VIVOS VOCO: В.И. Субботин, "ЭНЕРГОИСТОЧНИКИ В XXI ВЕКЕ"

ЭНЕРГОИСТОЧНИКИ В XXI ВЕКЕ

В.И. Субботин

Субботин Валерий Иванович - академик, советник Президиума РАН.

Прошедшее столетие было для России трагичным: Первая мировая война, революция, гражданская война, коллективизация, репрессии 30-х годов, Вторая мировая война. Несмотря на все это, в Советском Союзе бурно развивались наука, техника и технологии. Если в США ядерная бомба была создана при активном участии ученых экстракласса - эмигрантов из Европы, - то в Советском Союзе ученые, получив некоторую информацию через спецслужбы, сами создали ядерное, а затем термоядерное оружие. Были построены средства доставки оружия - межконтинентальные ракеты, атомные подводные лодки. Благодаря паритету в ядерном оружии и в средствах его доставки на Земле в течение полувека не было мировых войн.

Создание ядерного оружия в Советском Союзе не имело аналогов в истории. Все ресурсы, людские и материальные, были направлены на скорейшее решение этой проблемы. Особую роль в решении этой национальной сверхзадачи сыграл И.В. Курчатов - он оказался на своем месте в нужное время, что случается крайне редко. Курчатов не был одинок, с ним вместе трудились выдающиеся ученые, инженеры, технологи, организаторы производства, хозяйственники. К 1949 г., когда была испытана первая советская атомная бомба, все они были в возрасте от 30 до 50 лет. По каким-то причинам людей, равноценных им по интеллекту, работоспособности, целеустремленности, в наше время нет.

* * *

M. Волошин писал: "Огонь зажженного костра оповестил зверей о человеке". С этого момента человек уже не мог обходиться без энергоисточников. Вся история Homo Sapiens размещена между первым костром, сознательно зажженным первобытным человеком, и ядерной реакцией, зажженной нашими современниками в XX столетии.

Дрова долгое время служили главным источником тепла как в быту, так и в промышленности. До сих пор во многих странах для отопления жилья и приготовления пищи используются дрова и сельскохозяйственные отходы. Промышленная революция, заменившая ручной труд на работу машин, не могла произойти без интенсивного использования энергоисточников. В сельском хозяйстве машины практически полностью вытеснили труд животных. Потребовались нефтепродукты, а не корма для животных, не нужны стали и сами животные как рабочая сила.

С развитием человеческого общества потребление энергии непрерывно росло. Осваивались новые виды энергоисточников: ветер, текущая вода, каменный уголь, нефть, природный газ, ядерная энергия, то есть источники со все большим содержанием энергии, требующие все более сложных сооружений для ее высвобождения.

Сейчас человечество использует для своих нужд

• углеводородное топливо, которое включает концентрат солнечной энергии предыдущих геологических эпох (нефть, природный газ, каменный уголь, сланцы), концентрат солнечной энергии нашего времени (дрова, сельскохозяйственные отходы, торф), другие проявления солнечной энергии, в частности прямую солнечную радиацию;
• гидроэнергетику, в основе которой испарение, перенос воды в облаках и конденсация воды;
• ветроэнергию, связанную с разным прогревом поверхности Земли за счет прямой солнечной радиации;
• геотермальную энергию - проявление гравитации и радиоактивных распадов, протекающих в глубинах Земли;
• ядерную энергию - энергию деления тяжелых ядер.

Потребляется энергия в виде жидкого, газообразного, твердого топлива, электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, тепла, получаемого централизованно на электростанциях и в котельных. На электростанциях используют энергию горения газообразного, твердого и жидкого топлива, энергию текущей воды, энергию деления актиноидов, возникающих в результате ядерных реакций. Потребители энергоисточников: коммунальное хозяйство, транспорт, промышленность, добыча полезных ископаемых, сельское хозяйство.

Нефть, природный газ, каменный уголь - невозобновляемые энергоисточники. Между тем потребность в них, несмотря на все энергосберегающие программы, растет. Запасы углеводородов в природе велики, но конечны. Например, по разным оценкам нефти хватит человечеству на 20-50 лет. Запасы урана и тория - природного ядерного топлива - в литосфере также конечны. Но энергия в том количестве урана и тория, которое можно извлечь с помощью современной техники и технологии, столь велика, что ее использование снимает в принципе вопрос об энергетическом кризисе. Современная наука и техника дают возможность превращать энергию деления в тепло и электричество.

В настоящее время все возможные энергоисточники применяются с разной интенсивностью. Безопаснее, удобнее, привычнее иметь дело с жидкими нефтепродуктами. Запасов нефти в природе меньше, чем других углеводородов. Очень заманчиво широко использовать солнечную радиацию - практически неисчерпаемый энергоисточник. Однако ее интенсивность зависит от земной широты, подвержена изменению в течение суток, под влиянием погоды и времени года. Без кардинального решения вопроса энергоаккумуляции вряд ли солнечная радиация станет одним из главных энергоисточников для развивающегося человечества.

Социально-экономическое благополучие любой страны определяется количеством потребляемых энергоносителей. Последние добываются на территории данного государства для внутреннего потребления или покупаются в других странах, у которых они имеются в избытке по сравнению с потребностью. Покупают, как правило, промышленно развитые страны, при этом 20-30% первичных энергоносителей переводится на электростанциях в электроэнергию.

Основным энергоисточником в конце XX в. было углеводородное топливо: нефть, природный газ, каменный уголь. Часть электроэнергии вырабатывали на гидростанциях и атомных электростанциях. В конце XX в., когда на Земле проживало приблизительно 6 млрд. человек, добыча углеводородного топлива достигла 15 млрд. т условного топлива (у.т.) в год. Потребление углеводородного топлива в мире очень неравномерное. Так, в США на одного человека приходится 11 т у.т. в год, в Западной Европе - 8, в развивающихся странах - 1.1, или 3 кг у.т. в сутки. Для комфортного проживания одному человеку в год необходимо примерно 3 т у.т. Если взять в качестве нормы потребление в экономически развитых странах на уровне 8 т у.т. в год на одного человека, для развивающихся стран нужно еще добывать 9 млрд. т у.т. в год, доведя суммарную добычу до 24- 25 млрд. т у.т. в год. Реально ли это?

