Производство электроэнергии на АЭС и переработка отработавшего ядерного топлива связаны с образованием значительных объёмов радиоактивных отходов. Это обстоятельство, наряду с негативным отношением населения к ядерной энергетике, которое возникло из-за опасений повторения радиационных катастроф, подобных Чернобыльской, привело к тому, что ряд стран отказывается от развития ядерной энергетики.
Современная ядерная энергетика, использующая энергию, выделяющуюся при делении тяжёлых ядер (235U и 239Pu), имеет ограниченные запасы сырьевых ресурсов и сопровождается образованием больших объёмов долгоживущих радиоактивных отходов. Поэтому возможные перспективы ядерной энергетики основаны на получении энергии, которая освобождается при слиянии лёгких ядер (реакции ядерного синтеза) и ядерных реакциях, связанных с трансмутацией ядер.
Цель работы – привлечь внимание исследователей к проблеме использования НЭЯР в энергетике, чтобы расширить круг инженеров и научных сотрудников, работающих над тематикой экологически чистой ядерной энергии.
Ядерная энергия (принцип получения)
В реакциях синтеза энергия выделяется при слиянии ядер легких элементов и образовании более тяжелых ядер. Например, при слиянии двух протонов (ядер водорода) образуется ядро дейтерия (2H = D) и выделяется 2,2 МэВ энергии: p + p → d + e+ + ν. Подобные реакции широко распространены в природе – считается, что энергия звезд, и в том числе Солнца, производится в результате цепочки ядерных реакций синтеза, превращающих четыре ядра атома водорода в ядро гелия [1; 2].
Из-за наличия кулоновского отталкивания между ядрами сечения реакций при низкой энергии частиц ничтожно малы, и поэтому при обычной температуре смесь изотопов водорода и других легких атомов практически не реагирует. Для того чтобы реакция имела заметное сечение, сталкивающимся частицам нужно иметь большую кинетическую энергию. Тогда частицы смогут преодолеть кулоновский барьер, сблизиться на расстояние порядка ядерных и прореагировать. Например, максимальное сечение для реакции дейтерия с тритием достигается при энергии частиц около 80 КэВ, а для того чтобы в смеси DT иметь большую скорость реакций, ее температура должна быть масштаба ста миллионов градусов, Т = 108 °К. Проблема получения ядерной энергии путём слияния лёгких ядер в условиях сверхвысоких температур, реализованная в виде установок (реакторов) управляемого термоядерного синтеза (УТС), до настоящего времени не решена [1; 2].
В мировом океане дейтроны (ядра дейтерия) постоянно образуются при захвате тепловых нейтронов свободными протонами: n + p → d + γ. Рассчитаем энергию, выделяющуюся в этой реакции, используя табличные значения массы ядер нейтрона, протона и дейтрона, приведённые в [3]. В таблице масса ядер приводится в энергетических единицах (кэВ) согласно соотношению массы и энергии Эйнштейна: E = mc2.
Масса нейтрона 8071 кэВ,
масса протона 7289 кэВ
Сумма 15360 кэВ
Масса ядра дейтрона 13136 кэВ
Энергия, полученная в результате реакции синтеза, 2224 кэВ (энергия на один нуклон – 1112 кэВ).
Для разделения ядра дейтрона на нейтрон и протон необходимо затратить точно такую энергию (2224 кэВ), поэтому эту величину называют энергией связи. На рис. 1 приведена зависимость энергии связи, рассчитанная на один нуклон, от массового числа ядра, из которого видно, что изотопы водорода являются наиболее эффективным топливом при использовании реакций ядерного синтеза [2].
