Без ядерной энергетики у нынешней цивилизации нет будущего


Население Земли растет, энергии ему требуется все больше. Устойчивое будущее человечества может обеспечить ядерная энергия. Но для этого необходимо устранить ее проблемы: добиться безопасности, расширить ресурсы ядерного топлива, решить вопрос с радиоактивными отходами и замкнуть ядерный топливный цикл. О путях решения проблем ядерной энергии рассказывает главный эксперт АО «ВНИИНМ им. А. А. Бочвара» академик РАН Леонид Пономарев.

Фото: Атомный эксперт
Что есть энергия?
Прежде чем говорить о ядерной энергии, хорошо бы понять, что такое энергия вообще, хоть это и непросто. С похожей проблемой сталкивался Сократ при попытке объяснить, что такое красота: примеры привести легко, а дать определение — сложно. В той же Древней Греции Аристотель полагал, что энергия — это некое активное начало, причина всех видимых изменений в мире.

Позже выделили виды энергии: потенциальная, кинетическая, тепловая, химическая и т. д. Но любая энергия ассоциируется с работой, которую можно совершить, затратив энергию.

Исторически сложилось, что различные виды энергии измеряют в разных единицах: килограммометр (кГм) — единица измерения механической энергии, калория (кал) — тепловой, электронвольт (эВ) — электрической. В ядерной физике используют единицу измерения МэВ (миллион электронвольт).

Универсальная международная единица измерения энергии — джоуль (Дж) — связана со всеми перечисленными единицами соотношениями эквивалентности:

1 Дж = 0,239 кал = 0,102 кГм = 0,624∙10¹⁹ эВ = 0,624∙10¹³ МэВ
1 Вт =1 Дж/с; 1 кВт = 10³ Вт; 1 МВт = 10⁶ Вт; 1 ГВт = 10⁹ Вт

Идея о том, что все виды энергии эквивалентны, оформилась в 1847 году (ее авторы: Роберт Майер, Джеймс Джоуль и Герман Гельмгольц). Она обрела форму закона сохранения энергии. Он звучит так: «В замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна, независимо от процессов перехода из одной формы в другую».

Еще раньше, в 1782 году, Джеймс Уатт (единица мощности Ватт названа в его честь) изобрел паровую машину, которая преобразовывала тепловую энергию в работу, а в 1824 году Сади Карно нашел закон этого преобразования. Оказалось, что в работу можно превратить не все тепло, а только его часть, равную

η = (T₁ — T₂) /T₁,
где Т = t˚C + 273,15 — абсолютная температура.

Это соотношение определяет максимальный КПД любой тепловой машины. Например, при t₁ = 300˚С и t₂ = 100˚С η = 0,35, то есть только треть тепловой энергии можно превратить в работу. Остальные две трети теряются безвозвратно; и связано это с понятием энтропии, которое ввел Рудольф Клаузиус в 1857 году. При последующих превращениях энергии ее потери непрерывно растут, то есть энергия системы необратимо уменьшается. Именно это свойство энергии отличает ее от вещества: атомы вещества могут быть использованы многократно (сгнившее дерево дает материал для новых деревьев), но энергию можно использовать только один раз. А это означает, что запасы энергии, накопленные на Земле, непрерывно уменьшаются и неизбежно иссякнут. Основной вопрос: когда?

Открытие электричества не отменило этот вывод — просто цепочка превращений энергии удлинилась: тепло → работа → электричество → работа → тепло.
В любом случае процесс использования энергии начинается и заканчивается теплом, и все выводы Карно и Клаузиуса остаются в силе. (Проекты вечного двигателя Парижская академия наук отказалась принимать к рассмотрению еще в 1775 году — за 70 лет до открытия закона сохранения энергии).
Биография
Леонид Иванович Пономарев родился в 1937 году в Донбассе. В 1963 году окончил физический факультет МГУ, в 1971 году защитил докторскую диссертацию.

Работал в Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований, и в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова. В настоящее время — главный эксперт ВНИИНМ им. А. А. Бочвара, научный руководитель программы исследований быстрого жидкосолевого реактора с уран-плутониевым топливным циклом.

В 1994 году избран членом-корреспондентом Российской академии наук (РАН) по Отделению ядерной физики, с 2016 года — академик РАН в Отделении физических наук.

