Термоядерная и кремниевая энергетики
(прогноз на третье тысячелетие)

Есть ли будущее у термоядерной энергетики-

С великим пылом физики в конце пятидесятых набросились на работы в области термоядерной энергетики. Казалось, пять - десять - двадцать лет дружной работы, и человечество будет залито дешевой и нескончаемой энергией. Ведь в одном литре обычной морской воды запас термоядерной энергии превышает энергосодержание чуть ли не тонны нефти.

Но прошло уже почти пятьдесят лет. И от этих радужных надежд уже осталось очень немного. Задача оказалась куда сложнее, чем это вначале предполагалось. Создание самоподдерживающейся термоядерной реакции долго не удавалось. Сейчас на этом пути достигнуты определенные результаты. И потому надежды на покорение термоядерной энергии остаются.

Но не являются ли эти надежды эфемерными? Можно ли вообще создать термоядерную энергетику? Даже если удастся запустить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию? И вот на этот вопрос, по нашему мнению, следует сказать категоричное «нет». Термоядерной энергетики в промышленном масштабе не будет никогда. Даже если сама термоядерная реакция, возможно, и будет освоена.

В чем тут причина?

А причина в том, что для осуществления термоядерной реакции во всех предложенных вариантах требуется невероятно дорогой и энергоемкий продукт. Этим продуктом является глубокий вакуум.

Действительно, для осуществления термоядерной реакции реакционный объем, в котором проходит такая реакция, должен быть вакуумирован до весьма высокой степени, из него должны быть удалены все посторонние газы, т.е. воздух и газообразные отходы самой термоядерной реакции. Причем вакуум требуется истинно космический. На триллион молекул газа, содержащихся в обычном воздухе, необходимо оставить только одну молекулу, а все остальные удалить.

Это вполне достижимо. Современная техника позволяет это сделать. Но цена этого слишком велика. Расчеты показывают, что для получения одного киловатт-часа термоядерной энергии потребуется затратить десять, а то и сто киловатт-часов электроэнергии для работы вакуумирующих устройств.

Потребность в высоком вакууме, причем потребность в громадных его количествах - вот главная причина, почему никогда термоядерные электростанции не появятся на Земле.

Я, однако, не случайно сделал оговорку «на Земле». Да, на Земле термоядерная энергетика не будет никогда. Потому что глубокий вакуум на Земле слишком дорогая штука. Но ведь есть другие небесные тела, в которых глубокий вакуум ничего не стоит, более того, они лишены атмосферы и на их поверхности этот глубокий вакуум имеет место всегда. Например, на Луне.

Внеземная термоядерная энергетика

А вот в этих условиях, на безатмосферных небесных телах термоядерная энергетика и возможна и, думается, что на этих телах она и станет основой местной энергетики. Ведь водород есть весьма распространенный элемент в Солнечной системе. А дейтерий - это изотоп водорода, процентное содержание которого в Солнечной системе примерно везде одинаково. Таким образом, дейтерий можно найти практически везде, на любом небесном теле. Наконец, Юпитер вообще состоит из почти чистого водорода, так что провидение предусмотрело для Человечества запас топлива на сотни тысяч лет. Хотя, конечно, добраться до него удастся, видимо, еще не скоро.

Таким образом, в сырьевых запасах для внеземной термоядерной энергетики ощущаться недостатка на многие и многие тысячи лет ощущаться не будет. Вопрос стоит лишь в овладении самим термоядерным энергетическим процессом. И по этому вопросу можно сделать некоторые достаточно правдоподобные предположения, которые помогут направить исследования в наиболее реалистичном направлении и избежать тупиковых работ.

Вакуумирование реакторного объема термоядерной электростанции (ТЯЭС) на безатмосферном небесном теле может осуществляться самым простым и беззатратным способом - раскрытием реакторного объема во внешнее пространство. В результате этого все продукты термоядерной энергетической реакции моментально покинут реакторный объем и в нем создастся глубокий, космический вакуум.

