Трезвый взгляд на Релятивистские электроядерные технологии и причем тут Острецов

Трезвый взгляд на Релятивистские электроядерные технологии и причем тут Острецов

В связи с часто возникающими в последнее время спорами вокруг Релятивистских электроядерных технологий (или ЯРТ в другом варианте) после каждого явления Острецова И.Н на АШ (под ником Igost тут), решил добавить немного фактического материала для обсуждения и размышлений. А то большей частью споры сводятся к разделению на 2 группы и перепалке в стиле "сам дурак", т.к. для спора и обсуждения по существу у большинства не хватает данных и знаний в этой специфической области, и приходится полагаться на "веру" и "авторитет". Отсутствие полноценных выкладок и экспериментальных данных (непосредственно по ЯРТ, а не в смежных областях или энергетике в целом) в самих публикациях Острецова, тоже совсем не способствует их обсуждению по существу.

Предлагаю разобрать саму суть ЯРТ, без отвлечения на энергетику в целом, политику, судьбы мира и теории заговора мешающие решить все проблемы.

Итак, что мы имеем. Сама идея ЯРТ, как глубоко подкритического реактора с внешней инжекцией нейтронов на базе ускорителей частиц далеко не новая и давно (уже не первый десяток лет) исследуемая во многих странах множеством ученых. Хотя конечно все относительно, этому направлению уделяют намного меньше внимания чем традиционной ядерной энергетики и мучениям с термоядом, но все-равно это больше десятка стран, десятки научных групп, сотни профильных ученых работающих в этом направлении. В западной терминологии это направление обычно обозначается ADS (Accelerator-driven system ). Но все имеющиеся на данный момент результаты не позволяют считать это направление одним из наиболее перспективных для решения проблем энергетики, хотя исследования все равно продолжаются.

Далее в эту область врывается Острецов с несколькими товарищами и начинает "в пух и прах" критиковать все другие подходы и заявляет, что знает, как превратить ЯРТ в мировой энергетический прорыв, способный решить проблему надвигающегося энергетического голода. Если "отжать воду" и не относящиеся к делу вещи из всех этих заявлений и PR, они сводятся к 2м основным принципиальным пунктам:
1. Все ученые работающие в ADS/ЯРТ области неправильно делают считая, что оптимально разгонять пучок протонов или дейтронов (который при попадании в мишень с ядерным топливом производит нейтроны необходимые для ядерных реакций) до энергии в 1 ГЭв. Если разогнать до больших энергий, то полезный выход(количество делений ядер и наработка вторичного ядерного топлива) по отношению к затраченной энергии сильно вырастет, т.к. будет производиться больше нейтронов на единицу энергии пучка. (Это важный момент - не на 1 разогнанную частицу, а именно на единицу энергии этих частиц).

2. Мы с коллегами изобрели новый супер-ускоритель, который позволит создавать такие пучки с минимальными затратами энергии и с очень высоким КПД (сначала заявлялись КПД 33%, потом 50%, потом шкура не убитого медведя выросла уже до 67%), к тому же он будет не слишком большим и дорогим - компактнее и дешевле существующих типовых ускорителей.

Эти 2 фактора действительно могли бы в теории превратить просто интересные физические эксперименты в практический полезный реактор с хорошим соотношением полученная энергия/затраченная энергия. Хотя проблем была бы еще куча: как то предлагаемый в комплекте к ЯРТ высокотемпературный газовый реактор, который многие бы хотели научиться делать и без всякой привязки к ЯРТ (т.к. в теории он позволит значительно поднять КПД преобразования тепло==>электричество без привязки к самой конкретной ядерной технологии), но пока ни у кого не получается решить все сопутствующие технические проблемы. Или большие проблемы с конструкционными материалами при очень высоких степенях "выгорания" ядерного топлива предполагающиеся при реальной работе ЯРТ реактора. Но, по крайней мере, было бы с чем работать и была ясность, что хотя бы в теории это все реально и дело за инженерно-техническими вопросами.

