q=10 будет при условии нагрева плазмы мощностью 50 МВт и развившейся термоядерной реакции мощностью 500 МВт.
Параметр Q=10 определен в ИТЕР как тот самый коэффициент усиления мощности, под который проектируется реактор.
То есть самоподдерживающаяся термоядерная реакция вовсе не обязательна для энергетической безубыточности термоядерного реактора.
Если критерий Лоусона будет достигнут, то это будет настоящий прорыв, ибо тогда это фактически даст условно неисчерпаемый энергетический потенциал, в своих расчетах я критерию Лоусона причислил коэффициент «чистой энергии», ибо уже не имеет смысла, сколько энергии затрачивается на нагрев и поддержание плазмы, ибо она сама себя греет изнутри и сама поддерживается.
То есть необходимость во внешнем нагреве отпадает. Термоядерные реакции становятся самоподдерживающимися, такое состояние, называемое «воспламенением», и считается желательным для практических конструкций реакторов.
И вот Острецов доказывает, что это невозможно в конструкции современных термоядерных реакторов. Хотя в многочисленных интервью он говорил, что в принципе управляемая термоядерная реакция в земных условиях невозможна, но, как видно по его работе, невозможно достижение именно критерия Лоусона, а не термоядерных реакций.
Многие ученые и экономисты считают, что коммерчески выгодная термоядерная электростанция будет при Q более 100 ед., приняв это значение, можно приблизительно рассчитать мощность этой термоядерной электростанции.
- Я дополнительно выразил это через свой коэффициент эффективности.
Что в итоге получится.
Название реактора — ТЯЭС 2100 года, Q оо 50 до 150 ед.
Например, при Q, который будет равен 100, на 120МВт мощности нагрева плазмы в ходе термоядерных реакций выделит 12000 МВт мощности (без малого 12 ГВт). Около 20% этой мощности так или иначе уйдет на саморазогрев плазмы, значит, по итогу остаётся 9600 МВт.
Максимально возможное воздействие энергии плазмы со стенками реактора составляет 70%. Итого получаем уже 6720 МВт. Это энергия, которая доступна для отвода. Снять эту энергию всю невозможно — тепловой контур отведёт полезной энергии около 40% (теоретический максимум 63%).
Потому получаем, что, затрачивая на разогрев плазмы 120 МВт, расчетный энерговыход при Q-100 будет около 2688 МВт. То есть от 100 ед. термоядерного усиления в реальности остаётся всего 22,4ед.
И вот эти 2688 МВт тепловой энергии можно полезно использовать. Отдать все 100% в тепломагистраль или на энергетическую турбину для выработки электроэнергии. Во втором случае тепловая энергия преобразуется в полезную электрическую мощность 1075,2Мегаватта.
- Это равняется электрической мощности одного блока АЭС поколения 3(1 ГВт).
Да, действительно, получается, что при параметре Q=100 и более, термоядерная электростанция по энергетической эффективности сможет конкурировать с уже традиционными блоками АЭС поколения 3.
А что насчет АЭС поколения 3+? Для этого, как показывают расчеты, нужно усиления коэффициента мощности в 120-150 раз.
Мною рассчитанный коэффициент эффективности отражает отношение затраченной электроэнергии на нагрев и удержание плазмы к чистому выходу электроэнергии после всех этапов преобразования и потерь.
- Если он выше 1, то термоядерная электростанция (ТЯЭС) сможет работать в режиме генерации электроэнергии, чем выше коэффициент, тем рентабельнее выработка электроэнергии.
То есть, условно говоря, даже если будет создана термоядерная электростанция с Q = 100, то конкурировать с нынешними АЭС она сможет не раньше наступления 22 века.
Потому в сфере коммерческой термоядерной энергетики критерий Лоусона не столь важен, как, например, для научно-исследовательских термоядерных процессов.
Для коммерческого реактора важно значение Q, и чем оно выше, тем реактор выгоднее.
Более того, Игорь Николаевич сам говорит, что в магнитных ловушках распределение плазмы идет не диссипативными способами (то есть не процессами поглощения энергии), а определяется внешними полями установки, но ведь по такому принципу работает тот же ТОКАМАК.
