Концепции современного естествознания

Различают два типа термоядерных реактора к первому типу относятся термоядерные реакторы, которым необходима энергия от внешних источников только для зажигания термоядерной реакции. Далее реакции поддерживаются за счет энергии, выделяющейся в плазме при термоядерных реакциях: например в дейтерий-тритиевой смеси на поддержание высокой температуры плазмы расходуется энергия α-частиц, образующихся в ходе реакций. В стационарном режиме работы термоядерного реактора энергия, которую несут α-частицы, компенсирует энергетические потери из плазмы, обусловленные в основном теплопроводностью плазмы и излучением. К такому типу термоядерных реакторов относятся, например, токамак.

К другому типу термоядерных реакторов относятся реакторы, в которых для поддержания горения реакций недостаточно энергии, выделяющейся в виде α-частиц, а необходима энергия от внешних источников. Это происходит в тех реакторах, в которых велики энергетические потери, например открытая магнитная ловушка.

Термоядерные реакторы могут быть построены на основе систем с магнитным удержанием плазмы, таких, как токамак, стелларатор, открытая магнитная ловушка и др., или систем с инерционным удержанием плазмы, когда в плазму за короткое время (10–8 – 10–7с) вводится энергия (либо с помощью излучения лазера, либо с помощью пучков релятивистских электронов или ионов), достаточная для возникновения и поддержания реакции. Термоядерный реактор с магнитным удержанием плазмы может работать в квазистационарном или стационарном режимах. В случае инерционного удержания плазмы термоядерный реактор должен работать в режиме коротких импульсов.

Разработаны и используются разнообразные диагностики лазерного излучения и лазерной плазмы. Создан технологический комплекс по изготовлению термоядерных мишеней и элементов рентгеновской оптики.

Создан мощный генератор термоядерных нейтронов на основе газодинамической ловушки. Такой генератор является одним из перспективных источников термоядерных нейтронов. Его создание позволит решить многие проблемы, в том числе проблему, термоядерного материаловедения, дожигание радиоактивных отходов.

Разработки по управляемому термоядерному синтезу (УТС) позволят получать экологически чистую энергию, кроме того с их помощью утилизировать радиоактивные отходы атомных электростанций.

Известные Российские ученые Федерального Ядерного Центра – Всероссийского научно-исследовательского института технической физики имени академика Е.И. Забабахина академики РАН Е.Н. Аврорин, Б.В.

661

Литвинов и доктор физико-математических наук Г.А. Иванов предложили использовать энергию термоядерного взрыва в специальной установке, КВС для получения электрической энергии [45].

КВС – котел взрывного сгорания – «базовая энергоустановка», взрывной дейтериевой энергетики (ВДЭ), в качестве источника энергии используется периодически повторяющиеся термоядерные взрывы. КВС 10 с энергией взрыва 10 кт ТЭ содержит 1 млн. тонн стали и 5 млн. тонн бетона. Перед каждым взрывом корпус прикрывается защитной стенкой (З.С.) из 60 тыс. тонн жидкого натрия. Продукты взрыва, содержащие ядерное топливо (233U, 232 Тh, D) попадают в натрий, по достижению «удобной» концентрации извлекаются. Предположительно в стационарном режиме работы КВС 10 с вторичной ядерной энергетикой (ВЯЭ) будет содержать по 1 – 2 тонны урана и тория.

Рис. 56. Схема КВС

Топливом КВС служит дейтерий, поджигаемый взрывом инициатора из урана-233. Реакции горения дейтерия имеют суммарный баланс:

7 2D → 2 4Не + 3 1Н + 31n

Чтобы получить Q = 10 ктТЭ (1000 ТНЭ) необходимо сжечь 145 г. дейтерия с образованием 30 г. нейтронов. Уран-233, сгоревший в инициаторе, «скомпенсирует» сотню миллиграмм нейтронов по известной схеме:

232 Тh + 1 n → 233 Тh → β → 233Pa → β → 233U

За счет остальных нейтронов можно, в принципе, наработать около 7 кг урана, и получить из него 10 000 ТНЭ на АЭС вторичной ядерной энергетики.