Но пункт 1й до Острецова исследовали, эксперименты показали, что никакой существенной зависимости нет, и этот вопрос большинство ученых уже давно отложили как решенный, используя в дальнейших работах в качестве "эталона" энергию пучка в районе 1 ГЭв. Острецов им не поверил почему-то(хотя это были не простоя заявления, а научные работы, включая эксперименты), привел свои доводы и расчеты что все должно быть совсем по другому и увеличив энергию пучка можно сильно увеличить энергетический выход. Другие ученые пожали плечами - большинство просто сослалась на предыдущие старые работы(где это уже проверялось и никакой зависимости не нашли) и не обратили внимание, но часть заинтересовавшись на всякий случай еще раз перепроверили на экспериментах и показали - такой зависимости НЕТ. Недавний подобный эксперимент проводился у нас в ядерном центре в Дубне, доклад с результатами эксперимента над которым работали десятки ученых из нескольких стран можно скачать например тут (кому сложно или не хочется долго читать можно  сразу прыгать на 16й страницу где приведены экспериментальные данные по сравнению пучков с энергиями в 1, 4 и 8 ГЭв)
Что не мешает Острецову продолжать заявлять, что она есть и базировать на этом пиар своей версии видения ЯРТ.

Так же в этой работе показано что коэффициенты "усиления" обычно озвучиваемые Острецовым явно и сильно завышены. Он в своих публикациях и презентациях называет для 10 Гэв пучков как консервативную (т.е. вероятно заниженную, по его мнению) оценку коэффициента умножения примерно 1к20. Которые по мере наработки вторичного топлива должна вырасти еще на порядок - от  1к100 до 1к250.
Т.е. энергия распада ядер / на энергию подведенного пучка = 20 при запуске реактора со свежим топливом и до 1к250 после его длительной работы. Если бы это было действительно так, то позволило бы построить реактор с хорошим EROEI и работающем на "бросовом" ядерном топливе: природном уране без обогащения или даже обедненном уране, которого уже накоплены огромные запасы.

В этой же практической(экспериментальной) работе можно посмотреть что можно получить сейчас на практике: при "обстреле" мишени из природного урана (это более благоприятный/эффективный вариант по сравнению с обедненным ураном, который так же предлагается для ЯРТ) пучками от 1 Гэв до 8 Гэв получились коэффициенты всего около 1к2(1к4) независимо от энергии пучка, т.е. на порядок меньше тех о каких говорит Острецов. Это есть так же на 16й странице:
порядка 10 распадов ядер урана на 1 Гэв подведенной энергии пучка. 1 распад = 0.2 Гэв. Т.е. 1 Гэв потратили (причем это уже в виде энергии разогнанных протонов или дейтронов, а не первичной энергии), 2 Гэв получили (в виде простого тепла). Еще почти 2 Гэв потом дадут распад образовавшихся рад. осколков - но с большой задержкой (часть ее - уже после выгрузки отработанного топлива в виде отходов). Еще до 10 ядер - наработка плутония из урана, который по мере накопления так же постепенно начнет участвовать в энерговыделении. Но поскольку наработка плутония к распаду примерно 1к1 (т.е. даже хуже чем в критикуемых «быстрых» реакторах), то плутоний способен лишь замещать уран по мере его выгорания. Т.е. на старте имеем только 1к2, по мере работы(если бы это был не эксперимент, а прототип реактора) можно было бы рассчитывать на 1к4-1к5.

При этом для выхода хотя бы на "самоокупаемость" (EROEI = 1) нужно получить в районе хотя бы 1к7 - 1к10. И это исходя из очень высокой эффективности и КПД всех компонентов, порядка 50% КПД ускорителя (электроэнергия ==> пучок заряженных частиц, таких ускорителей сейчас нет, но допустим ускоритель Острецова вполне реален и будем потом такие строить) и 50% КПД связки реактор+турбины+генераторы (тепло ==> электроэнергия, таких эффективных пока тоже нет, это допустим высокотемпературный газовый реактор на гелии, если научатся такие делать решив инженерные сложности).

Правда все не столько и плохо и совсем хоронить ЯРТ пока еще рано - использованная в экспериментах мишень хоть и довольно крупная (512 кг природного урана) но для такого применения еще недостаточно большая - значительная часть нейтронов успевает вылететь за ее пределы, не поучаствовав в реакциях деления или захвата(наработки плутония). Увеличив мишень до размеров, когда почти все образовавшиеся нейтроны будут захватываться не покидая ее (такую мишень ученые называют "квазибесконечной" - этим подразумевается что дальнейшее увеличение ее размеров уже не будет давать прироста эффективности), позволит увеличить энергетический выход и наработку плутония на 1ед энергии пучка. Насколько сильно - сейчас оценить затруднительно (т.к. почему-то не были проведены хотя бы приблизительные измерения плотности нейтронного потока на краях мишени), для этого будут проводиться эксперименты на гораздо большей мишени (до 20 тонн урана) способной улавливать практически все образующиеся нейтроны. С другой стороны любой переход от экспериментальной установки (представляющей собой просто слитки или стержни из металлического урана), к инженерному реактору способному не просто греться, а вырабатывать полезную энергию его уменьшит, т.к. добавятся различные конструкционные материалы, пустоты для циркуляции теплоносителя и сам теплоноситель.
Конечный ответ на вопрос дадут дальнейшие эксперименты, но пока никаких поводов для оптимизма нет - чтобы имело смысл обсуждать практическую реализацию реакторов на базе ЯРТ, эксперимент на полномасштабных мишенях должен показать выход энергии и наработку плутония выше где-то на порядок (хотя бы в 5-10 раз) по сравнению с промежуточной.


