Глава 18 Плазма и ядерный синтез

Глава 18 Плазма и ядерный синтез

Физика плазмы – сложная и разносторонняя наука, как и само понятие «плазма». Это слово, на греческом языке означает «оформленный» или «вылепленный». Физический смысл термина, обычно, относится к ионизированному газу. Можно сказать, что плазменное состояние газа – это, действительно, «оформленное» состояние, в отличие от обычного неионизированного газа.

Рассмотрим некоторые эксперименты в данной области, которые позволяют конструировать высокоэффективные источники энергии. Основные надежды науки и стратегических инвесторов были связаны с получением стабильных результатов в экспериментах по реакции управляемого термоядерного синтеза. Эта реакция приводит к получению более тяжелых атомных ядер из более легких, при этом выделяется огромное количество тепловой энергии. В отличие от взрывного термоядерного синтеза (водородной бомбы), этот процесс имеет управляемый характер. Традиционная урановая ядерная энергетика использует реакции распада, при которых из тяжелых ядер получаются более легкие ядра. В реакциях, которые планируется использовать для управляемого термоядерного синтеза, применяются дейтерий и тритий, а в более отдаленной перспективе гелий и бор.

Идея создания «медленного взрыва» стала популярной, в нее вложены большие деньги. Основная трудность данного метода состоит в инженерных аспектах удержания плазмы в «магнитной ловушке». Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в России сформулировал, и предложил для нее некоторое конструктивное решение О.А. Лаврентьев. Интересно то, что идею подал не академик или профессиональный ученый, а сержант срочной службы. Причем, первоначально, идея удержания плазмы имела другой вид. Лаврентьев предлагал не магнитную, а электростатическую «ловушку» для плазмы. Реализация данного способа намного проще и дешевле, но, по некоторым причинам, в настоящее время, развивается только направление магнитного удержания плазмы, которое предложили Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм. Эти исследования трудно отнести к энергетике, «не требующей топлива», поскольку необходим дейтерий или другие специфические вещества. Себестоимость энергии, при современном уровне развития технологий управляемого синтеза, остается очень высокая. В Казахстане, установку «Токамак» планируют ввести в эксплуатацию в 2011 году, «Токамак» (тороидальная камера с магнитным полем) представляет собой замкнутую магнитную ловушку, имеющую форма тора и предназначенную для создания и удержания высокотемпературной плазмы, что позволит осуществить термоядерную реакцию, в ходе которой должна выделяться энергия. Этот проект является частью международного проекта, общей стоимостью в 15 миллионов долларов. Финансирование осуществляется за счет государственного бюджета республики, а также инвестиций из-за рубежа. В проекте принимают участие Европейский союз, Индия, Китай, Россия, США, Южная Корея и Япония. В новом реакторе, названном «проект Игнитор», зажигание термоядерной плазмы обеспечивается только с помощью омического нагрева, за счет протекающего в тороидальном направлении тока, без привлечения мощных средств дополнительного нагрева. Это требует использования сильных магнитных полей, более чем в 2–4 раза превышающих магнитные поля в традиционных «токамаках», что позволяет удерживать плазму более высокого газокинетического давления, более высокой плотности. Рост удельной плотности плазмы в десять раз, повышает удельный выход термоядерных реакций на два порядка, что в свою очередь дает возможность существенно снизить размеры реактора при той же мощности.

К истории проекта, первый экспериментальный реактор «Токамак» в России был построен в 1954 году. В 2015 году планируется завершить строительство реактора ITER мощностью 1 ГВт при времени непрерывного горения плазмы всего десятки минут.

Стоимость данного проекта оценивается в 5 миллиардов долларов. Намеченная проектировщиками мощность установки 500 МВт (при затрате энергии на входе системы всего около 50 МВт). Это означает, что эффективность процесса будет примерно 10 к 1, не считая затрат на «топливо». Установочная себестоимость энергии составит примерно 5000 – 10000 долларов за киловатт. Это величина на уровне себестоимости современных кристаллических солнечных панелей. Окупается она примерно за 20 лет работы, не считая эксплуатационных затрат на обслуживание реактора.

Активное развитие наблюдается и в области проектов «низкоэнергетических ядерных реакций» (Low energy nuclear reactions LENR) и ядерных реакций, обусловленных кристаллической решеткой вещества (Lattice Assisted Nuclear Reactions LANR). В них применяется дейтериевая вода. Как было отмечено в главе о воде и водороде, такие технологии можно считать «условно-бесплатными», так как стоимость тяжелой воды небольшая. Ученые из США (университет MIT) подсчитали, что 3 литра тяжелой воды хватит на сутки работы 6 Гигаватной электростанции, что эквивалентно 54000 тоннам угля. Эти технологии не требуют удержания плазмы «силовыми методами», поэтому их можно масштабировать от нескольких ватт до гигаватт. Применение расширяется, в том числе для «домашнего использования», а себестоимость установочного киловатта электроэнергии снижается.