Рис. 1. Зависимость энергии связи (на один нуклон) от массового числа ядер
Эксперименты по изучению возможностей проведения реакций ядерного синтеза при низких температурах
В обзоре [4] описан эксперимент по разложению тяжелой воды электролизом на кислород и дейтерий: при этом в процессе растворения палладиевого катода в нем происходят реакции ядерного синтеза. Нейтронное излучение, так же так и радиоактивные отходы, при этом отсутствовало. Автор приведенной работы Филимоненко И.С. создал гидролизную энергетическую установку, предназначенную для получения энергии от реакций «теплого» ядерного синтеза, идущих при температуре всего 1150 °C. Реактор представлял собой металлическую трубу диаметром 41 мм и длиной 700 мм, изготовленную из сплава, содержавшего несколько граммов палладия. Топливом служил дейтерий, сорбированный палладием. Заявка на изобретение «Процесс и установка термоэмиссии» [5] была отклонена Государственной патентной экспертизой на том основании, что термоядерные реакции не могут идти при столь низкой температуре. Таким образом, приоритет открытия холодного ядерного синтеза (ХЯС) советским изобретателем не был зафиксирован. Интерес к проблеме ХЯС возник после публикации [6]: в работе М. Флейшмана и С. Понса сообщалось об обнаружении нового явления в науке – ядерного синтеза при комнатной температуре в процессе насыщения электролитическим путем палладия дейтерием при проведении электролиза в тяжелой воде с палладиевым катодом. При этом наблюдалось выделение избыточного тепла, рождение нейтронов и гамма-квантов, а также образование трития. Для возникновения ХЯС существенным является влияние кристаллической решетки насыщенного дейтерием металла (Pd, W, Pt), под воздействием которой величина кулоновского барьера снижается. Авторы [6] могли наблюдать результаты следующих реакций синтеза:
p + D –> 3He + γ (5,5 МэВ) (i)
D + D--> 3He (0,82) + n (2,45) (ii)
D + D--> T (1,01) + p (3,02) (iii)
Надо отметить, что результаты [6] оказались плохо воспроизводимыми. В работе [7] выдвинуто предположение, что причина неудач исследователей, пытавшихся воспроизвести результаты [6], связана с тем, что для получения интенсивного выделения тепла [6] необходимо вести электролиз очень продолжительное время – 66 суток (5,6·106с). Можно предположить, что наблюдаемое интенсивное выделение тепла связано с воздействием космического излучения, а время, в течение которого необходимо проводить электролиз для регистрации всплеска тепловыделения, определяется частотой возникновения широких атмосферных ливней в месте расположения установки. Только после того, как работы [6; 7] стали широко известны, Филимоненко И.С. удалось опубликовать свои результаты в сборнике, малодоступном для большинства учёных [8].
Описаны результаты эксперимента по инициированию реакции ХЯС в процессе ультразвуковой кавитации в тяжелой воде. Зарегистрирован достоверный (максимальное превышение над уровнем естественного фона 12σ) выход нейтронов как следствие инициированной реакции синтеза (ii) при кавитации суспензии мелкодисперсного дейтерида LaNi5D5,5. В то время как при ультразвуковом воздействии на тяжёлую воду, в которой отсутствовали взвеси, число зарегистрированных нейтронов не превышало фоновых значений [9].
Эксперименты по изучению возможности проведения низкотемпературной трансмутации ядер
Производство экологически чистой ядерной энергии возможно не только при ХЯС, но также в результате трансмутации ядер, имеющей место при сравнительно низких температурах – холодная трансмутация ядер (ХТЯ). В последнее время процессы ХЯС и ХТЯ объединяют термином «низкоэнергетические ядерные реакции» (Low Energy Nuclear Reactions – LENR). При трансмутации некоторый набор стабильных нуклидов переходит в другой наиболее энергетически выгодный набор стабильных нуклидов с выделением энергии, а также процессов взаимодействия ядер с электронами, позитронами и нейтрино [10].
