Нигматулин Р.И. [0000-0002-2454-6046]
Институт Океанологии им. П.П. Ширшова, Российская Академия наук, Москва, Россия
Аннотация. В статье представлено интервью зам. главного редакторажурнала «Окружающая среда и энерговедение» К.С. Дегтярева с академиком Робертом Искандеровичем Нигматулиным, научным руководителем Института Океанологии РАН. Вопрос освоения новых энергоносителей остаётся одним из ключевых для существования и развития человеческой цивилизации. Одна из важнейших задач на этом пути – добиться управлением энергией термоядерного синтеза. В отличие от классической атом-ной энергетики, при термоядерном синтезе используется энергия не распада, а слияния ядер атомов. Термоядерная реакция протекает с выделением огромного количества энергии: если 1 кг урана может дать почти столько же энергии, сколько 100 тонн каменного угля, то при термоядерной реакции такое же количество энергии обеспечат 10 граммов смеси изотопов водорода – дейтерия и трития, используемой в качестве энергоносителя. Теоретически, это даст человечеству мощнейший и неограниченный источник энергии, исходя из запасов водорода в природе, при этом, сравнительно чистый в экологическом смысле. В природе термоядерный синтез – превращение ядер водорода в ядра гелия, идёт на Солнце, что и обеспечивает нас солнечной энергией. На термоядерном принципе человек создал водородную бомбу, где идёт неуправляемая термоядерная реакция. Возможно ли взять этот процесс под контроль с целью стабильного получения энергии в мирных целях? Об этом и, в целом, о перспективах мировой энергетики мы беседуем с академиком Р.И. Нигматулиным. Параллельно затрагивается широкий спектр энергетических, экологических и даже социальных вопросов
Ключевые слова: термоядерный синтез, атомная энергетика, экология
Роберт Искандерович, решением задачи управляемого термоядерного синтеза занимаются уже более полувека, но пока дело не дошло до практической реализации. С чем это связано?
Реализована водородная бомба, но про неё мы говорить не будем, а контролируемая реакция термоядерного синтеза и правда пока не получается.
Ещё в 1956 году И.В. Курчатов, основываясь на идеях А.Д. Сахарова и И.Е. Тамма, предложил: будем обжимать плазму магнитным полем, пропустим ток по тороидальной камере, ток будет нагревать плазму до сверхвысоких темпера-тур1. Состав плазмы – смесь дейтерия и трития. Дейтерия на Земле много, но тритий легче поджечь.
Это красивая идея, и тогда она казалась реализуемой в течение нескольких лет. Однако, этим занимаются до сих пор, строят всё более крупные и мощные установки. Сейчас строится мощный реактор ITER во Франции, в исследовательском центре Кадараш. Это международный проект, с участием России, на который будет затрачено $20-30 млрд., и который к 2035-40 году предполагается запустить.
В России Курчатовский институт также строит термоядерный реактор тока-мак Т-15МД, запуск которого планируется на декабрь 2020 года.
Конечно, успех этих проектов означал бы решение всех энергетических проблем человечества и «наступление энергетического коммунизма». Но…
Проблема этого способа в том, что обжатие плазмы магнитным полем неустойчиво, всегда будут вырываться отдельные струйки, и уплотнения не получается до сих пор. При этом затраты энергии на порядки выше, чем её выделение в результате термоядерных актов. Над преодолением этих проблем работает множество людей.
В в последнее время академик Е.П. Велихов, являющийся у нас вдохновителем этой идеи, сказал, что эти реакторы будут, скорее всего, не энергетически-ми, а будет использован как источник нейтронов. Далее этими нейтронами можно облучать торий, чтобы получать из него топливо, используемое в ядерных реакторах, работающих на тепловых нейтронах. То есть, в данном случае термоядерный реактор будет служить целям создания и обогащения ядерного топлива для классической атомной энергетики. Но в ближайшие 50 лет проблема ядерного топлива для атомных реакторов неактуальна, поскольку урановой руды на Земле много, эта руда на мировом рынке подешевела и составляет 5 – 6% в стоимости электроэнергии на АЭС.