Невозможно увеличить добычу углеводородного топлива, и прежде всего нефти и газа, еще на 9 млрд. т у.т. в год, а тем более увеличить добычу топлива за счет каменного угля - самого крупного энергоисточника на Земле. Что делать, если ожидается дальнейший рост численности населения в XXI столетии?

Первый вариант: оставить все как есть. Бедные всегда будут бедными, и источниками энергии у них всегда будут сельскохозяйственные отходы.

Второй вариант: отнять у богатых. Это - революционное потрясение, войны между странами, обладающими природными богатствами, и странами, обделенными энергоисточниками и не имеющими возможности купить их на мировом рынке.

Третий вариант: развивать предельно безопасную ядерную энергетику, которая, в принципе, способна производить любое количество энергии, но только в виде электроэнергии.

Существует парадокс. С одной стороны, богатые страны имеют развитую науку и могут создавать ядерноэнергетические установки и для себя, и для продажи в другие страны. Но эти страны могут покупать традиционные энергоносители, прежде всего нефть, ядерная энергетика им не очень нужна. Представители нефтяных компаний в меру сил препятствуют проникновению в электроэнергетику больших атомных мощностей. С другой стороны, бедные страны, которым для развития крайне нужны энергоисточники, не могут себе позволить покупать углеводородное топливо на мировом рынке в нужном количестве, так как у них нет на это средств. Они не могут приобретать ядерноэнергетические установки, не могут сами их создать и даже иметь в достаточном количестве национальный эксплуатационный персонал атомных электростанций.

В экономически развитых странах доля электроэнергии во всей потребляемой энергии составляет около 30%. Увеличение этой доли в значительных масштабах маловероятно. Во Франции максимально используется ядерная энергия: 75% электроэнергии вырабатывают на АЭС. В общем энергетическом балансе страны это составляет 20-25%. Остальные 75-80% приходятся на нефть, природный газ, каменный уголь, гидроэнергетику. В США доля ядерной энергии в электроэнергетике не превышает 21%, что составляет 6.5% общего потребления энергетических ресурсов. Есть ли у США острая необходимость развивать ядерную энергетику, значительно более опасную и сложную, чем электростанции на углеводородном топливе? Вряд ли, пока существует дешевая нефть в странах Ближнего Востока. В Германии на долю ядерной энергии в электроэнергетике приходится 30%, что составляет 9% общего потребления энергоисточников. Правительство дало обещание закрыть через 20 лет все АЭС.

Отношение к ядерной энергетике сильно политизировано. Сегодня можно привести обывателю экономически развитых стран веские доводы pro et contra атомных электростанций. Цены на нефть повышаются часто только из политических соображений. Но едва интерес к ядерной энергетике возрастает, цены на нефть падают, появляются возражения против развития ядерной энергетики.

Нефть - самый универсальный источник энергии, который может быть использован во всех сферах потребления энергии. Ее можно транспортировать на большие расстояния с минимальными затратами, используя трубопроводы и танкерный флот.

Каменный уголь - экологически самый опасный источник энергии среди углеводородов. Энергетические установки, работающие на угле, значительно сложнее и дороже (при одинаковом воздействии на окружающую среду, и прежде всего на человека), чем на нефти и природном газе. Каменный уголь на месте добычи должен быть освобожден от породы. Его транспорт на большие расстояния возможен только по железной дороге. вагоны возвращаются к месту добычи пустыми, так как встречные перевозки в вагонах, предназначенных под уголь, маловероятны. Строить электростанции можно только вблизи очень крупных месторождений угля, которые могут обеспечить их работу на протяжении многих лет. Электростанции нуждаются в больших количествах воды для съема тепла от пара в конденсаторе, но редко угольные месторождения сочетаются с большим количеством воды.

Природный газ - экологически чистый энергоисточник. Его можно транспортировать по трубопроводам на большие расстояния.

Урановое топливо имеет в миллион раз большую калорийность, чем лучшие углеводородные топлива, его также можно перевозить на большие расстояния, используя даже авиационный транспорт.

Передача электроэнергии от тепловых станций, работающих на каменном угле и расположенных вблизи угольных шахт, или АЭС, размещенных для большей безопасности в пустынных районах, в промышленные центры и крупные города связана с большими трудностями, еще не преодоленными. К тому же мощные электростанции оказывают сильное воздействие на окружающую природу.

* * *

Если в XX столетии удвоение численности населения Земли произошло за 40 лет, то удвоение потребления энергетических ресурсов - за 30 лет, и к 2000 г. достигло 15 млрд. т у.т. Растет потребность в топливно-энергетических и минеральных сырьевых богатствах Земли. В США, где проживает всего 4% населения Земли, потребляется 20% мировых сырьевых ресурсов. Борьба за сырье будет обостряться.

Из мировых энергозапасов на долю России приходится 22% лесов, 32% природного газа, 12% нефти, 12% каменного угля. Россия имеет десятки огромных месторождений каменного угля, нефти, природного газа.

Нефть останется основным источником энергии еще не менее 20 лет. В настоящее время нет других энергоисточников - ни природных, ни искусственных, которые могли бы полноценно заменить нефть. Главный потребитель нефтепродуктов - интенсивно развивающийся во всем мире автомобильный транспорт. В 1999 г. в мире было добыто 3.215 млрд. т нефти. По оценкам специалистов, через 20 лет в России ее ежегодное потребление удвоится. Ожидается быстрый рост потребления нефти в Индии и Китае, в странах Азиатско-Тихоокеанского региона, где в последние годы отмечается ускоренное экономическое развитие. Двукратное увеличение потребления нефти возможно в Южной Америке.

