С помощью мирного атома осуществляется поиск полезных ископаемых
Энергия — это основа основ. Все блага цивилизации, все материальные сферы деятельности человека — от стирки белья до исследования Луны и Марса — требуют расхода энергии. И чем дальше, тем больше.
На сегодняшний день энергия атома широко используется во многих отраслях экономики. Строятся мощные подводные лодки и надводные корабли с ядерными энергетическими установками. С помощью мирного атома осуществляется поиск полезных ископаемых. Массовое применение в биологии, сельском хозяйстве, медицине, в освоении космоса нашли радиоактивные изотопы.
Значение атомных электростанций в энергобалансе любой страны трудно переоценить. Гидроэнергетика требует создания крупных водохранилищ, под которые затапливаются большие площади плодородных земель. Вода в них застаивается и теряет свое качество, что, в свою очередь, обостряет проблемы водоснабжения, рыбного хозяйства и индустрии досуга.
Теплоэнергетические станции в наибольшей степени способствуют разрушению биосферы и природной среды Земли. Они уже израсходовали десятки тонн органического топлива (угля). Для его добычи в сельском хозяйстве и других сферах экономики изымаются огромные земельные площади. В местах открытой добычи угля образуются «лунные ландшафты», а повышенное содержание золы в топливе является основной причиной выброса в воздух десятков миллионов тонн SO2. Тепловые энергетические установки во всем мире выбрасывают в атмосферу за год до 250 млн. тонн золы и около 60 млн. тонн сернистого ангидрида.
Атомные электростанции (АЭС) — это третий «кит» в системе современной мировой энергетики. Техническая обеспеченность АЭС, бесспорно, являются крупнейшим достижением научно-технического прогресса (НТП). В случае их безаварийной работы не производится практически никакого загрязнения окружающей среды, кроме теплового. Правда, в результате работы АЭС (и предприятий атомного топливного цикла) образуются радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность для всего живого. Обнадеживает тот факт, что объем радиоактивных отходов довольно мал, они весьма компактны, и их можно хранить в таких условиях, которые гарантируют отсутствие утечки. АЭС много экономичнее обычных тепловых электростанций, а, самое главное, при их правильной эксплуатации – это чистые источники энергии.
Ядерный сектор энергетики наиболее значителен во Франции, Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгарии и Швейцарии, т.е. в тех промышленно развитых странах, где недостаточно природных энергоресурсов. Эти страны производят от четверти до половины своей электроэнергии на АЭС. США производят на АЭС только восьмую часть своей электpоэнеpгии, но это составляет около одной пятой ее мирового производства.
Вместе с тем, развивая ядерную энергетику в интересах экономики, нельзя забывать и о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут привести к катастрофическим последствиям. Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности. Наиболее характерные из них: в 1957 г. – в Уиндскейле (Англия), в 1959 г. – в Санта-Сюзанне (США), в 1961 г. – в Айдахо-Фолсе (США), в 1979 г. – на АЭС Три-Майл-Айленд (США), в 1986 г. – на Чернобыльской АЭС (бывший СССР, сейчас Украина) .
Атомная энергетика по-прежнему остается предметом острых дебатов. Сторонники и противники атомной энергетики резко расходятся в оценках ее безопасности, надежности и экономической эффективности. Кроме того, широко pаспpостpанено мнение о возможной утечке ядерного топлива из сферы выработки электpоэнеpгии и его использовании для создания ядерного оружия.
Ядерная энергетика последние несколько десятилетий остается одним из самых перспективных видов получения энергии в мире. Кроме того, ее физические принципы применяют в ядерной медицине и космических технологиях. «Хайтек» подробно рассказывает, как изучали мирный атом и почему одни страны фокусируются на использовании ядерной энергетики, а другие закрывают все АЭС.
История атомной энергетики, как ни странно, началась с огромного количества исследований в других областях. В 1895 году первый в истории лауреат Нобелевской премии по физике Вильгельм Рентген случайно открывает рентгеновское излучение, полученное им на первом ускорителе электронов — катодной трубке.