Другой способ реализации управляемой термоядерной реакции – с помощью лазерного обжатия. На Западе это установка в Ливерморской национальной лаборатории в США, в России – в Сарове (бывший Арзамас – 16). Но и это очень сложные, дорогостоящие и энергозатратные установки. Например, толь-ко один накопитель энергии для лазерного выстрела занимает площадь размером с футбольное поле. При этом КПД лазера 5%-10%, т.е. только такая доля накопленного электричества идёт в лазерную энергию.
На мой взгляд, такие установки – это просто изучение сверхплотного вещества для науки, но не будущие энергетические реакторы.
Наконец, третий способ, который мы с коллегами разрабатывали и подтвердили экспериментально в Оукриджском ядерном центре в США. Идея заключается в том, что термоядерное топливо легче обжимать вязкой инерционной жидкостью, чем оптическим лазерным излучением, это более устойчивая си-стема.
Какая жидкость должна быть?
Нужно взять вещество большой молекулярной массы, потому, что при этом в паре до его диссоциации реализуются меньшие скорости звука2, и во столько же раз большие числа Маха. Мы взяли ацетон. В нашем опыте в цилиндрической колбе с дейтерированным ацетоном при сфокусированном акустическом ультразвуковом воздействии создаётся кавитационный сферический кластер диаметром около 1 см из сферических сферических паровых пузырьков. И нам в этих маленьких установках удалось получить нейтронные источники, испускающие примерно полмиллиона термоядерных нейтронов в секунду с энергией 2,5 МэВ. Одновременно с той же производительностью идёт образование ядер трития. Это неоспоримые признаки термоядерного акта.
Результаты были опубликованы в журнале Science, статья Evidence for Nucle-ar Emissions During Acoustic Cavitation [1]. Позже опыты были повторены, и результаты подтверждались. С обзором нашей работы и результатов можно познакомиться в нашей статье «О термоядерных процессах в кавитирующих пузырьках» [2], опубликованной в «Успехах физических наук» в 2014 году.
Сейчас мы нашли другое вещество, более тяжёлое – тетрадекан. Если у дейтерированной воды молекулярная масса – 20, у дейтерированного ацетона (С3D6О) – 64, то у тетрадекана (С14D30) с дейтерированным водородом –228. Сейчас мы проводим расчёты сферического обжатия и предполагаем, что будет более эффективный и устойчивый процесс – более тяжёлый пар, не нужно сам пузырь так сильно обжимать… Тут, конечно, тоже сложная и капризная неустойчивость фокусировки энергии, но, всё-таки, менее капризная и более устойчивая, по сравнению с оптическим обжатием лазерными лучами. При этом тороидальные и лазерные установки обходятся в миллиарды долларов, а мы всё сделали за несколько тысяч, правда, и термоядерная производительность пока очень мала.
Да, наша идея пока не принята большей частью научного сообщества. Более того, мы подвергались не только резкой критике, но и прямым обвинениям в фальсификации результатов, которые, после жёстких дискуссий и разбирательств, не подтвердились, были отвергнуты, и наши результаты публикуются.
Знаете, есть ведь такое, особенно в Америке это заметно – профессионалы, связанные с токамаками и лазерным термоядом, боятся возникновения новых идей.
Несколько неожиданно слышать это про Америку…
Вероятно, потому, что это большие средства, на это отпускаются миллиарды долларов, решает бюджет, конгресс, политики. И тут, представьте, политикам говорят, что есть какая-то новая идея, и надо часть средств выделить на эту новую идею, что может угрожать сокращением финансирования традиционных исследований.
Честно говоря, для меня это стало шоком, хотя я хорошо знаю Америку. Но раньше я думал, что подобное только у нас возможно. Я не говорю, что у нас хорошо, но и там не лучше, а иногда и хуже.
