Ядерно-термоядерный реактор Виноградова. Часть 2

В одной из статей мне попался интересный абзац о том, как можно сделать термоядерную реакцию в обычном реакторе на тепловых нейтронах. Надо в герметичную капсулу заложить дейтерид лития ⁶₃Li²₁H. Под облучением нейтронов из лития-6 получаем тритий ³₁H. Поскольку смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции, капсула в реакторе будет нагреваться за счет реакции синтеза. Скорее всего, этот абзац был шутка.

            Подойдя к этому предложению с инженерной точки зрения, капсулу заменяем штатным твэлом от ВВЭР, начинку твэла делаем из лития-6 и ²₁H. А также, зная, что осколки деления урана вылетают в газовую среду только от деления поверхностного слоя ядер, который контактирует с газовой средой, увеличим поверхность контакта путем создания микрочастиц из урана. Измельчение урана в порошок на воздухе приводит к воспламенению порошка. Но в среде газа ²₁H воспламенения не будет. Таким образом, заполнение твэла смесью порошков из лития-6 и  ²³⁵₉₂U, и газа ²₁H   даст твэл с тепловыделением, в том числе, и от реакции синтеза.

²₁H +  ³₁H →  ⁴₂He +  ¹₀n + 17,6МэВ

           Такая реакция синтеза приводит к образованию нейтрона, который через  цепочку ядерной реакции деления ядер и реакцию синтеза фактически создаст цепную реакцию, которая может привести к неконтролируемому росту энерговыделения. А это опасно.

Нужно обязательно посчитать сколько надо в твэл засыпать ²³⁵₉₂U, чтобы не получилась цепная реакция синтеза по всей длине твэла, т.е. чтобы этот уран не сыграл роль «свечи», как в термоядерной бомбе [1]  Андрея Сахорова, которую он назвал "третьей идеей".

     Поэтому в ядерно-термоядерном реакторе активная зона должна быть подкритичной, а впрыск нейтронов в активную зону должен быть дозированным, контролируемым. Теоретически такая конструкция должна быть безопасной с точки зрения возможного неконтролируемого роста энерговыделения, т.е. возникновения термоядерного взрыва.

Рассмотрим вопросы безопасности термоядерного синтеза           

            В ядерных реакциях деления ядер есть такой параметр, как постоянная времени разгона Dt. Это время за которое мощность энерговыделения в активной зоне увеличивается в е раз (где е = 2,71 - основание натурального логарифма). Деление ядер сопровождается выбросом нейтронов двух видов: мгновенные нейтроны, которые возникают сразу в момент деления ядра, и запаздывающие нейтроны, которые вылетают из осколков деления в среднем через 6 сек. после деления ядра. Если бы возникали только мгновенные нейтроны, то система управления реактором не смогла бы быстро поглотить лишние нейтроны, и реактор пошёл бы в разгон, т.е. прекратить цепную реакцию деления было бы не возможно. Получился бы взрыв. А запаздывающие нейтроны, которые в сумме с мгновенными нейтронами создают постоянство коэффициента размножения нейтронов К=1, уже позволяют регулировать мощность энерговыделения в активной зоне реактора путем введения поглотителей нейтронов - специальных стержней с поглощающими нейтроны элементами.

         В реакции термоядерного синтеза легких ядер такого эффекта нет. Если в термоядерной бомбе загорелась «свеча», см. [1], то уже всё, термоядерный взрыв обеспечен, чтобы ты не делал. Его ничем не остановить, т.е. лавинообразный процесс синтеза всех лёгких ядер будет происходить сам по себе. Температуру сразу нельзя снизить, это инерционный параметр плазмы. Можно, конечно достаточно быстро сбросить давление среды с плазмой, но и автоматика не успеет это совершить. Постоянная времени процесса синтеза лёгких ядер Dt  составляет доли секунды. В этом и состоит ядерная опасность реакторов термоядерного синтеза получить термоядерный взрыв, это относится и к установкам ТОКАМАК и ITER. Исходя из этого можно предположить как должен быть организован процесс термоядерного синтеза, а именно, как сделать его не лавинообразным, а плавным, постепенным. 

Возможный вариант активной зоны ядерно-термоядерного реактора

            Термоядерный синтез должен идти в активной зоне локально, не в одном месте, и постепенно. Следовательно, термоядерное топливо должно быть распределено по объёму активной зоны равномерно маленькими порциями. А это можно сделать только используя шаровые твэлы, которые можно разместить по объёму активной зоны требуемым образом. В герметичную капсулу шарового твэла закладываем смесь порошков из лития-6 и  ²³⁵₉₂U, и заполняем поры (пустоты) в порошке газом ²₁H. Под облучением нейтронов из равномерно размещенному по шаровому объёму твэла лития-6 получаем тритий ³₁H. Тритий также будет равномерно размещен по объёму твэла.  Один нейтрон может вызывать деление ²³⁵₉₂U на два осколка, вылетающих со скоростью 1/30 скорости света в вакууме. Каждый осколок при определённых случайных расположениях легких ядер по ходу движения осколка, может создать очень высокую локальную температуру и столкнуть легкие ядра между собой настолько, что силы, действующие на таких расстояниях, преобладают над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. А именно, произойдет  синтез легких ядер. Этот процесс имеет маленькую вероятность, что исключит лавинообразный синтез легких ядер. И более того, это процесс синтеза будет происходить в каждом отдельном шаровом твэле, что полностью исключает лавинообразный процесс термоядерного синтеза по всему объёму активной зоны.