Во всем мире запасы нефти, гарантированно извлекаемые при современной технологии добычи, оцениваются экспертами в 200-300 млрд. т. В XX в. было добыто 130 млрд. т нефти, 70-80 млрд. т может быть найдено в новых месторождениях. Среднемировой уровень извлечения нефти из недр составляет 35%, то есть 65% ее остается в недрах. В США и в Северном море внедрены передовые технологии добычи, позволяющие увеличить извлекаемость нефти до 50%. Если эти технологии будут применены везде, можно ожидать получения еще 120 млрд. т нефти. Не исключено, что на месторождениях, где уже прекращена добыча, можно будет еще извлечь нефть, используя более совершенные технологии.

Множество экономических и политических факторов влияют на количество извлекаемой нефти и ее стоимость. На Ближнем Востоке нефтеносные районы расположены на суше или на мелководном шельфе теплого моря. На небольшой глубине залегают нефтеносные пласты. Здесь самая низкая в мире средняя себестоимость добываемой нефти. Возможно, залегание нефти и на больших глубинах, чем та глубина, на которой осуществляется добыча в настоящее время. Предполагается, что на северном шельфе Азии и Америки имеются крупные нефтяные месторождения. Однако добыча нефти в морях, покрытых подвижными льдами, требует другой техники и технологии добычи и транспортировки. К тому же люди будут работать в экстремальных условиях. Станут ли эти месторождения экономически целесообразными когда-либо, пока не ясно.

Запасы природного газа в мире оценивают в 146000 млрд. м³ В 1999 г. в России было добыто 563 млрд. м³ природного газа, из них 200 млрд. пошло на экспорт, 300 млрд. - на внутренний рынок. Из 300 млрд. м³ 130 млрд. поступили на теплоэлектростанции. При добыче 550-600 млрд. м³ природного газа в год разведанные месторождения обеспечат потребности нашей страны на 80 лет. Доля природного газа в энергобалансе России составляла 40% в 1991 г. и 50% в 1999 г.

Предполагаемое обилие природного газа в недрах России отрицательно сказалось на росте потребления таких энергоносителей, как каменный уголь и нефть, на развитии ядерной энергетики. В 80-90-х годах прошлого века считалось, что природного газа очень много, он экологически и экономически выгоднее всех других энергоисточников. Угольные шахты начали закрывать как нерентабельные, инфраструктура вокруг угольных месторождений разрушалась, профессия шахтера стала невостребованной. Электростанции, работающие на каменном угле, переоборудовали под природный газ. Паровые котлы на природном газе значительно проще по своей конструкции, чем котлы, в которых сжигается каменный уголь.

Однако период газовой эйфории скоро закончился. В конце 90-х годов XX столетия появились заявления, что количество природного газа, подаваемого на теплоэлектростанции, будет сокращено. Вновь ТЭЦ надо переводить на сжигание каменного угля, предварительно освобождая его от сопутствующей породы, то есть обогащать уголь, восстанавливать транспорт угля, склады угля при ТЭЦ, всю инфраструктуру вокруг угледобывающих комплексов. Новые ТЭЦ с котлами, где сжигается каменный уголь, должны отвечать современным требованиям экологии. Угольную пыль нельзя выбрасывать в атмосферу.

Наметившийся в последнее время в России рост промышленности уже сдерживается нехваткой электроэнергии. Стране, разоренной вследствие неумелого реформирования, ошибка в прогнозах обойдется весьма дорого. По мнению специалистов, в случае благоприятных условий уровень добычи каменного угля 1991 г. может быть достигнут не ранее 2009 г.

Ядерная энергетика после того, как в 1986 г. произошла Чернобыльская авария, стала невостребованной. Строительство атомных электростанций было приостановлено, фундаментальные исследования по созданию предельно безопасной ядерной энергетики будущего сократились. В связи с глобальными изменениями, происшедшими в России в 90-е годы прошлого века, страна имеет избыток высокообогащенного урана-235 и плутония-239, которые могут быть использованы в ядерной энергетике (приблизительно 100-200 т оружейного плутония и 1000-2000 т высокообогащенного урана-235).

В обедненный уран, содержащий 0.2-0.3% урана-235, надо добавлять уран-235. На 1 кг обедненного урана необходимо добавить 0.04 кг урана-235, чтобы получить урановое топливо для водоохлаждаемых реакторов (ВВЭР), содержащее 4.2% урана-235. Из 1000-2000 т обогащенного урана можно получить 25-50 тыс. т ядерного топлива с обогащением 4.2%. Этого количества топлива хватит на 40-50 лет работы 25-50 блоков ВВЭР-1000. Между тем, большую часть топлива собираются продать в США, нанеся тем самым вред России (выделено нами - V.V.).

Что делать с 100-200 т оружейного плутония? Продавать - преступление перед человечеством, уничтожать - недопустимо, так как плутоний -лучшее ядерное горючее. Страна вынуждена его хранить, принимая все меры ядерной и радиационной безопасности, защиты хранилищ от хищений и диверсий. Наработанный плутоний должен стать стартовым ядерным горючим для ввода в эксплуатацию в ядерной энергетике реакторов на быстрых нейтронах. В этом случае плутоний будет производить материальную ценность - электроэнергию. Его поместят в ядерные реакторы, исчезнет необходимость в специальных хранилищах.

Коэффициент воспроизводства в реакторах на быстрых нейтронах можно менять от 1.0 до 1.3. Реакторы могут функционировать в режиме самообеспечения: сколько сожгли плутония, столько и наработали из урана-238, или в режиме расширенного воспроизводства: нарабатывать плутония больше, чем сжигать. Избыток плутония можно направлять для стартовой загрузки вновь вводимых ядерноэнергетических установок. В случае необходимости реакторы могут вернуть оружейный плутоний. Высокофоновый плутоний в сочетании с другими возникающими в результате ядерных реакций искусственными актиноидами, используемый в ядерноэнергетических установках как горючее ядерного топлива, перестает быть опасным с позиции производства ядерного оружия.