Лауреат премии РАН им. И. В. Курчатова за работы по мюонному катализу ядерных реакций синтеза (1986 год) и премии «Просветитель» за научно-популярную книгу «Под знаком кванта» (2009 год).
Ядерная энергия
О существовании внутриядерной энергии ученые узнали в начале XX века, а в 1939 году открыли деление ядра урана под действием нейтронов и поняли, что при этом выделяется огромная энергия:
n + U → продукты деления (ПД) + 200 МэВ.

Это в 50 млн раз больше, чем при сжигании атома углерода:
C + O₂ → CO₂ + 4,2 эВ.

Объяснение этому факту дает знаменитая формула Эйнштейна, которая обобщила закон сохранения энергии до закона сохранения материи: E = mc², где E — энергия, заключенная в теле массой m, а c — скорость света.

При делении ядра его масса уменьшается на величину Δm и выделяется энергия: ΔE = Δm∙c².
Энергия эта огромна: для того чтобы в течение года обеспечить работу атомной электростанции (АЭС) мощностью 1 ГВт, достаточно «сжечь» 1 тонну урана. Для питания тепловой электростанции (ТЭС) равной мощности необходимо 3 млн тонн угля в год — три железнодорожных состава ­ежедневно.

Кроме ядерной энергии деления существует также ядерная энергия синтеза, которая выделяется при слиянии ядер дейтерия и трития:
d + t → ⁴He + n + 17,6 МэВ.

Эта энергия в 14 раз меньше, чем энергия деления, и выделяется лишь при нагревании смеси ядер до температуры ~ 10 млн градусов. В отличие от ядерного реактора деления, который был построен уже через три года после открытия деления ядра, термоядерный реактор не удается построить вот уже 70 лет, и сегодня срок его постройки вновь отодвигается еще на 50 лет.
Сколько энергии человеку надо?
В среднем человек потребляет с пищей 2500 килокалорий в день, то есть его мощность составляет ≈ 120 Дж/сек ≈ 120 Вт — мощность яркой электролампочки; биологическая мощность всего народонаселения Земли (7,6 млрд человек) составляет ~ 10³ ГВт (Луна в полнолуние светит в тысячу раз менее ярко).

С доисторических времен человек увеличил потребление энергии (домашние животные, водяная и ветряная мельницы) до 200 Вт, к началу промышленной революции оно выросло до ~ 300 Вт, сегодня — ~ 2000 Вт = 2 кВт/чел.

Сегодня мощность энергетики мира составляет ~ 1,76.10¹³ Вт = = 1,76.10⁴ ГВт, то есть в среднем ~ 2 кВт на человека, хотя потребляется она крайне неравномерно: в США — 12 кВт, в Европе и России — 6 кВт, в Китае — 1,6 кВт, в Сомали — 0,2 кВт. Производство энергии растет со скоростью ~ 1,2 % в год — чуть быстрее, чем население Земли.

Для того чтобы число людей на Земле достигло 1 млрд, потребовалась почти вся история человечества — с доисторических времен до 1800 года. Второй миллиард появился уже через 130 лет, третий — через 30 лет, а теперь каждый новый миллиард добавляется за 13 лет. Легко подсчитать, что при таком темпе роста уже через 1000 лет количество людей увеличится в 10 раз, и вряд ли на Земле хватит ресурсов для их существования. К счастью (или к сожалению), мы живем в период космического поворота: начиная с 1990 года скорость роста населения Земли снижается, и по прогнозам ученых, численность людей к 2150 году стабилизируется на уровне ~ 12 млрд.

Если к этому времени каждый житель планеты будет потреблять в среднем мощность 4 кВт, то производство энергии вырастет в три раза — до уровня ~ 5·10⁴ ГВт. Где взять эту энергию?
Источники энергии
В доиндустриальную эпоху основным источником энергии были дрова, и топливный цикл был замкнут, то есть в природе не было отходов. Но промышленная революция разомкнула этот цикл, люди начали использовать органическое топливо (уголь, нефть, газ), накопленное ~ 300 млн лет назад.