Инициатор за счет взрыва десятков грамм урана-233 обеспечивает сго-

662

рание 120г дейтерия, дающего 4 · 1013 Дж термоядерной энергии и 1025 нейтронов. Эти нейтроны при захвате торием могут дать до 5 кг урана-233 или до 3 · 1013 Дж дополнительной энергии за счет взаимодействия с натрием. Для функционирования КВС с ВЯЭ достаточно в каждом взрыве нарабатывать 50-100 грамм урана, часть из которого идет для изготовления инициаторов, а другая для обеспечения работы реакторов ВЯЭ.

При двух взрывах в час тепловая мощность КВС 10 составит 35-40 ГВт, или 25-30млн ТНЭ/год. Если мощность составит 5 – 10% от КВС наработка осколков деления будет на порядок меньше, чем в обычных АЭС. Топливная составляющая стоимости энергии КВС мала. Для КВС с ВЯЭ ежегодно потребуется по 2 тонн тория (<1000 м3 монацитового песка) и дейтерия (2000 м3 воды). Полная стоимость первичной энергии при сроке эксплуатации 30 лет оценивается в 5 долларов/ТНЭ. В настоящее время данный проект проходит тщательную экспертизу в различных организациях и, в принципе, в XXI веке могут появиться первые установки типа КВС.

Термоядерная энергия солнца выделяется с удельной мощностью в миллион раз меньшей, чем предполагается реализовать в системах УТС (управляемого термоядерного синтеза). На Землю стабильно поступает Wc = 173 ПВт (1 ПВт = 1000 ТВт) солнечного света, или 250 Вт/м2 в среднем. Часто думают, «отвлекая» 0,1% первичной энергии Солнца на энергетику, равновесие в природе не нарушить. Это спорно.

На человека сейчас приходится «участок» в 1000 м2 зерновых земель. На него солнце посылает в среднем 250 кВт первичной энергии, если население удвоится, у человека будут участки «продовольствия» и «энергии» по 250 м2. Сохраняя современный уровень пищи, нужно поднять урожайность зерна до 120 ц/га, имея около 12 кВт/чел (при КПД 20%). «Топливом даровой энергии» станет потерянная пища, сталь, бетон, сложные технологии для зеркал, преобразователей и аккумуляторов энергии.

ВСША разработан проект строительства солнечных батарей для Калифорнии (коллектор на башне высотой 330 м., 30 000 вращающихся зеркал дают 0,3 ГВт энергии). В Ленинградской области затраты на строительство такого комплекса будут на порядок больше в дни равноденствия

ина два во время зимнего солнцестояния.

ВКалифорнии энергию хранить не собирались: когда солнце «пропадало», коллектор грели газом и продолжали вырабатывать электроэнергию. Но земля – не космос, где плотность солнечного света постоянна и много выше, затраты на среднего (ни куда не летающего) землянина малы при любой стоимости солнечных батарей, которые в космосе не нужно

663

защищать от пыли, снега, ветра и т.п.

Водород это легко воспламеняющийся газ, который можно использовать в быту вместо природного, при этом его использование гораздо чище с экологической точки зрения, так как единственный побочный продукт горения здесь вода и кинетическая энергия. Таким образом, значительно сокращаются загрязнения атмосферы.

Энергия ветра, воды, биомассы – все это различные преобразования формы энергии солнца, полностью зависимые от его падающего на землю излучения, поэтому их относят к возобновляемым ресурсам. При скорости ветра 10м/с плотность механической энергии на порядок превышает, например, среднюю солнечную в Ленинградской области. Парусник победит солнечный электромобиль в конкурсе проектов, не улучшающих наукоемкость, но для глобальной энергетики ветер не годится. Материалоемкость ветродвигателей, способных работать и при слабом ветре и при урагане, высока. Материалоемкость аккумуляторов еще больше. Похоже, сторонники энергии ветра переоценивают и ресурсы ее использования. Мощность ветра вместе с вызванными им течениями и волнами около 350 ТВт, из которых 100 ТВт переносятся над сушей слоем воздуха высотой 10 км. «Большая Советская Энциклопедия» (БСЭ) сообщает, что на 1/6 части суши (СССР) можно возвести ветряки с номинальной мощностью 10 ТВт, и среднегодовой 2 ТВт. Критерий такой возможности БСЭ не сообщает, но он соответствует передаче «мировой мощности» 16 ТВт из приземного слоя высотой 1,5 – 2 км. Этим слоем переносится и влага, обеспечивающая плодородие пашни. Осадив часть влаги около вращающихся ветряков, и, замедлив перемещение облаков, можно влажные участки превратить в болото, а засушливые – пустыни.

