От "токомака" до "кавитатора"

Одним из отцов якобы реализованного на практике "холодного синтеза" считается англичанин Мартин Флейшман.
Кадр из фильма "Война против холодного ядерного синтеза"

После экспериментального открытия в 1951 году И.В.Курчатовым с сотрудниками нейтронного излучения высокотемпературной плазмой, состоящей их ядер изотопов водорода и оторвавшихся от них электронов, «при неизвестном механизме» (так записано в формуле открытия) и создания в 1955 году прототипа термоядерного реактора «токомак» в международной среде физиков не утихают споры о том, почему же сегодня, спустя почти 60 лет после открытия, термоядерная реакция остается актуальной проблемой науки?

Масла в огонь подлила обзорная статья «Настанет ли век термоядерной энергетики?» («В мире науки», № 5, 2010, с. 36–45), где высказывается мнение, что в настоящее время все известные способы и устройства для получения термоядерной энергии бесперспективны.

Однако новые перспективы в этой области науки и техники открыла недавно вышедшая книга «Физика ХХI века» члена Ядерного общества России, академика РАЕН С.В.Цивинского. В ней представлена разработанная им инновационная технологическая платформа термоядерной энергетики. В качестве новой модели физического механизма осуществления ядерной реакции синтеза в плазме предложен – в качестве первого этапа процесса – известный во всех учебниках физики для высшей школы процесс так называемого е-захвата, осуществляемый в плазме при непосредственном взаимодействии – столкновении и захвате электрона ядром атома водорода (протона) и выделении нейтрона. Второй этап состоит в том, что образовавшийся нейтрон быстро присоединяется к протону, в результате чего образуется ядро дейтерия и выделяется тепловая энергия.

Известно также, что еще великий физик Э.Розерфорд в начале прошлого века говорил об этом так: «Возможно, что ядро атома способно изменяться при непосредственном столкновении с очень быстрыми электронами. При благоприятных условиях эти частицы могут подходить очень быстро к ядру или соединяться с ним».

Стало понятно, что поисковые исследования по разработке новой технологической платформы термоядерной энергетики должны вестись по девизом «Назад в будущее».

Реакторы «токомак»

Тороидальную установку (в виде бублика) типа «токомак», на которой сделали свое открытие академик И.В.Курчатов и его сотрудники, все последующие годы у нас и за рубежом, по существу, тиражировали – строили все новые и новые, более мощные. Реакция синтеза в них была основана на взаимодействии одинаково положительно заряженных и потому отталкивающихся ядер дейтерия. Для того чтобы они начали взаимодействовать и пошла реакция синтеза, необходимо было создать сверхвысокую температуру (несколько сот миллионов градусов). Однако выработка энергии на этих установках при кратковременном (подобно молнии) электрическом разряде в газе дейтерии и создании в нем удерживаемой с помощью сложного магнитного поля высокотемпературной плазмы (смеси электронов и ядер атомов дейтерия) оставалась меньше затрат энергии на их работу.

Недавно прошло сообщение, что крупный экспериментальный французский «токомак» проработал в течение нескольких минут при температуре около 500 млн. градусов. На подобные же характеристики работы рассчитан проект международного реактора ИТЕР стоимостью 10 млрд. долл., экспериментальный пуск которого, как полагают, ожидается к 2050 году. «Хотя, – как считает один из авторов этого проекта, академик РАН Е.П.Велихов, – еще нет полного понимания физики нагрева плазмы». Он же отмечает, что исследования в области альтернативных термоядерных реакторов «важны для подготовки последующих этапов развития термоядерной энергетики».

Многие специалисты у нас в стране и за рубежом полагают, что не только научные, но и немалые инженерные проблемы, встающие перед создателями реактора ИТЕР, а тем более перед строителями электростанции на его основе, могут отодвинуть их пуск на многие и многие годы. Или он не состоится вовсе.

Модернизированный «токомак»

Новый этап, возможно, представляет собой более совершенный, модернизированный термоядерный реактор (подана заявка на получение патента на изобретение), проект которого разработан академиком РАЕН С.В.Цивинским. Его реактор рассчитан в отличие от прежних «токомаков» на непрерывную работу при значительно (на порядки) более низких – около 20 тыс. градусов (одно из условий осуществления е-захвата) – температурах, следовательно со значительно меньшими затратами энергии на работу установки, что означает существенное увеличение ее эффективности.

Модернизированный «токомак», работа которого основана на новой технологической платформе (е-захвате), представляет собой (вместо традиционного «бублика») длинную камеру, где в газовой среде водорода создается – в результате непрерывно действующего электрического разряда – плазма с температурой около 20 тыс. градусов. Разряд инициируется переменным током высокой частоты и напряжения, создаваемым на нескольких парах электродов, расположенных друг напротив друга в электрогазоразрядной камере. Водород в ходе теплового беспорядочного движения частиц и их столкновений в плазме распадается при температуре около 20 тыс. градусов на противоположно заряженные: отрицательно – электроны и положительно – ядра атома водорода (протоны). Наличие у них различных зарядов, естественно, облегчает осуществление процесса захвата электронов протонами, в результате чего появляются свободные нейтроны, которые и вступают в реакцию синтеза с протонами, рождаются ядра атомов дейтерия и выделяется много тепловой энергии.

