Глава десятаяо холодном ядерном синтезе

10.1. Ядерно - энергетическая проблема

Эра сжигания человечеством запасов органического топлива на Земле подходит к концу, ибо этих запасов остается все меньше. Нефти и газа хватит еще лет на сто, угля - лет на триста, а что дальше? Чем обогреваться следующим поколениям? А если продолжать сжигать во всевозрастающих масштабах органическое топливо, то как уберечь атмосферу от чрезмерного повышения в ней содержания углекислого газа, образующегося при сжигании органических топлив? Ведь избыток углекислого газа в атмосфере приведет к опаснейшему парниковому эффекту, грозящему перегревом атмосферы Земли и глобальной климатической катастрофой, приближение которой мы ощущаем уже и сегодня. Эти вопросы всё больше волнуют людей и заставляют искать альтернативные источники энергии.
Какое-то время в качестве такового рассматривали ядерную энергетику. И уже успели построить сотни ядерных электростанций, "сжигающих" обогащенный уран вместо угля. При каждом акте деления ядра атома урана-235 выделяется 197 МэВ энергии в виде кинетической энергии разлетающихся осколков ядер (165 МэВ), быстрых нейтронов (5 МэВ), у -излучения (5 МэВ), ß -излучения (11 МэВ) и неуловимых нейтрино (11 МэВ) [17].
Возможность выделения этой энергии обусловлена тем, что удельная энергия связи у ядер-осколков деления урана по своей абсолютной величине больше, чем у ядер урана. Ядра при делении избавляются от "лишней" энергии, чтобы перейти в более связанное, а значит, и более стабильное состояние. Но первичные осколки деления урана (в основном ядра ) оказываются тоже неустойчивыми - радиоактивными - и претерпевают затем целую цепочку ß - превращений с излучением жестких рентгеновских лучей, продолжающуюся долгие годы. Поэтому ядерные электростанции очень опасны тем, что при авариях и катастрофах могут привести к загрязнению природы радиоактивными продуктами деления ядер урана, как это случилось в Чернобыле.
Но строителей атомных электростанций прельщала кажущаяся простота и дешевизна получения энергии из урана, а также компактность этого "топлива". Ведь при химических реакциях горения обычных топлив выделяется всего порядка 10 эВ энергии на каждый атом углерода, а тут - в десятки миллионов раз больше! Из одного килограмма урана можно получить столько тепла, сколько получают при сжигании трех тысяч тонн угля.
Конечно, для подводных лодок и полярных ледоколов дальнего плавания ядерные реакторы в качестве источников энергии оказались незаменимыми. Капитанам атомных судов уже не надо думать о многотонных запасах топлива в трюмах. Это и решило е в начале 50-х годов. А научившись делать ядерные реакторы для флота, начали приспосабливать их и для производства электроэнергии на берегу в стационарных условиях. И как грибы после дождя начали расти атомные электростанции, хотя в их проектах были решены далеко не все вопросы радиационной безопасности, особенно вопросы утилизации радиоактивных отходов, которые просто заливали в бетон и захоранивали, предоставив потомкам решать, что делать с этими "бомбами замедленного действия".
Атомный бум продолжался до тех пор, пока не грянул Чернобыль. К этому времени в Украине, например, чуть ли не 40% всей электроэнергии вырабатывалось на атомных электростанциях. Чернобыль продемонстрировал, что все это очень и очень опасно и ненадежно. А если принимать исчерпывающие меры предосторожностей, то ядерная энергия окажется много дороже электроэнергии обычных тепловых электростанций.
Кроме того, запасы руд урана на Земле тоже не безграничны. Хотя урана и тория, тоже пригодного для использования в ядерной энергетике, на Земле немало, но их концентрация в рудах обычно незначительна. В большинстве случаев добыча и обогащение таких руд "съедает" гораздо больше энергии, чем можно получить из добытого урана. А богатых по процентному содержанию залежей урановых руд в природе вообще не существует.
Больше всего запасов урановых руд в Канаде, за ней следует ЮАР, на третьем месте - США [162]. Данных по запасам урановых руд в странах СНГ и в Китае в открытой печати до сих пор не существует, но Украина занимает отнюдь не последнее место в списке уранодобывающих стран. Несмотря на то, что США занимают первое место в мире по добыче урана, своего сырья атомной энергетике США уже сегодня не хватает, и США экспортируют урановую руду из Канады и других стран.
Оценки специалистов показывают, что разведанных запасов урановых руд, пригодных для промышленной разработки, хватит не более чем на 100 лет при уже существующих темпах роста энергопроизводства. Поэтому уран - лишь временная мера для человечества в энергопроизводстве. А вот ликвидация последствий от возможных катастроф ядерных электростанций, таких, как чернобыльская, потребует многих столетий. Вред же, наносимый генно-наследственным структурам всего живого после таких катастроф, может оказаться вообще неисправимым.
Поэтому ученые всего мира считают, что на смену ядерной (урановой) энергетике должна прийти термоядерная, основывающаяся на реакциях синтеза ядер атомов гелия из ядер атомов водорода. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. А как мы уже не раз говорили выше, при образовании связанной системы тел должна выделяться энергия, равная по абсолютной величине энергии связи системы. Поэтому при синтезе ядра атома гелия из четырех нуклонов по суммарной реакции