Но возникает вопрос - в каком агрегатном состоянии должно поступать термоядерное топливо в реакторный объем. Известно, что в настоящее время ведутся работы по инициированию термоядерной реакции в плазменном термоядерном топливе, т.е. топливе, нагретом до температур в сотни миллионов градусов, и в твердом термоядерном топливе, термоядерная реакция в котором инициируется быстрым сжатием с помощью лучевого воздействия того или иного рода.

Первый способ требует на время загрузки топлива в реактор и его предварительного разогрева герметизации реакторного объема. И только после того, как пройдет термоядерная реакция открытия этого объема для удаления отработанных продуктов реакции.

Думается, что возможности механического управления раскрытием и закрытием реакторного объема весьма проблематичны. Это потребует создания таких скоростных задвижек со временем срабатывания миллисекунды, что вряд ли возможно, а если даже и удастся, то надежность такой механической конструкции будет очень мала. Поэтому управлять закрытием и открытием можно только электромагнитными средствами. Но электромагнитное управление возможно лишь по отношеию к плазме, т.е. ионизированной газовой среде. Холодный (молекулярный) газ не поддается управлению электромагнитными средствами. Следовательно, в реакторный объем топливо должно поступать в плазменном состоянии, для чего оно должно предварительно нагреваться до этого состояния и только затем впрыскиваться в сам реакторный объем.

В реакторном объеме свежее топливо должно удерживаться от рассеяния электромагнитными силами, нагреваться свыше порога начала термоядерной реакции, высокоэнергичные продукты термоядерной реакции уже будут преодолевать порог электромагнитного удержания и покидать собственно реакторный объем. Эти высокоэнергичные частицы частично будут просто покидать реакторный объем, вылетая через отверстие в нем в окружающее пространство, не отдавая своей энергии, а частично попадать на слой энергопоглотителя, окружающий реакторный объем, где и будут отдавать свою энергию, нагревая его. Тепло будет выводиться из энергопоглотителя с помощью некоторого теплоносителя, энергия которого затем превращается в электрическую с помощью того или иного энергопреобразующего устройства. Сами первичные высокоэнергичные продукты термоядерной реакции, отдавшие энергию теплопоглотителю, могут частично поглощаться в нем, а частично отражаться и затем через отверстие в реакторном объеме покидать его.

Сам процесс, видимо, будет циклическим и будет состоять из фаз впрыска разогретого до плазменного состояния топлива, электромагнитного зажигания реакции, ее осуществления, поглощения энергии и удаления отработанного топлива. Впрочем, не может быть исключено, что удастся создать непрерывный процесс, в котором топливо будет впрыскиваться постоянно, непрерывно будет происходить его зажигание и непрерывно поглощение энергии и удаление продуктов реакции.

Но отсюда уже можно сделать выводы о возможной конструкции реактора. Он должен иметь максимально простую геометрию, в нем не должно размещаться каких-либо сложных конструкций, должен быть в значительной части «оптически прозрачным». Как создать при этом необходимую геометрию электромагнитных полей - это и есть главная задача в проблеме овладения термоядерной энергией с газообразным топливом.

Другой способ проведения термоядерной реакции - в твердом топливе - кажется проще. В реакторный объем, имеющий вид открытой в пространство полусферы или сферы с открытой в пространство частью, в ее центр периодически выстреливаются гранулы с твердым топливом. Синхронно с этим движением в момент нахождения гранулы в центре она подвергается воздействию той или иной облучающей субстанции (лазерное излучением, пучки частиц высокой энергии или другое), благодаря чему происходит сжатие термоядерного топлива до уровня, при котором преодолевается кулоновский барьер между атомами, ядра вступают в термоядерную реакцию слияния, под действием выделяющейся энергии продукты реакции получают высокую энергию. Часть этих частиц сразу же покидает реакторный объем, не производя никакой полезной работы, а часть попадает в поглотитель, в котором отдает свою энергию и поглощается или отражается, в конечном итоге, также покидая реакторные объем. Достоинством этой схемы является абсолютная пустота в реакторном объеме, абсолютно пустая полу- или три-четверти сфера - вот и вся конструкция самого реактора.

