Знание-сила, 1997 № 02 (836)

Электрояд - второе дыхание атомной энергетики

Недавно, одна за другой, состоялись пять больших международных конференций — в подмосковных атомградах Дубне и Обнинске, в шведском Калмаре, рядом с которым расположена атомная электростанция, в Праге и Барселоне. Все они были связаны с обсуждением различных аспектов так называемого электроядерного способа производства энергии, слившего воедино две основные атомные технологии XX века — ускорительную и реакторную. Но ведь сама по себе идея «электрояда» далеко не нова — она обсуждается уже несколько десятков лет[¹ Подробнее об этом — в статье автора «Постскриптум семнадцать лет спустя» // «Знание — сила».— 1994 - № 7.]. Чем же вызван теперь такой острый интерес к ней?

Сегодня семнадцать процентов мирового производства электроэнергии приходится на атомные электростанции. В некоторых странах доля атомного электричества значительно больше. Например, наша северная соседка Швеция производит на атомных станциях половину всей своей электроэнергии. Франция — уже около трех четвертей. В Китае недавно принята программа увеличения в пять — шесть раз вклада атомных электростанций. Заметную, хотя пока и не определяющую роль атомные электростанции (АЭС) играют в США и в нашей стране.

Сорок лет назад, когда дала ток первая атомная станция в мало кому известном в то время городке Обнинск, многим казалось, что атомная энергетика — вполне безопасная и экологически чистая. Авария на американской АЭС в Тримейл Айленде, а затем катастрофа в Чернобыле показали, что на самом деле атомная энергетика сопряжена с большой опасностью. Люди напуганы. Общественное сопротивление сегодня таково, что строительство новых АЭС в большинстве стран практически остановлено. Исключение составляют лишь восточноазиатские страны — Япония, Корея, Китай, где атомная энергетика продолжает быстро развиваться.

Сами физики, хорошо знающие сильные и слабые стороны реакторов, смотрят на атомную опасность более спокойно. Накопленный опыт и новые технологии позволяют строить реакторы, вероятность выхода которых из-под контроля хотя и не равна нулю, тем не менее крайне мала. На атомных предприятиях строжайший контроль радиации в помещениях и в каналах реакторов. Сменные комбинезоны, специальная обувь, автоматические детекторы излучений, которые ни за что не откроют шлюзовые двери, если на вас есть хотя бы небольшие следы радиоактивной «грязи». На атомной электростанции в Швеции, где чистейшие пластиковые полы и непрерывная очистка воздуха в просторных помещениях, казалось бы, исключают даже мысль о сколь-нибудь заметном радиоактивном заражении, мне пришлось дважды менять тапочки, пока контрольный прибор позволил выйти наружу.

Безопасность атомных электростанций —- важный вопрос, но, как любил говорить Эйнштейн, сегодня у нас нс тот ботинок жмет. Атомных энергетиков больше беспокоит другая проблема — куда девать быстро растущие горы радиоактивных отходов атомной промышленности?

Мы живем в океане радиоактивности — космические лучи, радиоактивное излучение почвы и стен домов. Испускающие радиацию газы присутствуют даже в хрустально чистом горном воздухе. Вместе с тем измерения показывают, что на долю искусственной или, как говорят, техногенной радиоактивности, связанной с военным и мирным использованием атомной энергии, приходится всего только два — три процента. Казалось бы, очень немного, но это — в среднем. В зоне Чернобыля или, например, для персонала, связанного с ядерными исследованиями на реакторах и ускорителях, радиационная нагрузка значительно больше. А самое важное то, что вклад техногенной радиоактивности все время возрастает и может стать определяющим. В долговременном плане это приведет к росту онкологических заболеваний, породит генетические мутации, сказываясь на здоровье будущих поколений[² Однако радиационная опасность не должна вызывать панического страха, как это было у нас сразу после чернобыльской катастрофы. Проходившая в апреле 1996 тогда в Вене конференция «Десятилетие после Чернобыля: оценка последствий аварии», в которой пришли участие свыше тысячи экспертов различных специальностей, констатировала, что наиболее значительным последствием для здоровья, вызванным радиационным излучением, является рост заболеваний раком щитовидной железы у детей в результате выпадения осадков из первоначального радиоактивного облака. Однако конференция пришла также к выводу о том, что пока не наблюдается заметного роста лейкемии или других заболеваний крови и что, за исключением значительного числа симптомов, связанных со стрессом, первичные показатели здоровья в загрязненных и радиационно чистых районах схожи между собой. Поразительно, но факт! Правда, есть опасения, что отрицательные последствия проявятся в последующих поколениях.].