Сжигание этих продуктов освобождает углерод, связанный миллионы лет назад, и в виде углекислого газа отправляет его в атмосферу, провоцируя нарушения баланса биосферы, которая обеспечивает само существование человека. За год в лучах Солнца растения и водоросли накапливают в процессе фотосинтеза ~ 10¹¹ тонн углерода, из которых ~ 20% — приходится на леса. Если всю эту древесину сжечь в топках, то выделится тепловая энергия 0,6∙10²¹ Дж/год = 2∙10¹³ Дж/с = = 2∙10⁴ ГВт, что примерно равно мощности современной энергетики. Однако представить себе современную цивилизацию (заводы, автомобили, самолеты и так далее), работающую на дровах, довольно трудно. Скачок производства энергии в мире произошел примерно в 1850 году. Появились заводы, паровозы, автомобили, самолеты — и все это связано со значительным ростом потребляемой энергии.

Изобретение электричества сильно изменило приоритеты видов используемой энергии: сейчас его доля в общем балансе составляет 18%, и доля эта растет опережающими темпами. Основа современной электроэнергетики — ископаемое топливо: уголь, нефть, газ; именно оно обеспечивает 67% производимого электричества. Еще 16% дают гидростанции; 11% — АЭС; остальные источники энергии (солнечная, ветровая, биомасса и другое) вносят в энергобаланс не более 7%.

Запасы энергии на Земле ограничены, и большая их часть (~ 90%) заключена в ядрах атомов урана. Если к ним добавить запасы энергии, заключенные в ядрах тория (а его в земле в три раза больше, чем урана), то доля ядерной энергии вырастет до 97%, запасы 235U снизятся до 0,1%, а на долю других источников останется менее 3%. По оценкам экспертов, запасов нефти человечеству хватит на 50 лет, газа — на 100 лет, угля — на 500 лет.

Все до сих пор упомянутые источники энергии создавались на Земле в течение миллиардов лет и неизбежно будут исчерпаны. Вопрос в том, хватит ли их на все время существования человека на этой планете. Ответ на этот вопрос неизвестен, поэтому имеет смысл рассмотреть возможности использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

По большому счету, такой источник энергии только один — наше Солнце. Мощность солнечного излучения, достигающего Земли, равна ~ 10⁷ ГВт — в 500 раз больше мощности мировой энергетики. Но плотность потока этого излучения очень мала, и, чтобы сконцентрировать ее, нужно затратить работу — в соответствии с законами термодинамики. На уровне земли она составляет в среднем 160 Вт/м², с учетом ненастных дней снижается до ~ 100 Вт/м², из которых лучшие фотоэлементы (КПД ~ 20%) могут извлечь ~ 20 Вт электрической энергии. Покрыв ими крышу дома (50−100 м²), можно получить в дневное время суток 1−2 кВт, что вполне достаточно для удовлетворения всех бытовых нужд. Но это не решает проблем тяжелой индустрии, металлургии и химии. Сегодня вклад солнечной энергии в электроэнергетику мира составляет ~ 2%. Следует отметить также, что малая интенсивность солнечного потока требует больших площадей для солнечных станций (~ 10 км² для станции мощностью 1 ГВт), и на эту площадь хрупких панелей будут падать не только солнечные лучи, но и дождь, град, песок. Кроме того, хранение этой энергии для ее использования в ночные часы обходится дороже ее производства. Тем не менее в последние годы наблюдается бурный рост солнечной энергетики, хотя до сих пор неясно, сможет ли она преодолеть принципиальные физические ограничения для масштабного роста.

Только ~ 0,3% потока солнечной энергии, достигающей Земли, усваивается растениями в процессе фотосинтеза, а остальная энергия расходуется на обогрев планеты, на поддержание равновесия биосферы и всех процессов в атмосфере и океанах: ветров, течений и так далее. Энергию ветра используют издревле (парус, ветряные мельницы); современные ветряные мельницы стали важной частью индустрии: вклад ветра в производство электричества составляет ~ 3%, невзирая на то что непостоянство этого явления природы известно даже поэтам.

В Германии уже сегодня солнечные и ветровые электростанции производят больше энергии, чем атомные. Однако это достигнуто за счет государственных субсидий на их развитие: сегодня «зеленая энергия» в 4 раза дороже атомной. Будущее покажет, долго ли продлится этот рост, противоречащий рыночной экономике.
Ядерная энергетика
Первый промышленный ядерный реактор мощностью 5 МВт был запущен в 1954 году в Обнинске. На пике развития ядерной энергетики (~ 1995 год) она производила в 33 странах 17,5% электричества планеты (во Франции — 78%, в США — 22%, в России — 16%, а в европейской части — 40%).

