Революции бывают общественно-политические (социалистические, буржуазные, цветные), а бывают научно-технические (НТР). Энергетическая революция — это разновидность НТР. Что же такое энергетическая революция, на пороге которой стоит наш мир? Какой переворот в области энергетики нас ожидает? Какое качественное изменение? В чем будет заключаться скачок в развитии и за счет чего он произойдет?
Все современные виды энергетики обладают разными недостатками, большинство из которых заключается либо в высокой стоимости (установки, подключения, киловатта), либо в низкой доступности. Каждый, кто сталкивался с подключением к энергосетям, знает, что проблем хватает и доступность оставляет желать лучшего. Да и стоимость тоже.
Газ — один из самых дешевых и экологически чистых видов топлива — проведен не везде. Тянуть газопровод в отдаленные населенные пункты очень накладно. Сжиженный газ — дорогой. Газовая котельная тоже стоит немало. Купить газовый баллон и подключить к плите нетрудно, однако отопление и обеспечение дома электроэнергией покупкой баллона не решается. Кроме этого, газ взрывоопасен.
Дизель, мазут — для использования в котельных (генераторах) получается еще дороже, чем газ. Для использования в личных (подсобных) хозяйствах можно поставить генератор, но электроэнергия на выходе получится довольно дорогой. И генератор тоже денег стоит.
Гидроэнергетика требует строительства ГЭС — это большие капитальные затраты. И эксплуатация тоже далеко не бесплатная. И не везде доступно. И побочные эффекты для экологии. В общем, далеко не идеально. Для малой генерации вообще не годится.
Атомная энергетика сопряжена с риском аварий (Чернобыль, Фукусима) и как бы нас не убеждали, что современные АЭС абсолютно надежны, но жить по соседству с атомным энергоблоком все равно не слишком уютно. Кроме этого, АЭС генерируют отработанное топливо, а оно радиоактивное, его нужно где-то складировать, желательно в безопасном месте, чтобы не возникло утечки. И строительство АЭС — это опять же высокие капитальные затраты. Малых АЭС не существует и не может быть, хотя бы из соображений безопасности.
Солнечная энергетика — дорогая и не везде эффективная исходя из числа солнечных дней в году. Для обеспечения энергией отдаленных поселков и отдельно стоящих домиков в солнечных регионах годится, однако там, где нужна большая мощность, да еще и солнечных дней мало — не подходит.
Ветрогенерация — постепенно развивается, размеры и мощность генераторов растут, стоимость энергии снижается, но назвать этот вид энергетики панацеей тоже нельзя. Не очень дешево и не очень стабильно. И не везде применимо.
Идеального источника энергии пока нет
Одни дорогие, другие не везде доступны, третьи опасны. И все очень ограничены по мощности, не позволяют произвольно наращивать потребление по мере необходимости — в АЭС нельзя воткнуть лишние ТВЭЛы сверх проектной мощности, газопровод нельзя расширить, на ГЭС нельзя добавить пару дополнительных турбин. В общем, сплошные ограничения.
Яркий пример недостатков современной энергетики — история с Крымом, когда полуостров столкнулся с дефицитом энергии, который не удалось быстро восполнить. Генераторов не хватало, бысто построить газовую электростанцию не представлялость возможным, даже протянуть кабель через пролив — и то заняло существенное время. И не только доступность энергии оставляет желать лучшего, но и стоимость тоже.
Стоимость энергии имеет особое значение, потому что составляет значительную часть стоимости всех товаров и услуг, ведь на всех этапах производства и доставки используется энергия и топливо (энергоноситель).
Промышленное оборудование работает на электричестве, печи — на газе или опять же на электричестве, в стоимости ж/д транспортировки тоже заложена стоимость электричества. В стоимости услуг автотранспорта — стоимость топлива.
Счета за ЖКХ почти целиком состоят из стоимости энергии — свет, горячая вода, отопление. Даже стоимость холодной воды зависит от стоимости энергии, потому что воду качают электронасосы.