По-моему, в данном направлении развития стратегически важной технологии энергоснабжения была допущена какая-то принципиальная ошибка. Проект получается дорогой и, по-прежнему, как и урановые ядерные электростанции, радиоактивно опасным, хотя и в 100 раз меньше. Разве нет других методов дешевого и безопасного энергоснабжения? Есть такие методы! В связи с этим, рассмотрим проекты Бориса Васильевича Болотова, Украина, например его «Способ холодного ядерного синтеза», изобретение № 4739016/25 от 14 июля 1989 года. История изобретений Болотова в области трансмутаций химических элементов началась в его детстве. Его отец в 1940-е годы обеспечивал работу радиоузла в Сибири. Он заметил, что даже в суровые морозы, в комнате радиоузла очень тепло, благодаря тому, что ламповый усилитель выделяет тепла намного больше, чем потребляет. Комната площадью 100 квадратных метров, фактически, отапливалась за счет нагрева анодов ламп усилителя, потребляемая мощность которого была всего 200 ватт. Однако, сильный нагрев анодов ламп со временем пропадал, они хорошо работали как радиолампы, но уже не давали избыточного тепловыделения. Болотов нашел ответ на эту загадку, уже когда был студентом. Он изучал химический состав анодов отработанных радиоламп и обнаружил в них примеси металлов, которых там изначально не могло быть. Например, в молибденовом аноде появлялся технеций, соседний химический элемент. Объясняется такое преобразование атомов только при наличии некоторого количества протонов, а именно протоны, как водород, всегда присутствуют в анодах новых ламп, поскольку их высушивают водородом при изготовлении. Таким образом, в начале работы, в аноде новой лампы, под действием бомбардировки анода электронами, протоны остаточного водорода соединяются с атомами металла анода, образуя новый химический элемент, отличающийся на один протон в большую или меньшую сторону.

Техническое решение, найденное Болотовым, имеет аналогии с работами Понса и Флейшмана. В их реакторе также использовался металл, имеющий сродство к водороду, палладий и платина. Насыщение его протонами и есть условие будущего избыточного тепловыделения, которое происходит при трансмутации вещества электрода. Аналогично, в работах группы итальянских ученых под руководством Профессора Росси (Rossi) используется никель, который, при работе реактора, преобразуется в медь с выделением тепла. Никель также обладает сродством к водороду, и способен впитывать протоны.

Болотов получил и другие реакции синтеза в своих экспериментах, и предлагает использовать в его технологии бор, о чем «строители токамаков» еще мечтают в далекой перспективе. Болотов создал химию второго поколения. Простой пример: мы привыкли называть водой двуокись водорода. Существует и более распространенная на земле «вода» – это двуокись лития. Сжатие литиевой воды дает кремний, основной химический элемент планеты. В марте 2011 года, Болотов демонстрировал свой реактор на жидком металле с цирконием. Отличие идей Болотова в том, что он изначально ориентируется на радиационно-безопасные технологии, причем, без использования «силовых методов» удержания плазмы и т. п. Он получает реакции синтеза при плотностях электрического тока менее 1000 Ампер на квадратный миллиметр разряда. При этом из фосфора получается кремний, а из свинца можно получать золото и платину.

Здесь можно вспомнить известного писателя Артура Конан Дойля. В рассказе «Открытие Рафлза Хоу», 8 том собрания сочинений, его герой занимался получением золота из свинца, хотя не в промышленных масштабах, а на «любительском уровне», только для личного обогащения. Цитирую мастера английской классики, речь идет от лица героя повести, который описывает свои эксперименты: «Я часто раздумывал над тем, какое действие оказывает на различные материалы мощные электрические токи, пропускаемые через них продолжительное время. Я имею в виду не те слабые токи, которые идут по телеграфному проводу, я говорю о токах высокого напряжения… Вы, конечно, помните известный опыт с электролизом воды. Но я обнаружил, что в отношении простых твердых веществ эффект получается иной и весьма своеобразный. Как-то вечером, в субботу, я поместил кусок висмута в зажимы, и провел к его концам электрические провода, чтобы проверить действие тока на этот металл. Я задержался в Лондоне до вечера вторника, и только в среду вернулся к своей работе. Подойдя к столу, я действительно убедился, что кусок металла исчез и зажимы пусты… стол покрыт лужицами серебристой жидкости. Это была чистейшая ртуть… Я снова зарядил батареи, и пропустил ток через сосуд с ртутью. Шестнадцать часов кряду я наблюдал, как ртуть постепенно густела… простейший анализ показал, что передо мной платина. Висмут… следующий за ним по весу свинец, затем ртуть, платина, золото, серебро, цинк, марганец… Литий превратился в тонкий сероватый порошок, который так и остался без изменений… Это был первоэлемент «протил». Он взялся за длинный стеклянный рубильник… что-то резко щелкнуло, затем начался непрерывный треск. От электродов рвались мощные огненные струи. Ореол золотистых искр окружил металл на стеклянном столе, искры свистели и щелкали, как пистолетные выстрелы. В воздухе пахло озоном».

