Как из термоядерной искры раздували пламя сенсации

Без сомнения, ученым потребуется сначала «воспитать» целое поколение руководителей, которые согласятся достаточно глубоко залезть в государственный карман и притом для выполнения целей, столь подозрительно напоминающих традиционную научно-фантастическую тематику.

Станислав Лем. Сумма технологий.

Наконец-то все энергетические проблемы человечества решены! Мир узнал об этом 5 декабря 2022 г. «Впервые осуществлена безубыточная термоядерная реакция», – пишет Lenta.ru. «США впервые в мире достигли прорывного положительного прироста энергии в лазерной термоядерной установке NIF», – сообщает «Атомная энергия 2.0». «Американский термояд избавит мир от российского нефтегаза», – ужасаются «РИА Новости». Давайте разберемся, из чего на самом деле слеплена эта информационная «конфетка».

Итак, 5 декабря 2022 г. на самой мощной в мире лазерной установке NIF (National Ignition Facility) в Ливерморской национальной лаборатории прошел очередной эксперимент по осуществлению управляемой термоядерной реакции. При воздействии 192 лазерных лучей общей энергией 2,05 МДж на мишень, содержащую порядка 10 миллиграммов смеси дейтерия и трития, началась реакция термоядерного синтеза. В результате выделилось 3,15 МДж, в 1,5 раза больше энергии. Между прочим, 3,15 МДж – это эквивалент взрыва 700-граммовой тротиловой шашки. Мировой научпоп сообщает и другие подробности, способные поразить воображение человека, изучавшего квантовую физику по ютубу: вещество мишени сжалось до плотности 1000 г/см3, в 100 раз большей, чем у свинца, при давлении в 300 млрд атмосфер и температуре в сотни миллионов градусов. Этот фейерверк тут же объявили эпохальным событием, знаменующим рождение практически неисчерпаемого источника экологически чистой энергии. Но для НИКСа вся эта пиротехника лишь повод подробнее рассказать, о какой глупости идет речь.

Давайте считать: 2,05 МДж – это энергия 192 ультрафиолетовых лазерных лучей с длиной волны 351 нм, которые воздействовали на мишень в виде сферы диаметром 2 мм с замороженной до минус 255°С смесью дейтерия и трития (выше). Однако есть маленькая проблема. Ультрафиолетовые, наиболее эффективные для разогрева мишени, лучи получают из инфракрасных с длиной волны 1053 нм. КПД этого процесса составляет около 50%, то есть энергия инфракрасных лучей до преобразования составляла приблизительно 4 МДж. И сенсация тут же лопается, поскольку баланс получается отрицательным. Получили 3 МДж, а на самом деле надо как минимум 4, чтобы выйти хотя бы в нуль. В общем, все хорошо, прекрасная маркиза, за исключением пустяка. Это все? Нет, это еще не все.

Совокупное КПД генераторов и усилителей самой большой в мире лазерной установки, занимающей здание размером с торговый центр «Мега», недавно сгоревший на Ленинградском шоссе, на самом деле… меньше процента. Посему, чтобы накачать 4-мегаджоульный лазерный импульс, требуются конденсаторы, способные накопить... 422 МДж! Для покрытия этих расходов от мишени нужно уже не 3, и даже не 4 МДж, а в 100 раз больше. Но и это, прекрасная маркиза, еще не конец нашего разговора.

Чтобы зарядить конденсаторы, требуется электроэнергия, часть которой, естественно, теряется при зарядке. Впрочем, не будем мелочиться и пренебрежем этими потерями. Но энергию, которую выделяет мишень, тоже нужно преобразовать в электричество. Однако, создав новый, неисчерпаемый источник чистой энергии, американские физики не удосужились придумать для него новый преобразователь этой энергии в электричество. Поэтому, видимо, придется воспользоваться теми же технологиями, что применяются в обычных ядерных реакторах, то есть нагревом воды и паровой турбиной. КПД этого процесса – около 35%. Это значит, что от мишени нужно получить не менее 1205 МДж, то есть в 588 раз больше энергии, чем принесли к ней лазерные лучи. Но и это еще не все, прекрасная маркиза.

1205 МДж – это лишь break even point, точка безубыточности. Этого достаточно для того, чтобы выйти в ноль, то есть выдать в сеть столько же электроэнергии, сколько затратили на ее получение. Конечно, возможен вариант использования лазерной термоядерной установки исключительно в качестве котельной для получения горячей воды, что для стран G7 сейчас весьма актуально. Но если речь идет о выработке электроэнергии, то для окупаемости всей этой затеи желательно, чтобы станция выдавала в сеть хотя бы в три раза больше электроэнергии, чем потребляет. А это значит, что от мишени требуется не 3, а 3615 МДж. И не кладите трубку, маркиза, у нас есть для вас еще новости.

