Страница 8 из 56
Третий и, по-видимому, наиболее перспективный и реализуемый уже в ближайшем будущем путь ядерной энергетики — это «электрояд». Представьте себе большой, толстый кусок какого-либо вещества, в который бьет пучок разогнанных ускорителем протонов. Столкнувшись с одним из ядер мишени, протон расщепляет его, из ядра вылетает веер протонов, нейтронов, вновь родившихся частиц мезонов, а само ядро остается в сильно перегруженном энергией «горячем» состоянии. Подобно тому, как капля нагретой жидкости охлаждается, испуская частички пара, ядро тоже переходит в свое основное, «холодное» состояние, испаряя свои частицы, а иногда, если оно тяжелое, делится на два дочерних ядра-осколка, тоже горячих и теряющих свою энергию путем испарения. Образовавшиеся в первом ядерном столкновении частицы, в свою очередь, дробят следующие ядра, и Так далее. Внутри облучаемого блока образуется лавина, каскад постепенно замедляющихся частиц. Протоны и мезоны быстро выходят из игры — мезоны распадаются, протоны превращаются в атомы водорода. А вот нейтроны продолжают еще долго гулять внутри вещества — первичный, бомбардирующий вещество протон превращается в интенсивный поток низкоэнергетических нейтронов.
Представим теперь, что место бруска-мишени занял атомный реактор, но не обычный, работающий на атомных электростанциях, а так называемый подкритический, в котором ядерного топлива немножко не хватает и цепная реакция сама по себе не идет. Стоит, однако, дать в такой реактор подсветку нейтронами (для этого как раз и нужен пучок рождающих их протонов), как он сразу же выходит на критический режим с цепной реакцией. Такие управляемые ускорителями реакторы безопасны. Не требуется никаких — ни медленных, ни быстрых — регулирующих стержней. Все управление берут на себя мгновенно действующие электрические импульсы ускорителя. Если нужно, снижается ток ускорителя и реактор немедленно возвращается в исходное подкритическое состояние, увеличивается ток ускорителя — реактор включается. Без ускорителя он работать не может.
Конечно, на ускорение пучка бомбардирующих частиц затрачивается электроэнергия, но расчеты и опыт говорят, что для этого достаточно лишь небольшой доли той энергии, которую вырабатывает реактор. Основная ее часть, как и на обычных АЭС, подается потребителям в виде электрического тока или по трубам теплоцентралей в виде горячей воды и пара[3 Статистика говорит, что для получения горячей воды, пара и тепла сегодня затрачивается более половины всей производимой в мире энергии. Это сотни миллионов тонн угля, огромные площади сожженных лесов.]. И вот что самое важное: выделяющейся в реакторе энергии хватает и на то, чтобы выжечь все накапливающиеся там долгоживущие радиоактивные шлаки, превратить их в более легкие и короткоживущие, а частично даже вообще в стабильные, нераспадающиеся далее ядра. Отпадает нужда в строительстве дорогостоящих, тщательно изолированных, долговременных радиационных могильников. Более того, можно переработать и те горы шлаков, которые уже накоплены атомной промышленностью.
Идея электроядерного метода, объединившая две основные атомные технологии XX века — ускорительную и реакторную, была высказана еще полвека назад, однако потребовались десятилетия теоретических расчетов, экспериментов и инженерных разработок, для того чтобы сделать ее экономически выгодной. Лишь с помощью сильноточных ускорителей, дающих мощные пучки высокоэнергетических частиц, а их научились строить совсем недавно, можно достаточно далеко отойти от уровня критичности и использовать по-настоящему безопасные глубоко подкритические системы. Сегодня речь идет уже о строительстве опытно-промышленных электроядерных станций — источников энергии и трансмутаторов (переработчиков) радиоактивных шлаков. Подобно тому как это было с первой атомной электростанцией в Обнинске, они позволят отработать технологию и проложат пути для следующих, более мощных электроядерных блоков.
Электроядерные бридеры
Из каждого килограмма добываемого урана атомный реактор использует всего лишь семь граммов. Таково содержание в природном уране изотопа 235U, который только и делится в процессе цепной реакции. Все остальное — изотоп 238U, идущий в отвал. Правда, если содержание изотопа 235U в реакторе увеличить в несколько раз, то цепную реакцию можно осуществить и в таком режиме, когда ядра 23&U тоже будут делиться. Более того, часть их станет превращаться в ядра другого, легко делящегося химического элемента — плутония 239Pu. Однако в сильноточной электроялерной установке (ее в этом случае называют бридером — размножителем) этот процесс протекает намного быстрее и безопаснее. Наработанный таким образом плутоний можно использовать в качестве ядерного горючего в реакторах деления, не имеющих «ускорительной приставки».
Бридерная технология гарантирует, что после того как будут исчерпаны запасы природного углеводородного топлива, энергетический голод нашей планете не грозит в течение по крайней мере нескольких тысяч лет. Разведанных запасов урана хватит надолго.
Сегодня еще трудно сказать, как станет развиваться электроядерная энергетика — путем создания относительно компактных систем «один ускоритель + один реактор» или же начнут создаваться узловые станциибридеры с мощными ускорителями, которые будут снабжать легкоделящимся плутониевым топливом дочерние реакторы деления и одновременно перерабатывать их радиоактивные отходы. На первых порах, наверное, будет использоваться первый путь — он более простой и пока более дешевый.
До недавнего времени оценки показывали, что производство электроядерного электричества обойдется на тридцать — сорок процентов дороже, чем на обычных АЭС. В основном из-за высокой стоимости еще плохо освоенных сильноточных ускорителей. Однако недавно эти оценки были пересмотрены группой западноевропейских специалистов, работающих под руководством нобелевского лауреата К. Руббиа. По их подсчетам, стоимость «электроядерной энергии» с учетом новых технологий должна быть вдвое ниже, чем на действующих АЭС, и значительно дешевле, чем на угольных и газовых электростанциях, не говоря уже о несравненно большей экологической чистоте. С точки зрения рынка фактор двойка — это очень серьезно, ведь в конечном счете все определяется экономической эффективностью. Вместе с высокой степенью безопасности электроядерных АЭС это дает основания утверждать, что к атомной энергетике приходит второе дыхание. Именно этим и вызван сегодня большой интерес ученых и практиков — физиков, энергетиков, экономистов — к электроядерному методу.
Уран или торий?
Кроме урана, цепная реакция деления может протекать еще и в тории. Правда, деление его происходит не столь интенсивно, и выход электроэнергии на один бомбардирующий протон в электроядерной установке будет приблизительно на тридцать-сорок процентов меньше. Зато в ториевых реакторах образуется значительно меньше долгоживущих радиоактивных шлаков, а вместо плутония образуется элемент 233U. Он легкоделящийся, и Подобно плутонию его в принципе тоже можно использовать в качестве атомной взрывчатки, однако выделить его из сложной смеси радиоактивных изотопов чрезвычайно трудно. Так что, какая ветвь электроядерной технологии предпочтительнее, урановая или ториевая, это требует еще изучения.
Можно предполагать, что первая опытно-промышленная электроядерная АЭС с трансмутацией ядерньгх отходов будет построена в ближайшие пять — десять лет. Принципиальных препятствий туг нет, все трудности технического характера, хотя и весьма значительные. Впрочем, кое- что уже наработано и давно используется, например, на наших атомных подводных лодках. Недавно лос-аламосская атомная лаборатория США заказала Физико-энергетическому институту в Обнинске, где была разработана свинцово-висмутовая технология охлаждения для подводных лодок, изготовить мишень для электроядерной установки.