В [11] описана работа теплогенератора Росси E-cat (Еnergy Сatalyzer), в котором ядерная энергия генерируется как результат ХТЯ. В 2014 г. группа международных экспертов провела испытания варианта теплогенератора Росси. Как сообщается в отчёте об испытаниях [12; 13], устройство представляет собой керамическую трубку (Al2O3), внутри которой помещено топливо – смесь 1 г порошка никеля 0.1 г алюмогидрида лития (LiAlH4) с намотанной на её поверхности нагревательной спиралью. С помощью этой спирали трубка с топливом нагревалась до 1260–1400 °С. В процессе тестирования вёлся контроль количества электроэнергии, затраченной на нагрев, и количества тепловой энергии, генерированной установкой. Указано, что в течение 32 суток испытаний устройство произвело 5800 Мдж тепла, что более чем в 3 раза превышало энергию, израсходованную на электроподогрев. Отработавшее топливо подвергли масс-спектрометрическим анализам, которые обнаружили существенные изменения в изотопном составе топлива, однозначно свидетельствующие о ядерном происхождении полученной энергии. На основании данных [11; 12] в работе [14] показано, что ядерная энергия, генерируемая E-cat, обусловлена трансмутацией ядер 58Ni в 62Ni, а затраченная на нагрев энергия равна энергии, необходимой для преобразования 7Li в 6Li и превращения протонов (ядер водорода) в нейтроны. Делается вывод [14] о соблюдении закона сохранения энергии при работе тестируемого устройства. Но соблюдения закона сохранения недостаточно для адекватного объяснения функционирования теплогенератора Росси. Возможно, как и в рассмотренных ранее экспериментах, существенным является взаимодействие протонов с кристаллической решёткой никеля, которое позволяет превращать протоны в нейтроны путём обратного бета-процесса с участием электронов и нейтрино [10].
Сообщается о создании российскими учёными никель-водородного реактора, непрерывно проработавшего 7 месяцев [15]. В отличие от устройства Росси [11], в котором применялся твёрдотельный источник протонов (LiAlH4) и нейтронов (7Li), в этом теплогенераторе в качестве источника протонов использовался газообразный водород, сорбированный никелем. В результате улучшилась стабильность работы, но существенно снизилась (более чем в 8 раз) мощность устройства. Отметим, что изотопный состав никеля в отработавшем топливе не изменился, а в поверхностном слое керамической трубки, соприкасающемся с порошком никеля, появились значительные количества кальция и кремния [15]. Это может свидетельствовать о реакциях p + 27AL = 28Si + 116 keV и p + 41K = 42Ca + 40,6 keV, в результате протекания которых генерируется тепло.
В установке «Энергонива», созданной в 1994 г. в Магнитогорском государственном техническом университете [16], поток воды пропускался через область плазменного высокочастотного разряда, и в результате синтезировались новые элементы. Скорость их образования составляла порядка кг/мин [17]. Принципиальная схема основного элемента установки – реактора приведена на рис. 2.
При пропускании потока воды со скоростью 0,2…0,8 м/с через медные трубчатые электроды (2 и 3), в зазоре между которыми формировали плазменное образование в виде пленки (1), на выходе реактора наблюдалось выпадение из потока воды порошка, который содержал новые элементы (в основном железо). Эти элементы нерадиоактивны. При работе установки также не зафиксированы радиоактивные излучения. Инициация процесса производилась с помощью импульсных электродов, изготовленных из медных стержней диаметром 3…8 мм и длиной 5…10 м (6). В работе [18] отмечено, что применялось не 2, а 4 электрода, расположенных под углом 90 °. Поверх диэлектрического корпуса реактора (4) размещалась катушка (5), с помощью которой создавалось магнитное поле в разрядном промежутке. Кроме того, индуктивность этой катушки вместе с паразитной ёмкостью формировали колебательный контур, определяющий частоту следования генерируемых импульсов (20–30 МГц).
Рис. 2. Схема реактора: 1 – область разряда; 2 – верхний трубчатый электрод; 3 – нижний трубчатый электрод; 4 – корпус реактора; 5 – катушка (индуктор); 6 – импульсные электроды
Выход твёрдых продуктов в установке «Энергонива-2» в зависимости от диаметра трубчатых электродов [15]
|
D, мм |
10 |
15 |
20 |
25 |
32 |
40 |
52 |
|
Выход, г/мин |
90 |
180 |
270 |
450 |
720 |
1080 |
1800 |
Выход новых элементов, полученных на установке «Энергонива-2», в зависимости от диаметра D трубчатых электронов приведён в таблице.
Использовались два режима работы установки: металлургический и энергетический. Первый, с приоритетом получения металлического порошка, и второй – получение электрической энергии. При синтезе металлического порошка вырабатывалась электрическая энергия, которая отводилась от установки. Количество электрической энергии оценивалось примерно до 3 МВтч на 1 м3 воды и зависело от режима работы установки, диаметра реактора D и количества наработанного порошка. Отмечено, что «Энергонива-2» работала в автономном режиме около 2 суток.