Если не считать Китая и Франции, до последнего времени продолжавших подземные атомные взрывы, испытания атомного оружия прекращены. Будем надеяться, что вскоре удастся договориться о полном запрете на атомные взрывы, так что этот канал радиоактивного отравления будет наглухо закрыт. Однако остается другой канал — радиоактивные отходы атомных электростанций, которые накапливаются в результате деления ядер урана. Хотя большая часть образующихся при этом изотопов распадается за несколько десятков лет и даже быстрее, вместе с ними рождается некоторое количество долгоживущих ядер, которые дают радиоактивные излучения («светят») даже спустя многие тысячи лет. Вот они-то и вызывают беспокойство атомщиков.

О том, как можно было бы избавиться от радиоактивных ишаков, речь шла на конференциях в Дубне и в расположенном поблизости от шведской АЭС городке Калмар. Рассматривались самые различные предложения, вплоть до, казалось бы, совершенно фантастических. Проблема настолько важная, что нельзя пренебрегать ничем.

Нужно сказать, что устраивают конференции не только для того, чтобы послушать доклады ведущих специалистов, они также — прекрасный случай для личных встреч, обмена мнениями, обсуждения еще не созревших идей. Не обходится и без розыгрышей. На этот раз досталось одному из молодых российских физиков. Он впервые выехал за границу и для него все было в новинку, в том числе и пакетик конфет, который он обнаружил, поселившись в гостинице. На утро его спросили:

— Ты видел пакетик с пилюлями на подушке?

— Конечно — ириски, я их съел.

— Боже, что ты сделал* Это ведь — противозачаточные пилюли, потому и лежали на подушке* Ты что — сразу все?

— Да.., я же не знал...

— Немедленно беги в аптеку и проси противоядие!

И только когда вконец растерявшийся новичок, отставив чашку с недопитым кофе, торопливо направился к выходу, раздался дружный хохот. Впрочем, через несколько минут потерпевший смеялся громче всех.

И в Дубне, и в Калмаре детально обсуждалась старая идея физиков- реакторщиков переработать долгоживущие радиоактивные изотопы в ядра с меньшим временем жизни с помощью ядерных реакций, протекающих в самих реакторах, если эксплуатировать последние в особом режиме. Казалось бы, чего проще, и никакого дополнительного оборудования не нужно. К сожалению, различие скоростей наработки новых и переработки уже образовавшихся долгоживущих изотопов невелико, и, как показывают расчеты, положительный баланс наступит лишь примерно через пятьсот лет. До этого времени человечество «утонет» в горах радиоактивных отходов. Другими словами, сами себя реакторы излечить от радиоактивности не могут.

Радиоактивные шлаки можно изолировать в специальных толстостенных могильниках. Беда вот только в том, что такие захоронения должны быть рассчитаны, по крайней мере, на сотню тысяч лет безопасного хранения. А как предугадать, что может случиться за такой огромный период?

Чудищ можно не только приручить, но и объединить — идея, воплощенная в древней статуе бога- громовника из Междуречья, возможно, свяжет воедино две основные атомные технологии XX века.

Как бы там ни было, хранилища отработанного ядерного топлива должны располагаться в таких местах, ще заведомо исключаются землетрясения, смещения или разломы грунтовых пластов и тому подобное. Кроме того, поскольку радиоактивный распад сопровождается разогревом распадающегося вещества, спрятанные в могильнике шлаки нужно еще и охлаждать. При неправильном режиме хранения может произойти перегрев и даже взрыв горячих шлаков.

В некоторых странах хранилища особо опасных в экологическом отношении шлаков долгоживущих изотопов располагаются под землей на глубине в несколько сотен метров, в окружении скальных пород. Контейнеры со шлаками снабжают толстыми антикоррозийными оболочками, многометровыми слоями глины, препятствующей просачиванию грунтовых вод. Недавно я побывал в одном из таких хранилищ, которое строится в Швеции на полукилометровой глубине. Это — сложное инженерное сооружение с разнообразной контрольной аппаратурой. Его будут обслуживать семьдесят пять специалистов — целая рота!

Интересно, что на такой огромной глубине бурлит ручей соленой воды. Геологи утверждают, что это — реликтовая вода, просочившаяся сюда в незапамятные времена и никогда не покидающая подземное царство. Однако, когда слышишь шум живого, бегущего ручья, то, несмотря на уверения геологов, трудно отделаться от мысли о том, что все же существует какой-то обмен с поверхностью...