Преимущества ядерной энергетики очевидны: АЭС не требуют огромных масс топлива, идеально приспособлены для выработки электричества, не выбрасывают в атмосферу углекислоту, окислы азота и серы. По большому счету, они значительно безопаснее тепловых: для того чтобы обеспечить в течение года работу ТЭС мощностью 1 ГВт, в ее топливном цикле гибнет 300 человек, а при работе АЭС — в 500 раз меньше.

Как и в любой индустрии, крупные аварии на АЭС случаются (за всю историю атомной энергетики их было три: «Три-Майл-Айленд», Чернобыль, «Фукусима‑1»), но они не связаны со спецификой ядерной энергетики, скорее это следствие огромной концентрации энергии, которая опасна во всех производствах. По числу жертв аварий АЭС многократно уступают другим объектам энергетики: при ликвидации последствий чернобыльской аварии погибло 50 человек, при аварии на Саяно-Шушенской ГЭС — 76, при обрушении плотины в Италии — свыше 500; а вот авария на химическом комбинате в Бхопале (Индия) унесла жизни 2500 человек (и это без учета долговременных последствий). Наконец, число жертв автомобильных аварий в год превышает миллион, но никто на этом основании не предлагает запретить автомобили.

Вопреки этой логике в последние годы ширятся протесты против использования ядерной энергии, а в некоторых странах даже приняты решения о ее запрещении. Причины этих протестов отчасти иррациональны: человек также безотчетно боится темноты, а радиация, с которой неразрывно связана ядерная энергия, внушает страх своей непонятностью. И логические доводы здесь бессильны, даже такой: радиоактивные выбросы с дымом ТЭС многократно превышают аналогичные выбросы АЭС.

Однако профессионалы понимают и более глубокие причины этого инстинктивного протеста: современная ядерная энергетика далека от совершенства. Она возникла после мировой войны как побочный продукт военной программы создания ядерного оружия, когда не было времени думать ни о гарантиях безопасности, ни о радиоактивных отходах, ни об экономике. Но сегодня эти проблемы встали в полный рост. Перечислим их.

Первая проблема
Современные реакторы небезопасны, несмотря на многоуровневую инженерную систему предотвращения аварий. Серьезные аварии случаются редко, но их последствия приходится ликвидировать долго, и обходится это дорого. Необходимо создать внутренне безопасный реактор, в котором аварии будут запрещены законами физики, а не инженерными барьерами. Отдельная проблема безопасности — это риск попадания ядерной взрывчатки в руки террористов, что наиболее вероятно на стадии переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и выделения из него свежего топлива.

Вторая проблема
Современные ядерные реакторы, работающие на тепловых нейтронах, жгут 235U. В природном уране его содержится всего 0,72%, а общие запасы 235U, которые можно извлечь по приемлемой цене, не превышают ~ 50 тыс. тонн. Каждый атомный энергоблок электрической мощностью 1 ГВт тратит в год примерно одну тонну 235U. Всего в мире работает сейчас 447 энергетических реакторов, их общая мощность на конец 2017 года составляла 391 ГВт, и потребляют они ~ 400 тонн 235U в год. Если учесть атомные ледоколы, корабли, авианосцы, подводные лодки, то ежегодное потребление 235U вырастет до ~ 600 тонн, то есть его разведанных запасов хватит примерно на 100 лет. Надо создать реактор, в котором «горит» 238U — его запасов хватит на сотни тысяч лет. А с учетом запасов тория и урана в океанах ресурсы ядерной энергии поистине безграничны.

Третья проблема
При работе реактора выгорает менее 10% загруженного ядерного топлива (сегодня ~ 6%), и, чтобы его использовать полностью, нужно многократно очищать ОЯТ от продуктов деления и изготавливать из него новое топливо — замкнуть топливный цикл. Такая технология пока не создана, и в ее ожидании в хранилищах ОЯТ накоплено ~ 300 тыс. тонн ОЯТ, ждущих переработки.