Некоторые авторы предлагают, в ближайшее десятилетие взять у ветра 2 ТВт. Это должно привести к уменьшению скорости ветра на 1 – 2% «в среднем», но они не прогнозируют в России засухи и болота. Можно «фантазировать”» бывшие прибалтийские республики, их северные и южные соседи уменьшают скорость «среднего» ветра на западной границе России на 2%, а в дни со скоростью ветра до 5 м/с – 10%. Западнее Москвы количество осадков увеличивается, Поволжье становится зоной «устойчивых засух». А Урал – 50/50. Теряем плодородных земель в 1000 раз больше, чем от «чернобыля». Сценарий пока умозрителен.

Ничтожная часть солнечной энергии, идущей на испарение воды мирового океана, 2,7 ТВт, может быть использована ГЭС. Только 0,5 ТВт используются и не очевидно, что потери других ресурсов (качество питьевой воды, пашня, пастбища) «окупаются» этой энергией.

Крупные реки, как правило, протекают по территории разных госу-

664

дарств. В связи с нехваткой воды в низовьях, любую плотину могут назвать «терроризмом», так же как и «торможение ветра». Напомним, что воды реки Иордан «заключенные в тубу – распределитель» стали одной из главных причин полувекового конфликта. Хотя движущаяся вода и представляет собой возобновляемый, не загрязняющий окружающую среду энергоресурс, развитие гидроэнергетики связано с огромными сложностями: затопление речных долин, исчезновению ценных лесов, территорий и т.д. Любые предложения по строительству новых ГЭС рассматриваются с учетом того, окупают ли доходы от электроэнергии экологический и социальный ущерб, наносимый созданием водохранилища.

Предлагается использовать биомассу. Биомассой называется любая органика, образующаяся за счет фотосинтеза. Ее энергетическое использование – непосредственное применение в виде топлива или переработка

вразличные виды.

Внастоящее время снова начали топить печи дровами. Проблема загрязнения воздуха дымом от дровяных печей встала настолько остро, что уже вводятся ограничения на такое использование биомассы. Поэтому сжигание древесины допустимо лишь тогда, когда ее можно получать без нарушения лесных экосистем.

Питание батареи органикой, в анаэробных условиях, сопровождается выделением так называемого биогаза, на 2\3 состоящего из метана. Переработка навоза, канализационного ила и прочих органических отходов в биогаз с рециклизацией богатых биогенами отходов производства может значительно увеличить энергоресурсы, ослабив антропогенное воздействие на окружающую среду.

Возможно использование тепла земных недр (геотермальная энергия). Она практически неисчерпаема и вечна. Однако возможности геотермальной энергии велики в случае горячих сухих пород, доступных при глубоком бурении практически везде. Если закачивать в одну из скважин воду, она проходя по трещинам, нагреется и вырвется из другой в виде пара способного вращать турбины. Силу прилива тоже можно использовать для вращения турбин. Однако мест, где это экономически целесообразно, немного – отдача слишком мала. Даже в устье реки Ранс (Франция), где разница между высотой прилива и отлива равна 14 м.(!), построенная в 1996 году приливная станция работает со средней мощностью 100 МВт – т.е. всего лишь 1\10 от мощности заурядной ТЭЦ.

И все же, поскольку запасы приливной энергии планеты значительно больше гидроэнергии рек, можно ожидать, что несмотря на технические проблемы, ПЭС займут достойное место в мировой энергетике. Еще один источник электроэнергии – волны.

665

Огромные океанские волны несут с собой колоссальную энергию, но эффективного и экономичного способа обуздать ее пока нет. В одном из проектов длинный ряд поплавков, качаясь на волнах, передает это движение насосу, нагнетающему воду в турбину. Турбина вращает генератор, а генератор вырабатывает ток.

Другой тип экспериментальных установок – одна из них была испытана у берегов Шотландии с мощностью 180 кВт – работает по принципу колеблющегося водного столба. В погруженной камере с открытым дном стоит столб воды, а над ним – столб воздуха. При прохождении волны водяной столб поднимается и опускается, нагнетая воздух в соединенную с генератором турбину, а затем всасывая его обратно. Однако эти виды энергоустановок имеют ряд экологических проблем.

Из краткого анализа источников энергии следует, что в ХХI веке нет альтернатив получения электрической энергии в больших объемах, кроме как на атомных АЭС и термоядерных установках типа КВС. В данном направлении следует усилить научные исследования и вкладывать инвестиции в осуществление разработанных проектов, прошедших всестороннюю экологическую и экономическую экспертизу. Ветротурбины, солнечные батареи, биогаз и др. могут быть использованы в конкретных условиях, и они не смогут решить энергетическую проблему Земли в целом.

В далеком, мыслимом будущем, когда Человечество освоит Солнечную систему и близлежащее пространство, перед ним встанет вопрос об использовании громадной энергии черных дыр для дальнейшего освоения Космоса, когда потребуется колоссальное количество энергии для осуществления грандиозных проектов покорения определенной части бесконечной Вселенной. Рассмотрим теоретически некоторые варианты «извлечения» энергии из черных дыр.

Вращение черной дыры не может быть сколь угодно большим. Дело в том, что она не сможет возникнуть, если тело вращалось слишком быстро. Действительно, при сжатии тела, достаточно быстро вращающегося, на экваторе возникают центробежные силы, которые препятствуют его сжатию в плоскости экватора. Тело может продолжать сжиматься только вдоль полюсов. Но тогда оно превратится в «блин» радиусом, много большим гравитационного радиуса, и, следовательно, никакой черной дыры не возникнет. Максимально возможным вращение черной дыры станет тогда, когда скорость вращения точек ее экватора будет равна скорости света.

У вращающейся черной дыры меняются и законы небесной механики. Так, вспомним явление гравитационного захвата тел черной дырой. Если дыра вращается, то легче всего ею будут захватываться частицы, которые

666

вблизи черной дыры летят в сторону, противоположную вращению, и с гораздо большим трудом – частицы, летящие мимо черной дыры в сторону вращения. Наглядно можно себе представить это так, как если бы вихревая компонента гравитационного поля вокруг черной дыры действовала бы подобно праще – ускоряя и отбрасывая тем самым частицы, движущиеся мимо черной дыры в ту же сторону, что и закручивающийся вихрь этого поля, и, наоборот, тормозя и захватывая частицы, движущиеся против вихря.

Еще один пример изменения законов небесной механики. В случае обращения тела по круговой орбите вокруг максимально быстро вращающейся черной дыры в виде гравитационных волн может излучаться в семь раз больше энергии, чем при движении вокруг невращающейся дыры.

Мы уже говорили, что излучение гравитационных волн телом, кружащимся около черной дыры, является способом получения энергии. Но это не есть способ извлечения энергии из самой черной дыры, а только энергии, связанной с кружащим телом. Ведь, в конце концов, само тело (и часть гравитационных волн) падает в черную дыру, не извлекая, а увеличивая ее массу, а значит, и энергию.

Возникает вопрос: а нельзя ли придумать какой-нибудь процесс, уменьшающий массу черной дыры и тем самым черпающий ее энергию?

