Термоядерная энергия

К середине века на сцене появится новый игрок, способный резко изменить правила игры. Речь идет об энергии синтеза, или термоядерной энергии. К тому времени это техническое решение, по всей видимости, станет самым конкурентоспособным и, возможно, позволит решить проблему энергии навсегда. Если на атомных станциях энергия (и большое количество радиоактивных отходов) получается за счет расщепления ядер атомов урана, то термоядерный синтез основан на слиянии атомов водорода. При этом выделяется огромное количество тепла (а значит, энергии) и очень мало отходов.

В отличие от распада, синтез представляет собой имитацию процессов, протекающих в глубинах Солнца. Энергия, скрытая в глубине атомов водорода, обеспечивает существование Вселенной. Энергия синтеза зажигает Солнце и освещает небеса. В ней заключена главная тайна звезд. Всякий, кто сумеет обуздать термоядерный синтез, получит вечный источник неограниченной энергии. А топливо для термоядерных станций можно добывать из обычной морской воды. Термоядерный синтез дает в 10 млн раз больше энергии на единицу веса, чем бензин, и в обычном стакане воды содержится столько же энергии, сколько в 500 000 баррелей нефти.

Именно синтез (а не распад) использовала природа для обеспечения нашей Вселенной энергией. При образовании звезд газовый шар, богатый водородом, постепенно сжимается под действием гравитации, одновременно разогреваясь до огромных температур. Когда температура газа достигает порядка 50 млн градусов (конкретная цифра меняется в зависимости от условий), ядра водорода внутри шара, сталкиваясь между собой, начинают сливаться с образованием ядер гелия. При этом высвобождается громадное количество энергии, и газ вспыхивает. (Если говорить точнее, сжатие должно обеспечить выполнение так называемого критерия Лоусона, который требует, чтобы водород был сжат до определенной плотности при определенной температуре на определенное время. Если все три условия — плотность, температура и время — выполнены, возникает реакция ядерного синтеза. Результатом может быть водородная бомба, звезда или ядерный синтез в реакторе.)

Итак, есть ключевое условие: для высвобождения космических количеств энергии необходимо нагреть и сжать водород до определенной степени.

Но до сих пор все попытки обуздать эту космическую мощь терпели неудачу. Оказалось, что нагреть водород до десятков миллионов градусов, при которых протоны начнут объединяться в ядра гелия и выделять энергию, крайне трудно.

Более того, общество критически относится ко всем обещаниям такого рода — ведь каждые двадцать лет ученые заявляют, что через двадцать лет термоядерная энергия будет освоена. На самом же деле сейчас, после полувека сверхоптимистических обещаний, физики все больше убеждаются в том, что управляемый термояд действительно на подходе и первые экспериментальные реакторы могут быть созданы уже к 2030 г. Вполне возможно, что к середине века появятся и коммерческие станции.

Надо отметить, что общественность имеет полное право скептически относиться к термоядерному синтезу — слишком много в прошлом было хвастовства, обмана и просто неудач в этой области. В 1951 г., когда холодная война была в полном разгаре и разработка водородной бомбы шла бешеными темпами, президент Аргентины Хуан Перон объявил с большой помпой, что ученые его страны совершили прорыв и покорили энергию солнца. В средствах массовой информации поднялся страшный шум. Заявление казалось невероятным, но крупнейшие газеты мира, включая The New York Times, помещали его на первых полосах. Аргентина, хвастал Перон, совершила великое научное открытие там, где потерпели неудачу сверхдержавы. Неизвестный немецкий ученый Рональд Рихтер (Ronald Richter) убедил Перона профинансировать его «термотрон» и пообещал взамен неограниченное количество энергии и вечную славу Аргентине.

Американское научное сообщество, все еще лихорадочно работавшее над созданием водородной бомбы и мечтавшее успеть раньше русских, объявило заявление Перона чепухой. Ученый-атомщик Ральф Лэпп (Ralph Lapp) сказал тогда: «Я знаю, какой еще материал используют аргентинцы. Это чушь».

Другого ученого-атомщика, Дэвида Лилиенталя (David Lilienthal), спросили, существует ли хоть «самый крохотный шанс» на то, что аргентинцы могут оказаться правы. Он ответил: «Меньше, чем вы сказали».