После смерти создателя установки Вачаева А.В. в 2000 г. сотрудники института не смогли запустить его установку. Ноу-хау запуска до сегодняшнего дня исследуется в лабораториях [18]. Можно предположить скрытое применение источника ионизирующего излучения (ИИИ) для создания ионизации в разрядном промежутке реактора при запуске процесса – официальное разрешение на использование ИИИ большой активности связано с определенными сложностями.
В лаборатории физического факультета МГУ исследователем А.А. Корниловой был выполнен ряд экспериментов, однозначно свидетельствующих о трансмутации стабильных и радиоактивных нуклидов в растущих биологических системах. Её соавтор профессор Киевского национального университета В.И. Высоцкий предложил теоретическое обоснование возможности протекания низкоэнергетических ядерных реакций (НЭЯР) при комнатной температуре с позиций квантовой теории когерентных коррелированных состояний [19–22]. Использование биологической трансмутации долгоживущих радиоактивных изотопов (например, 137Cs) для снижения активности жидких радиоактивных отходов, предложенное авторами, на наш взгляд, в настоящее время проблематично из-за существенного снижения скорости биологической трансмутации со временем.
Результаты работ [22–24] могут существенно приблизить реализацию ядерной энергетики на основе НЭЯР. С помощью установки, схема которой приведена на рис. 3, исследовалась генерация рентгеновского излучения [23], связанная с процессами кавитации и последующим возбуждением ударных волн. Вода под давлением 250 атм через сопло подавалась в кавитационную камеру (1), на внешней (наружной) поверхности мишени (2) регистрировался интенсивный поток рентгеновского излучения (3). Из кавитационной камеры вода отводилась через патрубок (4). Характеризуя поток рентгеновского излучения, авторы ошибочно использовали единицу радиоактивности (0,1 Ки). Продолжение исследований с использованием кавитационной камеры (рис. 3) позволило установить, что при определённых условиях наряду с рентгеновским излучением на внешней поверхности мишени в воздухе генерируются незатухающие температурные волны [23; 24].
Рис. 3. Схема установки для генерации рентгеновского излучения и незатухающих тепловых волн при кавитации струи воды в камере: 1 – стенка кавитационной камеры; 2 – мишень (из молибдена или вольфрама); 3 – поток рентгеновских квантов; 4 – выход воды из камеры
В работе [25] впервые обнаружено, что при воздействии высокочастотных незатухающих тепловых волн на дейтерированный поликристаллический образец титана происходит устойчивая управляемая генерация альфа-частиц в результате реакций синтеза с участием дейтерия при комнатной температуре.
Энергетика, основанная на НЭЯР, имела бы важные преимущества. Топливо – водород или дейтерий – получают известными методами из обычной воды, запасы которой в океанах и морях практически неисчерпаемы. Природных ресурсов используемых металлов хватит на миллионы лет [26]. Эта энергетика экологически безопасна. Появляется возможность приблизить производителей энергии и потребителей и существенно снизить стоимость энергии.
Необходимым условием овладения новой технологией и окончательным признанием НЭЯР официальной наукой является создание адекватной теории НЭЯР и трансмутации элементов. Для появления такой теории, вероятно, потребуется смена парадигм [27] ядерной физики.
Заключение
Ядерная энергетика, основанная на делении тяжёлых ядер, исчерпала перспективы дальнейшего развития из-за проблем возрастания объема радиоактивных отходов и ограниченных запасов ядерного топлива. Поэтому изучение возможностей использования альтернативных источников энергии, в частности энергии, основанной на реакциях ядерного синтеза при низких температурах, является актуальной задачей для современной науки.
Попытки воспроизвести в земных условиях реакции термоядерного синтеза, которые происходят в недрах звёзд при сверхвысоких температурах и давлениях, продолжаются без видимого успеха длительное время и требуют затрат космического масштаба.
На основании изложенных выше материалов можно предположить, что в ближайшие десятилетия начнётся производство энергии с помощью НЭЯР в промышленных масштабах.