Наша цивилизация основана на величайших открытиях и изобретениях. Все чем мы пользуется, было разработано учеными и инженерами. Любой продукт цивилизации, будто iPhone, вакцина, антибиотик, основан на научных открытиях. Вначале ученые открывают что-то новое. Затем инженеры на основе научного открытия разрабатывают прототип устройства. Далее эстафету принимает следующая группа инженеров работающих в сфере технологии и промышленного дизайна. Их задача заключается в превращение прототипа устройства в серийный продукт конвейерного производства, который захотелось бы купить. От научного открытия до непосредственного использования открытия, в виде продукта, проходит сравнительно немного времени. На рубеже прошлого столетия был открыт термоядерный синтез, но вот с постройкой супер электростанции как-то затянулось. В посте рассмотрим значимость научных открытий через призму изменений нашей жизни, попытаемся разобраться, что не так с термоядерным синтезом, и в каком направлении можно искать нескончаемую дешевую энергию для человечества.

Автор: Сердюков Геннадий Федорович, физик, патентовед. Более 35 лет занимается анализом и проектированием информационных систем, в том числе геоиформационных, разработкой ПО. Habr: serdukovgf E-mail: serdukovgf@gmail.com

Великие открытия и изобретения

Первая технологическая революция, занявшая весь XVIII век подготовила технологическую основу для XIX века – века второй промышленной революции, века электричества, пароходов, паровозов, глобальной сети телеграфной связи и телефонии.

В XVIII веке были сделаны великие открытия и изобретения:

• 1714 год — ртутный термометр Фаренгейта;
• 1718 год — пулемет Джеймса Пакла;
• 1720 год — рояль Бартоломео Кристофори;
• 1735 год — морской хронограф (с секундной стрелкой) Джона Гаррисона;
• 1752 год — Громоотвод Бенджамина Франклина;
• 1784 год — бифокальная линза;
• 1777 год — циркулярная пила;
• 1780 год — лифт, прототип прожектора – «кулибинский фонарь», оптический телеграф, веломобиль И.Кулибина;
• 1752 год — Жан-Гиацинт де Магеллан изобрел ластик из каучука. В дальнейшем каучук использовался для изоляции электрических проводников.

Открытия в области электричества

Открытия и изобретения XVIII века подготовили лабораторную базу и измерительные инструменты для открытий в области электричества.

Опыты Алессандро Вольта привели к созданию батарейки Планте, а к 1890 году во многих промышленно развитых странах был уже освоен серийный выпуск элементов питания. В 1900 году немецкая фирма «Varta» произвела первые стартерные аккумуляторы для автомобилей. Благодаря им ручное прокручивание двигателя уходит в прошлое. И к 1905 году «Varta» начинает выпуск первых в истории батарей для освещения автомобилей.

«Varta» стартерные аккумуляторы для автомобилей

К началу экспериментов Вольта и Гальвани в науке отсутствовали знания, связанные с электрическими явлениями. За 90 лет человечество перешло от незнания к промышленному использованию электрической энергии. К 1914 году в Европе, США и других развитых странах началось массовое производство и использование бытовых электрических приборов – электроплиты, пылесосы, вентиляторы, электрические швейные машины.

Если учесть то, что реальные знания в области электричества появились к 1830 году то, технология освоения укладывается в 60 лет. В среднем срок промышленного освоения от открытия к изобретению и промышленному освоению в среднем составляет 45 лет.

Сварка

В 1887 году Н. Н. Бенардос получил патент на способы точечной и шовной контактной сварки между угольными электродами при помощи вольтовой дуги. Научные основы и практическая разработка современного способа электродуговой сварки под флюсом была заложены академиком Е. О. Патоном и его школой в 1929-1938 годах. И в этом случае период освоения от знания к промышленной технологии составил 42 года. В 1930 году Борис Патон изобрел сварочный полуавтомат. К 1940 году Институт Патона в городе Харькове разработал промышленную дуговую сварку под водой.

Дуговая сварка под водой (ремонт нефтепровода)

Дуговая сварка под водой позволяет:

• проводить ремонт подводной части кораблей, не заводя их в сухой док, что резко ускоряет и удешевляет судовой ремонт;
• проводить ремонт нефтепроводов и газопроводов проложенных под морями и реками, не поднимая на поверхность поврежденный участок. Это обеспечивает уменьшение экологического ущерба от утечки нефти и газа, а так же уменьшает время ремонта;
• проводить ремонт подводной части металлических мостов не снимая опоры моста и не прерывая движения по мосту.

В 1941 году американский ученый-инженер Рассел Мередит разработал и запатентовал конструкцию горелки и процесс Heli-Arc welding – сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа гелия. Так появилась TIG-сварка — дуговая сварка в защитной инертной среде газов гелия и аргона позволяющая сваривать медь, латунь, алюминий, сплавы из цветного металла. От Бенардоса с его патентом сварки, к сварочным автоматам Патона и TIG-сварки прошло чуть больше 50 лет.

Сварочные автоматы на конвейере сборки автомобилей

Проведение сварочных работ при помощи сварочных автоматов позволило автоматизировать процесс сварки и сборки автомобильного и железнодорожного транспорта, сварки контейнеров и дало возможность поставить процесс сварки на конвейер.