NIF рассчитана на максимальное энерговыделение со стороны мишени в 45 МДж, что эквивалентно взрыву тротилового эквивалента массой почти 10 кг. Именно поэтому «подрыв» мишени производят в стальной сфере диаметром 10 м и массой 130 т. (Выше фото такой же «камеры сгорания», которая сооружается в Сарове на установке УФЛ-2М, а на фото ниже – она же уже собранная и с прорезанными портами).

Кстати, даже полученные 5 декабря на NIF 3,15 МДж вывели из строя часть измерительного оборудования. А 3615 МДж рванут как 800-килограммовая бомба. Как эту энергию преобразовать в электричество, да еще и с приемлемым КПД, – отдельный вопрос, над которым американские физики, как сказано выше, голову пока не ломали.

Теперь, прекрасная маркиза, давайте задумаемся, почему у такой большой установки такой маленький КПД? Очень просто. Она действует в импульсном режиме. И длительность лазерного импульса ни в коем случае не должна превышать нескольких наносекунд. Именно для того и закачивают в конденсаторы 422 МДж, чтобы высвободить всю эту энергию практически мгновенно. А куда дальше ее девают? Догадались? Правильно, вся она идет на накачку старых добрых неодимовых лазеров, которые появились еще в 1961 году – более 60 лет назад, в эпоху ламповых приемников и замечательного танца под названием твист. То есть американские физики не придумали ничего лучшего, как применить в самой мощной в мире лазерной установке древние квантовые генераторы на ксеноновых лампах и неодимовом стекле, КПД которых, как и полвека назад, не превышает 1,5%.

Однако низкий КПД – это далеко не единственный недостаток неодимовых лазеров. В работе они столь капризны, что настроить их сложнее, чем инженеру-физику добиться благосклонности от прекрасной маркизы, потому что даже за считанные наносекунды неодимовое стекло нагревается так, что для его охлаждения требуется несколько часов. А без охлаждения и восстановления геометрии рабочего тела невозможно получить излучение нужного качества, что принципиально важно, поскольку для правильного обжатия мишени требуется высочайшая точность воздействия всех 192 лучей. И получается, что NIF способен «пальнуть» всего пару раз в сутки. А в реальности установка «стреляет» раз в неделю.

В настоящее время американцы стараются сократить время охлаждения лазеров до 4 часов, что позволит, как пишут сами американцы, производить около 700 «выстрелов» в год. Положим, каждый из них даст необходимые 3615 МДж, что при КПД преобразования этой энергии в электричество 35% позволит получить 350 кВт-ч. То есть за год установка с такой скорострельностью произведет 245 000 кВт-ч. В среднем энергопотребление на одного человека в России составляет около 7000 кВт-ч в год. Получается, что электроэнергии от гигантской установки стоимостью 3,5 млрд долларов хватит на… 35 человек. Но это русских. Или на 22 американца, которые потребляют за год в среднем 10 715 кВт-ч.

Нам говорят, что в будущем планируется технологию усовершенствовать и довести скорострельность до нескольких импульсов в секунду. Возьмем для простоты темп в 1 «выстрел» в секунду, что даст 31,5 млн импульсов в год, которых хватит на удовлетворение потребностей 1,6 млн русских или 1 миллиона американцев. Уже неплохо. Но чтобы оценить, насколько это реально в практическом плане, давайте подробнее рассмотрим, как именно происходит процесс «подрыва» мишени.

Все попытки сжать вещество до «термоядерного» состояния непосредственно лазерами пока так и не увенчались успехом, поэтому на самом деле 192 лазера NIF воздействуют не на мишень непосредственно, а на так называемый хольраум (hohlraum – пустое пространство по-немецки). В схеме водородной бомбы Теллера-Улама, по которой, кстати, была сделана и знаменитая советская «кузькина мать» с полной энергией взрыва 57 Мт, так назывался контейнер, в котором помещался термоядерный заряд. В NIF роль хольраума (выше) выполняет цилиндр из золота (ниже), внутри которого мишень подвешивается на пластиковой паутине. Этот цилиндр под воздействием сконцентрированной энергии лазеров порождает мощное рентгеновское излучение, а уже оно сжимает мишень до требуемых для начала термоядерной реакции давлений и температур.