В реакторах на тепловых нейтронах (основа современной ядерной энергетики) можно сжечь около 1% природного урана. Ядерный реактор на быстрых нейтронах способен сжечь практически весь природный уран, в котором 99.2745% изотопов урана-238. В этом главный смысл создания ядерной энергетики на быстрых нейтронах. 100-200 т оружейного плутония могут дать старт 100-200 ядерным реакторам типа БН-600, у которого начальная загрузка плутония составляет 1 т. С 1980 г. под Екатеринбургом успешно работает БН-600. Это единственный в мире стабильно функционирующий реактор на быстрых нейтронах.

В 1965 г. в США был пущен первый промышленный реактор на быстрых нейтронах им. Э. Ферми. Из-за допущенных ошибок в процессе его создания произошла авария, и АЭС была демонтирована. Это повлияло на развитие в США работ по ядерноэнергетическим установкам на быстрых нейтронах с жидкометаллическим охлаждением и насторожило другие страны, занимающиеся ядерной энергетикой.

В 1973 г. в Советском Союзе при пуске БН-350 появились течи в парогенераторах. Наличие трехконтурной схемы, специфичной для ядерноэ-пергетической установки с жидкометаллическим охлаждением, спасло активную зону реактора от попадания продуктов взаимодействия воды с натрием. После успешного ремонта парогенераторов, установка была введена в эксплуатацию и проработала свой ресурс. Если бы и БН-350 постигла та же неудача, что реактор им. Э. Ферми, то это перспективное направление в ядерной энергетике было бы закрыто.

Ядерные реакторы, охлаждаемые легкой водой под большим давлением (до 22.13 МПа), из-за невысокой температуры воды (не более 374°С) на входе в парогенераторы имеют КПД энергетической установки 30-33%. Реакторы с жидкометаллическим охлаждением при давлении, необходимом для перекачки теплоносителя, могут иметь высокую температуру (лимитирующуюся стойкостью конструкционных материалов в теплоносителе) на входе в парогенераторы и КПД 40-43%. В итоге для выработки одного и того же количества электроэнергии в ядерных реакторах с высокой температурой теплоносителя тратится меньше ядерного топлива, чем в легководных реакторах. Для большой ядерной энергетики это имеет значение.

Теплотворная способность 1 т нефти-сырца - 3.8 х 10¹⁰ Дж, 1 тыс. м³ природного газа - 3.89 х 10¹⁰ Дж. При сжигании 200-300 млрд. т нефти выделяются (7.6-11.4) х 10²¹ Дж тепла, при сжигании 146 000 млрд. м³ природного газа - 5.68 х 10²¹ Дж. На складах России находится 200-400 тыс. т обедненного урана. В реакторах на быстрых нейтронах можно сжечь практически весь этот уран, произведя (16-32) х 10²¹ Дж тепла, то есть столько же, сколько может дать нефть и природный газ из месторождений всего мира. Оценка в 200-400 тыс. т обедненного урана - минимальная, так как основная масса урана-235 и плутония-239 находится в оружии. Уран-235 используется в обогащении топлива для реакторов на тепловых нейтронах, реакторов атомных электростанций и атомных подводных лодок. При его получении остался неиспользованный обедненный уран.

В специальных хранилищах содержится высокорадиоактивное топливо, выгруженное из плутониевых конверторов, реакторов атомных электростанций, атомных подводных лодок, ледоколов, тяжелых крейсеров. В этом топливе основная масса урана-238 не сгорела. При необходимости после радиохимической очистки актиноидов от продуктов деления высокофоновые актиноиды могут стать основой ядерного топлива.

В ядерной энергетике существует два принципиально разных топливных цикла: разомкнутый и замкнутый. Если не создавать ядерноэнергетические установки на быстрых нейтронах и не переходить на замкнутый топливный цикл, а оставаться с реакторами на тепловых нейтронах, повышая безопасность ядерноэнергетических установок с разомкнутым топливным циклом, то можно считать, что ядерная энергетика не состоялась как глобальный энергоисточник. Потенциальная энергия, которая может быть использована в ядерноэнергетических установках на тепловых нейтронах, одного порядка с энергией, получаемой при сжигании нефти и природного газа. Однако по сложности и потенциальной опасности ядерная энергетика не сопоставима с электростанциями, сжигающими нефтепродукты и природный газ. Эксплуатационный персонал АЭС должен иметь высочайший профессиональный уровень и быть строго дисциплинированным.

В будущей большой ядерной энергетике на быстрых нейтронах в зоне ядерных реакций должно осуществляться не только деление актиноидов, но и наработка из сырьевого ядерного горючего урана-238, изотопов плутония - прекрасного ядерного горючего. При коэффициенте воспроизводства больше 1 в выгружаемом ядерном горючем можно получить больше плутония, чем его сгорело. Выгружаемое ядерное топливо из быстрых ядерных реакторов должно поступить на радиохимический завод, где его избавят от продуктов деления, поглощающих нейтроны. Затем топливо, состоящее из урана-238 и актиноидов (Pu, Np, Cm, Am), достаточных для осуществления цепной ядерной реакции, вместе с добавкой из обедненного урана снова загружается в активную зону ядерноэнергетической установки. В ядерном реакторе на быстрых нейтронах и радиохимической переработкой можно сжечь практически весь уран-238.

Радиохимической переработке разумно подвергать отработанное ядерное топливо из атомных подводных лодок. Загружается в ядерные реакторы лодок уран-урановое топливо с большим содержанием урана-235. В выгруженном топливе много несгоревшего урана-235 - ценнейшего ядерного горючего. Это топливо надо хорошо очистить от продуктов деления и наработанных актиноидов, чтобы уран-235 содержал мало высокорадиоактивных примесей и снова мог быть использован в качестве горючего в энергетических установках на тепловых нейтронах.