В 1896 году французский физик Анри Беккерель открыл феномен радиоактивности при изучении фосфоресценции солей урана, а его исследования продолжила знаменитая супружеская пара Пьера и Мари Кюри — только они уже проводили эксперименты с соединениями тория и солями урана. Ими были выделены высокоактивные элементы полоний и радий, а позже они обнаружили, что эти радиоактивные элементы испускают три вида проникающей радиации: α-, β- и γ- лучи.
Считается, что самый большой вклад в фундаментальное изучение атомарной структуры и последующего открытия ядерного синтеза внес британский физик Эрнест Резерфорд. В 1911 году своим знаменитым опытом рассеяния альфа-частиц он доказал существование в атомах положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. На основе результатов опыта ученый создал первую планетарную модель атома.
Эрнест Резерфорд. Фото: Wiki
Согласно воспоминаниям советского физика Льва Капицы, Эрнест Резерфорд был ярким представителем английской экспериментальной школы в физике, для которой характерно стремление разобраться в сути физического явления и экспериментально проверить, может ли оно быть объяснено существующими теориям.
Он редко использовал формулы и практически не использовал математические расчеты. Его коллеги и ученики отмечали, что Резерфорд был гениальным экспериментатором. Например, он открыл эманацию тория, заметив различия в показаниях электроскопа, измерявшего ионизацию, при открытой и закрытой дверце в приборе, перекрывавшей поток воздуха. Другой пример — открытие Резерфордом искусственной трансмутации элементов, когда облучение ядер азота в воздухе альфа-частицами сопровождалось появлением очень редких высокоэнергичных частиц (протонов), имевших больший пробег.
В современном мире ядерная физика делится на два основных направления — военные технологии и так называемая сфера мирного атома, в который входит несколько отделений: изучение возможностей атома, ядерная энергетика и ядерная медицина.
Ядерная энергетика
В любой области энергетики первичным источником является ядерная энергия — например, энергия солнечных ядерных реакций в гидроэлектростанциях, солнечных электростанциях и электростанциях, работающих на органическом топливе, или энергия радиоактивного распада в геотермальных электростанциях. Однако к ядерной энергетике относится лишь использование управляемых реакций в ядерных реакторах.
Впервые цепная реакция ядерного распада была осуществлена 2 декабря 1942 года в Чикагском университете. Для ее реализации использовался уран в качестве топлива, а графит в качестве замедлителя. Но первая электроэнергия, извлеченная из энергии ядерного распада, была получена только спустя почти 10 лет — 20 декабря 1951 года в Национальной лаборатории Айдахо с помощью реактора на быстрых нейтронах EBR-I (Experimental Breeder Reactor-I), произведенная мощность которого составляла около 100 кВт.
АЭС в Обнинске. Фото: Wiki
Советский Союз старался не отставать в сфере ядерного развити, и 9 мая 1954 года на ядерном реакторе в Обнинске была достигнута первая устойчивая цепная ядерная реакция. Реактор мощностью 5 МВт работал на обогащенном уране с графитом в качестве замедлителя, для охлаждения использовалась вода с обычным изотопным составом. 26 июня в 17:30 энергия, выработанная здесь, стала поступать в потребительскую электросеть Мосэнерго.
На сегодняшний день ядерная энергия обеспечивает до 15% от производства всей электроэнергии на Земле — до 6,55 млрд МВт·ч (562,9 млн тонн в нефтяном эквиваленте). В мире функционируют почти 500 АЭС, большинство из которых находятся на территории Северной Америки, Европы, Азии и стран бывшего СССР. При этом на территории Африки АЭС практически нет, а в Австралии ядерная энергия не используется совсем.
Доля выработки электроэнергии на АЭС в некоторых странах достигает больших значений: так, в 12 странах она превышает 30% от общего количества энергии. С другой стороны, в некоторых странах ее доля в энергобалансе незначительна — Китай является вторым лидером по мощности АЭС, однако ядерная энергия дает всего порядка 4% электричества страны. Основным лидером по установленной мощности являются США, однако ядерная энергетика составляет там лишь 20% в общем энергобалансе. Мировым лидером по доле в общей выработке является Франция, в которой ядерная энергетика является национальным приоритетом — 72% от всего электричества в стране.
