Взрывная дейтериевая энергетика – фантастика или реальность?

Л.И.Шибаршов, начальник отдела РФЯЦ ВНИИТФ, г.Снежинск
Ответ на статью Г.М.Лукашина («АС» № 16, апрель 2005 г.)

По направлению ВДЭ у нас много просчитано, но это не означает, что уже на 100% все известно, и нужно только начинать. Все достаточно сложно, и лишь понимание того, что по большому счету не видно других реальных путей избегания грядущего энергетического (а значит, и человеческого) кризиса, заставляло нас заниматься этим направлением, озадачивающим необходимостью использования ядерных взрывов. Пока им занимался небольшой коллектив энтузиастов, выход же на НИОКР потребует вовлечения в дело многих специалистов – как нашего, так и других институтов и КБ, возможно, не только Росатома.

Перспективы мировой энергетики весьма неутешительны, если не удастся быстро найти и реализовать кардинально новые направления.
Возобновляемые источники. Суммарная мощность самых эффективных из них – гидро- и биоэнергии – существенно ограничена, а «альтернативные источники» чрезмерно дороги, слишком долго возвращают энергию, предварительно затраченную на их строительство. У последних даже в далекой перспективе очень мало шансов выйти на суммарную мощность масштаба 10 ТВт из-за необходимости собирать энергию Солнца и ветра с больших площадей и вытекающих отсюда экономических, энергетических (на строительство) и экологических проблем; пока суммарная мощность на 3 порядка ниже.
Химическое и ядерное топливо. Нефти и газа в масштабе мирового потребления 1013 Вт хватит лишь на несколько десятилетий. Потребление угля к такому уровню не приблизится из-за дороговизны, не говоря уже о проблемах экологии, хотя запасов хватит на многие столетия. Не больше возможностей по развертыванию суммарной мощности и у атомной энергетики из-за ограниченных рентабельных запасов урана.
На горизонтах физики и химии не светят новые открытия, наподобие атомной энергии, а возможности последней изучены уже до конца: изотопов не так уж много, сюрпризов не будет. Не приходится надеяться на крупные геологические открытия новых источников энергии, а если даже такое чудо произойдет, то вряд ли успеет дать ощутимые результаты в ближайшее столетие. Неизбежен глубочайший энергетический кризис (война за существование?). По-настоящему выручить способно только термоядерное сжигание дейтерия, но от Управляемого Термоядерного Синтеза (УТС) можно ожидать выработку электричества в малых масштабах за счет синтеза только смеси дейтерия с тритием, и то нескоро.
Нефтяной энергетический эквивалент термоядерного синтеза 1 кг дейтерия равен 104 т. Извлечение дейтерия из воды значительно дешевле добычи эквивалентного количества нефти, а ее запасы в океане поистине безграничны, так что внимания заслуживают любые предложения по синтезу дейтерия. Одно из них – взрывная дейтериевая энергетика (ВДЭ), представляющая собой использование энергии, высвобождаемой при взрывах термоядерных дейтериевых «энергозарядов».
Все стороны ВДЭ сразу не охватить, и изложение ее проблематики будет строиться на полемике со статьей Г.М.Лукашина [1], опубликованной в журнале «Атомная стратегия», в части ее деловых аспектов. Чем привлекает внимание ВДЭ?
• На пути ее реализации нет труднейшей проблемы получения энергии больше затраченной (breakeven), стоящей перед всеми вариантами УТС. Прототипами «энергозарядов» служат давно испытанные мощные дейтериевые заряды для вскрытия грунта. 
• В отличие от УТС, рассчитанного на использование смеси дейтерия с отсутствующим в природе тритием, нет также проблемы топлива.
• Если бы трудности создания ВДЭ удалось преодолеть, появилась бы возможность в течение нескольких десятков лет взамен нефти и газа развернуть в мире неисчерпаемые источники энергии с суммарной мощностью свыше 10 ТВт.
Суть и проблематика использования энергии взрывного синтеза дейтерия излагаются в книге [2] и ее более раннем издании. Их главная цель – привлечь внимание научной общественности к самой идее, получить по ней как можно больше критических замечаний. Реализация идеи сложна, во многом не имеет аналогов, за ограниченное время нельзя выявить все ее трудности, и было бы авантюрой выходить на проектирование первых образцов КВС без достаточно широкого обсуждения. Авторы книги назвали ВДЭ «предложением концепции», а не «АВАН-проектом», как обозначено в таблице 1 статьи [1], ибо нынешнее состояние дел в ВДЭ до этой стадии не дошло.