Ядерные супердержавы Советский Союз и США переработали огромное количество природного урана для извлечения урана-235, наработали кондиционный плутоний в конверторах для ядерного оружия. Огромные массы урана-238, оставшиеся после извлечения плутония, находятся на складах. Для США и России нет необходимости в настоящее время использовать в энергетике извлеченный из легководных ядерных реакторов уран-238, не полностью сгоревший уран-235 и наработанные из урана-238 актиноиды. Договор по разоружению дал возможность получить избыточное количество урана-235 и плутония-239.

Серийный ВВ ЭР-1000 имеет тепловую мощность 3000 МВт, электрическую мощность брутто 1000 МВт, КПД брутто 33.3%, электрическую мощность нетто 950 МВт, КПД нетто 31.7%. Иностранные легководные реакторы под давлением ничем принципиально от ВВ ЭР-1000 не отличаются.

Для придания ядерному топливу необходимых свойств используется диоксид урана. В ядерном топливе содержится 95.6% урана-238, среднее обогащение по урану-235 - 4.4%. Загрузка активной зоны ядерного реактора: 66 т металлического урана, 63.7 т урана-238, 2.3 т урана-235. Диоксида урана - 75 т.

В "хвостах" разделительной технологии содержится 0.2% урана-235 (в природном уране 0.72% урана-235). Для получения 1 кг обогащенного до 4.4% урана-235 нужно иметь 8.22 кг природного урана. Невостребованным останется 7.22 кг обедненного урана. Для получения 66 т уран-уранового топлива с обогащением по урану-235 4.4% нужно добыть 543 т природного металлического урана. Не востребованным останется обедненный уран в количестве 476.5 т.

Примем коэффициент использования мощности ВВЭР-1000 равным 0.8. Тогда за год реактор выработает 7.57 х 10¹⁶ Дж тепловой энергии, 2.4 х 10¹⁶Дж электроэнергии нетто, или 6.67 х 10⁹кВт-ч электроэнергии нетто. Для выработки 7.57 х 10¹⁶ Дж должно сгореть 950 кг актиноидов и больше всего урана-235.

За три года деления ядерного топлива при выгорании 40 МВт-ч/(кг U) или 4.32% актиноидов в выгруженном топливе будет около 62 т урана-238, около 2.85 т продуктов деления, около 0.6 т несгоревшего урана-235, около 0.65 т актиноидов (Pu, Np, Cm, Am), из которых 0.45 т делящиеся. Через 10 лет после выдержки общая активность составит 2х10⁷ Ки, энерговыделение - 66 МВт.

* * *

В выгруженном топливе много урана-238, мало несгоревшего урана-235, немного горючих актиноидов, много продуктов деления. Выгруженное топливо высокорадиоактивно. Радиоактивность - неизбежное зло, сопровождающее ядерные реакции. Энергия деления тяжелых ядер будет востребована как главнейший энергоисточник XXI в. только в том случае, если возникновение неконтролируемой цепной ядерной реакции будет невозможно и радиоактивность не покинет объемов, где она должна находиться в нормальном режиме, и предусмотренных конструкцией ядерноэнергетических установок объемов, куда она может попасть в аварийном режиме.

Радиоактивность присуща: актиноидам, продуктам деления актиноидов. Наведенная радиоактивность возникает у теплоносителя, замедлителя (если таковой предусмотрен), поглотителя нейтронов, конструкционных материалов. При осуществлении военной программы для выделения плутония-239 из ядерного топлива, выгружаемого из конверторов, была создана наука, материализованная в радиохимическую промышленность.

В большой ядерной энергетике будут преобладать ядерные реакторы на быстрых нейтронах. Топливо, выгружаемое из этих реакторов, содержит большое количество изотопов актиноидов (Pu, Np, Cm, Am), для него характерна большая глубина выгорания, а значит, на единицу массы ядерного топлива будет больше продуктов деления.

Еще предстоит создать радиохимические технологии, обеспечивающие:

• ядерную безопасность с учетом значительно большего количества малых актиноидов со своими критическими массами;
• глубокую очистку продуктов деления от актиноидов, чтобы не создавать трудности при их хранении, захоронении и трансмутации;
• максимальное снижение массы технологических отходов;
• более совершенную очистку газов, возникающих при радиохимической переработке, от йода, трития, криптона, радиоактивных аэрозолей;
• радиационную безопасность экслпуатацион-ного персонала;
• получение химических элементов, нужных народному хозяйству, например, чистого a-источника;
• возможность многократного использования материалов, находящихся в зоне ядерных реакции и состоящих из ценных металлов (Ni, Cr, Nb, Мо. Ti, W, V), которые приобрели наведенную активность;
• экономически целесообразную радиохимическую переработку, конкурентоспособную с добычей природного урана для будущей энергетики.

Развитие ядерной энергетики во все большем числе стран повлияет на рост цен на природный ypан. В энергетике, базирующейся на реакторах на быстрых нейтронах, на топливе, обогащенном высокофоновыми актиноидами, переработка выгруженного топлива из легководных реакторов может стать целесообразной.

В радиоактивных отходах ядерной энергетики продолжаются ядерные процессы малой интенсивности, сопровождающиеся радиацией и энерговыделением. Эти отходы можно захоранивать и недрах, обеспечив гарантию, что ни природные явления, ни злой умысел людей не могут привести к выбросу радиоактивных продуктов, или хранить под наблюдением. Все выгруженное ядерное топливо проходит выдержку в хранилищах. Отдельные радиоактивные химические элементы, которые могут быть использованы в народном хозяйстве, надо помещать в хранилища.

Полувековой мировой опыт показал, что хранить либо захоранивать радиоактивные отходы в жидком виде опасно для окружающей среды. Как временная мера, радиоактивные отходы в твердом виде можно упаковывать в стекло, пластмассы,1, бетон и т.п. Длительное энерговыделение и радиация разрушают химические соединения, используемые для упаковки радиоактивных отходов. Очевидно, надежнее хранить их в металлической, стойкой к окислению, кислотам и щелочам матрице. Можно использовать нержавеющие стали, отработавшие свой срок в виде металлоконструкций в зоне ядерных реакций. Эти стали имеют наведенную радиоактивность, нуждаются в хранении или захоронении. Используя приемы порошковой металлургии, можно создавать блоки, обладающие высокой теплопроводностью (в центральной зоне блока не будет высокой температуры), стойкие к радиационному разрушению, к воздействию внешней среды.