(10.1)

и выделяется тепло. И хотя на один атом гелия тут тепла выделяется в7,5 раз меньше, чем на один атом урана при делении его ядра, но масса атома гелия в 59 раз меньше массы атома урана. Поэтому "калорийность" водородного "топлива" в пересчете на килограмм вещества почти в 8 раз выше, чем уранового. Да и запасов водорода в природе столько, что если бы удалось осуществить процесс (10.1) в земных условиях в управляемом режиме, то энергетическая проблема была бы навсегда решена.
Однако реакции (10.1) в природе не существует. Она написана как сумма трех последовательных ядерных реакций:

(10.2)

Эту группу реакций называют водородным циклом и предполагают, что по такой цепочке реакций происходит превращение водорода в гелий в недрах большинства звезд, в том числе и Солнца [6].
Первую из этих ядерных реакций в земных условиях никто никогда не наблюдал, даже на ускорителях со встречными пучками протонов. Только теоретики сосчитали, что такая реакция может иногда случаться, когда сталкиваются два протона. Но она настолько редка, что ждать такого случая на ускорителе придется миллиард лет. Это время, соизмеримое со временем жизни звезд, а не людей. Но поскольку в природном водороде всегда имеются примеси дейтерия , рассуждают теоретики, то значит, такая реакция в звездах все-таки идет. Других путей для появления дейтерия в природе теоретики не видят.
Но, слава Богу, что дейтерий все-таки существует. В любом природном соединении водорода на 6800 атомов протия 1H приходится один атом дейтерия (это 0,015%.) Дейтерий считается надеждой человечества в решении энергетической проблемы. Ведь технология выделения тяжелой (дейтериевой) воды из обычной достаточно хорошо отработана, а потому добыча дейтерия - не проблема, хоть и дорогое удовольствие. Его запасы в водах мирового океана практически безграничны.
А далее надо лишь нагреть сосуд с дейтерием до термоядерных температур, чтобы началась реакция:

(10.3) или (10.4)

в результате которой начнется вожделенное энерговыделение.
Во второй из этих реакций получается, правда, тритий 3Т, а не гелий, но и тритий в хозяйстве может пригодиться. Ведь его ядра довольно активно реагируют с ядрами дейтерия:

(10.5)

Оказалось, что последнюю реакцию наиболее легко зажечь в земных условиях (требуется нагреть смесь дейтерия с тритием "всего" до 100 миллионов градусов).
тому она и была осуществлена еще в начале 50-х годов в водородной бомбе. Чтобы создать необходимую температуру, "запалом" для водородной бомбы служит атомная бомбя.
Но маломощную атомную бомбу, которая не разворотила бы всё термоядерное устройство, придумать пока не удается из-за наличия у нее критической массы. Поэтому при проектировании установок, в которых хотят осуществить реакцию (10.5) для управляемого термоядерного синтеза с целью получения тепла и выработки с его помощью электроэнергии, обходятся без атомной бомбы, а стараются разогреть дейтерий-тритиевую плазму до термоядерных температур электрическими разрядами. Пока, как известно, не очень получается. Если с нагревом до требуемых температур уже имеется какой-то прогресс, то с удержанием плазмы в реакторе пока встает проблема за проблемой. Пуск демонстрационных установок термоядерного синтеза откладывается физиками с десятилетия на десятилетие. А объем необходимых работ и их стоимость все возрастают.
Но мы отвлеклись от проблемы сырья для производства ядерного топлива. Если осуществлять термоядерный синтез только по реакции (10.5), то нужен тритий. А природных запасов его не существует, так как ядра трития со временем распадаются по реакции