Удерживать взрывы с энергией до 105 т тротил-эквивалента предлагается с помощью камер взрывного сгорания (КВС) – больших подземных полостей, облицованных сталью. Облицовка защищается от ударной волны и излучения взрыва завесой жидкого натрия, в дальнейшем обеспечивающего теплосъем. Средняя температура натрия около 550°С; после каждого взрыва температура подскакивает на несколько десятков градусов и постепенно снижается по мере отбора тепла. Натрий периодически очищается от не прореагировавшей и подлежащей возврату в топливный цикл части ядерных материалов, от осколков деления и конструктивных материалов взорванных энергозарядов. По мере надобности, термоядерными нейтронами облучаются ториевые или урановые бланкеты для воспроизводства делящихся материалов.
Поджог дейтерия в энергозаряде предполагается осуществлять за счет энергии цепных реакций деления менее 100 г урана-233 или плутония. В специальном бланкете (Th/U) взамен можно наработать на 2 порядка больше делящегося материала, благодаря большому выходу термоядерных нейтронов, так что он будет использоваться далеко не во всех взрывах.
В прямом использовании энергии термоядерных взрывов видно немало сложностей, но необходимость в нем появится лишь после исчерпания запасов рентабельного урана. Профессор МГУ М.Е.Герценштейн считает, и авторы книги присоединяются к его мнению, что в ближайшем будущем синтез дейтерия целесообразно направлять не на прямое получение энергии, а на эффективную наработку недостающего для развития ядерной энергетики топлива, пока не исчерпается сырье – уран и торий. И тогда многое упростится. Во-первых, частота взрывов снизится на два-три порядка. Во-вторых, роли защиты и теплоносителя будет выполнять вода, причем без насосов, прямо за счет высвобождаемой энергии.
Взрыв испарит защитные фонтаны воды. Под действием большого перепада давления вода в виде пара будет подниматься по трубам к теплообменникам над камерой, конденсироваться на них и самотеком накапливаться в баках, откуда в момент следующего взрыва ее в виде фонтанов снова направят в камеру (к этому времени давление там стравится до атмосферного). По оценкам, оптимальная температура воды составляет после взрыва 200°С (пар), до взрыва 30°С в фонтанах и 110°С у остатков пара в камере. Паровая стадия избавит от необходимости очищать циркулирующую воду, упростит периодическое извлечение со дна КВС образовавшихся во взрывах или не прореагировавших ядерных материалов, с целью их возврата в топливный цикл энергозарядов.
По предварительным оценкам, в 100-килотонном взрыве за счет образующихся нейтронов можно наработать в ториевом бланкете ~20 кг урана-233. Для быстрого развертывания в России атомной энергетики на основе торий-уранового цикла (с коэффициентом воспроизводства kв~1 в тепловых реакторах) достаточно производить в год 40 тонн урана-233, для чего, например, проводить по 6 взрывов в сутки в нескольких КВС. Для уран-плутониевого цикла на ВВЭР (kв<1) взрывов потребуется больше.
Проекты КВС предполагается обосновать экспериментальными исследованиями в малой камере, с проведением ядерных взрывов с энергией масштаба 0,1 кт, что, по нынешним понятиям, достаточно для моделирования полномасштабных процессов.
Теперь, путем ответов на замечания в статье [1], перейдем к освещению более сложной проблематики прямой выработки энергии в ВДЭ, в порядке убывания значимости поставленных вопросов. Проблем на первом этапе ВДЭ (наработки топлива), не требующем использования натрия и большого числа взрывов, будет заметно меньше.
1. «Обращение с беспрецедентными количествами жидкого натрия, загрязненного продуктами деления и плутонием… Уже после проведения первых взрывов жидкий натрий в первом контуре превратится в высокоактивные отходы, по действующим нормативным документам. Первый контур теплоносителя становится необслуживаемым уже после нескольких взрывов, так как натрий будет загрязнен продуктами деления».
Теплосъем должен производиться, как минимум, через три контура, в первом из которых обращается натрий, обслуживающий полость КВС и растворяющий продукты взрыва, включая радиоактивные. Необходимо разработать не имеющую аналогов особо надежную техническую систему 1-го контура, практически не требующую ремонта и имеющую резервные элементы, с периодической очисткой от примесей. По-видимому, загрязнения натрия будут затруднять работу насосов. Предотвратить проникновение радиоактивности во 2-й контур и защитить оборудование от нее тоже будет непросто. От того, насколько успешно будут решены эти задачи, зависят общие капитальные затраты на КВС и время его окупаемости, которое пока оценивается в несколько лет при периодичности подрывов 4 часа (менее года при проблематичной периодичности полчаса).
2. «При заведомо заниженной вероятности возникновения аварийной ситуации.., равной 10-7, можно считать гарантированными не менее 3 ядерных аварий в год».
