Искатель. 1966. Выпуск №5

Отто Фриш ОБ ЗФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГОЛЬНЫХ СТАНЦИЙ

Нижеследующая статья из ежегодника Института по использованию источников энергии за 4995 год публикуется для ознакомления широких кругов читателей с новыми данными, важными в настоящий момент в связи с угрозой истощения запасов урана и тория в горнорудной системе Земля — Луна.

В связи с недавним открытием угля (черные окаменевшие растительные остатки) во многих районах Земли возникают интересные возможности для получения энергии от реакции деления. В некоторых местах, где были обнаружены месторождения угля, имеются несомненные признаки их эксплуатации доисторическим человеком. По всей вероятности, уголь использовался в те времена лишь для женских украшений и окраски лица при различных племенных церемониях.

Энергетические возможности угля зависят от его способности легко окисляться — при этом достигается высокая температура и выделяется энергия, равная примерно 0,0000001 мегаваттдням/грамма. Это, конечно, невысокий энергетический показатель, но при добыче угля в больших масштабах этот недостаток будет компенсирован.

Главное преимущество угля — это то, что его критическая масса намного меньше, чем у любого ядерного горючего. Известно, что атомные станции неэкономичны при мощностях меньше 50 мегаватт; угольные же станции могут быть эффективно использованы в районах с малым потреблением энергии.

Труднее всего оказалось получить свободную, но управляемую подачу кислорода к топливным элементам. Кинетика реакции уголь — кислород намного сложнее кинетики деления атомного ядра и до сих пор не раскрыта. Получено дифференциальное уравнение, аппроксимирующее процесс протекания этой реакции, но его решение пригодно только для простейших случаев.

Реакционный сосуд предлагается выполнить в виде двух концентрически встроенных цилиндров. Внешний цилиндр должен быть выполнен с перфорациями для выхода продуктов сгорания. Перфорации внутреннего цилиндра служат для подачи кислорода к топливным элементам, расположенным между внешним и внутренним цилиндрами.

По всей вероятности, топливные элементы для угольных реакторов будет легче производить, чем для ядерных. Элементы из угля не требуется и нецелесообразно покрывать оболочкой, поскольку это препятствовало бы проникновению кислорода. Расчеты решеток различной конфигурации показали, что будет наилучшей в эксплуатации самая простая решетка с плотной упаковкой из разных сфер. В настоящее время проводятся расчеты на вычислительных машинах по определению оптимального размера сфер и возможных допусков.

Уголь мягок и легко обрабатывается, так что производство угольных сфер не представит большого труда.

Чистый кислород, безусловно, является идеальным окислителем, но его использование потребует больших затрат. Предлагается применять в угольных реакторах просто воздух. Однако воздух содержит 78 процентов азота, и даже небольшая доля этого газа в соединении с углеродом угля образует высокотоксичный газ цианоген, очень вредный для здоровья человека (см. ниже).

Для получения реакции требуется довольно высокая температура (примерно 530 градусов). Такой температуры легче всего достичь, пропустив между внешним и внутренним цилиндрами электрический ток (торцевые крышки при этом должны быть выполнены из изоляционной керамики). Для пропускания тока в несколько ампер при напряжении примерно в 30 вольт потребуются мощные аккумуляторные батареи, а это значительно повысит стоимость всего агрегата.

Скорость протекания реакции регулируется подачей кислорода. Этот метод так же прост, как и метод использования регулирующих стержней в обычных атомных реакторах.

Стены угольного реактора должны выдерживать высокие температуры (превышающие намного 500 градусов) в среде, состоящей из кислорода, азота, окиси и двуокиси углерода, с примесью двуокиси серы и других еще не установленных нами компонентов. Таким тяжелым условиям могут противостоять лишь немногие металлы и материалы из металлокерамики. Ниобий с тонким никелевым покрытием может оказаться приемлемым, однако вероятнее всего применение чистого никеля. Из керамики наиболее подходящим, пожалуй, окажется сплав окиси тория.

Главная опасность для здоровья человека связана с удалением продуктов сгорания. В них содержится не только окись углерода и двуокись серы (оба химических продукта высокотоксичны), но и большое количество канцерогенных компонентов, как-то: цинатрин и др. Выпуск в атмосферу продуктов сгорания исключается, так как при этом допустимая доза в радиусе нескольких километров от реактора будет превышена.

Следовательно, газовые отходы необходимо собирать в соответствующие контейнеры, которые следует подвергать затем химическому обезвреживанию. Рационально смешивать газовые отходы с водородом для заполнения особых шаров огромных размеров и выпускать их в воздушное пространство.

Твердые отходы придется удалять часто, по-видимому, не реже одного раза в сутки. Использование обычного оборудования с дистанционным управлением сведет к минимуму опасность для здоровья, связанную с операцией удаления отходов. Твердые отходы предполагается вывозить в море и затапливать.

Существует опасность, весьма маловероятная, что реактор расплавится при выходе из-под контроля системы подачи кислорода, и тогда выделится значительное количество ядовитых газов. Это один из серьезных доводов против строительства угольных станций и за атомные, полная безопасность которых подтверждена их эксплуатацией в течение нескольких тысяч лет. По всей вероятности, потребуется еще несколько десятков лет на создание достаточно надежной системы регулирования угольных реакторов.