Реакторы на литии, как альтернатива ядерной энергетике

 Наверное, нет надобности говорить об известных проблемах современной ядерной энергетики, построенной на использовании ядерных реакций деления тяжёлых ядер – высокие риски, радиоактивные отходы, исчерпаемость запасов урана, спорность замкнутого топливного цикла, вопросы с выводом из эксплуатации отработавших блоков АЭС и многое, многое другое.. Надежды на термоядерную энергию, которую предполагалась получать в установках типа ТОКАМАК - ITER, практически рассеялись, и вряд ли найдётся сегодня серьёзный специалист, который станет убеждать вас в обратном. Конечно, уже сегодня есть много других видов энергии, которые можно отнести к экологически чистым и дешёвым, однако в России не так много солнца, неустойчивый и относительно слабый ветер, проблема с сильными морскими волнами, да и геотермальной энергии – «кот наплакал».. Но вот чего у нас хватает и с избытком, так это нефти, газа, угля и атомной энергии.  Да, атомная энергетика решает проблему парниковых газов, но, к сожалению, создает так же и свои, уже перечисленные выше, поэтому поиск новых дешевых, безопасных и экологичных источников энергии всегда должен вызывать интерес..

     После первых публикаций в 80-х ходах сведений об успехах экспериментов Флейшмана и Понса об открытии низкоэнергетических ядерных реакции (LENR) это вызвало сначала эйфорию, а потом глубокое разочарование из-за проблем с воспроизведением в независимых лабораториях. Та же печальная участь постигла и другие эксперименты, использующих по мнению их авторов LENR, поэтому данное направление научных исследований казалось, уже было похороненным.

        Но вот в 2014 году появился отчёт [1] группы итальянских и шведских учёных, которые с 24-02-2014 по 29-03-2014 провели тестирование «реактора Росси» (который он назвалEnergy Catalyzer или E-Cat) с одним загруженным граммом топливного порошка (о котором будет сказано ниже) в городе Барбенго (Лугано), Швейцария, в независимой лаборатории, которую предоставила компания Officine Ghidoni SA. Выпущенный ими отчёт сопровождался настолько подробным описанием деталей, что российский физик Александр Пархомов сумел в домашних условиях повторить этот эксперимент, зафиксировав при этом так же достаточно большой выход избыточной энергии [2].
Если кратко описать тестируемый реактор E-Cat в Лугано, то можно сказать следущее: он состоит из керамической трубки, выполненной из оксида алюминия диаметром 2 см и длиной 20 см, закрытой с двух сторон пробками из того же материала диаметром 4 см и диной 4 см. В керамической трубке встроен нагреватель из инконелевой проволоки, запитанной от трёхфазного регулятора с номинальной мощностью 360Вт. Для регистрации выделяемого тепла использовались два тепловизора  Optris PI 160.

      В качестве топлива внутри керамической трубки реактора Росси находился 1 грамм порошка никеля с добавкой алюмогидрида лития Li [Al H4], в котором содержалось 0,011 граммов изотопа Li-7. После работы в непрерывном режиме в течение  32 дней  на мощности свыше 2 кВт было выработано 5800 МДж (1620 кВт*часов) избыточного тепла. При этом измерения изотопного состава по Li-7 до и после эксперимента показали, что его относительная доля снизилась с 91,4% (до теста) до 7,9% (доля Li-6 возросла, соответственно, с  8,6% до 92,1%). Таким образом, за 32 дня в Лугано выгорело 0,0092 грамм Li-7.

Рисунок – Фотография реактора Росси  E-Cat при тестировании в Лугано

      Российский физик А. Пархомов повторил этот эксперимент у себя дома и подтвердил наличие избыточной энергии. Он так же взял 1 грамм порошка никеля и добавил 10% алюмогидрида лития Li [Al H4]. В калориметрическом эксперимента реактор А. Пархомова АП2 проработал 4,5 суток при средней избыточной мощности 386 Вт и выработал 150 МДж (40 кВт-час) тепла. При этом изотопный состав Li-7 так же снизился, но, естественно, не так значительно как в Лугано– c 92,6% до 92,1%, а изотопный состав Li-6 соответственно возрос с 7,4% до 7,9%. 