Под таким давлением Перон уперся и стоял на своем; он намекал, что сверхдержавы просто завидуют Аргентине, которая сумела всех обойти. Момент истины наступил год спустя, когда представители Перона побывали в лаборатории Рихтера. Вообще, когда со всех сторон посыпались обвинения и вопросы, Рихтер повел себя странно; чем дальше, тем нелепее и беспорядочнее становились его поступки. Перед прибытием инспекторов он подорвал дверь своей лаборатории при помощи кислородных баллонов и написал на листе бумаги слова «атомная энергия». Он заказал порох и собирался поместить его в реактор. Создавалось впечатление, что ученый сошел с ума. Когда инспекторы поместили рядом со «счетчиками излучения» Рихтера кусочек радия, ничего не произошло; очевидно, его оборудование было просто подделкой. Позже Рихтер был арестован.

Но самый знаменитый случай связан с именами Стэнли Понса (Stanley Pons) и Мартина Флейшманна (Martin Fleischmann), двух известных и уважаемых химиков из Университета Юты, которые в 1989 г. объявили об открытии так называемого «холодного синтеза», т. е. реакции ядерного синтеза, протекающей при комнатной температуре. Ученые утверждали, что поместили в воду металлический палладий, который затем каким-то волшебным образом сжал атомы водорода до такой степени, что они слились и образовали гелий. Энергия солнца высвободилась практически на лабораторном столе.

Сообщение вызвало настоящий шок. Едва ли не все газеты мира поместили это открытие на первую полосу. Журналисты заговорили о конце энергетического кризиса и начале новой эры, эры неограниченной энергии. Штат Юта немедленно провел закон и выделил 5 млн долларов на создание Национального института холодного синтеза. Даже японские автопроизводители поспешили пожертвовать миллионы долларов на исследования в этой новой, но невероятно перспективной области. Вокруг холодного синтеза начали собираться последователи, мгновенно уверовавшие в него; образовалось даже что-то вроде секты.

В отличие от Рихтера, Понс и Флейшманн пользовались уважением в ученой среде и рады были поделиться своими результатами. Они предъявили оборудование и полученные данные, чтобы все желающие могли увидеть их воочию и убедиться.

Но затем ситуация осложнилась. Ученые пользовались настолько простым оборудованием, что повторить их опыт могла любая лаборатория мира. Естественно, желающих своими глазами увидеть поразительный результат хватало. Увы, большинству групп не удалось зарегистрировать какого бы то ни было выделения дополнительной энергии, и холодный синтез был объявлен тупиковым направлением. Однако забыть об этой истории тоже не удавалось, поскольку время от времени появлялись новые сообщения о том, что какие-то группы повторили эксперимент успешно.

Наконец вмешалось физическое сообщество. Физики проанализировали уравнения Понса и Флейшманна и сделали вывод, что они некорректны. Во-первых, если утверждения ученых верны и в ходе эксперимента действительно происходило то, о чем идет речь, из сосуда с водой, в котором происходил синтез, должен был вылететь обжигающий поток нейтронов. (В типичной реакции синтеза два ядра водорода сливаются в ядро гелия, выделяя при этом энергию и нейтрон.) Сам факт, что ученые остались живы, означал, что никакого ядерного синтеза в эксперименте не было; если бы он происходил, они должны были умереть от радиационных ожогов. Во-вторых, скорее всего, Понс и Флейшманн столкнулись с какой-то химической, а не термоядерной реакцией. И наконец, заключили физики, металлический палладий не в состоянии сблизить атомы водорода в достаточной степени, чтобы вызвать слияние. Это означало бы нарушение квантовой теории.

Несмотря ни на что, споры о холодном синтезе продолжаются по сей день. Время от времени появляются новые сообщения о том, что кому-то удалось получить холодный синтез. Проблема в том, что никому не удается воспроизвести такой результат надежно и по первому требованию. В конце концов, какой смысл делать автомобильный двигатель, если он будет работать от случая к случаю? Наука основывается на воспроизводимых, проверяемых и опровержимых результатах, которые можно получить в любой момент.

Дата добавления: 2015-08-02