Энергетика и ее перспективы

Резюме

В монографии известного ученого, академика РАН Р.И. Нигматулина "4 Э на­шей жизни"* представлены размышления по важнейшим вопросам, касаю­щимся жизни современного общества: социально-экономическим, климатиче­ским, физико-техническим, а также энергетическим и этническим. В данном номере журнала мы публикуем главу, посвященную перспективам современ­ной энергетики. В ней рассматриваются альтернативные для источники энергии - солнечная, геотермальная и т.д., в также новый вид энергии - пузырь­ковый термояд, которая еще только изучается специалистами разных стран.

* Нигматулин Р.И. 4 Э нашей жизни: Экология, Энергетика, Экономика, Этнос. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2015. 112 с.

Ключевые слова:энергия, климат, ядерная энергетика, возобновляемые источники энергии

ОРГЗДРАВ - 2016. - № 1. - С. 27-31.

Всвязи с климатическими проблемами обсуждается ограничение эмиссии угле­кислого газа. Да и в связи с истощением углеводородных энергоносителей актуальной стала проблема ограничения сжигания жидкого топлива (бензина, дизельного топлива, мазута) и газа. Конечно, сравнивать разные страны надо по подушному потреблению индустриальной энергии. Ниже в качестве единицы потребления используется 1 тонна эквивалентного нефтя­ного топлива (тэн), связанная с теплотворной способностью (энергоемкостью) каждого вида топлива, - нефти, качественного каменного угля и газа:

1 тэн = 1 т нефти = 1,67 т угля = 1100 м3 газа.

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.хгод). Россия, европейские страны, Япония, Южная Корея - в 2 раза меньше. Одна­ко в 1990 г. СССР потреблял 6,1 тэн/(чел.хгод), а сейчас Россия потребляет в 1,5 раза меньше из-за сокращения промышленного и сельс­кого производства. Китай потребляет 1,6 тэн/ (чел.хгод). 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 чело­век, 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 вещества (Фортов В.Е. Экстремальное состояние вещества. М.: Физматлит, 2009.). Такой "под-жиг" 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 торо-образном 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 XXI 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 в 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.

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 Ливермо-ровского ядерного центра попытались рассчитать этот процесс для единичного парового пузырь­ка с максимальным размером около 50 микрон (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.) 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. 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 C3D6O с молекулярной массой M=64, которая много больше молекулярной массы дейтерированной воды D2O (M=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.

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 с-1 при высокочастотном (20 кГц) акусти­ческом воздействии на кавитационный пузырь­ковый кластер. Конечно, это еще мало, но есть идеи, как увеличить термоядерную производительность (Taleyarkhan R., West C., Cho J.S., Lahey (Jr.) R.T., Nigmatulin R.I., Block R. Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation // Science. 2002. Vol. 295. Р. 1868-1873. Nigmatulin R.I., AkhatovI.Sh., Topolnikov A.S., Bolotnova R.Kh., Vakhitova N.K, Lahey R.T. (Jr.), Taleyarkhan R.P. The theory of supercompression of vapor bubbles and nano-scale thermonuclear fusion // Physics of Fluids. 2005. Vol. 17. Р. 106-107. Нигматулин Р.И., Лэхи Р.Т., Талейархан Р.Т., Вест К.Д., Блок Р.С. О термоядерных процессах в кавитирующих пузырьках//УФН. 2014. № 184 (9). С. 947-960.).

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 термо­ядерщиков".

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 XXI в. будут получены новые наноматериалы для фотоэнергетики, которые смогут обеспечить человечество дешевой элек­троэнергией за счет прямого преобразования солнечной энергии.

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License («Атрибуция - Всемирная»)

ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
Улумбекова Гузель Эрнстовна
Доктор медицинских наук, диплом MBA Гарвардского университета (Бостон, США), руководитель Высшей школы организации и управления здравоохранением (ВШОУЗ)

Журналы «ГЭОТАР-Медиа»