Рассмотрим периоды внедрения открытий и изобретений из других областей науки и техники.

Электроника

Впервые диод с термоэлектронной эмиссией был запатентован в Британии Джоном Амброзом Флемингом, научным советником компании Маркони и бывшим сотрудником Эдисона, 16 ноября 1904 года (патент США № 803684 от ноября 1905 года).

Первые вентили Флеминга

Первый в мире радиоприемник с усилением сигнала был изобретен Лосевым Олегом Васильевичем в 1922 году — кристадин Лосева (он же изобрел светодиод).

Лосев мог еще создать новые полупроводниковые устройства, но в разгар его работ по кремниевой теме началась война, а затем и блокада Ленинграда. В январе 1942 года, в самую тяжёлую блокадную зиму, Лосев умер от голода в больнице Медицинского института Ленинграда.

Первый действующий транзистор создали американские физики Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs 16 декабря 1947 года и в этом же году состоялось официальное представление изобретения.

Первый в мире транзисторный радиоприёмник «Regency TR-1», поступил в широкую продажу, в магазины США, 1 ноября 1954 года

1904 год – диод Флеминга > 1922 год Кристадин Лосева > 1947 год Транзистор Шокли > 1954 год транзисторный радиоприёмник Regency TR-1 = 50 лет от идеи до промышленной продажи транзисторной техники.

Рентгеновский аппарат

В 1875 году Уильям Крукс изобрел трубку Крукса. Трубка Крукса — ранняя экспериментальная электроразрядная трубка с частичным вакуумом.

Трубка Крукса

В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген, экспериментируя с вакуумной трубкой аналогичной трубке Крукса, случайно открыл неизвестный вид электромагнитного излучения в дальнейшем названного лучам Рентгена (длина волн рентгеновского излучения лежит в диапазоне от 10 до 10^-3 нм или 10^-7–10^-12 м)

В России научное сообщество быстро уловило потенциал рентгеновских лучей для медицинского применения. Александр Степанович Попов, изобретатель радио, в конце 1896 года, разработал специальный аппарат для генерации рентгеновских лучей, который активно применялся в Кронштадтском военно-морском госпитале.

В 1896 году, на заседании Санкт-Петербургского антропологического общества, Владимир Николаевич Тонков представил доклад о применении рентгеновских лучей для исследования скелета. Так началась новая эра медицины. Благодаря рентгеноанатомии врачи впервые увидели скелет живого человека.

В том же году в Императорской Военно-медицинской академии начались регулярные рентгенодиагностические исследования пациентов. Этот метод диагностики вскоре стал широко используемым, поскольку позволял делать более точные диагнозы и выявлять патологические процессы, ранее скрытые от врачей.

В начале 20 века (1902-1903 годы) появились мобильные рентгеновские установки, в том числе и для нужд армии и флота. Одна из таких установок была установлена на крейсере «Аврора». Во время Первой мировой войны мобильные рентгеновские установки, разработанные по инициативе Н.А. Вельяминова, значительно улучшили качество хирургических операций.

Первый в России рентгеновский аппарат. Фото исследований. Музей медицины г.Санкт-Петербург

Первый в СССР рентгеновский аппарат. Музей медицины г.Санкт-Петербург

Шкаф настройки первого рентгеновского аппарата России

1915 год, работа врача-рентгенолога. Музей медицины г.Санкт-Петербург

Операция солдата в 1917 году, во время Первой мировой войны, с применением рентгеновского излучения для точного определения местоположения пули

Первые рентгенологи были как саперы – попасть под рентгеновское излучение можно было во время любой операции, а знаний о норме радиации для человека и накоплении радиации не существовало.

1875 год – трубка Крукса > 1895 год Открытие В.Рентгена рентгеновских лучей > 1896 год Первые рентгеновские аппараты > 1903 год Использование рентгеновских аппаратов в медицинских клиниках = 28 лет от открытия до внедрения.

Надежды на будущее

В 1974 году, учась в физико-математической школе, меня заинтересовала научно-популярная книга о том, что еще два, три года и термоядерная реакция будет освоена для построения термоядерного генератора. Еще через пять лет будет запущена термоядерная электростанция, и ориентировочно к 1980 году электроэнергия из термоядерных электростанций рекой польется в электросети.

60–80 годы XX века время великих надежд! XX век, век великих идей и проектов. Человечество будет получать  энергию, не только от термоядерных электростанций, но и будет использовать солнечную энергию, энергию океанских волн, энергию ветра (электростанции «Эола») и энергию молний.

В том же 1974 году на экраны вышел фантастический фильм, состоящий из двух серий, «Москва-Кассиопея» и продолжение «Отроки во Вселенной». Еще, будучи школьником, я пять раз ходил смотреть этот фильм, в котором электростанция на планете звезды Шидар была термоядерной.