Четвертая проблема
При работе АЭС образуются продукты деления — ~ 1 тонна в год для реактора электрической мощностью 1 ГВт. Среди них ~ 10 кг долгоживущих отходов, которые сохраняют свою радиоактивность сотни тысяч и миллионы лет, и оставлять их будущим поколениям люди пока не решились. За 60 лет атомной энергетики в мире накоплено таких отходов более 300 тонн, и что делать с ними — пока неясно.

Пятая проблема
Строительство ядерного реактора стоит дорого; пока мы живем в системе рыночной экономики, этот фактор имеет существенное значение. Не исключено, что в будущем дефицит энергии скорректирует важность экономических критериев: если жизни человека угрожает смертельная болезнь, он готов платить за лекарство любые деньги. К примеру, сегодня солнечная энергетика стремительно растет, несмотря на то что она вчетверо дороже ядерной.

Все эти проблемы известны давно, и они уже привели к снижению вклада АЭС в электрические мощности планеты: с 1995 года этот вклад снизился с 17,7% до 10,5%.

Скептики предсказывают и дальнейшее снижение вклада АЭС — вплоть до их исчезновения в следующем столетии.
Будущее ядерной энергетики
Атомная энергия используется сегодня в 31 стране и составляет заметную долю в их энергобалансе. Но если ничего не предпринимать, чтобы изменить ее современный облик, то будущее ядерной энергетики радикальные пессимисты представляют себе так, как это представлено на рисунке.
Они, однако, забывают (или не знают) о том, что практически все запасы энергии на Земле заключены в ядрах атомов и у нас нет другого выхода, кроме как найти безопасный способ их оттуда извлечь. Для этого прежде всего надо перестать жечь 235U — единственный природный изотоп, который делится нейтронами любых энергий: это все равно что топить печь спичками. 235U надо использовать для запуска быстрых реакторов, способных работать на 238U, превращая его в делящийся изотоп 239Pu: n + 238U → 239Pu, который «горит» даже лучше, чем 235U. При этом образовавшийся плутоний даже не надо выгружать из реактора — он там же сгорает, поэтому в действительности «горит» 238U, запасы которого в земле и океанах огромны. Конечно, такой реактор должен быть внутренне безопасным, чтобы исключить ядерные аварии типа чернобыльской. Кроме того, надо замкнуть ядерный топливный цикл, то есть перестать накапливать в хранилищах радиоактивные отходы. Наконец, надо решить проблему долгоживущих радиоактивных отходов. И в этом сражении за энергию надо в полной мере использовать армию инженеров и технологов, а также интеллектуальный спецназ ученых.

Сегодня в мире работает только два промышленных реактора на быстрых нейтронах: БН‑600 и БН‑800 — реакторы с натриевым теплоносителем; и строится ОДЭК с РУ БРЕСТ со свинцовым теплоносителем (все — в России). Еще один быстрый реактор находится на самой начальной стадии разработки. В этом реакторе смесь фторидов урана и плутония растворена в расплаве фторидной соли, то есть отпадает необходимость в изготовлении топливных таблеток и топливных сборок, а также упрощаются изготовление и переработка топлива. Но самое главное преимущество жидкосолевого реактора состоит в том, что он внутренне безопасен: авария типа чернобыльской с разгоном ядерного реактора там в принципе невозможна — она запрещена законами физики.

Как мы помним, у нас есть, по крайней мере, полвека или даже 100 лет, чтобы выбрать нужный тип быстрого реактора и создать новую ядерную энергетику, свободную от родимых пятен, которыми она обязана истории своего рождения. Эта задача намного сложнее и важнее задачи создания ядерного оружия.

Энтузиазм первооткрывателей ядерной энергии ушел вместе с последними создателями атомной индустрии. Для решения грандиозных задач, необходимого для ее обновления, должно появиться новое поколение исследователей, не озабоченное поисками финансирования, но увлеченное величием стоящих перед ним задач.
На лекциях я формулирую студентам три тезиса:
  • Открытие ядерной энергии — самое большое достижение человека со времен приручения им огня.
  • Современная ядерная энергетика на тепловых нейтронах, потребляющая 235U, не имеет устойчивого будущего.
  • Без ядерной энергетики будущего нет у современной цивилизации.
И дальнейшую работу надо планировать с учетом этих тезисов.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА