Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

планета уже в будущем столетии станет непригодной для жизни; что на Земле сейчас освоено 55 % годных к обработке почв и 15 % пресных вод и что она способна прокормить и согреть лишь в три раза больше людей, чем теперь.

Человек впервые сталкивается с проблемами такого глобального, по существу космического, масштаба, и никто не может предсказать, как он с ними справится. Одно несомненно: прежде всего ему предстоит решить проблему энергии, поскольку во все времена — от первого костра до атомной электростанции — на ее добывание человек затрачивал примерно треть усилий. Уже сегодня ясно, что без ядерной энергии эту проблему не решить. И если бы наука нуждалась в оправданиях, одного этого открытия с нее было бы довольно.

АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Современная атомная электростанция (сокращенно АЭС) — довольно сложное инженерное сооружение высотой в десятиэтажный дом. Она состоит из двух частей: ядерного реактора, в котором выделяется энергия деления ядер, и парогенератора, который превращает эту тепловую энергию в электрическую. Сердце АЭС — ядерный реактор. Разработаны десятки их разновидностей: уран-графитовые, водо-водяные, на тяжелой воде, на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах и т. д. Все они жгут одно и то же топливо — уран (естественный или обогащенный изотопом 235U), а их различия обусловлены выбором замедлителя нейтронов, теплоносителя парогенератора, степенью обогащения ядерного топлива и т. д.

Уран-графитовые реакторы ничем принципиально не отличаются от первых реакторов Ферми и Курчатова. Например, реактор мощностью в тысячу мегаватт (или один гигаватт) — это графитовый цилиндр весом 600 т, высотой 7 м и диаметром 12 м, в котором просверлено около 2 тысяч вертикальных каналов диаметром 15 см. Около 100 каналов занято управляющими стальными стержнями с добавкой бора, а в остальные каналы помещено примерно 200 т урана, расфасованного в длинные стержни — тепловыделяющие элементы — ТВЭЛы, собранные из таблеток окиси урана UO2, обогащенного до 1,8 % изотопом урана-235. (Цель обогащения понятна: чем больше сухих дров добавлено в костер из сырых поленьев, тем устойчивее он горит.) Кроме того, по трубам, проведенным сквозь толщу реактора, прогоняется вода при температуре 300 °C и давлении 150 атмосфер, которая отводит тепло в парогенератор и обеспечивает работу мощных паровых турбин — электрогенераторов. Температура графита в работающем реакторе — около 700°C, температура ТВЭЛов — около 2000 °C.

Еще проще идея водо-водяных реакторов (ВВР): по существу, это просто большой бак с водой, в которую погружены ТВЭЛы и регулирующие стержни. В таком реакторе вода является одновременно и замедлителем и теплоносителем. Для работы такого реактора его ТВЭЛы должны быть изготовлены из обогащенного урана с добавкой около 3 % урана-235. Поразительна концентрация энергии в таком реакторе: в баке с водой размером с обычную железнодорожную цистерну в секунду вырабатывается энергия, которая в 100 раз превышает среднюю мощность вулкана и равна половине мощности Братской ГЭС.

Конструктивное воплощение этой идеи, конечно, не так просто: надо предотвратить заражение окружающей местности радиоактивными осколками деления (для этого нужна сложная система фильтров), надо защитить работающих на станции от радиоактивных излучений (для этого вокруг реактора воздвигают бетонную защиту толщиной в три и более метра), наконец, надо обогащать уран и изготавливать ТВЭЛы. Тем не менее уже сейчас стоимость электроэнергии, вырабатываемой на АЭС, ниже стоимости электричества тепловых станций, а в дальнейшем это различие станет еще более ощутимым: органическое топливо на Земле быстро истощается.

Не менее важное преимущество АЭС — их минимальное воздействие на биосферу. АЭС мощностью в 1 ГВт (1 ГВт = 109 Вт) «сжигает» всего около 1 кг урана-235 в день. Даже с учетом того обстоятельства, что вес расходуемого урана составляет 2 — 3 % от общего веса урана, это все-таки много меньше, чем эшелон нефти или угля в день, необходимый для работы тепловой станции равной мощности. Ясно, что при этом во столько же раз снижается объем горных выработок и транспортные расходы.

Много написано об экологической безопасности атомных станций, и это действительно так. Риск погибнуть от радиации в окрестностях АЭС меньше, чем опасность быть убитым молнией или крупным метеоритом. Тепловые станции в этом отношении много вреднее: в каждой тонне угля содержится примерно 80 г урана, поэтому радиоактивность шлейфов дыма мощных ТЭЦ в сотни раз превышает выбросы АЭС, не говоря уж о том, что сернистый газ этого дыма со временем уничтожает в округе все леса и живность.

И все же люди инстинктивно сопротивляются строительству АЭС, по этому поводу устраиваются референдумы и демонстрации, уходят в отставку правительства. Причина этого явления — не только в неосведомленности большей части людей относительно природы атомной энергии: как правило, они отождествляют ее с атомной бомбой. По-видимому, эмоциональное неприятие атомной энергии сродни тем многочисленным психологическим феноменам человеческого сознания, которые часто побуждают нас к поступкам, явно противоречащим нашим же целям. К примеру, многие горожане мечтают жить в тишине, но мало кто из них пожелает поселиться в заброшенном замке — даже если он не верит в привидения и вампиров. Но независимо от капризов психологии логика жизни побеждает: на пепелище Хиросимы вновь выросли дома и рождаются дети. И даже трагедия Чернобыля не может надолго изменить логику развития атомной энергетики: у человечества нет пока другой длительной перспективы выжить. Атомную энергию невозможно теперь «закрыть». Точно так же нельзя упразднить автомобили, корабли и самолеты несмотря на то, что каждый год десятки и сотни тысяч людей, к сожалению, тонут в кораблекрушениях, гибнут в авто- и авиакатастрофах.

Грядущие проблемы энергетики без атомной энергии решить невозможно — с этим теперь согласны почти все. Но как надолго хватит «уранового топлива»? В каждом грамме земной породы содержится в среднем 3,5·10-6 г урана, то есть 3·10-8 г урана-235. В пересчете на энергию деления это составляет 600 кал, то есть всего лишь в 10 раз меньше, чем химическая энергия, заключенная в грамме угля. Кстати, в 1 г угля урана больше, а именно 0,8·10-4 г, и при сгорании он большей частью остается в золе, которая составляет 20 % от веса исходного угля. Легко сосчитать, что в каждом грамме золы запасено около 60 ккал энергии деления урана-235, то есть примерно в 10 раз больше, чем энергия сгорания самого угля. Таким образом, земля под ногами — это сплошное месторождение ядерного топлива, и нужно только научиться его оттуда извлекать.

Во всем мире считаются рентабельными месторождения с содержанием урана больше чем 10