Строители говорят, что уверенность в надежности таких сверхглубоких радиоактивных могильников вселяет в них то, что в Канаде на глубине 430 метров обнаружено рудное тело объемом свыше миллиона кубометров с огромным, пятидесяти пяти процентным содержанием урана (обычно руды содержат проценты или даже доли процента этого элемента). Это уникальное рудное образование, возникшее в результате осадочных процессов примерно 1,3 миллиона лет назад, окружено слоем глины толщиной в разных местах от пяти до тридцати метров, который действительно накрепко изолировал уран и продукты его распада. На поверхности над рудным телом и в его окрестностях нет никаких следов ни повышения радиоактивности, ни увеличения температуры. Однако как будет в других местах и при других условиях?

Кое-где радиоактивные шлаки остекловывают, превращая в прочные монолитные блоки. Хранилища снабжаются специальными системами контроля и отвода тепла. В качестве оправдания можно опять сослаться на естественный феномен. В Экваториальной Африке, в Габоне, около двух миллионов лет назад случилось так, что вода и урановая руда собрались в созданной самой природой каменной чаше внутри скальных пород и в такой пропорции, что получился естественный, «без всякого участия человека», атомный реактор, и там в течение некоторого времени, пока не выгорел скопившийся уран, работала цепная реакция деления. Образовывался плутоний и те же радиоактивные осколки, как и в наших искусственно созданных атомных котлах. Изотопный анализ воды, почвы и окружающих горных пород показал, что радиоактивность осталась замурованной и за два миллиона прошедших с тех пор лет ее диффузия была незначительной. Это позволяет надеяться, что остеклованная радиоактивность в ближайшую сотню тысяч лет тоже останется наглухо изолированной.

Иногда шлаки замуровывают в глыбы особо прочного бетона, которые сбрасываются в океанские глубины, хотя, согласитесь, это далеко не лучший подарок нашим потомкам...

В последнее время всерьез обсуждается возможность забрасывать контейнеры с долгоживущими изотопами с помощью ракет на невидимую обратную сторону Луны. Вот только как обеспечить стопроцентную гарантию, что все запуски будут успешными, ни одна из ракет-носителей не взорвется в земной атмосфере и не засыплет ее смертоносным пеплом? Что бы ни говорили ракетчики, риск очень велик. Да и вообще мы не знаем, для чего понадобится обратная сторона Луны нашим потомкам. Было бы крайне легкомысленно превратить ее в убийственную свалку.

А радиоактивных шлаков на АЭС образуется немало. Например, в Швеции, энергетика которой, как упоминалось, на пятьдесят процентов атомная, к 2010 году накопится примерно двести тысяч кубометров требующих захоронения радиоактивных отходов. Пятнадцать процентов из них содержат долгоживущие изотопы, не выгоревшие в атомных реакторах остатки концентрированного ядерно го горючего и требуют особо тщательного хранения. Это объем концертного зала и только лишь для одной маленькой Швеции! Как видим, есть от чего болеть голове у атомщиков.

Одна из них — использование реакции деления, о которой уже шла речь. Вторая — термоядерная реакция, когда ядра двух разновидностей тяжелого водорода (стабильный, нераспадающийся дейтрон и радиоактивный тритий) объединяются в одно Ядро инертного газа гелия, а оставшийся лишним нейтрон поглощается внутри вещества, передавая ему свою энергию. К сожалению, при этом тоже образуются радиоактивные изотопы, а самое главное — для изготовления быстро распадающегося трития нужны все те же атомные реакторы деления. В этом отношении термоядерный путь ничуть не лучше, не чище реакторного. Правда, тяжелый водород — тритий — можно заменить легким изотопом гелия. В этом случае лишним оказывается уже не нейтрон, а заряженный протон, который своим электрическим зарядом интенсивно взаимодействует с электронами атомов окружающего вещества. Быстро растратив свою энергию, он захватывает один из соседних электронов и превращается в атом обыкновенного, безвредного водорода. Хотя на Земле легкого гелия практически нет, его много в поверхностных слоях Луны, где он образовался в ядерных реакциях под действием космических лучей, бомбардирующих нашу космическую соседку уже в течение миллиардов лет. У нее нет атмосферы, задерживающей космические частицы на Земле, и они без помех дробят атомные ядра ее поверхности. Возможно, добыча и транспортировка лунного гелия станут основой экологически чистой термоядерной технологии будущего, но пока это область научной фантастики, хотя и не очень далекой от реального воплощения.

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.

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.

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.

Поскольку электроядерные эксперименты весьма громоздки и дороги, физиками международного института в Дубне создана математическая модель электроядерной установки. С ее помощью можно заменить реальный эксперимент несравненно более дешевым математическим — на вычислительных машинах. Таким способом сегодня изучаются свойства слоистых подкритических реакторов- сэндвичей. Расчеты говорят; промежуточные слои в них можно подобрать так, что интенсивность цепной реакции возрастет во много раз.

В общем, тут есть еще над чем поработать инженерам и физикам! •