Самыми масштабными программами по строительству новых АЭС владеют Россия, Индия и Южная Корея, в которых сейчас строится около 35 новых атомных электростанций, что более 50% от всех создаваемых объектов такого типа.
Ядерная энергия используется не только для снабжения жителей с помощью атомных электрических станций, но и для передвижения атомных ледоколов и атомных подводных лодок. Кроме того, многие страны имеют программы изучения возможностей атомного деления — например, для создания ядерного ракетного двигателя, в том числе для космических кораблей. СССР даже имел программу спутников, которые имели в себе ядерные двигатели. Подробнее об этом читайте в нашем большом материале.
Проблемы атомной энергии
На сегодняшний день в мире существуют две противоположные тенденции — некоторые страны начинают сворачивать свои ядерные программы. Например, США, Франция и Япония начинают закрывать некоторые АЭС, а Италия стала первой страной в мире, которая сознательно закрыла все АЭС и полностью отказалась от ядерной энергетики.
Бельгия, Германия, Испания, Швейцария и Швеция осуществляют долгосрочную политику по отказу от ядерной энергетики. Австрия, Куба, Ливия, Вьетнам и Польша закрыли свои ядерные программы буквально перед пуском первой АЭС по политическим, экономическим или техническим причинам.
Самым спорным моментом в ядерной энергетике является ее безопасность, особенно связанная с эксплуатацией реакторов. Противники ядерных систем указывают на техногенные катастрофы в Чернобыле и Фукусиме, из-за которых погибли тысячи человек, а ущерб, нанесенный экономике СССР и Японии, составляет миллиарды долларов. Кроме того, от атомной энергии, как правило, остаются отходы, которые необходимо утилизировать.
Вместе с тем выступающая за продвижение ядерной энергетики Всемирная ядерная ассоциация опубликовала в 2011 году данные, согласно которым гигаватт в год электроэнергии, произведенной на угольных электростанциях, в среднем (учитывая всю производственную цепочку) обходится в 342 человеческих жертвы, на газовых — в 85, на гидростанциях — в 885, тогда как на атомных — всего в 8.
Саркофаг над Чернобыльской АЭС. Фото: Wiki
Другой проблемой ядерной энергетики является тепловое загрязнение. По мнению специалистов, атомные электростанции «в расчете на единицу производимой электроэнергии» выделяют в окружающую среду больше тепла, чем сопоставимые по мощности ТЭС.
Ядерная медицина
Как отрасль медицины эта сфера появилась только в 1970-1980-х, несмотря на то, что еще в 1901 году французские физики Анри-Александр Данло и Эжен Блок впервые применили радий для лечения кожного туберкулеза, а венгр Дьёрдь де Хевеши в 1913 году предложил использовать в биологических исследованиях метод меченых атомов.
Сейчас ядерная медицина применяется в основном при кардиологических и онкологических заболеваниях, а вся сфера в целом потребляет свыше половины всех радиоактивных изотопов в мире. В частности, в онкологии (радиобиология опухолей — «Хайтек») ядерная медицина выполняет такие задачи, как выявление опухолей, метастазов и рецидивов, определение степени распространенности опухолевого процесса, дифференциальная диагностика, лечение опухолевых образований и оценка эффективности противоопухолевой терапии.
Лидером этого рынка являются США и Япония, при этом Россия является лидером по производству сырьевых медицинских изотопов, однако пока страна не имеет собственной полноценной программы ядерной медицины.
Есть ли будущее у мирного атома10,9 % мировой электроэнергии, 192 действующих АЭС, 438 работающих реакторов, более 300 проектных энергоблоков — за впечатляющими цифрами — аварии, катастрофы, экологические проблемы, тревога и недоверие.
Возможно ли мирное использование атома?