Термоядерная электростанция из фильма «Отроки во Вселенной» 1974 год

Фантастический фильм «Москва-Кассиопея» и продолжение «Отроки во Вселенной» это целое «золотое месторождение» великих идей:

• Кают-компания «Сюрприз» — это система позволяющая воспроизводить любые небольшие физические локации известные пассажирам корабля, где они жили и отдыхали, например озеро, квартира, дабы разлука с Землей не была такой тяжелой;
• Космический челнок, выполняющий полеты от корабля «Заря» к планете и обратно;
• Динамический интерьер помещения, управляемый ключом;
• Межзвездный коммуникатор aka Skype, демонстрируемый самым загадочным персонажем ИОО, Исполняющим особые обязанности. Обладает уникальными возможностями, необъяснимыми с точки зрения науки, в частности, может мгновенно переноситься в любую точку Вселенной совершенно незаметно для окружающих, а также неограниченно влиять на сознание людей;
• Портативный смыслоуловитель — электронный переводчик, позволяющий переводить не только с языка животных, но и с языка инопланетян. Этот же электронный переводчик применяется как система обучения инопланетян языкам землян;
• Аппарат пространственного перемещения – портал мгновенного перемещения по планете звезды Шидар;
• Постоянно действующая научная станция на орбите (прообраз МКС);
• ИИ и роботы – «Роботы-исполнители» обладающие интеллектом для выполнения задач и «Роботы-вершители» обладающие волей.

Кают-компания на космическом корабле «Заря». Здесь — имитация всего и вся. Мёртвое пространство под видом живого.

Атмосферная электростанция

Еще в 1940 году великий писатель Александр Беляев описал в романе «Звезда КЭЦ» (КЭЦ – Константин Эдуардович Циолковский) еще один вид энергостанций – орбитальная станция соединенная с сетью атмосферных электростанций.

Приведем описание атмосферной электростанции из романа «Звезда КЭЦ» — «Вы находитесь на атмосферной электростанции — тоже одно из предприятий Звезды Кэц. Построив Звезду Кэц, мы смогли исследовать стратосферу с исчерпывающей полнотой, изучили атмосферное электричество.

Считалось, что над одним квадратным километром накопляется всего 0,04 киловатт-часа энергии. Так оно и есть, если брать слои атмосферы, близкие к поверхности Земли. Разряды молнии дают неизмеримо больше — 700 киловатт-часов в одну сотую долю секунды. Но молния — случайный, редкий гость.

Иное дело — высшие слои атмосферы. Там картина меняется. высокие слои атмосферы являются хорошим проводником для радиоволн. И вот, в этих сильно ионизированных слоях атмосферы при их движении относительно магнитного поля Земли возбуждаются, как в проводнике, индукционные токи Фуко.

Таким образом, в природе благодаря атмосферным приливам создается своеобразная динамо-машина, влияющая на магнитное состояние Земли. Изучая работу этой грандиозной машины, этого своеобразного «вечного двигателя», мы нашли, что запасы атмосферного электричества неистощимы. Они с лихвой покрывают потребности человечества в электроэнергии, — надо только суметь «снять» это электричество.

Ракеты снабжены остриями-иглами, принимающими на себя электричество, которое накопляется в своего рода лейденских банках. Затем происходит разряд «молний» над безлюдным местом, где существует приемная станция с металлическими шарами, парящими высоко над нею и соединенными с нею тросами. В стратосфере соорудим постоянные, неподвижные установки, соединенные друг с другом проводами. Эти установки будут накоплять электричество и отдавать его Земле по ионизированному столбу воздуха. Люди получат неистощимый источник энергии, необходимый для великой переделки Земли»

Обложка журнала Техника молодежи 1950 года с главами романа А.Беляева «Звезда КЭЦ»

Атмосферная электростанция – Звезда «КЭЦ» не осуществлена до сих пор!

Примечательно то, что великий писатель Александр Беляев, как и великий изобретатель Лосев О.В., погиб в блокадную зиму 1942 года. Больной Александр Беляев, после того как его жену и дочь немцы угнали в Германию, оказался брошенным в городе Пушкин и скончался от голода и болезни туберкулез костей.

Термоядерный двигатель

В романе Сергея Павлова Лунная радуга (издан 1978) двигателем космического корабля был термоядерный двигатель, использующий термоядерный синтез, на стеллараторе:

«Андрей отстрелил кабель дистанционного контроля, привычно окинул взглядом всю картину индикации, выхватывая главное. Самым главным был синхронный разогрев стеллараторов обоих флаинг-моторов. С этим нормально. Ненормальным было одно – безмолвие в шлемофоне».

В приложение к книге указано:

— СТЕЛЛАРАТОР – полость двигателя КК (космического корабля), где происходит инициирование термоядерного микровзрыва рабочего тела (по большей части – микродоз смеси бора и водорода); посредством сверхпроводящего соленоида вокруг стелларатора наводится мощное магнитное поле, от которого отражается высокотемпературная плазма, и ее истечение создает реактивную тягу, разгоняющую КК с набором скорости, достаточно высокой для достижения лунных систем планет Дальнего Внеземелья в умеренный срок.

То есть, мы видим описание конкретной энергетики космического корабля и техники получения энергии при помощи стелларатора. Кстати, стеллараторы применяются для термоядерных исследований до сих пор.