Кстати, почему сейчас в Америке происходят беспорядки под флагом расово-го равноправия, — Вы не думали? Почему такую великую страну невежественные толпы пытаются поставить народ и его интеллигенцию на колени? Я это связываю с тем, что там 95% населения не получает необходимого школьного образования, овладение которым требуют больших усилий. Да, если вы хотите учиться, вам в США создадут условия. Но такую страсть и способность показывают 1%-2%. Мы все ленивые, если нас не погонять, мы не будем работать как следует. Поэтому моя теорема – народ надо заставлять учиться. Учить синусы, доказывать теоремы, изучать физику, химию и биологию, учить стихи Пушкина, учить прозу Толстого, решать сложные задачи … Иначе народ вырастает невеждой – тем более, у него сейчас смартфоны, интернет, автомобили, и он чувствует себя умным, но мозги, на самом деле, хилые, неразвитые, и он идёт разрушать своё же государство и культуру.
Возвращаясь к теме термоядерного синтеза…
Пока здесь три значимые идеи: токамак, лазерное обжатие и наша, основанная на ударном воздействии на пузырьковую жидкость. И пока все три далеки от реализации. Но, это уже моё мнение – если Всевышний предусмотрел, что человечество будет использовать термоядерную энергетику, то это будет в пузырьковой жидкости. Это моя точка зрения, её ещё надо отстаивать, но это будет не токамак и не лазер. Энергетические установки для обеспечения человечества энергией не могут быть такими суперсложными.
И долго ждать практической реализации, с Вашей точки зрения?
Я думаю, ситуация прояснится к середине XXI века.
А до этого?
Мы неизбежно будем переходить к безуглеродной энергетике, тем более, есть острые экологические проблемы, выбросы парниковых газов и загрязняющих веществ действительно велики.
Сейчас в качестве способа решения этой проблемы рассматривается, прежде всего, солнечная и ветровая энергетика. Да, она будет развиваться, но энергетических проблем человечества она не решит. Только за счёт солнечной и ветровой энергии мы жить не сможем. Она нестабильна – солнца нет ночью, а в наших широтах его почти нет зимой; ветер тоже дует не всегда. Нужно решать сложнейшую проблему аккумуляции электроэнергии.
И я думаю, что лет через 10 будет ренессанс атомной энергетики, несмотря на то, что США, Германия, Япония от неё сейчас отказываются. Да, после Чернобыля и Фукусимы мы её боимся. Но надо строить более безопасные АЭС. Тем более, нет, и в ближайшие полвека не будет проблемы дефицита уранового сырья, его хватит на многие десятилетия. Хотя в нашей стране урана немного, но его достаточно в Казахстане, Узбекистане, это биржевой товар, и стоит он сейчас дёшево3, а в структуре затрат АЭС доля урана составляет всего 5%-6%. Так что, в ближайшие десятилетия развиваться будет «старая» энергетика, не ториевая, а урановая, на тепловых нейтронах, перспектив развития новой ядер-ной энергетики пока не просматривается.
А реакторы на быстрых нейтронах, подобные БН-800 на Белоярской АЭС?
Да, это тоже перспектива для энергетики. Но, во-первых, пока это относительно дорого. Во-вторых, при работе реактора на быстрых нейтронах образуется плутоний, а это уже атомная бомба. Это требует строжайшего международного контроля. Законы нераспространения ядерного оружия пока не позволят такую электростанцию продать.
Но в случае с «классической» атомной энергетикой есть экологическая проблема — захоронения отходов…
Да. Проблема захоронения отходов существует. Облучённое, или отработанное, ядерное топливо (ОЯТ) надо где-то складировать. Например, Америка отправляет его в шахты на вечное хранение. Но что значит «вечное»? На сотни и тысячи лет? Тогда неизбежно рано или поздно будет потерян контроль над ним. Но один из выходов в перспективе – использование термоядерных установок, выделяющих нейтроны, для облучения отходов и осуществления трансмутаций, чтобы актиноиды, тысячи и миллионы лет сохраняющие свою активность, превращать в быстро разлагаемые.
А, в целом, подход к экологии не может быть примитивным и должен быть основан на всестороннем анализе. Допустим, солнечная энергетика – экологи-чески чистая? Но ведь, изготовление солнечных батарей – это очень сложное и энергозатратное химическое производство. А потом они отработают, и их надо утилизировать – это тоже экологические и экономические издержки.
