Энергетика и ее перспективы

08 Апреля 2016
Вестник_№1_2016
Автор: Р.И. Нигматулин

Потребление индустриальной энергии в разных странах

Следует иметь в виду, что 90% индустриальной энергии потребляется 25% населения Земли, живущего в индустриальных странах (Европа, Северная Америка, Япония, Китай и т.д.). В эту группу входит и Россия. Больше всего на душу населения потребляют США и Канада – 9 тэн/(чел.×год). Россия, европейские страны, Япония, Южная Корея – в 2 раза меньше. 

Однако в 1990 г. СССР потреблял 6,1 тэн/(чел.×год), а сейчас Россия потребляет в 1,5 раза меньше из-за сокращения промышленного и сельского производства. Китай потребляет 1,6 тэн/ (чел.×год). Но Китай очень неоднороден. На индустриальный уровень в Китае выведены только 1/3 населения, а остальная часть практически не потребляет индустриальную энергию и живет за счет мышечной энергии. Поэтому индустриальная часть населения (около 400 млн чело- век, а это почти Европа или три России) вышла на европейский уровень потребления энергии. И доля индустриальной части населения, и производство энергии в Китае бурно растут.

Ядерная энергетика

Эта энергетика не связана со сжиганием угля, нефти и газа и эмиссией СО2. Развитие атомной энергетики на основе урана-235 из-за проблем, связанных с радиоактивными отходами, и аварий на Чернобыльской АЭС и японской АЭС в Фукусиме затормозилось. Более безопасной и чистой представляется термоядерная энергетика. Она основана на ядерных реакциях синтеза изотопов водорода – дейтерия и трития: 

D + D и D + Т

Дейтерия (D) много в воде океана в виде полутяжелой воды НDO, а трития (T) на Земле нет, его можно производить в специальных реакторах, но экономичность таких реакторов требует серьезных разработок. В реакциях ядерного синтеза высвобождается очень большая энергия, но эти реакции очень трудно «поджечь», так как для этого необходимо достичь огромной температуры и плотности вещества1. Такой «поджиг» реакции D + T реализовывался взрывом атомного (уранового) детонатора в водородных бомбах, обладавших огромной разрушительной силой. А поджечь реакцию D + D пока не удалось даже в водородной бомбе. Если бы удалось освоить реакцию только с дейтерием, то на многие тысячелетия проблема обеспечения энергии была бы решена.

В настоящее время ищут методы мирного использования термоядерной реакции синтеза, который сокращенно называют управляемым термоядом. На это тратятся большие средства. Рассматриваются два метода (рис. 1). Первый основан на магнитном обжатии плазмы, разогреваемой электрическим током в торообразном реакторе. Такой тип реактора, называемый Токамаком, был предложен в 1950-е гг. с надеждой, что он даст энергию через несколько лет. Однако возникли фундаментальные проблемы, которые до сих пор не преодолены. Тем не менее планируются все более крупные и дорогие установки с надеждой выхода в промышленность во второй половине ХХI в. Во Франции строится международный Токамак по программе ITER, в которой российское участие возглавляет академик Е.П. Велихов (Курчатовский ядерный центр). Второе устройство для термояда основано на лазерном обжатии маленьких сферических шариков (диаметр ~3 мм) в тонкой оболочке, внутри которой имеется ядерное топливо (дейтерий и тритий). В таблетку одновременно выстреливают порядка 100 лазеров с целью сжать и нагреть топливо (см. рис. 1), чтобы произошла термоядерная реакция. В США в Ливерморовском ядерном центре построена такая установка NIF стоимостью почти 5 млрд долларов. Установка поменьше строится российском ядерном центре в Сарове, и эту программу возглавляет академик Р.И. Илькаев.

Накопители электрической энергии в таких установках для одновременного выстрела 100 лазеров, чтобы поджечь всего один шарик, занимают площадь, превышающую футбольное поле. Несмотря на огромные затраты, перспективы для термоядерной энергетики неясные.

Рисунок 1. Схема термоядерных установок Токамак (тороидальной камеры с магнитными катушками) и инерционного лазерного термояда


Пузырьковый термояд

Я со своими сотрудниками и с американскими коллегами изучаю другой способ. Вместо многолучевого лазерного выстрела мы изучаем сфокусированное сжатие сферического кавитационного пузырька, заполненного паром окружающей жидкости, в молекулах которой имеются атомы дейтерия. В стадии острого инерционного сжатия размер пузырька уменьшается в 20–30 раз, а в их центре образуется маленькая зона плазмы с высокой температурой и плотностью.