Схема стелларатора

Принцип работы электростанций

До средины XX века для получения энергии, человечество использовало два основных физических процесса:

• Преобразование движущей кинетической и потенциальной энергии падающей воды. Водяные мельницы к XX веку привели к созданию гидроэлектростаний;
• Нагрев воды в котле приводящий ее к испарению и воздействию пара, имеющего большую кинетическую энергию на лопатки турбин. Так устроены теплоэлектростанции.

Схема теплоэлектростанции

К большим минусам теплоэлектростанций можно отнести продукты горения топлива в котле, большое количество газов, пепла и пыли, исходящих из котла через трубы и рассеивающихся в окружающем пространстве. Огромная площадь вокруг теплоэлектростанций экологически загрязнена.

В XX веке учеными найден источник энергии способный заменить, по своим теплотворным способностям, природное топливо – уголь, газ, нефть. Путь в получения большой энергии открыла ядерная реакция деления ядер урана.

Атомная энергетика

Первую ядерную реакцию исследовал Резерфорд в 1917 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота. Она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны.

В 1938 году, бомбардируя уран нейтронами, Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили, что в этом процессе также образуются продукты деления, такие как барий и криптон. Именно в этой реакции был зафиксирован выход энергии.

Ядерная реакция деления ядер урана

Советский ученый Флеров Г.Н. в 1940 году открыл спонтанное деление ядер урана и чуть позже была открыта цепная ядерная реакция ядер урана.

Цепная ядерная реакция ядер урана

Эти открытия позволили создать новый вид топлива для электростанций – ядерное топливо из химических элементов, уран и плутоний.

Принципиальная схема атомной электростанции такая же, как и у тепловой электростанции. Атомная электростанция тоже является тепловой, только для нагрева воды используется тепловое выделяющееся при цепной ядерной реакции.

Схема атомной электростанции (источник РОСАТОМ, полный вариант)

В 1954 году была запущена в эксплуатацию Обнинская АЭС, первая в мире атомная электростанция подающая электрический ток в энергосистему.

Казалось бы, вот она «волшебная палочка для всего человечества» — атомные энергокомплексы.

«Если вы преуспеете в использовании открытий ядерной физики на благо мира, это распахнет дверь в новый земной рай» — Альберт Эйнштейн.

Не все так однозначно с атомом

Но позже выяснилась напутствие крылатой фразы «Timeo Danaos et dona ferentes», Бойтесь данайцев и дары приносящих. Вместо великого благодеяния получили неожиданные проблемы:

• Получение урана (добыча и переработка) сопровождается большими затратами и экологическими проблемами в местах переработки урана и изготовления тепловыделяющих элементов;
• Хранение радиоактивных отходов, таких как отработанные ТВЭЛ (тепловыделяющие элементы) и компоненты реактора. Находясь в активной зоне реактора, ядерное топливо подвергается воздействию таких явлений, как повреждение нейтронами, которое может вызвать эволюционные изменения в его структуре. Эти изменения могут повлиять на то, как поведут себя тепловыделяющие сборки или пучки твэлов на последующих стадиях топливного цикла. После того как топливо отслужит свой срок т.е. больше не поддерживает эффективную реакцию деления в реакторе, оно окончательно выгружается из активной зоны и хранится до определения его окончательной судьбы регенерации или прямого захоронения, в зависимости от действующей политики в отношении топливного цикла. Радиотоксичность непереработанного ядерного топлива из реакторов снижается до уровня радиотоксичности урановой руды примерно через 100 000 лет;
• Аварии атомных объектов, приводящие к гибели людей и тяжелым экологическим последствиям. С момента пуска первой АЭС до 2024 года в 15 странах мира произошло более 200 инцидентов и аварий различной степени сложности и опасности.

Некоторые из этих аварий:

• 1957 год, СССР. На химкомбинате «Маяк» около города Кыштым хранились ёмкости для радиоактивных отходов и в результате сбоя в охладительной системе, произошел взрыв, из-за которого около 500 км окружающей местности подверглись радиационному заражению;
• 1970 год, СССР. Радиационная авария на заводе «Красное Сормово». На заводе «Красное Сормово» при строительстве атомной подводной лодки К-320 произошёл несанкционированный запуск реактора, который проработал на запредельной мощности около 15 секунд. При этом произошло значительное радиоактивное заражение территории цеха, в котором строился корабль. В цехе находилось около 1000 рабочих;
• 1979 год, США. Авария на АЭС Три-Майл-Айленд. Причина аварии отказ питательных насосов во втором контуре системы охлаждения реактора, в результате чего прекратилась подача воды в оба парогенератора. Ошибки операторов привели к потере контроля процесса аварийного охлаждения активной зоны реактора. Ядерное топливо во время аварии частично расплавилось. Работы по устранению последствий аварии продолжались с августа 1979 по декабрь 1993год;
• 1986 год, СССР. 26 апреля на 4-м энергоблоке Чернобыльской АЭС произошла авария с разрушением реактора и выбросом огромного количества радиоактивных веществ. Погибли люди, десятки тысяч получили лучевую болезнь, огромная территория до сих пор остается в так называемой зоне отчуждения. По подсчетам специалистов, выброс имел мощность 300 ядерных бомб, которые были сброшены на японский город Хиросима во время Второй мировой войны;
• 2011 год, Япония. 11 марта авария на АЭС Фукусима, 7 уровень INES. Взрыв на атомной электростанции Фукусима в Японии 11 марта 2011 года приравняли по шкале опасности к Чернобыльской катастрофе. Обе аварии получили по 7 баллов по международной шкале ядерных событий.