Или, другие примеры. В Уфе экологи вывели народ на протесты против строительства пропиленового завода. Завод не построили, но смертность в го-роде не уменьшилась, а выросла. Почему? Потому, что людям нужен не только чистый воздух, но и работа и заработок. Или Байкал, где печально известный ЦБК уже не работает, но загрязнение от окружающих его электростанций выше и где на окраинах населённых пунктов можно увидеть огромные мусорные свалки, и это тоже в итоге сносится в Байкал.
Больше всего вреда окружающей среде наносят не единичные объекты или аварии, а наша повседневная деятельность. Например, использование интернета в мире – при этом же потребляется огромное количество электроэнергии, даёт больше выбросов CO2 в атмосферу, чем вся мировая авиация! А из стран мира больше всего на душу населения углерода выбрасывают США – в два-три раза больше, чем в Европе и России.
Возвращаясь к атомной энергетике… Когда я был депутатом Госдумы, я входил в комитет по экологии. И возглавлял общественный Высший экологический совет. И нам приходилось отстаивать закон об облучённом ядерном топливе. Нас обвиняли, что мы хотим ввозить ядерные отходы. Но, например, мы по-строили АЭС в Иране, а что делать с облучённым ядерным топливом с этой электростанции? Оставлять в Иране? Это очень опасно, исходя из политической ситуации в том регионе. Поэтому мы будем забирать у них отработанное ядерное топливо в виде машинных тепловыделяющих сборок. Имеются технологии его рециклинга, связанного с отделением из отработанного ядерного топлива плутония и урана. А самые долгоживущие актиноиды, составляющие по массе 1% – 2%, можно выделять, остекловывать и возвращать обратно хозяевам АЭС.
И всё это за хорошие деньги. А за дополнительную плату можем хранить и у нас. Мы можем это делать – у нас не только огромная территория, но и соответствующие заводы, предприятия, квалифицированные специалисты, которые получают работу и деньги из Ирана.
Ведь экология человека не сводится к чистоте окружающей среды; экология – это и рабочие места; наконец, это культура и знания, отсутствие которых, как мы уже говорили, ведёт к саморазрушению государства и цивилизации.
Если же, резюмируя, говорить о перспективах мировой энергетики, то я вижу такую последовательность:
В первую очередь, мы будем развивать более эффективную урановую ядерную энергетику;
Одновременно, конечно, будет создаваться солнечная и ветровая энергетика; Далее, пойдёт строительство реакторов на быстрых нейтронах; И только потом возникнет промышленная термоядерная энергетика, но, в силу своей сложности, это будет к концу 21 века, не раньше. И я думаю, что это будет «пузырьковый термояд», а не токамак и не лазерный термояд – я в это верю больше, но это и правда пока вопрос веры.
Беседовал К.С. Дегтярев, зам. главного редактора журнала «Окружающая среда и энерговедения», н.с. НИЛ возобновляемых источников энергии географическог факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, к.г.н.
Литература
- Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation. R. P. Taleyarkhan, C. D. West, J. S. Cho, R. T. Lahey Jr., R. I. Nigmatulin, R. C. Block. Science 08 Mar 2002: Vol. 295, Issue 5561, pp. 1868-1873. DOI: 10.1126/science.1067589
- О термоядерных процессах в кавитирующих пузырьках. Р.И Нигматулин, Р.Т. Лэхи (мл.), Р.П. Талейархан, К.Д. Вест, Р.С. Блок // Успехи физических наук – 2014 – т.184, №4 – С. 947-960. DOI: 10.3367/UFNr.0184.201409b.0947
References
- Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation. R. P. Taleyarkhan, C. D. West, J. S. Cho, R. T. Lahey Jr., R. I. Nigmatulin, R. C. Block. Science 08 Mar 2002: Vol. 295, Issue 5561, pp. 1868-1873. DOI: 10.1126/science.1067589
- On thermonuclear processes in cavitation bubbles. R I Nigmatulin, R T Lahey, Jr., R P Taleyarkhan, C D West and R C Block // Uspekhi Fizicheskikh Nauk – 2014 – volume 184, №4 – p. 947-960. DOI: 10.3367/UFNr.0184.201409b.0947