      Для модификации реактора E-Cat, протестированного в Лугано, диапазон рабочих температур лежал в области от 1200 до 1400°С [1], что показывает насколько это высокопотенциальное тепло, поэтому даже производя электроэнергию по традиционной схеме (через парогенераторы), достигнутый КПД может быть выше, чем на обычных блоках АЭС.

        Как же объяснить генерацию столь большого количества энергии от 1 грамма топливного порошка? В  интервью  Андреа Росси, которое он дал профессорам Дэвиду Х. Бейли  и Джонатану М. Борвейну [5] было заявлено: «Моя теория заключается в том, что протон из атома водорода входит с квантовым туннельным эффектом в ядро Li-7 (т.е., ядро лития с атомным весом 7), образуя ядро Ве-8 (т.е. ядро бериллия с атомным весом 8), который затем распадается в течение нескольких секунд на две альфа-частицы (ядра гелия), что сопровождается выходом значительного количества ядерной энергии… Изменение изотопного состава лития согласуется с нашим пониманием процесса, хотя сдвиг изотопного состава никеля не имеет хорошего объяснения (и я думаю, что есть проблема с небольшим количеством взятого на анализ образца - только 2 мг из начальной массы загрузки топлива 1 грамм). Более подробный анализ ведётся. Мы предполагаем, что реакции для никеля и лития объясняются в статье Кука-Росси [6]. То, что я могу сказать в дополнение - так это то, что литий играет главную роль, а никель действует в основном как катализатор.». 

   Поэтому, в соответствии с пониманием процесса самим автором, изготовившим как минимум сотни модификаций работающих реакторов E-Cat, в качестве расходуемого топлива при производстве энергии можно принять именно изотоп Li-7, благо, что в природном литии он составляет 92,5%, а остальные 7,5% приходятся на другой стабильный изотоп – Li-6.

    Ниже приведены простые расчетные оценки (любой может повторить и проверить), по которым можно оценить место реакторов Росси E-Cat в современной ядерной энергетике, сравнивая полученные в Лугано данные по энерговыработке с современными энергетическими реакторами ВВЭР-1000. Итак, при захвате изотопом Li-7 протона и распаде на две альфа частицы должно выделиться 17,3 МэВ энергии:

   Так как по изменению изотопного состава мы знаем, сколько грамм Li-7 прореагировало в Лугано, легко найти выделившуюся от этой реакции энергию, которая составляет  2188 МДж или 0,608 МВт*ч. Однако, зафиксированное в Лугано количество избыточной энергии составило ~1,5 МВт*ч, что, как минимум, в два раза выше, чем при сжигании Li-7.  Экспериментаторы предполагают, что дополнительная энергия выделилась в других ядерных реакциях с генерируемыми альфа-частицами, что привело к существенному изменению изотопного состава отработавшего топлива.

        Очевидно, что трудности объяснения  реакции  с распадом Li-7 заключаются в том, что при образовании нестабильного изотопа Ве-8 (сразу распадающегося на две альфа частицы) должен наблюдаться выход гамма-излучения, которое так и не смогли зафиксировать ни в эксперименте в Лугано, ни в эксперименте Пархомова. 

      Наверное, прежде, чем рассуждать об необъяснимых процессах в реакторе Росси следует прислушаться к доктору физико-математических наук, профессору Леониду Уруцкоеву, который сказал следующее: «Из анализа результатов, полученных различными научными группами, следует, что явление низкоэнергетических Ядерных реакций (LENR) гораздо сложнее и многогранней, чем обычная двухчастичная реакция синтеза атомов дейтерия или протонный захват, протекание которых требует высоких исходных энергий частиц. Как показывают многочисленные эксперименты, LENR протекают в конденсированных средах (а, значит, работают какие-то коллективные механизмы, существование которых не подразумевает известная нам ядерная физика) весьма "деликатно", не сопровождаясь высокоэнергичным излучением и не приводя к остаточной радиоактивности, что противоречит существующим представлениям о ядерных реакциях. Возможность протекания LENR настолько не вписывается в существующие представления, что быстрого разрешения проблемы ждать не приходится» [3].