Возможно ли создание атомной энергетики более безопасной и более экологически чистой, чем атомные электростанции на основе ядерного деления? — Да, если по мнению ученых в качестве источника энергии использовать термоядерный синтез.

Термоядерный синтез

Проекты электростанций на основе термоядерного синтеза появились к 1957 году. Главный плюс в построении термоядерных электростанций ученые видели в том, что термоядерный реактор намного безопаснее ядерного реактора в радиационном отношении. Прежде всего, количество находящихся в нём радиоактивных веществ сравнительно невелико. Энергия, которая может выделиться в результате какой-либо аварии, тоже мала и не может привести к разрушению реактора. Главное – это, конечно, пониженная радиационная опасность, принципиальная невозможность неуправляемого разгона (термоядерные реакции не цепные) и неограниченность топливных ресурсов. Немаловажное значение могла бы иметь невысокая стоимость топлива для термоядерных электростанций основу которого составляет вода.

Термоядерный синтез — это процесс, в ходе которого два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро с высвобождением огромного количества энергии.

Схема термоядерного синтеза

Методы получения термоядерной реакции (самые распространенные):

• Поджигание термоядерной реакции на мишени при помощи мощных лазеров (та же термоядерная бомба только в микроформате и нагревом мишени, топлива мощными лазерами);
• Магнитное сжатие нагретой плазмы и впрыск в плазму топлива состоящего из ионов лития и гелия.

Поджигание термоядерной реакции на мишени при помощи мощных лазеров

В Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии закончено строительство самого мощного в мире лазерного комплекса. Он получил название «Национальная зажигательная установка» (US National Ignition Facility, NIF). Строительство продолжалось 12 лет. На лазерный комплекс было потрачено 3,5 млрд. долл.

Сфера реактора, вес которой почти 10 тонн, потребовалась работа одного из самых больших подъемных кранов в мире

Магнитное сжатие нагретой плазмы и впрыск в плазму топлива состоящего из ионов лития и гелия

Для обеспечения термоядерной реакции слияния ядер водорода необходима высокая температура нагретого вещества в 150 000 000 градусов. Любое вещество при таких температурах находится даже не в виде пара, а в виде плазмы. Максимальная температура плавления самого тугоплавкого металла вольфрама всего 3410 градусов Цельсия. Температура в центре взрыва атомной бомбы 100 000 000 градусов. То есть, для термоядерной реакции необходимо удержать плазму, температура которой больше чем в центре ядерного взрыва. Любое касание плазмой камеры, в которой она находится, обозначает испарение камеры.

Схема работы токамака

Чтобы удержать плазму в центре камеры, необходимо воздействовать на нее магнитным полем и кроме этого плазменный шнур сделать в виде тора-бублика (для исключения краев – начала и конца шнура). Для этого и сделан ТОКАМАК, гигантский кольцевой электромагнит удерживает внутри камеры плазму в виде тора (бублика).

Токамак — это тороидальная магнитная ловушка, предназначенная для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Магнитное поле служит для удержания высокотемпературной плазмы в тороидальной вакуумной камере, ограждая плазму от контакта со стенками камеры. В токамаке магнитное поле складывается из поля катушек и поля тока, текущего непосредственно по плазме в тороидальном направлении (тороидального тока). Для первоначального разогрева плазмы в торе используется запуск (инжектирование) в камеру ускоренных, на ускорителе частиц, ионов которые нагревают водородную смесь в камере. Нагрев происходит за счет соударения ускоренных ионов и атомов газа в тороидальной камере. Магнитное сжатие кольцевых магнитов сжимает плазму и еще больше ее нагревает.

Задача длительного поддержания тока, главная трудность в обеспечении стационарной работы токамака. Внутри камеры мы получаем взрыв газа, нагретого до миллионной температуры. Все частицы начинают двигаться от центра пучка к стенкам камеры, а их необходимо перенаправить в центральную часть камеры и не допустить контакт частиц и стенок камеры. Если частицы коснуться стенок камеры, то камера мгновенно испарится. Все частицы в шнур собирают при помощи магнитного воздействия на них. Но очень сложно сделать абсолютно ровное мощное магнитное поле электромагнитов. В плазме начинается вибрация, приводящая к неустойчивости плазмы. В этом и состоит одна из главнейших проблем высокотемпературного нагрева плазмы.

Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER). Визуализация iter.org

В ходе экспериментальной кампании в 2018 году, ученым удалось достичь температуры плазмы в 100 миллионов градусов и удерживать ее полторы секунды. В 2019-м время смогли довести до восьми секунд, а теперь увеличить еще более чем вдвое.