Словосочетание «мирный атом» подразумевает применение энергии атомного ядра в добрых целях. Самое масштабное применение великое открытие XX века нашло в энергетике. Верилось, что впереди светлое энергетическое завтра, решающее проблему исчерпаемости ископаемых видов топлива (нефти, газа, каменного угля). Однако радужные надежды оказались под сомнением — две катастрофы (Чернобыль и Фукусима), многочисленные аварии и экологические осложнения поставили перед миром вопрос о том, что же делать с отраслью в грядущем.
Как известно, будущего без прошлого и настоящего не бывает. Что же там в прошлом? Какое оно, настоящее? Впрочем, по порядку.
На заре атомного века
Все началось в 1939 году, когда немецким физикам удалось открыть реакцию деления уранового ядра при бомбардировании его нейтронами. В результате ядро распадалось на ядра-осколки, при этом выделялась огромная теплоэнергия (уран содержит в 2200 раз больше энергии, чем уголь).
От открытия до начала практического применения прошли годы. К сожалению, начальные шаги были сделаны в военном направлении и лишь после, в 1954 году, в Калужской области была запущена первая промышленная АЭС проектной мощностью 5 МВт.
С небольшим опозданием (в 1956 году) такое производство электроэнергии было пущено Великобританией, через год — США, в 1959 году — Францией, затем Германией, Канадой, Швецией, Японией. Появились атомные ледоколы, авианосцы, подводные лодки, плавучие платформы.
Сегодня преобладающая масса реакторов, как и на первой станции, функционирует на уране-235 и тепловых нейронах. Несмотря на сходство в ключевых составляющих (наличии активной зоны, тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), замедлителя и теплоносителя), в них разные способы отвода тепла, разный материал замедлителя, разные конструкции ТВЭЛов, разная степень обогащения урана (к 1978 году в мире работало около сотни установок различного типа).
Следующим, более прогрессивным шагом стало создание систем на быстрых нейтронах. Среди прочих достоинств — утилизация радиоактивного отхода урана-238, получаемого в ходе работы тепловых реакторов. Превращение этого элемента в плутоний (основной продукт для блоков на быстрых нейтронах) позволяет организовать так называемый «замкнутый цикл» — подробнее об этом чуть позже, пока рассмотрим тему влияния на окружающую среду.
Безопасная опасность
Большая мощность, достаточно простая и без особых финансовых затрат транспортировка топлива, отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу — преимуществ масса. Однако у медали «АЭС» есть обратная сторона — отходы. Они как раз и являются одним из главнейших затруднений (одна станция производит от 18 до 27 тонн в год).
Эксперты выделяют два вида экологических рисков:
- радиоактивное загрязнение;
- накопление в биосфере соединений и изотопов, которые в природе встречаются в очень малых количествах.
Первый заключается в том, что радиоактивный «утиль» остается небезопасным несколько тысяч лет (плутоний-239, например, распадается 24 тысячи лет, технеций-99 сохраняет радиоактивность 210 тысяч лет), а оптимального решения по его переработке до сих пор не найдено. В настоящее время высокоактивные продукты распада просто заливают стеклом и хранят в соляных пластах и подземных могильниках (на глубине не менее 300 – 500 м). Ученые рассматривают еще несколько вариантов: захоронение на океанском дне, во льдах Антарктиды, в скальных породах и даже отправку в космос — но каждый из них получается либо небезопасно, либо невероятно дорого.
Второе осложнение не менее важное — что будет происходить в результате накопления несвойственных природе веществ неизвестно, потому как отсутствует соответствующий опыт. По мнению доктора географических наук, ведущего научного сотрудника Института географии РАН Николая Николаевича Клюева эта проблема, может оказаться серьезнее затруднений с радиоактивным загрязнением, потому как знания о радиации в последние годы стали более обширными, а новые соединения с природоохранной точки зрения никак не оцениваются из-за высокой стоимости необходимого двухэтапного тестирования.