Радиоактивные продукты ядерных процессов можно трансмутировать, то есть разрушить ядро химического элемента, превратить в долгоживущий изотоп или в короткоживущий. Энергия нейтронов в реакторе деления и реакторе синтеза заданa природой. Энергия элементарных частиц, получаемая на ускорителе, может быть практически любая. Нужно ли для трансмутации проводить разделение изотопов и для каждого подбирать режим трансмутации? Какова эффективность трансмутации больших масс изотопов?

Что выгоднее: захоронение, хранение под наблюдением, трансмутация на каждом этапе развития ядерной энергетики? Стратегия должна дать возможность справиться с растущим потоком радиоактивных отходов. Безопасность и экономическая целесообразность обращения с радиоактивными отходами будут определять развитие ядерной электроэнергетики.

* * *

Что же выгоднее: направлять человеческие и материальные ресурсы в ядерную энергетику и через 15-20 лет получить ядерно- и радиационно-безопасную во всех звеньях топливного цикла ядерную энергетику, имеющую уже сегодня безграничное количество горючего, или ждать до тех пор, пока не разразится энергетический кризис? От него пострадают больше всего экономически развитые страны, весь образ жизни которых построен на обилии энергоисточников. Надо знать, каковы реальные запасы нефти, природного газа, каменного угля в России, сколько будет стоить добыча энергоносителя, его транспортировка к потребителю, охрана окружающей среды при выбросе в атмосферу продуктов горения. При экономических оценках энергетики, очевидно, надо как-то учитывать тот научный потенциал, который приобретает страна при освоении значительно более сложных технологий.

Проще всего ядерная энергия может дойти до потребителя в виде электроэнергии. Когда будут созданы предельно безопасные ядерноэнергети-ческие установки, которые можно будет размещать вблизи крупных населенных пунктов, то на АЭС часть энергии будет переводиться в нагрев воды для централизованного отопления. Ядерная энергия может быть эффективно использована для получения конденсата из морской воды. На восточном берегу Каспийского моря в 1973 г. был введен в эксплуатацию ядерный реактор БН-350. Реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем - двухцелевой: наработчик электроэнергии и тепла для опреснения морской воды.

Прямое использование ядерной энергии в промышленности вызывает сомнения. Если даже производство всей электроэнергии возложить на ядерную энергетику, это не решит в принципе проблемы энергообеспечения. Максимум, что можно себе представить, 40% энергообеспечения возьмут на себя АЭС. Ядерноэнергетические установки на атомных электростанциях для гарантии их безаварийности должны функционировать в стационарном режиме. Между тем интенсивность потребления электроэнергии подвержена суточным, погодным и сезонным изменениям. Создать ядерноэнергетические установки, которые могут работать в нестационарном режиме, можно, но крайне сложно. Если в единой электрической системе есть гидростанции, они успешно справятся с пиковыми нагрузками. Возможно, режим работы промышленных объектов должен подстраиваться под работу производителя электроэнергии и резкие изменения потребления энергии для быта людей.

Каменный уголь находит применение на тепловых электростанциях для производства электроэнергии и горячей воды для теплоснабжения. Но такие станции необходимо оснастить современным оборудованием, чтобы удерживать пыль и сернистые газы. Каменный уголь широко применяется в быту для отопления и приготовления пищи. Сомнительно, чтобы он мог непосредственно использоваться в автомобильном, а тем более в авиационном транспорте. Каменный уголь служит источником тепла для промышленности и восстановителем при получении из железной руды чугуна. В производстве синтетического топлива каменный уголь - не только источник тепла, но и поставщик углерода для синтеза углеводородных соединений.

На разных этапах экономика и экология будут определять вклад ядерного горючего и каменного угля в топливно-энергетический баланс каждой страны. Ядерная энергия может стать основным энергоисточником в XXI столетии только в сочетании с превращением ее в другие энергоносители, удобные для использования.

Для полного сжигания 1 кг углерода нужно 2.67 кг кислорода, при этом образуется 3.67 кг двуокиси углерода. При полном сжигании 1 кг метана, состоящего из 0.75 кг углерода и 0.25 кг водорода, требуется 2 кг кислорода для сжигания углерода и 2 кг кислорода для сжигания водорода. В результате образуется 2.75 кг двуокиси углерода и 2.25 кг воды. Тепловая электростанция суммарной мощностью 1 ГВт(э) за год вырабатывает 7 И И И И 10⁹ кВтч (э). Будет сожжено 2.15х 10⁶ т у.т., из атмосферы изъято 5.7 И 10⁶ т кислорода, выброшено 7.9 х 10⁶ т двуокиси углерода. Окислы азота образуются в зоне горения из азота воздуха, окислы серы появляются, если в органическом топливе есть примеси серы.

Смягчить суточные, сезонные, погодные изменения в потреблении энергии помогает энергоаккумуляция. Если будет создана техника, позволяющая осуществить аккумуляцию энергии, то появится возможность накапливать энергию солнечной радиации. При этом энергетический баланс Земли не будет нарушаться, антропогенного воздействия не будет, дополнительная энергия не высвобождается, как это происходит при использовании углеводородного топлива.

Производство синтетического жидкого и газообразного топлива, в котором используется ядерная энергия и сжигается каменный уголь, связано со значительными энергетическими потерями, усилением антропогенного теплового засорения окружающей среды.