Такую горячую плазму, до сих пор могут получить лишь считанные экспериментальные установки на планете, но ни одна из них не способна удерживать ее на протяжении хотя бы 10 секунд. На этом фоне достижение KSTAR выглядит действительно значимым. Его детали ученые обещают представить будущей весной, на очередной конференции IAEA Fusion Energy. Эксперименты на KSTAR продолжатся до 2025 года. Их конечная цель — достичь температуры плазмы выше 100 миллионов градусов и удерживать ее 300 секунд (целых пять минут.

К 2024 году никаких новых данных об удержании плазмы в 10 секунд нет. Нет и не предвидится самого главного, положительного баланса энергии, а без этого невозможна электростанция.

Проблемы термоядерного синтеза

Спустя 50 лет после того, как я впервые ознакомился с описанием термоядерного реактора, к 2024 году отсутствуют термоядерные электростанции и нет никакого намека на то, что ближайшие 50 лет они появятся. Еще в далеком 1953 году была испытана первая термоядерная бомба, прошло 70 лет и нет никакого прогресса.

Рассмотрим суть проблемы термоядерного синтеза. Возможно, главная проблема термоядерной технологии это система мировоззрений. Управляемый термоядерный синтез опирается на постулаты:

• Взорвана термоядерная бомба, а значит термоядерный синтез осуществим;
• Солнце представляет собой устойчивый плазменный термоядерный источник.

В природе не существует подтверждения устойчивой термоядерной реакции, за исключением Солнца.

И вот тут и кроется главная проблема, по расчетам астрофизиков термоядерная реакция может обеспечить не более 10% выхода энергии Солнца. Кроме этого, излучаемые частицы не соответствуют требованиям обеспечения устойчивого термоядерного синтеза на Солнце. Великий астрофизик Н. А. Козырев в своей докторской диссертации ещё 1947-го года показал, что термоядерные реакции внутри звезды лишь побочное возможное явление. Основной источник энергии Солнца пространственно-временные преобразования.

В работе Н.А. Козырев «Теория внутреннего строения звезд и источники звездной энергии» (источник: Козырев Н.А. Источники звездной энергии и теория внутреннего строения звезд // Изв. Крымск. астрофиз. обсерв. 1948. Т.2. С.3–43.). В §5. Несостоятельность объяснения звездной энергии термонуклеарными реакциями Бете (то есть термоядерными) сказано:

“механизм свечения звезд становится тем же процессом Гельмгольца–Кельвина. Ядерные превращения будут при этом обстоятельством второстепенным, изменяющим только теплоемкость газа. Но равновесное превращение элементов совершенно исключается, так как оно возможно при температурах в десятки миллиардов градусов, которые заведомо не осуществляются в звездах”.

“Итак, следует возвратиться к исходной точке зрения и считать белые карлики горячими звездами на границе вырождения, но состоящими из тяжелых элементов. Малые яркости белых карликов, вероятно, связаны с тем, что в этих звездах происходят явления эндотермического типа, т.е. помимо источников имеются стоки энергии или отрицательные значения. Рассмотренная проблема еще раз показывает, что свечение звезд едва ли объяснимо в рамках законов обычной термодинамики”.

Исходя из вышеописанного, возможно, что человечество никогда не построит термоядерный реактор, работающий на сжатии плазмы и имеющий положительный баланс энергии, потому что нет доказательств существования устойчивой плазмы, в которой происходят термоядерные реакции.

Еще в 1947 году было ясно, что управляемый термоядерный синтез, горящий длительное время, невозможен, но до сих пор (2024 год) в это сомнительное направление вкладываются силы и деньги, которые человечество могло бы употребить с большей пользой на другие проекты.

В октябре 1936 г. в Ленинграде начались аресты ученых, преподавателей вузов, научных работников. В ночь с 6 на 7 ноября 1936 года Н.А.Козырев был арестован по ложному обвинению и получил 10 лет лагерей. После пересмотра дела по ходатайству коллег-астрономов, Козырев был освобожден в 1948 году и всего через три месяца защитил докторскую работу «Теория внутреннего строения звёзд как основа исследования природы звёздной энергии». Если не тяжелая жизнь Козырева в лагерях, то возможно именно наша страна дальше бы продвинулась в понимание термоядерного синтеза.

Анализ периодов от открытия до внедрения изобретения

Проведем анализ периодов от открытия до внедрения изобретения (промышленная реализация). Для анализа возьмем наиболее существенные открытия и изобретения, которые привели человечество к современной технологической и информационной эпохе:

Опыты Вольта > Телеграф Шиллинга > Телеграф Морзе > Телеграфные сети связи > Глобальные сети