А раз максвелловского распределения плазмы в установках с магнитными ловушками не бывает, следовательно, критерий Лоусона в такой плазме не может быть применим.
Потому, по мнению Острецова, проекты термоядерной энергетики типа «ИТЕР» — бессмысленные по определению.
И с ним можно было бы согласиться, если бы термоядерная энергетика действительно упиралась в этот критерий Лоусона, но это не так.
Критерий Лоусона желателен, но не обязателен.
Более того, если мы возьмем звезды, в недрах которых по определению идут термоядерные реакции, то там критерий Лоусона хоть и выполняется, но не через механизм слияния ядер в термоядерной реакции, а через квантовый механизм туннелирования.
Дело в том, что температуры и давления в центрах звезд недостаточно для слияния изначального вещества — протонов — в атомы водорода.
В 2018 году научная группа «Borexino» выполнила самые точные измерения спектра солнечных нейтрино и подтвердила, что 99 процентов солнечной энергии производится в реакциях протон-протонного цикла.
Так, цикл начинается со слияния двух протонов и последующего бета-распада дипротона, в результате которого образуется ядро дейтерия, позитрон и электронное нейтрино.
Гораздо реже — примерно в 0,25 процентах случаев — дейтрон и нейтрино рождаются при столкновении двух протонов и электрона (pep-реакция). Затем ядро дейтерия поглощает еще один протон, превращается в ядро гелия-3 и испускает фотон.
После этого реакции могут пойти по одному из четырех сценариев. Во-первых, с вероятностью около 85 процентов ядра гелия-3 превращаются в ядро гелия-4. Во-вторых, в 15 процентах случаев образование ядер гелия-4 происходит с участием промежуточных ядер лития-7 и бериллия-7. Эти термоядерные реакции уже могут протекать преимущественно при температуре 10-15 миллионов градусов и давлении 200-350млрд атмосфер.
Но протон-протонный синтез, который дает 99%энергии Солнцу, будет эффективно протекать при температуре в 100 миллиардов градусов Кельвина. До такой температуры должна быть разогрета протонная плазма для эффективного преодоления кулоновского барьера.
Однако в центрах звезд протон-протонный цикл начинается при 10 миллионов градусов Кельвина, но не за счет кинетической энергии, а за счет квантового эффекта туннелирования, который позволяет с некой вероятностью беспрепятственно проходить кулоновский барьер.
Чем выше давление, тем выше эта вероятность.
Хотя сама вероятность туннелирования определяется число случайной величиной, можно вычесть среднее время жизни протона до слияния (до квантового туннелирования), исходя из условий температуры и давления в центре звезд.
Для Солнца время жизни одного протона — 10 миллиардов лет. То есть вероятность туннелирования протона и образования атома водорода происходит 1 раз в 10 миллиардов лет.
И да, слияние протона в CNO-цикле (углеродно-азотным) также определяется вероятностью туннелирования.
Потому критерий Лоусона к протон-протонному циклу, да и вообще к любому циклу, где присутствует протон, по сути, тоже не применим, ибо квантовое туннелирование — процесс абсолютно случайный.
А вот когда термоядерные реакции начинают происходить без квантового туннелирования, происходит вспышка сверхновых звезд, вот там да, критерий Лоусона представлен во всей красе.
Термоядерная бомба тоже взрывается, высвобождая энергию термоядерной реакции в малом промежутке времени, так же, как при взрыве сверхновых звезд.
Потому в установках типа ТОКАМАК термоядерная реакция будет на 10порядков более эффективна, чем на Солнце, а это стоит миллионов долларов, затраченных на изучение термоядерных реакций.
Такие вот чудеса.
Постскриптум:
Обсудить эту тему у меня в Telegram-канале, там можно задать вопрос, комментировать материалы, там я делюсь дополнительным контентом и мы общаемся на разные темы.
Про ЯРТ-энергетику:
В закрытом Дискуссионном клубе, есть статья с прогнозами Игоря Николаевича Острецова, не для общего доступа такой материал:
Все источники доступны тут:
