Будущее ядерной энергетики

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 = (T ₁ — T ₂ ) /T ₁ ,
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, но энергию можно использовать только один раз. А это означает, что запасы энергии, накопленные на Земле, непрерывно уменьшаются и неизбежно иссякнут.

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.

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%.

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.

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. 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.

Принципиальная схема оборудования 2 контура

Таблица с основными параметрами 2 контура АЭС

η = (T ₁ — T ₂ ) /T ₁ ×100%
где Т = t˚C + 273,15 — абсолютная температура.
Это соотношение определяет максимальный КПД любой тепловой машины.

 η = (573,15 - 373,15) / 573,15 x 100% = 34,9%