На первый взгляд этого сделать нельзя, ибо из черной дыры ничто не выходит, значит, из-под горизонта нельзя извлечь энергию. Это верно. Но мы упустили в этом рассуждении, что часть энергии (а значит, и массы) вращающейся черной дыры, связанная именно с вращением, находится, образно говоря, вне черной дыры и заключена в вихревой компоненте ее поля. Вот эту «вращательную» часть энергии и можно, оказывается, отнять от черной дыры, уменьшив ее

массу. Как это сделать? Представим себе следую-

щий эксперимент. В атмосферу большой вращающейся черной дыры попадает ракета с вык-

люченными двигателями. Она движется вокруг черной дыры в сторону ее вращения. Вблизи черной дыры пилот включает реактивные двигатели, выбрасывающие струи газов. Можно так изменить движение ракеты, что газы упадут в черную дыру, а Ракета, ускорившись, с огромной скоростью

667

вылетит из эргосферы, как бы выброшенная «пращой» гравитационного вихря. Огромная скорость, с которой ракета будет намного превышать ту скорость, с которой ракета подлетала к эргосфере, и будет намного больше, чем изменение скорости, вызванное кратковременной работой двигателя. Что же произошло?

Вспомним, что вокруг черной дыры существует вращательный гравитационный вихрь. Ракетный двигатель заставил перейти ракету на такую новую орбиту, где она подхвачена этим вихрем, была вышвырнута с огромной скоростью из эргосферы. Энергия, унесенная ракетой, получена от вихря, то есть от «вращательной» энергии черной дыры. Вращение черной дыры при этом уменьшается. Соответственно становится меньше и полная масса черной дыры (на величину, унесенную ракетой). Этим-то способом и можно «черпать» энергию из вращающейся черной дыры.

Столь необычный процесс был открыт английским физикомтеоретиком Р. Пенроузом, но черпаемая при этом только «вращательная» энергия находится, как подчеркивалось, в вихревом поле вне черной дыры.

Что же касается площади горизонта, а она и характеризует размеры самой черной дыры, то описанный процесс приводит к некоторому ее увеличению, так как газы из двигателя ракеты, упавшие в черную дыру вносят в нее дополнительную массу, и увеличивают тем самым ее размеры. Наибольшее количество «вращательной» энергии черной дыры ракеты может унести (при одинаковой продолжительности работы ее двигателей) в том случае, когда двигатели включаются у самого горизонта. В этом случае площадь горизонта не меняется (такие процессы получили название обратимых). Подобные включения двигателя на горизонте можно повторять многократно, и таким образом можно отнять у черной дыры «вращательную» энергию, не меняя ее собственного размера.

Что же касается вопроса о возможности уменьшения размеров горизонта в каких-либо процессах, то на него надо ответить отрицательно. Оказалось, что площадь горизонта черной дыры никогда не уменьшается ни в каких процессах. Если же взаимодействуют друг с другом несколько черных дыр, то сумма площадей их горизонтов не уменьшается. Это очень важное свойство. Из него, например, следует, что ни при каких воздействиях черная дыра не может разделяться на две черные дыры. Если бы такое произошло, то при сохранении энергии сумма площадей горизонтов возникших дыр должна была бы быть меньше площади исходной черной дыры. Следовательно, как бы ни раздирали черную дыру приливные гравитационные силы, какими бы другими способами мы на нее ни воздействовали, «разодрать» ее на части нельзя.

668

Сливаться же черные дыры могут. Например, две движущиеся навстречу друг другу черные дыры сталкиваются «лоб в лоб» и сливаются в одну. При этом возникающая черная дыра будет иметь площадь горизонта больше суммы площадей горизонтов сталкивающихся дыр. Итак, никакие процессы не уменьшают размеры черных дыр.

Черные дыры после своего возникновения являются как бы бездонными пропастями, которые нельзя никак уменьшить, нельзя ничем заполнить и нельзя ничем «заткнуть» – они являются вечными «дырами» в пространстве и времени, способными только увеличиваться за счет падающего в них вещества. Это все растущие гравитационные бездны…

На самом деле, все это не столь мрачно. Во-первых, черные дыры, находящиеся в реальных условиях, благодаря своему огромному полю тяготения способны вызвать весьма бурные процессы, а, во-вторых, квантовые процессы вносят коррективы в нарисованную здесь картину.