XX в. отличился сооружением гигантских гидравлических электростанций, атомных станций, электростанций на органическом топливе. Очевидно, что в XXI в. надо строить гидростанции на малых реках, создавая каскад мелких водоемов, положительно влияющих на природу, использовать, где это возможно, энергию ветра и солнечную радиацию. Следует уделить внимание также небольшим по масштабам нефтяным, газовым, угольным месторождениям, которые могут обслуживать отдельные регионы. Необходимо провести комплексные исследования для специфических районов по определению единичной мощности АЭС, ТЭЦ, ГЭС с учетом не только стоимости строительных работ и эксплуатации, но и возможности возникновения масштабной аварии. Чернобыльское предупреждение стали забывать. А что будет, если в результате диверсии разрушится часть плотины на одной из гигантских ГЭС?

Нефть и газ по всем оценкам будут играть решающую роль в топливно-энергетическом балансе большинства стран еще и в начале XXI столетия. Вместе с тем наступает период перехода от нефти как главного, наиболее удобного и хорошо освоенного источника энергии к другим, технологически более сложным и более опасным источникам энергии, и прежде всего к ядерной энергии и каменному углю. Вместе с тем сама ядерная энергия и каменный уголь во многих разделах энергопотребления прямо использоваться не могут. Нужно научиться превращать их энергию с хорошим КПД в жидкие и газообразные энергоносители. Вопросы энергоаккумуляции приобретают особое значение. Доступность и дешевизна нефти и газа тормозили научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по энергоаккумуляции. Нет красивых физических идей. Следует как можно быстрее приступить к отдельным поисковым исследованиям и к крупномасштабным, поддерживаемым правительством. Возможность энергетического кризиса во многих государствах, в особенности экономически развитых, уже в середине XXI в. должна стимулировать такие исследования. Хаос, который возникнет в человеческом обществе при энергетическом кризисе, сопоставим только с ядерной войной.

* * *

Еще один энергоноситель будущего - водород-протий, самый распространенный элемент в космосе. В свободном состоянии на Земле он встречается крайне редко. Водород нетоксичен, но пожаро- и взрывоопасен, граница воспламенения в воздухе соответствует концентрации 4-75%, температура воспламенения - 630°С, температура пламени в воздухе - 2140°С. Струя водорода, истекая в воздух, за счет трения ионизуется, происходит самовозгорание. Газообразный водород - самый легкий газ. Его объемная калорийность невысока: 1.1 х 10⁷ Дж/м³ (для сравнения метан - 2.77 х 10⁷ Дж/м³). Массовая теплотворная способность водорода - 11.95 х 10⁷ Дж/кг, у метана 5 х 10⁷ Дж/кг, у керосина 4.3 х 10⁷Дж/кг. Увеличение плотности за счет высокого (до 20 МПа) давления делает газообразный водород высококалорийным топливом.

Водород широко используется в современных технологиях. Он применяется в качестве восстановителя многих окислов металлов, для гидрирования нефтяных остатков и органических соединений, получения пищевых жиров.

При производстве водорода из воды методом электролиза расход электроэнергии составляет 5,1-5,6 кВтч на 1 м³ водорода, то есть (1.836-2,016) х 10⁷ Дж. Для снижения расхода электроэнергии создаются высокотемпературные пиролизеры. При 1 атм и температуре около 1000°С 0,034% водяного пара подвергается пиролизу с образованием свободного водорода и кислорода, при температуре около 2200°С - 8.6%.

Водород можно хранить и транспортировать. Высокое давление водорода-газа требует увеличения весогабаритных характеристик его хранилищ. Разрабатываются проекты подземного хранения больших количеств водорода в выработанных месторождениях нефти и природного газа, транспортировки водорода-газа по трубопроводам к потребителям. При этом должен быть решен главный вопрос: безопасность широкого использования водорода как энергоносителя.

Под давлением при достаточно высоких температурах водород можно диффузионно накачивать в малые по радиусу сферы. При невысоких температурах в таких сферах газ хранится достаточно долго. Его можно сжигать вместе со сферами ( их материал должен быть экологически безопасен) или нагревать сферы до высокой температуры, чтобы водород диффузионно их покинул. Водород хранят и транспортируют в виде твердых гидридов металлов и интерметаллических соединений, способных поглощать и отдавать этот газ при изменении температуры. На единицу объема поглощается несколько сотен объемов водорода. Регулируя температуру гидридов, можно регулировать поступление водорода. Ведутся разработки по хранению водорода в твердом и шугаобразном состоянии (до 50% твердой фазы).

Водород можно хранить и транспортировать в жидком состоянии. При этом хранилища жидкого водорода должны иметь температуру от -259 до -240°С. Приток тепла извне следует сделать минимальным. Сосуд с жидким водородом должен быть негерметичным, чтобы испарившийся газ мог покинуть его, не повышая в нем давление. В герметичном сосуде жидкий водород должен непрерывно охлаждаться с помощью криогенной техники. В первом случае возможны некоторые, хотя и минимальные, потери водорода, во втором - расходуется энергия на поддержание заданной температуры.

В настоящее время жидкий водород уже служит высококалорийным горючим в ракетной технике, делаются попытки использовать его как топливо для самолетов. Водород, полученный на электролизерах с помощью электроэнергии, выработанной на АЭС, и углерода из каменных углей, а также тепла от ядерных реакций или реакций горения каменного угля, можно использовать для наработки любых синтетических жидких и газообразных топлив, удобных в эксплуатации, нетоксичных и максимально безопасных. Прежде чем водород найдет широкое применение как энергоноситель на транспорте, в быту, сельском хозяйстве, промышленности, - предстоит ответить на вопрос: какова работоспособность конструктивных материалов в водороде-газе при температуре горения и в жидком водороде при криогенных температурах?

Водород не является энергоисточником, так как его в природе вне химических соединений нет. Для получения водорода надо затратить энергию. В будущем он может стать универсальным энергоносителем. Должна быть создана технология крупномасштабного использования водорода. Он может широко применяться только в том случае, если будет безопасен, причем необходимые для этого меры безопасности не должны быть очень сложными. Перспективным может стать снижение химической активности водорода, предотвращение опасности взрывов в смеси с воздухом, самовозгорания при истечении в воздухе за счет добавок в водород геттеров. В настоящее время имеются экспериментальные данные о снижении химической активности высокотемпературного натрия при добавлении в него геттеров.