К двум вышеперечисленным экологическим трудностям совсем скоро добавится третья — утилизация самих реакторов (активное развитие в 60 – 70 годы привело к тому, что фаза закрытия большинства энергоблоков начнется в ближайшее десятилетие). Их демонтаж — сложная, опасная для окружающей среды и достаточно дорогостоящая операция.
В сравнении с возможностями риски оказывались на втором плане… до того момента, когда мир увидел и почувствовал разрушительную мощь атомной энергии — до Чернобыльской трагедии.
Дорога в никуда
Ядерные события разделяются международной шкалой на 7 уровней: до 3 включительно случаются инциденты, свыше 3 — аварии. Наивысший 7 уровень за всю историю планеты был достигнут дважды — в 1986 году в Чернобыле и в 2011 году на Фукусиме. Выход из строя 6 уровня случился в 1957 году на заводе по переработке отходов «Маяк», в 1979 году в Америке произошло событие 5 степени сложности — поломка на АЭС Три-Майл-Айленд. Список можно продолжить: авария в Виндскейле, (Великобритания), на установке «Сант-Лаурен» (Франция), на Ленинградской станции в Сосновом Бору (Россия), в Ясловске-Богунице (Чехословакия)…
Последствия этих трагедий ощущаются до сих пор. Это поражения людей, зараженные территории, загрязненные радионуклидами водоемы, продукты и растительность (см. Влияние АЭС на окружающую среду).
Какие уроки в силах извлечь человечество из этих событий? Главных вывода два:
- Следует обеспечить повышенную безопасность, причем не каждой стране в отдельности, а вместе — мировым сообществом.
- В ядерных делах должна быть полная прозрачность и поддержание диалога как в хорошие, так и в плохие времена.
После бедствий многие страны выступили с заявлением об отказе использования АЭС. Однако, энергетические потребности диктуют свои условия. На 55-й конференции МАГАТЭ (Международного агентства по атомной энергии) генеральный директор господин Юки Амано поделился данными о том, что после Фукусимы отрасль не стала сворачиваться, как ожидали многие, а напротив, продолжает расширяться: согласно пессимистичному прогнозу к 2030 году будет запущено 90 новых энергоблоков, оптимистичному — 350. В основном, интерес пробуждается, в Азии: новые установки заработают в Индии, Тайване, Южной Корее, Китае. Кроме того, имеются предпосылки для того, чтобы мирный атом оставался действительно мирным.
Есть ли будущее у мирного атома?
Атомная энергетика будущего многим ученым представляется системой, производящей и электроэнергию, и топливо для дальнейшей своей работы, да еще и поглощающая отходы. И это не просто мысли — проект возможно станет реальностью в 2020 – 2025 годах. Это будут так называемые реакторы закрытого ядерного цикла (ЗЯЦ), о которых мы говорили ранее.
Существует и еще одна перспективная технология — термоядерный синтез. Термоядерный реактор имеет больший энергетический выход, а самое главное он безопасен, примерно также, как солнечная батарея. Да и необходимые компоненты — дейтерий, гелий, водород — легкодоступны… остается только сделать процесс синтеза контролируемым (неконтролируемый в водородной бомбе давно запущен). Сегодня над этим работают ученые 33 стран мира. Кто первым приведет в действие — тому Нобелевская премия, почет, уважение и большая прибыль.
Говоря о завтра, не стоит забывать и о других сферах использования атома в мирных целях. Это:
- медицина (диагностика, радиотерапия);
- животноводство (обеззараживание и оздоровление животноводческой продукции);
- пищевая индустрия (генетическая модификация, уничтожение вирусов, бактерий).
А еще ее используют для обнаружения подземных вод, диагностики состояния плотин и дамб, опреснения воды.
Подытоживая вышеизложенное, можно сказать, что завтрашний день — это две чаши весов: на одной — экономическая выгода, на другой — опасность. А еще для определения будущего мирного атома довольно точно подходят слова, сказанные главным редактором газеты «Российский Чернобыль» Александром Громенко: «Атом — лишь инструмент в руках человеческих. Он может согреть, опалить, уничтожить — выбирать человеку».