Открытие Изобретение	Год открытия	Год первой демонстрации	Год внедрения	Год промышленной реализации	Лет от открытия до внедрения
Опыты Вольта	1800	1801 Показ Наполеону	1810 Первая батарейка Планте	1890	90
Телеграфный аппарат	Шиллинг 1830	1832 Петербург Зимний дворец	1837 Аппарат Морзе Лондон	1853 году «Siemens & Halske» начала строительство русской телеграфной сети, которое завершилось через два года. Сеть покрыла расстояние свыше 10 тысяч километров	23
ЭВМ Первая машина с хранимой программой		1949 Машина Уилкса Великобритания	1977: Tandy Radio Shack TRS-80 (Северная Америка) — первый домашний компьютер, стоивший менее 600 долл.	1981 г. новый компьютер под названием IBM 5150 был официально представлен публике	32
Глобальная сеть связи	1969 Сеть Агентства перспективных исследовательских проектов США (ARPANET) была первой общедоступной пакетной компьютерной сетью. Она была впервые использована в 1969 году и окончательно выведена из эксплуатации в 1989 году. Основное применение ARPANET было в академических и исследовательских целях.	1969 ARPANET	1980	1982 год был проведён первый телемост «Москва—космос—Калифорния» между гражданами СССР и США, для организации которого применялось цифровое соединение ВНИИПАСа через спутник	3
Самолет	1882 Можайский А.Ф.	1903 Братья Райт	1910-1914 Модель B – построенный недавно созданной компанией Wright Company, это был первый серийный самолет.	1914 Первая в мире регулярная авиакомпания на воздушном судне тяжелее воздуха вылетела с городского пирса в Сент-Питерсберге в первый день Нового 1914 года. Авиакомпа была известна как St. Petersburg–Tampa Airboat Line	32
Ракета и спутник	1903 ФОРМУЛА ЦИОЛКОВСКОГО основное уравнение движения ракеты, определяющее её характеристическую скорость; опубликована К. Э. Циолковским в 1903 в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами».	1923 Первые ракеты с ЖРД были разработаны и испытаны американским учёным Р. Годдардом в 1923 и немецким учёным Г. Обертом в 1929	1943 Немецкая ракета ФАУ-3 приблизилась к линии Кармана (100км высоты) Вернер фон Браун	1957 Спутник на орбите СССР 1961 Человек в космосе СССР Гагарин Ю.А Ракета Р7 Королев С.П,	54 58
Ядерная реакция деления	1919 Впервые ядерную реакцию наблюдал Э. Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, в результате чего появились другие частицы с большим пробегом в газе, которые были идентифицированы как протоны.	1942 Цепная ядерная реакция впервые была осуществлена в США Энрико Ферми в 1942 г ., в СССР — Игорем Курчатовым в 1946 г	1945 Атомная бомбардировка Японии	3 сентября 1948 года на графитовом реакторе X-10 в Ок-Ридже, штат Теннесси, США, который был первой атомной электростанцией, питающей электрическую лампочку. О́бнинская АЭС — первая в мире подключенная к электросети атомная электростанция, запущена в промышленную эксплуатацию 26 июня 1954 года	35
Термоядерная реакция	1919 Эрнест Резерфорд провел эксперимент, открывший путь современным исследованиям термоядерного синтеза. Он осуществил реакцию слияния ядер дейтерия (тяжелого изотопа водорода) с превращением в гелий, заметив, что «был произведен огромный эффект»	1946 год британские физики Джордж Паджет Томсон и Мозес Блэкмен подали заявку на патент на тороидальное устройство для термоядерной реакции в газе в результате давления электромагнитного излучения.	1953 год Первый в мире термоядерный заряд по схеме Теллера-Улама на атолле Эниветок 12 августа 1953 года	На 2024 год промышленная реализация не существует. С момента открытия изобретения прошло 125 лет	??

Периоды от открытия до промышленного использования технологий на основе открытия:

Открытие/изобретение	Лет
Опыты Вольта	90
Телеграфный аппарат	23
Электросварка	50
Полупроводниковые радиоэлектронные устройства	50
Рентгеновское излучение и Рентгеновский аппарат применяемый в медицине	28
ЭВМ Первая машина с хранимой программой	32
Глобальная сеть связи	13
Самолет (авиационные технологии)	32
Ракета и спутник	54
Ядерная реакция деления	35
Термоядерная реакция	125 (нет реализации)

Необходимо обратить внимание, что интервал в 90 лет от опытов Вольта к выпуску аккумуляторов обоснован совершенно новым направлением физики и отсутствием знаний в области химии, необходимых для создания первого образца батарейки Планте через 10 лет. Андре-Мари Ампер обосновал практические опыты с электричеством к 1829 году.

Поэтому считаем от 90 лет – 29 лет = 71 год. Итого значение в 71 год укладывается в нашу схему.

Вывод

Зачем на протяжении десятилетий человечество вкладывает средства в неэффективные технологии термоядерного синтеза? Возможно, более полезным будет вложение средств не в термоядерные исследования, а в поиск методов и технологий получения энергии и обеспечения экологической безопасности полного цикла получения электроэнергии.

Необходимо обратить внимание на то, что практически все источники энергии, используемые в энергетике, в данный момент имеют ограничения и экологические проблемы, с учетом полного цикла – от получения топлива, создания электростанции до демонтажа и восстановления территории:

Гидроэлектростанции – требуют большие вложения для создания плотин. Кроме этого, количество рек – гидроресурсов ограничено. Еще одна большая проблема – сложность передвижения рыб вверх от нижнего бьефа до верхнего бьефа (водохранилища) на нерест. В случае вывода из эксплуатации, демонтаж больших ГЭС затруднителен, а то и невозможен по технологическим причинам.