Принципиально важно, что этот процесс может происходить даже при температуре 20 тыс. градусов (в отличие от 150 млн. градусов, как предполагается в реакторе ИТЕР) достаточно длительное время (месяцы и годы).

В ходе этой реакции выделяется огромное количество тепловой энергии. Нагретый рабочий газ под давлением через сопла поступает на лопатки газовых турбин, спаренных с вырабатывающими электроэнергию генераторами. Затем отработанный газ охлаждается, а извлеченное из него тепло идет на получение горячей воды для бытовых нужд населения. Отработанный газ также можно использовать для извлечения из него изотопов водорода.

Разработанная новая термоядерная электростанция сравнительно экономична, так как не требует для работы сверхвысоких температур, эффективна при более высоком, чем у подобных установок, КПД и длительном цикле работы. Ее можно сравнительно быстро построить при достаточно небольших капиталовложениях.

Страна может выйти на существенно более высокий уровень развития термоядерной энергетики, если создатели нового российско-итальянского реактора «Игнитор» используют опыт разработки С.В.Цивинским модернизированного «токомака».

«Кавитаторы» как теплогенераторы

В начале нынешнего века в России несколько фирм, в том числе в Москве и Ижевске, начали производство и продажу в стране и за рубежом целой гаммы различных по мощности так называемых вихревых кавитационных теплогенераторов («кавитаторов»), используемых главным образом для отопления и горячего водоснабжения в жилых домах и на складах. Наши умельцы, как оказалось, пришли к созданию этих новых энергетических установок экспериментальным путем, не зная даже о физическом принципе их работы.

В таком теплогенераторе поток воды, проходя через внутреннее пространство установки, с помощью электромотора преобразуется в вихревое движение с большой скоростью. В результате в воде образуются многочисленные микрополости – заполненные воздухом кавитационные пузырьки. Затем движение воды тем или иным способом тормозят, давление в ней резко повышается, микропузырьки захлопываются с выделением тепловой энергии, которая и идет на нагрев помещений.

До этого подобные опыты проводили в СССР изобретатели А.И.Колдамасов и Ю.С.Потапов. А.И.Колдамасов, например, обнаружил, что водяной пар внутри пузырьков при их схлопывании превращается в плазму с температурой порядка 10 тыс. градусов и при этом выделяются нейтроны. Образование нейтронов при схлопывании кавитационных пузырьков было обнаружено и в экспериментах, проводимых учеными США. Однако никто из исследователей и разработчиков «кавитаторов» не смог объяснить физический механизм выделения нейтронов и тепловой энергии в ходе образования и захлопывания кавитационных микропузырьков.

Исходя из своей новой статической физики С.В.Цивинский рассчитал, что существует значительная вероятность того, что в захлопывающихся микропузырьках при температуре около 10 тыс. градусов идет процесс захвата электронов ядрами присутствующих в водяном паре атомов водорода (или его изотопа дейтерия). В результате этого и образуются свободные нейтроны, а затем (как и в модернизированном «токомаке») идет реакция ядерного синтеза с выделением тепловой энергии.

Таким образом, российские остросмыслы – инженеры и механики, сами до конца того не осознавая, создали новое, перспективное направление в энергетике ядерного синтеза, обогнав тем самым ученых США.

Кавитационная термоядерная электростанция

Раскрытие нового механизма производства в результате ядерного синтеза тепловой энергии позволило С.В.Цивинскому разработать свой вариант более совершенного и эффективного теплогенератора – «кавитатора» для отопления индивидуальных зданий (получен патент на его изобретение), где предусмотрено управление процессом образования кавитационных пузырьков, а значит, и выделением тепла. На основе этого теплогенератора академиком предложен инновационный проект кавитационной термоядерной электростанции.

Насос-компрессор устройства закачивает воду в накопитель (бак) холодной воды, создавая там высокое давление. Из накопителя вода движется с большой скоростью (около 100 метров в секунду) по тонким трубкам. Давление в них падает в несколько тысяч раз, и в трубках начинается массовое образование кавитационных пузырьков, которые вместе с водой попадают в накопитель горячей воды. Так как скорость движения пузырьков с водой в накопителе резко уменьшается, давление в пузырьках возрастает в несколько тысяч раз. В результате этого кавитационные пузырьки захлопываются при температуре около 10 тыс. градусов, идет процесс е-захвата (ядерного синтеза) с выделением тепловой энергии. Так как давление внутри накопителя много больше атмосферного, вода может нагреваться значительно больше температуры кипения – до 150–300 градусов Цельсия. Остается этот пар направить на лопатки турбины, соединенной с электрогенератором, и принципиально схема новой кавитационной термоядерной электростанции готова (получен патент на изобретение).

Эти изобретения – новая технологическая платформа термоядерной энергетики, развивающая прежние разработки. Кавитационную технологию надо бы учесть и использовать создателям инновационного дома с автономной энергетикой в технополисе «Сколково». Кроме солнечных фотоэлектрических батарей, ветряных энергоустановок и энергосберегающих тепловых насосов строителям следовало бы оснастить инновационный дом вихревым «кавитатором», а также создаваемой на его основе кавитационной электростанцией.