Таким красивым художественным образом, кстати, эта повесть про любовь, Артур Конан Дойль дал нам ценную информацию о реальном методе трансмутации и синтеза химических элементов: электролиз твердых веществ и расплавов. Именно таким методом, Болотов получал из расплава свинца новые химические элементы.

Отметим, что известный Шерлок Хомс учил нас обращать внимание на нюансы, проводить аналогии и делать дедуктивные выводы. Например, почему Конан Дойль пишет про эксперименты в субботу, ведь это не является принципиальным? Видимо, герой – алхимик относился к тем энтузиастам – исследователям законов естествознания, которые по субботам работают, а не отдыхают. Впрочем, дело не в этом. Понимая, что эти технологии вполне реальны, весь современный финансовый мир, и его фундамент – «золотой эквивалент», представляются простой условностью, если есть возможность производить золото в любом количестве. При всем уважении к работникам банковского сектора экономики, а также к самим «изобретателям золотого эквивалента и денежных систем условных ценностей», в современном мире отмечаются тенденции к смене этой концепции. Китай, например, активно запасает материальные ресурсы, необходимые для высокотехнологичных производств, в том числе, медь. Это имеет больше практического смысла. Абсолютную ценность приобретают те материалы, запасы которых ограничены, и при этом, они применяются в технологических производственных циклах, поэтому спрос на них будет расти в обозримом будущем.

Разумеется, способ преобразования вещества по «методу Конан Дойля», или как говорят в научном мире «трансмутации» химических элементов, требуют больших затрат электроэнергии, если не создавать резонансные условия «вибрации эфира», как показал нам Джон Кили. Аналогичные результаты, иногда, получаются при трансмутации химических элементов в промышленных индукционных плавильных печках, работающих на частотах 28 МГц.

Промышленное получение золота, а также других ценных химических элементов, нас сейчас не очень интересует. Задача это вполне реальная, но относится к области лицензированной деятельности. Наши задачи исследований в данном направлении состоят в поиске оптимальных условий протекания реакций преобразования одних химических элементов в другие, идущие с максимальным выделением тепла, при минимальных затратах энергии на входе.

Рассмотрим другие проекты, связанные с плазменными процессами. В работе А.В. Чернетского, «О физической природе биоэнергетических явлений и их моделировании», Москва, Издательство ВЗПИ, 1989 год, есть описание интересных экспериментов по созданию продольных волн в плазме. Размышляя о природе энергии биологических объектов, Чернетский пишет: «По нашим представлениям, источником энергии является физический вакуум. Как известно, в нем непрерывно происходят, так называемые «нулевые колебания», когда поглощаются фотоны, и образуются виртуальные частицы (электрон и позитрон), которые через некоторое время аннигилируют, что приводит к возникновению новых фотонов. В плазменных системах типа самогенерирующего (СГ) разряда, который нами исследовался, в поверхностном слое плазмы происходит разделение зарядов, и возникает сильное электрическое поле, в котором происходит поляризация физического вакуума. Движение виртуальных частиц приобретают определенную ориентацию. На границе поверхностного слоя плазмы создается движущийся поверхностный заряд, что приводит к расширению слоя, а, следовательно, к увеличению в нем напряженности электрического поля разделения зарядов, и, соответственно, ускорению электронов плазмы».

Таким образом, Чернетский вводит понятие «плазменновакуумного» эффекта, суть которого в передаче энергии от частиц вакуума частицам плазмы. Энергетический выход в работах Чернетского в несколько раз превышал затраты энергии. Рассмотрим особенности СГР – «самогенерирующего разряда». По Чернетскому, это «особая форма электрической дуги, которая возникает при определенных (критических) плотностях разрядных токов». Известно, что вольтамперная характеристика дуговых процессов имеет падающий и возрастающий участки. На падающем участке, когда ток падает при повышении напряжения, создается ситуация с «отрицательным сопротивлением разряда», и возможно возникновение незатухающих колебаний.

