Атомная энергетика

На основе открытий в области ядерной физики родилось важнейшее направление современной научно-технической революции - атомная энергетика и атомная техника.

Выступая на годичном собрании Британской ассоциации физиков в 1933 г., Э. Резерфорд заявил, что человечество никогда не сможет использовать энергию, дремлющую в атоме. Он утверждал, что люди, толкующие о возможности получения атомной энергии в больших масштабах, говорят вздор. При таком мнении он оставался до последних дней своей жизни. Да и многие известные физики долгое время придерживались примерно той же точки зрения.

Через 40 лет после выступления Резерфорда академик А. П. Александров писал: "В первой трети нашего века исследования в области ядерной физики казались далекими от практики, направленными на решение лишь фундаментальных проблем. И вот сейчас открытия в этой области дали человечеству новые энергоресурсы и такие методы их использования, при которых угроза исчерпания ресурсов может быть снята".

Высвобождение ядерной энергии стало выдающимся событием в мировой науке. В СССР были приняты все необходимые меры для мирного решения атомной проблемы.

"Научное руководство всеми работами, - рассказывает А. П. Александров, - возглавил академик И. В. Курчатов... Весь огромный комплекс сложнейших задач по изучению ядерных реакций, развитию теории ядра, нейтронной физики, теории реакторов на тепловых и быстрых нейтронах и других решался на высоком научном уровне и в короткие сроки. Выдающимся достижением советских физиков явилось сооружение и пуск в декабре 1946 г. первого атомного уран-графитового реактора в нашей стране, всего через четыре годи после начала работ. Была отлажена уранодобывающая промышленность, организованы беспрецедентное производство разделения изотопов урана и извлечение плутония, построены специальные металлургические заводы, разработаны и пущены в ход промышленные реакторы для получения делящихся материалов. Так закладывалась основа атомной энергетики".

27 июня 1954 г. пуском в СССР первой в мире Обнинской атомной электростанции мощностью 5 тыс. кВт было ознаменовано основание новой отрасли хозяйства - атомной энергетики. Ни одна отрасль в мире так быстро не развивается, как атомная энергетика. Об этом свидетельствуют следующие данные. С 1954 по 1970 г. в разных странах было введено в строй около 80 атомных электростанций установленной мощностью около 20 млн. кВт, а к началу 1976 г. в 16 странах мира уже действовало более 100 атомных электростанций общей мощностью примерно 40 млн. кВт.

В девятой пятилетке в СССР пущены Кольская и Ленинградская атомные электростанции, введены в строй два блока Нововоронежской атомной электростанции. С помощью Советского Союза сооружены атомные электростанции в ГДР, Болгарии и в других странах социалистического лагеря. Следует отметить, что Ленинградская атомная электростанция состоит из блоков, мощностью 1 млн. кВт каждый. Построены мощный атомный ледокол "Арктика", атомный ледокол "Сибирь" и т. д.

В 1980 г. в СССР должно производиться 1380 млрд. кВт o ч электроэнергии. Будут введены в действие мощности на электростанциях в размере 70 млн. кВт, в том числе на атомных - 15 млн. кВт. Должны быть введены в действие Курская, Смоленская, Чернобыльская и другие атомные электростанции с блоками мощностью 1,5 млн. кВт. В десятой пятилетке предусмотрено опережающее развитие атомной энергетики в европейской части СССР, ускорение строительства и освоения реакторов на быстрых нейтронах, проведение подготовительных работ по использованию атомной энергии для теплофикации. С течением времени граница экономической целесообразности развития атомной энергетики сместится к востоку и продвинется за Урал.

Суммарные капитальные затраты на строительство атомных электростанций и предприятий по производству атомного топлива, отнесенные на 1 кВт установленной мощности, в атомной энергетике не выше, чем для электростанций, работающих на угле. Но атомная энергетика обладает особыми достоинствами. Известно, что при делении ядер атомов, содержащихся в 1 кг урана или плутония, освобождается энергия, которая в пересчете на калории равна теплу, выделяющемуся при сжигании около 2500 т антрацита или 1800 т нефти. Один килограмм ядерного топлива равен двум с лишним миллионам килограммов угля!