Более детально о таких реакторах мы поговорим в разделе, связанном с проблемой ракетных двигателей для весомой космонавтики.

Итак, термоядерная энергетика действительно возможна, но только не на Земле и не на атмосферных объектах. Будущие ТЯЭС будут возводиться только на безатмосферных небесных телах.

Энергетика Луны

Луна - космический форпост Земли, и роль ее в освоении всей Солнечной системы будет огромна. На Луне будет находиться все ракетостроение для межпланетных полетов, через Луну будут пролегать все трассы межпланетных путешествий. Фактически, Луна станет главным космопортом Солнечной системы. И потребности Луны в энергии будут огромны.

И именно термоядерная энергетика станет главным источником энергии на Луне. Особенно благоприятна для размещения ТЯЭС именно обратная сторона Луны. Во-первых, факелы света и высокоэнергичных частиц, которые будут изрыгать такие станции, не будут светить на Землю и портить экологию ночного неба. Более того, при большом развитии этих станций эти частицы могут достигать Земли и вызывать на ней эффекты, подобные вторжению высокоэнергичных частиц с Солнца во время вспышек его активности - магнитные бури, ухудшение радиосвязи, полярные сияния и т.п. Во-вторых, на обратной стороне Луны вечная ночь, поверхность имеет очень низкую температуру, что также благоприятно для работы ТЯЭС. Действительно, для создания твердых гранул дейтерия его необходимо охлаждать до очень низких температур. Работа самой ТЯЭС потребует использования охлаждения, например, конденсации рабочего тела, что также наиболее благоприятно в условиях вечной космической ночи. Таким образом, обратная сторона Луны станет основным местом размещения лунной энергетики.

Где же будет размещаться жилища и производство на Луне? Представление о лунных городах вряд ли имеет под собой почву. Здания, размещенные на лунной поверхности, будут испытывать такое гигантское напряжение от внутреннего давления воздуха (10 тонн на квадратный метр наружной поверхности), что только в особых случаях такие здания будут использоваться. А основное размещение жилья и производственных помещений будет происходить под лунной поверхностью в виде подлунных городов, заводов, парков, огородов и т.п. Основным конструкционным материалом станут сами лунные недра. Человечество на Луне вновь вернется в пещерный век.

Кроме затрат энергии на обогрев, на освещение, на проиводственные нужды, одним из главнейших источников энергозатрат станут затраты на получение кислорода для дыхания. Наибольшие запасы кислорода в Солнечной системе сосредоточены в окислах кремния, преимущественно, кремнеземе. И потому значительная часть энергии ТЯЭС будет расходоваться на разложение кремнезема. Полезным продуктом будет являться кислород, наиболее важный элемент для жизни человека. А отходом этого производства станет кремний. Причем это верно не только для Луны, это верно для любых осваиваемых планет Солнечной системы. Главным крупномасштабным отходом деятельности человека по освоению Солнечной системы станет кремний.

Кремниевая земная энергетика

Рассмотрим теперь проблемы энергетики Земли в разрезе столетий и может даже тысячелетий. Начало нового тысячелетия особенно располагает к рассмотрению будущего в таком временном измерении.

Пройдут сто, двести, пятьсот лет и невозобновляемые запасы углеродного сырья - газа, нефти, угля - закончатся или станут настолько ценными, что их использование в энергетических целях станет нецелесообразным.

В настоящее время почти вся энергетика Земли является углеродной. Ядерная (урановая и трансурановая энергетика) находится, фактически, в начале своего становления, причем как мы показали ранее, идет в настоящее время по неверному пути. В будущем ядерная энергетика разовьется очень широко на основании разработанной схемы гравитационно-термодинамических ядерных электростанций (ГТЯЭС).