Стоимость цемента (которая составляет значительную часть стоимости жилья) тоже существенно зависит от стоимости электроэнергии и топлива. Стоимость алюминия (одного из основных современных материалов) почти полностью состоит из стоимости электроэнергии, потому что алюминий производится методом электролиза.
Доля энергии и топлива в стоимости различных товаров и услуг сильно варьируется, но почти везде она достаточно высока, если учесть затраты энергии на всех этапах производства, начиная от добычи, очистки и переработки сырья. Поэтому и хочется, чтобы энергия была и дешевле и доступнее.
Хочется, чтобы масштабируемость была высокой — от киловатт до гигаватт, чтобы можно было и крупный город обеспечить дешевой энергией и малый поселок, и даже отдельно стоящий дом. И чтобы везде работало, независимо от количества солнечных дней в году, наличия ветра, реки, рельефа местности и других природных факторов. И чтобы топливо было доступным. И чтобы экологически чисто.
Но возможно ли это?
Существует ли такой источник энергии, чтобы отвечал всем перечисленным критериям (доступность, масштабируемость, низкая стоимость установки и эксплуатации, экологичность)? Сегодня на рынке такого источника нет. Все существующие источники энергии обладают теми или иными недостатками и ограничениями — либо сравнительно дешевая установка, но дорогая энергия, либо высокие капитальные затраты, либо экологические риски, либо иные ограничения.
В ближайшем будущем появится новый источник энергии
Источник, который будет обладать и высокой масштабируемостью (от киловатта до гигаватта), и возможностью повсеместной установки (от крупных городов и промышленных объектов до малых поселков и отдельных домов), и экологичностью, и низкой стоимостью получаемой энергии (в несколько раз или даже в несколько десятков раз дешевле всех существующих).
Это и будет энергетическая революция — радикальное, коренное, глубокое, качественное изменение в области энергетики, скачок в развитии. Энергия, которая будет доступнее в разы и десятки раз как по стоимости, так и по возможностям установки в любой местности — в горах, на крайнем севере, в отдаленных поселках, на островах и полуостровах. Каждое предприятие сможет позволить себе установку собственной энергетической установки, выдающей более дешевую энергию, чем сегодня доступна в любой сети.
Для строительства поселка или нового жилмассива не нужно будет добиваться отведения мощности от существующих ГЭС, ТЭЦ или АЭС — можно будет установить собственный энергоблок.
Многократное снижение стоимости энергии приведет к изменению в ценообразовании на все товары и услуги, сделает доступными новые материалы и технологии, применять которые сегодня невыгодно из-за высоких энергозатрат.
Энергетическая революция повлечет за собой большие изменения во всех других сферах, возможно тоже революционные. Вслед за энергетикой будет меняться структура экономики, а вслед за экономикой и общественно-политическое устройство.
Но что это за новый источник энергии, который приведет к мировой энергетической революции и всем вытекающим из этого изменениям? Откуда возьмутся дешевые киловатты, мегаватты и гигаватты в любом месте и количестве, да еще и с условием экологической чистоты?
Энергетика ядерного синтеза
Существующая сегодня атомная энергетика основана на реакциях деления тяжелых радиоактивных элементов (в действующих АЭС используются изотопы урана). Именно этим вызвана высокая сложность и стоимость атомных электростанций, тяжелые последствия аварий, а также проблемы с отработанным топливом.
Радиоактивное топливо сложно и дорого производить, использовать и утилизировать. Высокие издержки и риски влияют на стоимость получаемой энергии и не позволяют строить малые АЭС везде и всюду, передавая их в эксплуатацию неподготовленному и неподконтрольному персоналу.
Однако наряду с реакциями деления существуют реакции синтеза, которые дают значительно больший выход энергии и при этом на выходе не образуется радиоактивных изотопов, а значит не возникает проблем с отработанным топливом.