Для оценки стоимости выделяемой энергии в результате синтеза и в результате деления урана 235 проведем следующие расчеты.

Стоимости даны приблизительные по состоянию на 2016 год. Курс принят 1$ = 100 руб.

1). Стоимость 1 г урана 235 обогащения 90% составляет 2400 руб./г. Источник [3].

2). Литий металлический технический 99%. Базовая цена 14.12.2016  8,582 руб./г

 (/magazin/folder/po-elementu-osnovnomu-veshchestvu), источник SMM.

3). Допустим, стоимость дейтерия - 400 долларов за килограмм или 0,4 $/г = 40 руб./г.

Стоимость H Водород 1 754,00 руб./кг = 1,754 руб./г  01.03.2013. Источник Praxair

1). 1 г урана содержит 1*6,02*10⁺²³ /235 = 2,56*10⁺²¹ атомов.

2). 1 г лития содержит 1*6,02*10⁺²³/6,94 = 0,867*10⁺²³ атомов.

3). 1 г дейтерия содержит 1*6,02*10⁺²³/2 = 3,01*10 ⁺²³ атомов.

Стоимость 1-го атома урана235  (2400 руб./г) / 2,56*10⁺²¹ = 937,5*10^-21 руб./атом        

Деление 1-го атома выделяет 200 МэВ = 3.11*10^-11 Дж (1 Дж = 1 ватт*сек), тогда стоимость 1 Дж =  937,5*10^-21 / 3.11*10^-11  =  301,45*10^-10 руб./Дж     

Стоимость 1-го атома лития-6   (8,582 руб./г) / 0,867*10⁺²³ =  9,8985*10^-23 руб./атом

Один атом лития преобразуется в один атом трития, следовательно, 1 атом трития стоит  столько же 9,8985*10^-23 руб./атом.

Стоимость 1-го атома дейтерия (40 руб./г) / 3,01*10 ⁺²³ =  13,289*10^-23  руб./атом

Тогда стоимость  17,6 МэВ = 0,27368*10^-11 Дж  будет равна  стоимость лития + стоимость дейтерия (водорода тяжелого): (9,8985*10^-23 + 13,289*10^-23) = 23,188*10^-23 руб., и далее, 

стоимость 1 Дж будет равна  (23,188*10^-23 / 0,27368*10^-11 ) = 84,7250*10^-12 руб./Дж  =

= 0,84725*10^-10 руб./Дж

            Таким образом, энергия в размере 1 Дж от синтеза дешевле энергии от деления урана  в  (301,45*10^-10/0,84725*10^-10) =  355,8 2,69 раза. Следовательно, энергия от ядерно-термоядерного реактора будет в сумме гораздо дешевле, даже если от синтеза будем получать меньше 15% энергии от всей энергии реактора, а остальное получим за счет деления урана.

Если не учитывать потери реакций синтеза и реакций деления то от деления одного ядра урана235 получим  200 МэВ и от двух осколков деления получим энергию от двух слияний легких ядер 2*17,6 = 35,2 МэВ, то в сумме получим 235,2 МэВ. Из чего следует, что синтез даёт всего порядка 15%, а деление урана дает 85% процентов выделения энергии в активной зоне.

ВЫВОД: Энергия от синтеза удешевляет получение энергии в ядерно-термоядерном реакторе Виноградова, и конструкция реактора для выработки электроэнергии получается во много раз проще ТОКАМАКа и ИТЕРа, и соответственно, на много дешевле. Лозунг: - «Электричество сделать товаром, чем больше покупают его, тем оно дешевле для покупателя», может быть реализован в конце 21-го века.

Заключение

            Создать описанный выше ядерно-термоядерный реактор сегодня не представляет трудностей. Все материалы и технологии отечественные, нужно только рабочие чертежи сделать, а также, упреждающе провести эксперименты по раскрытию «белых пятен» в науке о свойствах нейтронов, свободных электронов и осколков деления. Однако, сегодня, в начале 21-го века, нет особой надобности создавать такие реакторы, что подробно изложил 25.07.2021 Александр Березин в своей статье «Илон Маск прав: термояд не нужен. Будущее, которого у нас не будет»[2].

            До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Эта незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад.

            Почему, именно сейчас сделан бум на разработку термоядерного энергетического реактора. Ответ на этот вопрос очень прост: они, современные западные экологи и политики и сами не имеют об этом ни малейшего понятия. Ситуации такого рода случаются постоянно. Один ученый, столкнувшийся с подобным, описал ее так: «Люди часто думают, что политические решения основаны на неких научных открытиях или экспертных знаниях. Но в реальности, те, кто формируют политические решения, часто принимают их только потому, что те кажутся им «приятными на слух». А затем ученые с большим трудом пытаются понять, как бы это можно было реализовать»[2].

Ссылки на литературу надежней искать по названию статьи в Яндексе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Термоядерный реактор это финансовый пузырь или реальность? Но можно сделать «Ядерно-термоядерный реактор Виноградова».
2. «Илон Маск прав_ термояд не нужен. Будущее, которого у нас не будет».

Авт. Александр Березин, 25.07.2021.

1. Урановая сделка, Л. Максимов, газета Завтра, N 44, 3 ноября 1998 г. 12 млрд.$  за 500 тонн высокообогащенного урана.