В оценках автор исходит из завышенного количества взрывов. Тем не менее, проблема достаточно серьезна. Безусловно, необходимо разработать такую технологию подземного производства энергозарядов и проведения взрывов, такие организационные и технические защитные меры, которые бы детерминировано исключили возможность аварийного (несвоевременного) ядерного взрыва и, как следствие, жертв среди персонала, выведения КВС из строя; экологические последствия аварийного ядерного взрыва под землей не столь серьезны. Это одна из важнейших составляющих будущего проекта.
3. «…полномасштабная реализация идеи потребует 30 млн ядерных зарядов в год, притом, что за… 50 лет обладатели ЯО не сумели создать и 100 тыс. единиц».
Примерим полномасштабную реализацию ВДЭ к России. В книге рассматривается диапазон энергии взрыва от 10 до 50 кт, но сейчас предпочтительнее считается уровень 100 кт. На сегодня наше полное потребление энергии составляет 6 кВт на душу населения (электричества примерно 1 кВт). Если в России производить за сутки 150 взрывов по 100 кт, то суммарная мощность от них составит 720 ГВт или почти 5 кВт на душу. Дополнительная энергия, выделяющаяся при захвате нейтронов натрием и распаде натрия-24, увеличит это число в полтора раза. С учетом других источников (ГЭС, биомасса, уголь), такой уровень мощности ВДЭ сможет устраивать Россию долгое время, если удастся достичь высокой эффективности использования тепловой части производимой энергии*.
Для производства 150 взрывов в день нужно увеличить достигнутый уровень производства зарядов примерно на два порядка, что не выглядит непосильной задачей. Например, на один порядок поднимается численность рабочих (совсем немного для большой энергетики), и на один порядок поднимается производительность труда за счет высокой степени автоматизации и заметного упрощения конструкции энергозарядов, к которым не предъявляются столь жесткие требования, как к ядерному оружию.
Оптимальное число КВС, на которое распределятся эти взрывы, пока не определено. С его ростом пропорционально повышается часть капитальных затрат, связанная с удержанием взрывов (на строительство камеры, производство натрия и т.п.), зато снижаются затраты на линии передач энергии, частота подрывов в отдельном КВС.
В варианте энергетики 1-го этапа с наработкой топлива АЭС нет необходимости увеличивать потенциал производства ядерных зарядов.
4. «Ежегодная потребность в плутонии оружейного качества ВДЭ, при планируемых авторами масштабах, составляет не менее 300 тысяч тонн. Для справки – современные запасы такого плутония во всем мире, накопленные за полвека, не превышают 200 т».
Расход 300 тысяч тонн плутония в год соответствует 30 млн взрывов в год с использованием 10 кг плутония в каждом. Во-первых, обе исходные величины преувеличены. Во-вторых, предполагается в одном взрыве сжигать менее 100 г делящегося материала (ДМ), а несгоревший ДМ периодически возвращать почти полностью. В третьих, предполагается использовать упрощенные способы выделения ДМ из натрия и продуктов взрыва, поскольку к его качеству не предполагаются столь жесткие требования, как к оружейному материалу. При использовании уран-ториевого топливного цикла выделению ДМ поможет большая разница в плотностях урана и тория.
5. «…авторов… не заботит… интегральное энерговыделение в отдельно взятом КВС, за год составляющее 200 Мт, из которых, по меньшей мере, 8 Мт за счет реакции деления. Для всей КВС энергетики это значение составляет 400000 Мт, а за проектный срок эксплуатации (25 лет) – 4×107 Мт. Для справки – суммарная мощность всех ядерных взрывов… до сего дня не превышает 2000 Мт, т.е. на 4 порядка меньше».
Количество и суммарная мощность ядерных взрывов определялись технологией их проведения, ограниченными возможностями немногих ядерных полигонов и, в конце концов, потребностями разработок оружия. Все это не имеет отношения к ВДЭ.
Что же касается озабоченности образованием РАО в виде продуктов деления, то оно намного меньше, чем в традиционной ядерной энергетике, ведь при проведении 100-килотонных взрывов всего ~1% энергии будет вырабатываться за счет деления. Кроме того, большие нейтронные выходы дают возможность обходиться без специальных выжигателей для трансмутации долгоживущих изотопов.
6. «Авторы игнорируют удовлетворительно зарекомендовавший себя в традиционной ядерной энергетике принцип глубоко эшелонированной защиты…  топливная матрица и герметизирующая оболочка… удержание активности в пределах топливного элемента».