Продукты ядерного синтеза — это почти всегда стабильные изотопы, которые ничем не отличаются от тех, что существуют в природе. Существуют, конечно, реакции синтеза с выходом радиоактивных изотопов, но никто не заставляет осуществлять именно их.
Про перспективы энергетики ядерного синтеза говорили и писали давно и много. Энергетическую революцию, связанную с освоением технологии ядерного синтеза, ждали еще в конце прошлого века — ждали, но так и не дождались.
Примерно полвека назад начались попытки запустить ядерный синтез и обеспечить за счет этого весь мир чистой и практически неисчерпаемой энергией (1 грамм синтезируемого вещества дает больше энергии, чем 100 литров бензина при том, что топливом в реакциях синтеза потенциально может быть все, что угодно, в том числе обычная вода).
Однако попытки запустить реакции синтеза на практике натолкнулись на кулоновский барьер, преодолеть который оказалось очень непросто.
Кулоновский барьер — это сила отталкивания атомных ядер, которая препятствует их слиянию (синтезу). Именно из-за кулоновского барьера ядерный синтез не идет кругом и всюду сам собой. Не будь этого барьера — все вещество давно бы превратилось в железо и ряд других тяжелых элементов.
Из-за того же кулоновского барьера термоядерный взрыв не может вызвать цепную реакцию, в ходе которой сгорела бы вся планета. При термоядерном взрыве ядерный синтез идет только в том объеме вещества, которое удалось «поджечь» в момент взрыва первой ступени, которой служит обычный ядерный заряд деления.
На протяжении полувека, с момента появления идей об использовании реакций ядерного синтеза в народном хозяйстве, попытки создать энергетику синтеза стабильно разбивались об этот самый кулоновский барьер.
Строились (и продолжают строиться) токамаки (разновидность реакторов синтеза) один больше другого, однако положительного выхода энергии, который превышал бы затраты на разогрев и удержание высокотемпературной плазмы внутри магнитного бублика (тора, отсюда и название — токамак, тороидальная магнитная катушка) — как не было, так и нет. И есть основания полагать, что никогда не будет.
Но если все попытки запустить энергетически эффективный ядерный синтез до сих пор разбивались о кулоновский барьер, если токамаки до сих пор не дали положительный выход энергии и неизвестно, дадут ли его в дальнейшем — откуда прогноз о скорой энергетической революции?
LENR или НЭЯР — низкоэнергетический ядерный синтез
Наряду с попытками строительства токамаков и запуска ядерного синтеза в высокотемпературной плазме существует направление, которое часто называют холодным синтезом, хотя это не совсем правильный термин, который многих вводит в заблуждение.
Суть в том, что ядерный синтез может идти не только в высокотемпаратурной плазме, но и при других условиях, в частности при мощном электрическом разряде, в котором ядра атомов приобретают достаточную для синтеза энергию (поэтому называть этот синтез холодным некорректно, сообщаемая частицам энергия в данном случае не меньше, чем в высокотемпературной плазме). Были обнаружены и другие условия, при которых идет «теплый» ядерный синтез — при температурах «ниже плазменной, но выше комнатной».
Долгое время академическая наука не признавала саму возможность ядерного синтеза в каких-либо иных условиях, чем высокотемпературная плазма. Исключение делалось для «мезонного катализа», при котором синтез не требовал разогрева вещества, однако не был энергетически выгоден, потому что затраты на получение мезонов выше, чем выход энергии синтеза.
Ряд ученых, которые вели исследования в области низкоэнергетического синтеза (LENR), подвергались резкой критике со стороны академического сообщества, объявлялись «алхимиками» и некоторые даже оказались уволены из своих институтов «за ересь».
Но сколько ни утверждали «ортодоксы от физики», что ядерный синтез не может идти при низких энергиях, потому что не может и баста — исследования в этой области продолжались, к ним присоединялись новые научные центры, увеличивалось финансирование, экспериментальная база росла и… в конце-концов выяснилось, что невозможное все-таки возможно и ядерный синтез идет не только в высокотемпературной плазме, но и при других условиях и состояниях вещества.