Идея возникла сначала у специалистов по акустике, изучавших явление сонолюминесценции (свечение кавитационных пузырьков при их периодическом сжатии под действием акустического поля), когда были опубликованы данные, что эта температура в центре пузырька могла достичь 106 К. Тогда решили рассмотреть возможность в пузырьке термоядерной реакции, как в водородной бомбе, только очень маленькой. В 1995 г. американские специалисты из Ливерморовского ядерного центра попытались рассчитать этот процесс для единичного парового пузырька с максимальным размером около 50 микрон* в дейтерированной (тяжелой) воде D2O, чтобы проверить, возможно ли создать условия для термоядерной реакции D + D или D + Т, после его быстрого сжатия за ~10 мкс до 2–3 мкм.

* 1 микрометр (микрон, мкм) = 10–6 м. Сочетание мк для обозначения размерности означает одну миллионную. Помимо длины 1 мкм используется 1 мкс – микросекунда, 1 мкс = 10–6 с. Напомню, что аналогично буква «м» в размерностях означает одну тысячную: 1 мм = 10–3 м, 1 мс = 10–3 с.;

Их расчеты показали, что термояд в таких пузырьках невозможен, причем говорили они об этом много раз, после этого их работу закрыли. Мы же постарались найти такие условия, когда термоядерные акты смогут производиться. Мы решили использовать сферический пузырьковый кластер диаметром порядка 10 мм с пузырьками диаметром порядка 1 мм, т.е. на порядок более крупными, чем в экспериментах с сонолюминесценцией.

Самым парадоксальным оказалось наше предложение использовать высокомолекулярную дейтерированную жидкость, например дейтерированный ацетон С3D6O с молекулярной массой М=64, которая много больше молекулярной массы дейтерированной воды D2O (М=20). Это позволило создать сходящуюся ударную волну (рис. 2), которая после отражения от центра позволила, согласно нашим расчетам, создать в крошечной нанометровой (1 нм – нанометр, 1 нм = 10–9 м.) области (размером ~100 нм) плазму с температурой ~108 К, плотностью 10 г/см3, которая существует в таком состоянии ~1 пс = 10-12 с. За это время образуется 10 термоядерных нейтронов и 10 ядер радиоактивного трития.

Рисунок 2. Кумулятивное схождение сферической ударной волны («микроводородная бомба»)


Мои американские коллеги в американском Оукриджском ядерном центре провели эксперименты на настольной установке и сумели получить термоядерные искры быстрых нейтронов (2,5 Мэв) и ядер трития с производительностью Q ~ 105 c-1 при высокочастотном (20 кГц) акустическом воздействии на кавитационный пузырьковый кластер. Конечно, это еще мало, но есть идеи, как увеличить термоядерную производительность.

Результаты этой работы после обсуждения в Оукриджском ядерном центре и в ряде лабораторий России, в частности в Забабахинском ядерном центре, а затем на ряде конференций после многократного рецензирования были опубликованы в самых авторитетных журналах. Но одновременно была инициирована недобросовестная компания против одного из наших соавторов – профессора Руси Талеархана. Нам пришлось отвечать порой на недобросовестные и неквалифицированные нападки, которые подтверждали печальную теорему о том, что многие ученые не знают все основы своих наук. Особенно это проявилось у «профессиональных термо- ядерщиков».

Пузырьковые жидкости открывают перспективы использования их в термоядерных технологиях благодаря тому, что околосферическая фокусировка энергии инерционной и вязкой жидкостью принципиально более устойчива и эффективна, чем фокусировка энергии оптическим суперкоротким лазерным ударом, описанным выше. Помимо этого, подвод энергии суперкоротким лазерным ударом требует огромных затрат энергии, огромных установок, и он очень неэффективен для сверхсжатия газа. Поэтому пузырьковые жидкости перспективны для поиска новых ядерных технологий.

Возобновляемые источники энергии

К возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относятся гидроэнергетика, солнечная (нагревательная и фотоэлектрическая), геотермальная, ветровая, энергия морских волн, течений, приливов и океана, биотопливо и др. Гидроэнергетика занимает около 10%. И ее ресурс существенно не изменится.

Быстро развивается ветряная и солнечная энергетика, хотя их развитие обусловлено поддержкой государственного бюджета, в частности дополнительными налогами с потребителей электроэнергии. Наиболее быстрый рост ВИЭ отмечается в Китае, США, Германии, Испании, Италии, Индии и др. В Германии они уже составляют около 20%. По мнению академика Ж.И. Алферова, к середине ХХI в. будут получены новые наноматериалы для фотоэнергетики, которые смогут обеспечить человечество дешевой электроэнергией за счет прямого преобразования солнечной энергии.


Сведения об авторе

Нигматулин Роберт Искандерович – академик РАН, доктор физико-математических наук, профессор, директор Института океанологии РАН, заведующий кафедрой газовой и волновой динамики механико-математического факультета ФГБОУ ВО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»