Теперь вернемся к п.2, т.е. супер-ускоритель Острецова способный творить чудеса – от дистацоинного подрыва Фукусимы и американских авианосцев до прорыва в энергетике через ЯРТ  (на самом деле это не его изобретение, но он наиболее активно его пиарит). И обиды, что на его проработку и постройку не дают денег и тем самым губят ЯРТ направление и чуть ли не обрекают весь мир (который без ЯРТ не будет спасен).
У меня не достаточно знаний, чтобы оценить реалистичность заявленных технических характеристик этого гипотетического ускорителя на основе предложенных схем и описаний. Но совершенно не могу согласиться с самой поставной вопроса о нем - нам сейчас этот ускоритель вообще не важен в принципе. Он уникален(правда пока только в теории и по заявлением Острецова) только своим очень высоким КПД и другими технико-экономическим показателями(размеры, стоимость постройки). Что конечно очень важно для промышленной установки или хотя бы экспериментально-промышленного прототипа, но не имеет никакого значения для научных экспериментов, которые можно успешно проводить и без него. С точки зрения ядерной и квантовой физики нет никакой разницы как именно разгоняли пучок частицы (какие инжерерно-технические подходы при этом использовались), важны только его конечные параметры: тип частиц, энергия на 1 частицу, поток частиц в секунду, сечение и т.д. Нужные для экспериментальной проверки параметры пучка способны обеспечить многие уже существующие и работающие ускорители частиц. Поэтому нет никакой необходимости срочно строить ускорители новой схемы - для начала нужно доказать хотя бы теоретическую жизнеспособность ЯРТ. И поэтому отказ в финансировании постройки именно этого ускорителя вполне понятен и оправдан.

А вот от финансирования работ по ЯРТ в целом чиновники и администраторы от науки не отказываются, хотя и не считают это направление особо перспективным. К самой то идее и теоретическим выкладкам отнеслись вполне серьезно как ученые, так и на гос. уровне и начали ее проверять, в этом участвует довольно большая группа ученых, и финансирование выделено было, и оборудование и материалы (в частности большое количество урана) предоставили. Эксперименты ставились в частности на базе Института ядерных исследований в Дубне, но участвуют ученые разных институтов и даже из разных стран. Почему сам Острецов в работе этой группы участие не принимал я не знаю - там как раз пытаются на практике реализовать все то, о чем он пишет в теории и что якобы некие злые силы не дают реализовать. С подборкой работ и текущими результатами можно ознакомиться например тут: http://www.cftp-aem.ru/Pages/05.html

Кстати если почитать самые ранние работы этой группы, то там было так же все очень и очень оптимистично обрисовано на базе экстраполяций из миниатюрных экспериментов и теоретических расчетов. А многие вещи в публикациях Острецова прямо из этих ранних работ и позаимствованы(или наоборот).

Но когда взяли мощный ускоритель(дающий пучки аналогичные предлагавшемуся Острецовом, только с не таким хорошим КПД и занимающий больше места, зато уже существующий и успешно работающий, что экономит массу средств и времени) и мишени сравнимые с планируемыми (в последней работе по которой окончательные результаты опубликованы - 512 кг урана) результаты получились мягко говоря скромными (они как раз и переведены в документе под №19). Которые пока даже до EROEI = 1 явно не дотягивают. И самое главное опровергают предыдущие прогнозы и теор. расчеты.
 
После чего интерес к идее резко упал. Хотя направление не закрыто, работы еще продолжаются. В частности еще будет (если из-за текущих финансовых проблем и с учетом слабых предыдущих результатов не урежут финансирование в последний момент)  полномасштабный эксперимент, с "квазибесконечной" активной зоной из 20 тонн урана. Возможно эксперименты как раз прямо сейчас идут: работы были запланированы на 2015-2016 годы.

Так что никто ЯРТ специально не "давит"(душит) в угоду другим направлениям (быстрым реакторам, управляемому термояду). Просто не рассматривается, как приоритет способный стать прорывом/панацей. Потому как никаких реальных оснований считать его таковым нет, по крайней мере пока.