Добыча угля, для сжигания в электростанции, загрязняет территорию, на которой добывается уголь.

Открытый метод добычи угля в воздух попадает огромное количество угольной пыли и породы, поднятой взрывом, образуются глубокие овраги и полости земли, нарушаются дороги, здания и сооружения, вызывает легочные заболевания у людей.

Закрытый метод добычи угля из угольных шахт загрязняет экологию горами отходов терриконов, увеличивается концентрация вредных газов в воздухе, ухудшается качество водоносных слоев.

Угольные электростанции загрязняют территорию вокруг электростанции.

При сжигании угля в атмосферу выбрасываются токсичные вещества и летучая зола, которые усугубляют проблемы загрязнения воздуха в густонаселённых районах, где обычно расположены ТЭС. Продукты горения угля, такие как диоксид серы (SO₂) и оксиды азота (NO и NO₂), вызывают кислотные дожди, ртуть и другие тяжёлые металлы загрязняют водоёмы и поверхностные слои почвы, делая территории малопригодными для жизни и хозяйственной деятельности.

Не существует технологий, позволяющих производить, транспортировать и сжигать уголь без значительного ущерба окружающей среде. Даже системы улавливания газов угольных электростанций не обеспечивают полноценную очистку выбросов.

Теплоэлектростанции, использующие природный газ для сжигания в топке. Экологический вред электростанций на природном газе значительно меньше, чем при сжигании угля на электростанции (привет спонсору статьи «Газпрому» — шутка), но если рассматривать полный цикл от добычи энергоносителя до получения электроэнергии, то важнейшей проблемой является транспортировка газа по трубопроводам приводящая к удорожанию получаемой электроэнергии. Кроме этого, существует проблема взрыва газа при транспортировке по трубопроводам. В случае аварии на трубопроводе мы получаем взрыв мощной газовой бомбы, как это было в аварии 1974 года.

В 1974 году трубе нефтепровода «Западная Сибирь — Урал — Поволжье», по которому транспортировали широкую фракцию лёгких углеводородов (сжиженную газобензиновую смесь), образовалась узкая щель длиной 1,7 метра. 4 июня в момент встречи двух поездов на перегоне между остановочными пунктами произошел объёмный взрыв вытекшего газа. Мощность объёмного взрыва была до 12 килотонн ТНТ, что сравнимо с мощностью ядерного взрыва в Хиросиме (16 килотонн). На месте было обнаружено 258 тел погибших, 806 человек получили ожоги и травмы различной степени тяжести, 317 из них умерли в больницах. Всего погибли 575 человек. Автору статьи довелось встретиться с одним из руководителей комиссии по данной катастрофе. По словам эксперта, рельсы на месте катастрофы были закручены в штопор так как температуры в центре взрыва превышала 1000° С.

На закате СССР в ночь с 3 на 4 июня 1989 года под Уфой, на перегоне Аша — Улу-Теляк на 1710 км, произошел взрыв газа в момент прохода в этом месте двух пассажирских поездов №211 и №212 сообщением «Новосибирск — Адлер» и «Адлер — Новосибирск». Эта авария стала крупнейшей железнодорожной катастрофой в истории СССР. Подробно о катастрофе на канале @PRO МЕТРО.

Солнечные электростанции казалось бы экологически безопасная технология. Но, если взять полный цикл от изготовления солнечных панелей и аккумуляторов (загрузка аккумуляторов электроэнергией выполняется днем, а разгрузка ночью так как солнечные панели ночью практически не производят электроэнергии). Изготовление солнечных панелей и тем более аккумуляторов является экологически вредной технологией. Необходимо учесть то, что севернее 55° северной широты применение солнечных электростанций затруднено в связи с физико-географическими условиями.

Атомные электростанции если рассматривать полный цикл от добычи энергоносителя до получения электроэнергии, то важнейшей проблемой является не только большая проблема хранения отходов отработанных тепловыделяющих элементов, загрязненной воды и конструкционных материалов реактора, но и в массе случаев добыча и переработка урана сопряжена с экологическими проблемами загрязнения территории отходами производства урана. В мире накопилось много мест, требующих срочного вмешательства человечества для решения экологических проблем загрязнения территорий по добыче урана. Автору статьи довелось работать на территории, где добывался уран. Это СУ-17 Казахстан и Майлуу-Суу Кыргызстан.

В Майлуу-Суу было извлечено 10 тысяч тонн оксида урана. Остаточные радиоактивные отходы Кыргызстана в настоящее время представляют серьезную экологическую угрозу для густонаселенных частей Ферганской долины, где проживает около 15 миллионов человек. В апреле 1990 года в результате дождя в хвостохранилищах № 7 и 8 в Майлуу-Суу обрушилась подпорная стена хранилища отходов, в результате чего в реку Майлуу-Суу было выброшено около 600 000 кубометров радиоактивных отходов, которые затем распространились на десятки км ниже по течению реки на орошаемые сельскохозяйственные угодья в Узбекистане. Последствия этой катастрофы длятся по сей день: радиоактивное загрязнение реки, окружающей почвы и растительности вызвало серьезные проблемы со здоровьем и привело к гибели людей.

 

Источник