Принцип эшелонированной защиты не игнорируется, только предусматриваются свои барьеры для распространения активности – герметизирующая стальная оболочка КВС, бетон, грунт. Естественно, что принятую в традиционной атомной энергетике систему радиационной защиты нельзя буквально в том же виде перенести на ВДЭ. В оценках эффективности бетона и грунта как радиационной защиты авторы книги исходят из опыта проведения подземных ядерных испытаний и возникавшей в них радиационной обстановки. Десятки метров бетона сами по себе обеспечивают непроницаемую защиту, а стальная оболочка – дополнительный и еще более эффективный барьер.
В норме радиационная обстановка вокруг КВС сведется к естественному фону. Последствия образования в оболочке отдельных трещин требуют специального изучения, хотя ничего серьезного на поверхности грунта не ожидается. По оценкам, через них до спада внутреннего давления после взрыва успеет выйти лишь малая доля радиоактивных газов, которые не проникнут через бетон без наличия в нем сквозных трещин. Возможно «самозалечивание» трещин пробкой из застывшего в бетоне натрия. Но даже при полном разрушении оболочки и бетона, до которого дело дойти не может, не произошло бы серьезных экологических последствий: твердые и жидкие частицы не способны преодолеть большую толщу грунта, а выходящие через нее газы имеют короткие периоды полураспада.
7. «…массу жидкого натрия… примерно 300 тыс. тонн для одного котла. Для справки: мировое производство натрия составляет… 600 тыс. тонн… По-видимому, авторы полагают, что человечество может обойтись без этого химического элемента».
Во-первых, натрий один из наиболее распространенных элементов в природе. Во-вторых, производство металлического натрия пока фактически ограничено потреблением и не видно, что при необходимости его нельзя было бы поднять на 1–2 порядка величины. Затраты энергии на электролиз возвращаются быстро [2].
8. «О том, что авторская оценка является заниженной… не на один порядок величин, свидетельствуют… затраты на сооружение хранилища оружейных делящихся материалов на ПО «Маяк»… 600 млн долларов… В сравнении с ХДМ предлагаемый проект предусматривает применение чрезвычайно сложных технологий…».
Непонятна опора на стоимость хранилища делящихся материалов (ХДМ), не имеющего к КВС никакого отношения.
Полномасштабный КВС, безусловно, намного дороже $600 млн; только затраты на сдерживание взрывов оцениваются в $150 млн/кт, не считая энергетического оборудования, стоимость которого пропорциональна производимой мощности. Экспериментальный же КВС должен обойтись, наоборот, много дешевле. Во-первых, как говорилось выше, моделирование полномасштабных взрывов обеспечивают взрывы уровня 0,1 кт. Во-вторых, для отработки стойкости КВС взрывы достаточно проводить эпизодически, один раз в течение многих дней, без большой нагрузки на теплосъем. Информацию, необходимую для отработки полномасштабного теплового оборудования, можно получить в небольшом числе экспериментов.
9. «Вообще, специалистам неизвестно, имеются ли какие-либо научные работы, посвященные химическим процессам, протекающим при экстремальных давлениях и температурах, характерных для термоядерного взрыва».
В условиях термоядерного взрыва любое вещество представляет собой плазму, в которой химические процессы не происходят. А по соседству с взрывом они протекают по известным законам, о чем свидетельствуют, в частности, радиохимические пробы из мест проведения подземных взрывов, динамика образования окислов азота в огненном шаре ядерного взрыва.
10. «…некорректная оценка выхода продуктов деления в килограммах; при этом авторы не считают нужным приводить общепринятые единицы их активности».
Измерение выхода продуктов деления в килограммах удобно, когда речь идет о ядерных взрывах. Оценки в единицах активности пришлось бы сопровождать перечислением ее значений на множество моментов времени после взрыва, либо чисел кюри для десятков образовавшихся радиоактивных веществ вместе с периодами их полураспадов (хотя почти все эти сведения можно почерпнуть из справочной литературы). В килограммах также проще сравнивать образование продуктов деления в АЭ и ВДЭ, поскольку оно однозначно связано с сопровождающим его выделением энергии.
Тем не менее, авторы не избегают оценок активности в общепринятых единицах, когда это имеет смысл. Например, в разделе 6.3 книги [2] приводятся данные по установившейся гамма-активности цезия-137 (Мэв/с) в единице массы теплоносителя.
11. Отмечено полное отсутствие публикаций по ВДЭ в научных журналах.
Периодические научные публикации естественны при проведении НИР. Но НИР пока не открыта, а идеи сами по себе еще не дают достаточного материала для научных статей. Пока они выставляются на всеобщее обозрение другими способами.