Теоретически хольраум должен быть сделан из материала с как можно более высокой атомной массой, и лучше всего для этого годится уран-238. Он особенно хорош тем, что делится в потоке быстрых нейтронов и значительно, до пяти раз, повышает общую мощность энергетического выхода, если речь идет о термоядерной бомбе. Однако при делении уран-238 дает радиоактивные осколки, хотя сам по себе не радиоактивен и его спокойно используют в качестве сердечников бронебойных снарядов или балласта для килей яхт. Большое количество радиоизотопов на выходе опять же хорошо при взрыве бомбы, поскольку в 5-10 раз увеличивает количество радиоактивных осадков. Но термоядерная энергетика должна быть чистой. И американцы не придумали ничего лучше, как применить золото.

А теперь подумайте, насколько реально обеспечить подачу подобных «патронов» со скоростью «выстрел» в секунду при том, что каждый из них взрывается как 800-килограммовая бомба? Кстати, в американской научной прессе, не раскрывая подробностей, пишут, что ключом к успеху эксперимента послужило использование усовершенствованной мишени с алмазной оболочкой. Одно только массовое производство подобных ювелирных изделий со скоростью штука в секунду уже представляет собой нетривиальную задачу. Не говоря о том, что при расходе хотя бы 100 мг золота за «выстрел» это значит, что в сутки уйдет в дым… 8,6 кг золота. При нынешней цене в 60 долларов за грамм получается полмиллиона долларов. В сутки.

Положим, золото большей частью осядет на внутренней поверхности камеры сгорания и его можно будет оттуда периодически соскребать. Но использование золота не значит отсутствия радиации, потому что в состав мишени входит тритий, который весьма радиоактивен. В процессе подрыва мишени он весь прореагировать не успевает, и что после этого делать с его остатками, которые к тому же пребывают в газообразном состоянии, не совсем понятно.

Кстати, сколько именно в мишени дейтерий-тритиевой смеси – точно неизвестно. Кто-то пишет, что 2 мг, кто-то, что 15. Однако можно посчитать, что для получения 3,15 МДж, о которых отчитались американцы, достаточно 0,009 мг этого горючего, если оно прореагирует целиком. (Такую величину дает расчет по формуле Е=мс2 при дефиците массы в 0,0038 от первоначальной, который переходит в энергию при слиянии атомов дейтерия и трития с образованием гелия и нейтрона.) То есть даже если в мишени было всего 2 мг термоядерного горючего, то получается, что эффективность его сжигания в NIF составляет всего 0,45%, а остальное просто разлетается при взрыве.

Допустим, эту эффективность со временем повысят и доведут хотя бы до КПД первых водородных бомб, который составлял около 20%. Это значит, что для получения необходимых нам для энергетической эффективности 3615 МДж будут необходимы 52 мг дейтерий-тритиевой смеси, из которых прореагирует только 5-я часть. Выходит, что около 20 мг трития будут выбрасываться каждым взрывом в камеру. При использовании установки пару раз в сутки эти «отходы производства» можно просто выпускать в атмосферу. Но при скорострельности «выстрел» в секунду мы получаем 1,7 кг летучей радиации в сутки.

Мало того, что экологически чистым такой «выхлоп» не назовешь, так тритий еще и очень дорог. При стоимости 30 000 долларов за 1 г мы получаем, что он будет обходиться электростанции в… 65 млн долларов. Опять же в сутки.

Хорошо, нам говорят, что в будущем вместо радиоактивного трития планируется использовать гелий-3, который радиации не дает. Но, во-первых, почему тогда эксперименты проводят с тритием, если он заведомо не годится для энергетики будущего? И почему технология его «поджигания» объявляется прорывной, хотя нет никакой гарантии, что она подойдет и для гелия-3? А во-вторых, гелий-3 тоже не бесплатное удовольствие. При стоимости «всего» в 17 000 долларов за 1 г его использование потребует 37 млн долларов в сутки, то есть 13,4 млрд долларов в год. Это значит, что каждый из миллиона американских потребителей термоядерной электроэнергии должен будет выложить по 13 400 долларов за свои 10 715 кВт-ч, то есть по 1,25 долларов за кВт-ч. И это без учета НДС, эксплуатационных расходов и прибыли электростанции. За один только гелий-3. Сейчас домохозяйства в мире в среднем платят за кВт-ч 0,16 долларов. А в остальном, прекрасная маркиза…

В общем, получается, что от недавней американской сенсации до термоядерной энергетики дистанция больше, чем от огнива неандертальца до атомного реактора, потому что огниво все-таки дает огонь, а NIF – только совершенно бесполезную искру раз в неделю. Справедливости ради надо сказать, что основное назначение NIF, как и ее российского аналога УФЛ-2М, который сейчас возводится в Сарове, – это проверка состояния ядерного оружия без натурных испытаний. Американских физиков, конечно, можно поздравить с тем, что у них такая установка появилась раньше, чем у нас, но какое она имеет отношение к решению насущных энергетических проблем человечества, совершенно непонятно.