До сих пор, рассматривая процессы вокруг черной дыры и способы извлечения из нее энергии, мы убедились, что эту энергию можно извлечь либо в форме излучения гравитационных волн, либо в виде кинетической энергии тел, выбрасываемых из эргосферы. Но оказывается, существуют еще более удивительные и неожиданные способы использования черных дыр как генераторов энергии.

Представим себе, что вращающаяся черная дыра облучается электромагнитным волнами. Что при этом будет происходить? Общая картина получается следующей: при облучении черной дыры часть электромагнитных волн попадает в нее, а часть рассеивается с той же частотой которая была до рассеивания. Из-за того, что часть их навсегда захватывается черной дырой, интенсивность рассеянных волн меньше, чем первоначальная интенсивность облучающего пучка. Пока все выглядит тривиально. Но возможна, оказывается, ситуация, когда интенсивность рассеянных электромагнитных волн будет больше, чем облучающих. Для этого необходимо, во-первых, чтобы черная дыра вращалась, ибо только вращательная энергия может от нее отбираться. Во-вторых, необходимо, чтобы частота электромагнитных волн, облучающих черную дыру, была меньше частоты вращения черной дыры. В таком случае рассеянные электромагнитные волны будут более интенсивными, чем падающие. Этот процесс усиления получил название суперрадиации. Он был открыт академиком Я.Б. Зельдовичем.

Суперрадиация, по существу, аналогична ранее рассмотренному нами процессу увеличения энергии тела, выбрасываемого из эргосферы и отнимающего «вращательную» энергию черной дыры (при суперрадиации также отнимается «вращательная» энергия черной дыры). Следует отме-

669

тить, что при облучении вращающейся дыры электромагнитными волнами усиление их не очень велико: максимум всего на 4,4 %.

Явление суперрадиации проявляется при облучении черной дыры не только электромагнитными волнами, но и другими видами излучений. Так, будут усиливаться, например, низкочастотные гравитационные волны, падающие на вращающуюся черную дыру. Причем условие возникновения суперрадиации для всех видов излучений одно и то же – достаточно малой должна быть частота волн. Коэффициент усилия для различных видов излучений оказывается различным. Так, для гравитационных волн он составляет 138 %, то есть гораздо больше, чем для электромагнитного излучения.

Но вернемся к электромагнитным волнам, окружим вращающуюся черную дыру искусственной сферой, отражающей электромагнитные волны. Пусть внутри этой сферы имеется хотя бы ничтожное количество электромагнитных волн, для которых выполнено условие возникновения суперрадиации. Эти волны, падая на черную дыру, усиливаются и уходят вдаль от черной дыры. Здесь они встречают отражающую сферу, отражаются и снова устремляются к черной дыре, где вновь усиливаются. Процесс повторяется снова и снова, а энергия усиливающегося излучения лавинообразно нарастает.

Если в отражающей сфере сделать отверстие, то часть усиливающихся волн будет через него выходить наружу, и тем самым наша установка станет генератором электромагнитного излучения, в котором «вращательная» энергия черной дыры непосредственно трансформируется в электромагнитное излучение.

Допустим теперь, что никакого отверстия в отражающей сфере нет и вся сфера полностью отражает усиливающееся электромагнитное излучение. Тогда процесс роста электромагнитной энергии внутри такой установки будет катастрофически продолжаться, пока давление излучения не разорвет отражающую сферу, то есть произойдет взрыв. Подобная конструкция была названа гравитационной «бомбой».

Отметим, что создание подобных гравитационных конструкций, генерирующих электромагнитную энергию, сейчас совершенно немыслимо, так как мы не способны создать искусственно черные дыры путем сверхсильного сжатия вещества, а естественные находятся очень далеко в космосе.

Скорее в плане мечтаний (хотя и строго научных) можно представить себе в отдаленном будущем искусственное изготовление в космосе малых черных дыр. Они могли бы аккумулировать энергию, затраченную на их изготовление, и затем излучать ее в заданном темпе и с заданной энерги-

670