Литература

1. Г.М.Лукашин. Недостаток профессионализма как квалифицирующий системный признак пригодности. Журнал «Атомная стратегия» № 2  (16), апрель 2005.
2. Г.А.Иванов, Н.П.Волошин, А.С.Ганеев, Ф.П.Крупин, С.Ю.Кузьминых, Б.В.Литвинов, А.И.Свалухин, Л.И.Шибаршов. Взрывная дейтериевая энергетика (второе издание). Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 2004.

* В книге [2] рассмотрены возможные способы передачи тепловой энергии на большие расстояния

назад

Материалы из архива

8.2007 Ядерная энергетика в космосе

Юрий Зайцев, действительный академический советник Академии инженерных наук В системах энергоснабжения космических аппаратов сегодня преобладает солнечная энергетика. Вместе с тем, несмотря на то, что КПД солнечных элементов за последнее время значительно вырос, они фактически достигли пределов своего технического развития и могут оставаться главным источником электроэнергии только на околоземных орбитах и то лишь при определенных ограничениях ее потребления бортовой спутниковой аппаратурой.

2.2006 Энергетика России: проблемы и перспективы

Ф.М.Митенков, академик РАН, научный руководитель ФГУП «ОКБМ» В конце минувшего года состоялась научная секция общего собрания Российской Академии наук, посвященная состоянию энергетики России, ее проблемам и перспективам развития. Актуальность и важность этой темы подчеркивается уже тем, что чуть ли не впервые сессия Академии наук носила столь целенаправленный и достаточно полный конкретизированный характер обсуждения вопросов энергетического обеспечения страны.

7.2009 Условие получения зарубежных заказов на АЭС - льготные госкредиты

С.В.Кириенко, глава госкорпорации "Росатом"фрагмент стенограммы выступлений на Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономикиУважаемый Дмитрий Анатольевич! Уважаемые коллеги! В первую очередь мы представили слайд (материалы у всех членов комиссии есть и в руках, и на экране), который демонстрирует, насколько быстрее растёт потребление всех энергоресурсов, особенно электроэнергии, в сравнении с ростом населения.