      Таким образом, оставив за скобками теоретическое обоснование пока неясных физических процессов, оценим только экономическую сторону производства новой энергии. Так как наиболее длительным и представительным по глубине проведённого анализа является тест, проведённый в Лугано, приблизительную оценку стоимости расходуемого топлива проведём по результатам именно этого эксперимента и сравним эту стоимость со стоимостью ядерного топлива в стандартных реакторах ВВЭР-1000.

      Задавшись вопросом, что если при сжигании 0,0092 граммов Li-7 за 32 дня эксперимента  в Лугано было произведено 5800 МДж тепловой энергии, нужно ответить,  а сколько же потребуется сжечь Li-7, чтобы заменить ядерный реактор ВВЭР-1000, производящий 1000 МВт электрической и 3200 МВт тепловой мощности, например, в течение года? За год непрерывной работы одним блоком АЭС с ВВЭР-1000 будет произведено примерно 101000 тераджоулей энергии, тогда простой пропорцией можно оценить, что для выработки такого же количества энергии потребуется сжигание всего лишь  ~ 160 кг Li-7, что в пересчёте на природный литий составит ~ 180 кг.  С учётом того, что литий находится в виде алюмогидрида лития Li [Al H4], а в качестве катализатора присутствует в 10 раз большее количество никелевого порошка, общая масса топливной смеси Ni + Li [Al H4] составит 17,4 тонны. За год на блоке с ВВЭР-1000 перегружается в среднем 45 топливных сборок с загрузкой обогащённого урана по 135 кг в каждой, поэтому общая масса урана, перегружаемая за год в одном блоке ВВЭР-1000 составит свыше 6 тонн. Таким образом, массовый расход топливного порошка Ni + Li [Al H4]  в E-Cat при производстве энергии, эквивалентной одному блоку АЭС, сопоставим с расходом обогащённого урана, но при этом не требует затрат на свою переработку или хранение.    

      Оценим финансовые расходы на ядерное топливо для АЭС типа ВВЭР-1000.  Стоимость контракта на поставку 168 топливных сборок производства «Вестингауз» (Westinghouse) для Южно-Украинской АЭС, подписанного в 2008 г. составила 175 млн. долларов [7], поэтому цена одной топливной сборки приблизительно равна 1 млн$.  При годичной длительности цикла между перегрузками в реакторе число перегружаемых урановых сборок составляет ~45 ТВС [8], что в стоимостном выражении составит около  45 млн$ в год. Если пересчитать вклад стоимости топливных сборок в цену за кВт*час произведённой электроэнергии, то получится ~0,5 цента за каждый кВт*час.

      Так же оценим топливную составляющую цены производства энергии для реакторов Росси. Стоимость алюмогидрида лития составляет ~20 тыс. рублей за килограмм (322$) [9], а стоимость никелевого порошка ~2.5 тыс, рублей [10], тогда стоимость смеси топливного порошка составит 4250 руб/кг (68,5 $/кг). При этих ценах 17,4 тонн топливного порошка Ni + Li [Al H4] обойдутся в 1,2 млн$, что в 40 раз ниже, чем стоимость эквивалентного уранового топлива. Если пересчитать вклад стоимости топливного порошка в цену произведённой парогенераторами электроэнергии, то с учётом КПД получится ~0,014 цента за каждый кВт*час.

      Конечно, в приведённых выше оценках стоимости производимой энергии отсутствуют основные её составляющие -  стоимость самих установок, амортизационные отчисления, расходы на эксплуатацию и утилизацию, стоимость переработки радиоактивных отходов (в реакторах Росси их нет!) и так далее, но очевидно, что подтверждение полученных параметров энерговыработки при эксперименте в Лугано на реальных установках E-Cat приведёт очень существенным изменениям в мировой энергетике.

        И последнее. Появление реакторов Росси на рынке позволит изменить не только саму энергетику как отрасль, а сделает среду обитания человека независимой от протянутых линий электропередач, что особенно интересно в приложении к нашим сибирским необжитым просторам.

Список источников

Виталий Узиков,