(10.6)

с периодом полураспада всего 12 лет. (Потому запасы водородных бомб, вернее их начинки, если их не обновлять, самопроизвольно уменьшаются в два раза за каждые 12 лет.)
Термоядерщики предполагают получать необходимый тритий точно так же, как сейчас его производят для водородных бомб: облучая литий потоками нейтронов от ядерного реактора:

(10.7)

Правда, в будущем предполагают получать необходимые потоки нейтронов уже не от ядерных реакторов с ураном, а от термоядерных, то есть производить тритий там же, где он будет использоваться. Таким образом, сырьем для термоядерных реакторов становится литий.
По оценкам Г. С. Воронова [163], вся энергетика Земли, переведенная на электроэнергию от термоядерных электростанций, потребует до десяти тысяч тонн лития в год. А запасы лития на планете в относительно богатых рудах разведанных месторождений составляют не более двух миллионов тонн. Значит, легкодоступного лития хватит лишь на 200 лет. Но литий нужен еще и для производства аккумуляторов, для металлургии, керамическим производствам. Поэтому термоядерщикам запасов лития хватит не более чем на 100 лет.
А работы по созданию термоядерного реактора ведутся уже 50 лет и конца им не видно. Спрашивается, стоит ли овчинка выделки? Нет ли другого пути, который будет пусть не легче, но на более длительный период обеспечит человечество термоядерной энергией?
Автор статьи [163] подсказывает, что надо ориентироваться не на реакцию (10.5), а на реакцию

(10.8)

Правда, для ее осуществления нужны температуры в 8 раз большие, чем для реакции (10.5), но, как считает автор предложения, теперь это уже не проблема.
Проблема в том, где взять необходимый гелий-3. На Земле и обыкновенного гелия-4 не так уж много, а изотопа 3Не в нем содержится всего лишь 1,3 o 10-4(10 в минус 4 степени) %! Считается, что в разведанных недрах Земли его содержится не более 300 кг. Сейчас во всем мире для исследовательских целей накоплено всего несколько десятков килограммов ге-лия-3, как сто лет назад было накоплено всего несколько граммов радия.
Почему же Г. С. Воронов предлагает перейти от одного дефицитного сырья к еще более дефицитному? А взгляните на реакцию (10.8). В ней уже не участвуют радиоактивные вещества! Значит, угрозы повторения катастроф типа чернобыльской уже не будет. А неисчерпаемые запасы гелия-3, оказывается, имеются на Луне. В образцах лунного грунта обнаружено от 7 до 36 г гелия-3 на тонну грунта. Это больше, чем содержание золота в богатых его месторождениях на Земле. Только гелий-3 много ценнее золота.
Автор работы [163] предполагает, что в будущем на Луне будут организованы поселки для добычи гелия-3 и отправки его космическими контейнерами на Землю. И подсчитал, что это будет рентабельно, хотя и связано с огромными затратами. По его расчетам, на добычу и доставку 1 кг гелия-3 потребуется 2,4 o 1012(10 в 12 степени) Дж энергии. (При стоимости 1 кВт-часа электроэнергии по 0,2 доллара США себестоимость 1 кг лунного гелия-3 составит 130 тысяч долларов.) А реакция (10.8) дает в 250 раз больше энергии с каждого килограмма гелия-3. Напомним, что добыча угля обходится всего лишь в 16, а урана - в 20 раз дешевле той электроэнергии, которую сейчас вырабатывают, используя эти источники энергии. Так что добыча гелия-3 на Луне будет предприятием высокорентабельным.
Конечно, всё это планы на далекое будущее. А энергия людям нужна сегодня. Так нет ли третьего пути?