Но сможет ли удовлетворить ядерная энергетика все потребности? Думается, нет. Так что наряду с этим будут использоваться и иные источники энергии - солнечная, приливная, энергия подземных недр, гидроэнергетика и т.п. Но все это будет иметь лишь подчиненное значение. Ибо они не могут иметь большой мощности, само их размещение подчинено строго определенным местам, они могут размещаться не там, где есть потребность в энергии, а там, где есть сами энергоисточники.

Ядерные электростанции будут сложнейшими и дорогостоящими капитальными подземно-наземными сооружениями, которые будут размещаться в ограниченных и тщательно выбираемых местах. Так что останется потребность в энергетике, которая могла бы быть построена в любых местах без привязки к определенным его особенностям и возможностям. Современные тепловые электростанции именно таковы. И потребность в такого рода станциях будет и в дальнейшем.

И вот эту нишу тепловых станций вместо станций на углеродном сырье и способны заполнить кремниевые электростанции.

Колонизация Солнечной системы будет сопровождаться громадными потоками грузов с Земли. Потоки же грузов к Земле будут существенно ниже. Только самые дефицитные продукты будут доставляться с планет на Землю. Аналогично тому, как при колонизации Америки основной поток грузов шел из Европы в Америку, а обратно шел в основном поток золота, дорогостоящий, но малотоннажный продукт.

И для уравновешивания этих потоков и будет служить поток на Землю отходов космической деятельности на планетах - кремния. Кремний, во-первых, сам по себе весьма ценный продукт, например, в электронике, для создания солнечных элементов и др. Однако, большая часть его будет использоваться в энергетических целях, т.е. для получения электроэнергии путем его сжигания. В результате на Земле возникнет новый вид химической энергетики - кремниевая энергетика.

Кремниевая энергетика имеет свои особенности. Кремний имеет весьма высокую теплотворную способность, выше такой углерода и углеродного сырья. Исходные продукты для нее кремний с планет и кислород воздуха Земли. Отходом является кремнезем, фактически, чистый кварцевый песок. Газообразных отходов, отметим, нет. Таким образом, кремниевая энергетика не загрязняет атмосферу Земли. А сама «зола» есть ценнейший строительный, конструкционный и технический материал. Песок можно использовать в строительстве, керамические конструкционные материалы могут использоваться в технике и в быту. Таким образом, кремниевая энергетика есть безотходное производство. И потому по мере освоения Солнечной системы она будет получать все более широкое развитие на Земле.

Таким образом, будущее земной энергетики будет основано на двух столпах - на ядерной (урановой и заурановой) и кремниевой энергетиках.

Будущее надо готовить сегодня

Какие отсюда следуют практические выводы для сегодняшнего дня. Их можно сделать несколько.

• Заниматься проблемами термоядерной энергетики исключительно под углом размещения соответствующих устройств за пределами Земли на безатмосферных небесных телах. Это условие сразу же накладывает свои ограничения на предмет исследований.

• Приступить в качестве следующей (после создания орбитальной станции) межгосударственной коллективной задачи в области космонавтики создание постоянного поселения на Луне. Думается, что Марс вполне может подождать.

• В области ядерной энергетики в кратчайшие сроки, буквально, немедленно, приступить к разработке и строительству гравитационно-термодинамических ядерных станций, возможно, на первый случай, в простейшем варианте -гравитационно-термодинамических ядерных станций теплоснабжения (ГТЯСТ).

• Начать научные работы в области разложения кремнезема с целью получения кислорода в промышленных масштабах и сжигания кремния в энергетических целях.

• Начать работы по исследованию наиболее экономичных технологий получения воды в промышленных масштабах на внеземных небесных телах.

Основные изложенные выше результаты получены автором в семидесятых годах, публиковались в журналах «Изобретатель и рационализатор» и «Энергия», были поданы заявки на изобретения, к сожалению отвергнутые органами патентования (ВНИИГПЭ). Имели место обсуждения в Минатоме СССР и в Государственном комитете СССР по науке и технике, к сожалению, безрезультатные.

Владимир Юровицкий
http://yur.ru/technics/termonuclear.htm