Атомные электростанции практически независимы от месторасположения источника ядерного топлива, и их работа не связана с решением тяжелых транспортных проблем, с сезонными погодными и климатическими условиями. Добыча и производство ядерного топлива в высокой степени механизированы и автоматизированы. Огромное значение имеет тот факт, что атомные электростанции не загрязняют воздух.

"Введение атомных электростанций, - пишет А. П. Александров, - позволит уменьшать загрязнение внешней среды. Сегодня во всем мире энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно 200-250 млн. т золы и около 60 млн. т сернистого ангидрида. В перспективе до 2000 г. эти выбросы могут возрасти соответственно до 1,5 млрд. т и 400 млн. т. Атомные же электростанции не нуждаются в кислороде и не засоряют атмосферу золой, серой и другими продуктами сгорания. Это наиболее "чистые" станции.

Важный вопрос: не являются ли АЭС опасными с точки зрения радиоактивности? Многолетний опыт эксплуатации Нововоронежской АЭС показал, что концентрация радиоактивных аэрозолей в атмосферном воздухе в контролируемой зоне радиусом 50 км находится на уровне фоновых значений. Доза облучения даже в зоне АЭС не превышает 1% допустимой нормы, установленной для персонала станции... В СССР разработаны научно обоснованные нормы и правила ядерной и радиационной безопасности при проектировании атомных электростанций, их строительстве и эксплуатации, созданы органы надзора за безопасностью АЭС".

По мнению ведущих специалистов, в перспективе половина всех электростанций, возможно, будет работать на атомной энергии.

Как показывают прогнозы, ресурсы дешевого урана могут быть исчерпаны к концу века, если не будут найдены более рациональные и экономичные методы использования ядерного топлива.

В настоящее время определилось два этапа развития атомной энергетики. Первый характерен строительством йтомных реакторов на тепловых нейтронах. АЭС с такими реакторами дают некоторое количество нового ядерного горючего - плутония, образующегося при захвате части нейтронов пассивным ураном-238. Плутоний должен стать начальной топливной базой для электростанции с реакторами на быстрых нейтронах, которые будут создаваться на втором этапе развития атомной энергетики.

Станции с реакторами на тепловых нейтронах расходуют изотоп урана с массой 235, которого в природном уране содержится всего около 1%. Реакторы на быстрых нейтронах гораздо более перспективны, потому что они могут "воспроизводить" ядерное топливо в процессе работы.

Наша страна первой в мире начала исследования в области энергетических реакторов на быстрых нейтронах в 1960 г. в обнинском Физико-энергетическом научно-исследовательском институте. Реакторы заряжаются плутонием и ядерно-пассивным ураном-238. Энергия получается за счет деления ядер плутония, при этом часть образующихся нейтронов поглощается ураном-238, и он тоже превращается в плутоний. В реакторах этого типа образование нового плутония идет быстрее, чем деление исходного. Поскольку в процессе эксплуатации расходуется лишь небольшое количество урана-238, топливный голод таким станциям не угрожает.

Идет работа по созданию реакторов на быстрых нейтронах, эксплуатируемых совместно с реакторами на тепловых нейтронах. Это повысит энерговыработку с тонны природного урана в 20-30 раз. Рост эффективности сжигания ядерного топлива в реакторах сделает экономически выгодными те урановые ресурсы, которые сейчас не имеют промышленного значения (например, уран, растворимый в воде океанов).

Опытом эксплуатации атомных ТЭЦ мы уже располагаем. В городе Шевченко на Каспии в 1973 г. была пущена уникальная АЭС с реактором на быстрых нейтронах, предназначенная не только для выработки электроэнергии, но и для опреснения 120 тыс. т морской воды в сутки. Весь пар, отработанный в трех теплофикационных турбинах, передается на мощные опреснительные установки расположенного рядом завода по производству дистиллата. Сооружаемая на Чукотке заполярная Билибинская АЭС явится первой собственно атомной ТЭЦ - половина вырабатываемой ею энергии будет передаваться на бойлеры для отопления поселка горняков.

Для средств транспорта весьма перспективен водород, не загрязняющий атмосферу. Водородная энергетика будет особенно эффективна, если удастся получить достаточно устойчивый металлический водород. Получение дешевого водорода - одна из важнейших задач ядерной энергетики. Многие ученые считают, что сочетание ядерной реакции как источника энергии с водородом как энергоносителем - наиболее эффективный путь решения главных проблем энергетики.