Это было известно, но Чернетский дополнительно обнаружил возможность возникновения незатухающих колебаний на возрастающем участке вольтамперной характеристики, причем, еще в 1960-е годы. При этом возникает колебательная неустойчивость плазмы, а также условия отрицательной проводимости плазмы. Если такой разряд включить в колебательный контур (катушка индуктивности и конденсатор), то он становится активным элементом, поддерживающим электрические колебания в цепи, даже при наличии полезной нагрузки. Фактически, такой электрический разряд, встроенный в колебательный контур, становится источником энергии.

Неустойчивость плазмы, в данном случае, Чернетский объясняет «эффектом пинчевания» при сильных токах (сотни Ампер). Этот эффект состоит в том, что электроны плазмы взаимодействуют с собственным магнитным полем, образуется «обратная связь» процесса, и плазменный разряд пульсирует в радиальном направлении, то есть, периодически сжимается. Важно отметить, что в этом случае возникает электрическое поле, направленное радиально, то есть к оси разряда. Вектор плотности тока также получает некоторую радиальную компоненту. Образно говоря, диаметр «шнура разряда» меняется с высокой частотой, а при таких объемных изменениях плотности энергии, как известно, возникает продольная волна в эфире, то есть, энергообмен с эфиром.

Свойства таких продольных волн, в том числе, их влияние на биологические объекты, подробно изучил Чернетский, но здесь мы ограничимся рассмотрением вопросов энергообмена частиц плазмы с «физическим вакуумом», который нас интересует с точки зрения получения избыточной тепловой и электрической энергии.

В 1980–1990 годы, Чернетский демонстрировал эффекты в устройствах мощностью около 500 кВт. Его теория «энергообмена» понятна, но мне хотелось бы получить надежные экспериментальные факты. Увы, работы Чернетского критиковали многие. Журнал «Электричество» № 12, писал в 1993 году: «По договоренности с профессором А.В. Чернетским его «генератор» подключался к генератору переменного тока, приводимого во вращение мотором постоянного тока (бортовой машинный умформер). Сила потребляемого (от аккумуляторов) мотором тока, как и напряжение, измеряются без каких-либо осложнений. Суть опыта, проведенного трижды в присутствии профессора А.В. Чернетского, состояла в измерении мощности мотора при отсутствии дуги и при горении дуги. Опыты неизменно показывали один и тот же результат, что однозначно свидетельствует об отсутствии «эффекта Чернетского».

Впрочем, что искали, то и нашли. По-моему, в этой версии эксперимента с умформером, были изменены условия LC резонанса, поэтому опыт был неудачно воспроизведен. Чернетский работал с устройствами, в которых большую роль играла распределенная емкость и индуктивность электрической сети здания, где проводился эксперимент. Их нельзя исключать из рассмотрения, поскольку именно в них образуется запас свободных электронов, участвующих в колебательных процессах.

На конференции «Новые Идеи в Естествознании», Санкт-Петербург, 1996 год, я докладывал о аналогичных способах получения избыточной энергии, и демонстрировал экспериментальную модель устройства, в котором используется искровой разряд, как часть цепи. Схема устройства показана на рис. 227.

Рис. 227. Схема эксперимента Фролова, 1996 год

Разрядник (зазор) регулируется винтом. В данной схеме нагрузка соединена последовательно с искровым разрядником. Фактически, было показано три состояния данной схемы. Первое: расстояние между электродами больше, чем расстояние пробоя, разряда нет, и нет тока в нагрузке (в лампе накаливания). Амперметр, шкала которого имеет максимальный ток 1A, в таком режиме показывает ток 0,3 Aмпера. При этом потребляемая мощность равна примерно 3 Ватта.

Второе состояние: искровой зазор уменьшается путем регулировки, возникает искровой разряд, лампа мощностью 2 Ватта светится. Мы получаем 2 Ватта в нагрузке, однако, при этом мы не наблюдаем увеличения потребления мощности от источника. Наоборот, амперметр показывает 0,28 Ампер, что означает уменьшение тока потребления при наличии искры в цепи питания нагрузки.

Третье состояние: если отверткой закоротить искровой зазор между электродами, то ток потребления возрастает до 0,58 Ампер, что является обычным явлением для простого трансформаторного режима, при котором подключение нагрузки во вторичной цепи увеличивает ток потребления схемы. Отметим, потребление возрастает соответственно мощности лампы, примерно на 3 Ватта.