За последние годы ряд экспериментов по осуществлению «теплого» синтеза и синтеза в электрических разрядах удалось повторить разным независимым исследовательским группам, добиться устойчивого воспроизводимого эффекта и, что самое главное — получить положительный выход энергии, который оказался больше, чем при реакциях деления урана (как собственно и должно быть, потому что реакции синтеза энергетически мощнее реакций деления).
Кроме этого, было разработано сразу несколько теорий, объясняющих, как именно ядрам атомов удается преодолеть упрямый кулоновский барьер и почему это происходит при строго определенных условиях.
Единого мнения в научном сообществе, какая из теорий верна, пока еще нет. Остаются и те, кто продолжает упрямо повторять «этого не может быть, потому что не может быть никогда». Но признание фактов неизбежно, равно как и доводка теоретической базы до единого признанного научным сообществом состояния.
Кулоновский барьер оказался преодолен
Кулоновский барьер преодолен во всех смыслах и теперь появление ядерных реакторов, работающих на принципах синтеза — преимущественно инженерная задача и вопрос времени.
Конечно, до появления промышленных реакторов ядерного синтеза может пройти еще много лет. Может быть даже несколько десятилетий. Путь от экспериментальной установки до промышленного образца не всегда бывает простым. И наука должна прийти к единому мнению по физическим основам данных реакций, без этого процесс внедрения будет сильно буксовать.
В качестве примера можно вспомнить историю вертолетостроения. Первые экспериментальные вертолеты появились еще в начале 20-го века, но они были опасны, нестабильны и неэффективны. Только спустя несколько десятилетий, после Второй мировой, удалось разработать надежные и по-настоящему эффективные вертолеты, поставить их выпуск на поток и превратить из экспериментальных образцов в промышленные.
Вероятно такой же путь пройдут и реакторы ядерного синтеза — от экспериментальных установок, действующих сегодня, до промышленного оборудования, которое начнет выпускаться через 10-20 лет.
Но самое главное уже случилось — экспериментальные образцы реакторов синтеза созданы, исследователи добились устойчивого воспроизводимого эффекта и положительного выхода энергии, превышающего выход энергии от ТВЭЛов, используемых в современных АЭС.
Опытные образцы позволяют сделать вывод, что реакторы синтеза будут очень масштабируемыми — минимальная эффективная мощность будет начинаться от нескольких киловатт, а энергоблок этой мощности может быть размером с системный блок компьютера. Стоимость установки в расчете на киловатт мощности будет ниже, чем у любых существующих генераторов. Стоимость топлива (заряда) будет и вовсе ничтожно мала ввиду использования повсеместно распространенного вещества.
Перечислять исследователей и опытные установки, на которых получен эффект ядерного синтеза, в данном материале не буду, потому что они заслуживают отдельного обзора, который подготовлю и выложу дополнительно.
Пока укажу лишь страны, в которых проводились исследования и были получены положительные результаты — это Россия, Япония, Италия и США. При этом первая установка ядерного синтеза, судя по всему, была создана еще в СССР, однако проект не получил своевременного развития и был преждевременно закрыт.
Особенно важно, что эффект ядерного синтеза удалось воспроизвести ученым из Китая, а если в Китае что-то удалось воспроизвести, то появление промышленных образцов уже точно не остановить. Энергетика ядерного синтеза из фантастики превращается в реальность.
Мир стоит на пороге энергетической революции, которую уже не отменить никому
Не отменить и все другие революции, которые последуют за энергетической, потому что энергия лежит в основе всего — производства, транспорта, жизнеобеспечения, в основе всей экономики. А экономика лежит в основе политики и общественного устройства. Поэтому вслед за энергетической революцией последуют и все остальные.