В ряде крупнейших технологических процессов конечный продукт сопровождается выделением большого количества водорода. Например, при производстве из каменного угля кокса выделяется коксовый газ, содержащий (по объему) 55-60% водорода, 25-27% метана, а также азот, окись и двуокись углерода, кислород. Редко коксовый газ используется, чаще уничтожается. Практически весь производимый в мире хлор получается электрохимическим методом: 2NaCI + 2Н₂О = Сl₂ + 2NaOH + Н₂. На производство хлора в США затрачивается около 2% всей вырабатываемой электроэнергии. Как правило, побочный продукт - водород - уничтожается.

Если удастся за счет газообразных ингибиторов сделать газообразный водород менее взрыво- и пожароопасным, то можно было бы использовать его как теплоноситель в электрогенераторах. Охлаждение стартера и ротора электрогенератора водородом позволяет вырабатывать больше энергии, чем при охлаждении воздухом. Водород дешевле других возможных теплоносителей. Применение газообразного водорода для охлаждения электрогенераторов дает серьезные экономические выгоды. В 40-х годах XX в. были созданы электрогенераторы с водородным охлаждением, однако пожары и взрывы газообразного водорода остановили внедрение этой разработки.

* * *

Человечество всегда будет вынуждено создавать установки, несущие в себе высокую потенциальную опасность. Вместе с тем невозможно сделать какие-либо сооружения абсолютно безопасными. Понятие "абсолютная безопасность" не имеет смысла. Могут быть сооружены установки с максимальной или предельной безопасностью. Под этими терминами понимается, что приняты все научные и инженерные меры по обеспечению высокой безопасности. При самых неблагоприятных условиях может произойти авария, но не катастрофа. Если заложенные идеи и инженерные решения слишком экзотичны, дороги или не соответствуют современному экономическому уровню, надо искать другие пути достижения конечной цели, ради которой сооружается установка.

Проще и безопаснее получать тепло и электроэнергию, сжигая природный газ, сложнее - используя ядерную энергию. Ядерные энергетические установки несут в себе опасность ядерной вспышки и радиоактивного выброса. Выброс радиоактивных продуктов за пределы ядерноэнер-гетической установки создает радиоактивную опасность для всего живого в течение многих лет. Никакие приемы не могут уничтожить аварийно выброшенную радиоактивность. Она подвластна только времени и ядерным процессам.

Ядерноэнергетические установки обязаны иметь защищенную систему управления процессами деления тяжелых ядер и съема энергии. Эта система ни при каких условиях не должна выполнять команды, если они идут вразрез с логикой управления. Если кто-нибудь вторгся в систему управления, она должна заглушить цепную реакцию.

В настоящее время существует понятие "цена жизни". Авторы такого понятия оценивают жизнь людей некоторой конечной, весьма умеренной величиной, считая свою жизнь при этом бесценной. Оперируя понятием "цена жизни", они заявляют, что увеличивать защищенность от аварий той или иной установки дороже, чем цена тех жертв, которые может повлечь за собой авария. Людоедский подход. Если защитные устройства и сама установка слишком дороги, то не надо ее сооружать. Следует использовать другие основополагающие идеи и сделать установку, выполняющую те же функции, но более безопасную и экономически целесообразную.

При сооружении потенциально опасного объекта, разрушение которого может вызвать крупные жертвы, нельзя не учитывать стихийные бедствия (землетрясения, ураганы, наводнения) и людские воздействия (диверсии, падения самолетов и вертолетов). Ни в коем случае нельзя допустить разрушения действующих АЭС, хранилищ плутония и урана, отработанного ядерного топлива, продуктов деления. В чрезвычайных условиях опасны не только ядерные объекты, но и разрушение крупных гидростанций, химических заводов и т. п.

В 40-х годах XX в. человечество вступило в ядерно-термоядерную эру. В прошлом быть или не быть относилось к одному человеку, группе людей, в пределе - к народности, нации. Люди воевали, потому что хотели иметь власть и богатство или независимость и свободу. В ядерную эру война может стать последним преступлением. Если будет развязана термоядерная война, не будет победителей и побежденных, будущего не будет у всего человечества. Нет и не может быть такой цели, ради достижения которой имело бы смысл начать ядерную войну. Но и в ходе неядерной войны разрушения атомных станций и радиохимических заводов, хранилищ выгруженных из ядерных реакторов тепловыделяющих элементов, хранилищ радиоактивных отходов, заводов-изготовителей тепловыделяющих элементов из высокофонового топлива будут иметь тяжелейшие последствия. Наличие у всех ядерных стран ядерной энергетики накладывает на них особые обязательства: не доводить любые самые острые конфликты до вооруженного столкновения.

Возникает важнейший вопрос современности - несоответствие уровня развития человечества масштабам сил природы, попавших человеку в руки. Люди разрешили использовать ядерное оружие против людей в августе 1945 г. Развитие науки не отвечает моральному уровню человеческого общества.

Противники ядерной энергетики, как правило, не являясь специалистами в ядерной науке, видят в ней только отрицательное, требуют закрыть все работающие АЭС. Однако закрытая ядерноэнергетическая установка нуждается в течение длительного периода в охране и наблюдении за выгруженным топливом. Ядерная и радиационная опасность в выгруженном топливе не исчезает на протяжении долгого времени. Конструкции ядерноэнергетической установки в результате ядерных процессов (при работающей установке) приобретают наведенную активность, не исчезающую с годами, и также нуждаются в охране. Остановленная атомная электростанция перестает производить электроэнергию, но требует значительных затрат в течение длительного времени. Человечество в погоне за сверхоружием вошло в ядерный туннель, и выход есть только один: сделать ядерную энергетику максимально безопасной, создать идеологию крупномасштабного использования ядерной энергии.