«Эффекта пинчевания» тока в такой искре нет, поскольку это требует сотни Ампер. Для малых токов предлагается другое объяснение: заряженные частицы получают дополнительную кинетическую энергию в процессе своего движения на участке искрового зазора между электродами. Это движение является ускоренным, так как оно происходит в электрическом потенциальном поле, как показано на рис. 228. Кинетическая энергия частицы плазмы W2 «в конце пути» будет больше, чем ее начальная энергия W1, так как возрастает ее скорость.

Подводя итоги по данному разделу, можно указать на аналогию с проектом Грея и его схемой «конверсионной трубки», в которой также создается дуговой разряд, и свободные электроны «привлекаются» путем ионизации воздуха.

Сегодня существует много патентов на плазменные технологии, например патенты США № 5416391 и № 5449989, авторы Пауло и Александра Корреа (Paulo Correa). Их эксперименты называются «аномальный пульсирующий тлеющий разряд» PAGD (Pulsed Abnormal Glow Discharges). Патенты США № 5,449,989 (Система конверсии энергии) «Energy Conversion System», № 5,502,354 (Генератор импульсов постоянного тока, использующий автогенерирующийся циклический пульсирующий аномальный тлеющий разряд «Direct Current Energized Pulse Generator Utilizing Autogenous Cyclical Pulsed Abnormal Glow Discharges». Названия их патентов говорят о сути предлагаемой ими технологии.

Супруги Корреа начинали с исследований автоэлектронной эмиссии, это катодная «холодная плазма». Тема развивается более 15 лет, и имеет перспективы выхода на рынок новых энерготехнологий. В их устройстве, создается тлеющий разряд в газе низкого давления. В рабочем режиме, периодически производятся мощные электрические импульсы (несколько киловольт), которые можно преобразовать в полезную мощность. В прототипе, затраты от первичного источника составляют не более 10 % от генерируемой мощности на выходе.

Заканчивая главу о плазменных источниках энергии, обратимся к Солнцу, ближайшему к нам плазменному объекту, называемому в астрономии «звездой». Кстати, есть такая песня «Звезда по имени Солнце» в фильме Цоя о наркомафии, который называется «Игла». В нем, один из персонажей сказал: «Все люди делятся на тех, кто сидит на трубе, и тех, кому нужны деньги». «Сидит на трубе» – так сегодня говорят о тех, кто имеет прибыль от экспорта нефтегазовых ресурсов. Интересное пророческое совпадение с современной ситуацией, хотя в том фильме речь шла не про известную сегодня «газпромовскую трубу» в Европу, а про обычную теплотрассу.

Мы не имеем отношения к продаже нефтегазовых ресурсов и распределению полученной прибыли, и у нас нет акций Газпрома. Мы предлагаем внедрять новые технологии, снижая себестоимость энергии в десятки раз, улучшая экологию, и зарабатывая на этом не меньше, чем нефтегазовые компании. Ценность топливных ресурсов – понятие относительное. Людям не нужна сама нефть или газ, людям нужно тепло, электричество, энергия. Сегодня эти задачи решаются без затрат топлива, и значительно дешевле.

Благодаря этим новым техническим решениям, снижаются затраты на топливо и энергоснабжение, растет прибыль у всех производственников, транспортных и энергосбытовых компаний, которые сегодня вынуждены покупать топливо.

Вспомнил этот фильм еще и в связи с тем, что нефтегазовый бизнес оказывает на экономику стран, экспортирующих ресурсы, и мышление чиновников «наркотическое – эйфорическое» воздействие. Они полагают, что пока есть достаточное пополнение бюджета, нет большой потребности в развитии новых технологий и других отраслей промышленности, а продукты потребления, в том числе, питания, можно просто импортировать. Это очень выгодно тем, кто ставит задачу ограничения роли России на мировой арене в рамках топливно-сырьевого поставщика. Очевидно, что данная ситуация пагубна для российской экономики. Европа сейчас зависит от поставок энергоресурсов, но она от этой зависимости избавится, и ее шаги в этом направлении весьма решительны. Им легче, так как у них были средства покупать у нас нефть и газ, значит, будут и средства на развитие новых технологий. Нам сложнее, так как надо найти другие способы наполнения бюджета. Спрос на новые технологии есть, народ ждет, а правительство говорит «пора». Давно уже говорит. Очевидно, что инерциальность научных, общественных, политических и производственных кругов не позволяет быстро перейти к прогрессивным технологиям, даже при наличии такого желания. Несомненно, новые технологии займут место старых топливных, прежде всего, потому, что они дают более дешевую, а также экологически чистую энергетику. Этот процесс займет десятки лет, но он уже начат и развивается.