В обычных условиях водород, как известно, образует молекулу из двух атомов и представляет собой газ. Охлаждение примерно до -250° превращает его в жидкость, а до -259° - в твердое тело.

Природа располагает весьма незначительным количеством чистого водорода. Зато в связанном состоянии его много. Вода, покрывающая две трети поверхности планеты, состоит из водорода и кислорода. Водород горит ровным бесцветным пламенем, дает в несколько раз больше тепла, чем бензин. При его горении выделяется только водяной пар, который быстро превращается в воду и не засоряет атмосферы. Ученые приходят к выводу, что водород следует получать из воды с помощью электроэнергии от атомных электростанций и перекачивать по трубопроводам к местам потребления.

Особый интерес представляет возможность применения водорода для автомобильного транспорта. В 1968 г. в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения АН СССР были проведены успешные испытания двигателя ГАЗ-652 на водородном топливе. КПД двигателя был значительно выше, чем у существующих, двигатель меньше нагревался, следовательно, меньше изнашивался и практически не загрязнял атмосферу вредными выбросами. Специалисты считают, что благодаря водороду появится возможность существенно улучшить летные данные самолетов.

Заманчивые перспективы открывает водород в металлургии. Он может быть применен не только в качестве источника тепла при сгорании, но и как вещество, заменяющее уголь и кокс в процессе прямого восстановления железа. Перспективен водород и для использования в быту. Он даст энергию для отопления и освещения квартир и т. д.

В Институте физики высоких давлений АН СССР проведены опыты по сжатию молекулярного водорода. Обнаружено резкое возрастание проводимости при давлении 3 млн. ат, что может быть интерпретировано как переход газа в металлическое состояние. Академик И. К. Кикоин отмечал, что получение металлического водорода весьма увлекательная проблема, возникшая в связи с тем, что водород, являющийся превосходным изолятором, при известных условиях может становиться идеальным проводником электрического тока - сверхпроводником. Если удастся осуществить такие условия в технических масштабах, то это будет настоящей технической революцией.

Проблема сверхпроводимости стала одной из важнейших в связи с развитием исследований по управляемым термоядерным реакциям. Для осуществления управляемого термоядерного синтеза необходимы большие магнитные поля, сосредоточенные в очень больших объемах. Эти поля создаются электрическим током, протекающим по проводникам в форме соленоида. При этом фактически вся потребляемая электроэнергия выделяется в виде тепла. На помощь должны прийти сверхпроводники- проходя по ним, электрический ток не потребляет энергии. В Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова решен ряд трудных проблем, связанных с созданием сверхпроводящих систем.

В своей речи на XXV съезде КПСС президент Академии наук СССР А. П. Александров говорил:

"Атомная техника сейчас на тысячах заводов применяется для проверки разными способами качества изделий, геологическая разведка пользуется атомной техникой для анализов полезных ископаемых, в медицине широко применяется атомная техника для диагностики и лечения ряда заболеваний.

Биология и сельское хозяйство используют излучения для ускорения селекции микроорганизмов и растений. Например, Институт цитологии и генетики Сибирского отделения АН СССР совместно с Институтом растениеводства ВАСХНИЛ создали на основе радиационных мутантов новый сорт яровой пшеницы "новосибирская-67". Сорт районирован, и к 1978 г. предполагается посеять его на площади 2 млн. га, что даст дополнительно 6 млн. ц зерна с тех же площадей, так как урожайность его на 10-15 ц выше ранее достигнутой" ("Правда", 1976, 27 февраля).

В последние годы все большее развитие получают радиационно-химические производства. Физико-химический институт имени Л. Я. Карпова совместно со специалистами по атомной энергетике успешно работает над проблемой присоединения к атомным станциям радиационно-химических производств. Предполагается, что такие радиационно-химические производства могут быть очень эффективны. В будущем АЭС, видимо, станут своеобразными энергохимическими комбинатами.

Большое внимание привлекает проблема сбросов тепла атомных электростанций. В условиях холодного климата замкнутые пруды или озера-охладители с температурой воды, несколько превышающей естественную, могут использоваться для интенсивного производства ценных продуктов питания, а также для водного спорта и отдыха.