В дальнейшем мы будем исходить из того, что путём химических манипуляций можно отделить тяжёлые ураны и трансураны от осколков и элементов конструкции. Стоимость и возможность такой технологии должны сопоставляться со стоимостью экологических мероприятий, обусловленных работой электростанций на органическом топливе, выбрасывающих в год в атмосферу миллионы тонн золы, — на 1 ГВт(э) .
Посчитано, что по своим ядерно-физическим показателям трансурановая смесь не уступает исходной, плутониевой, и, следовательно, может быть многократно использована. В этом заключён радикальный способ уничтожения радиоактивных трансурановых элементов: их можно сжигать в тех же реакторах, где они рождаются. Впрочем, в самом отмеченном факте ничего удивительного нет. Трансураны, пересыщаясь нейтронами, имеют усиленную тенденцию к делению. Известно, например, что у кюрия-245 критическая масса в несколько раз меньше, чем у плутония-239 .
Вместе с тем нельзя не сказать, что при всей принципиальной ясности конкретное исполнение подобного рода твэлов может ветретить значительные технические трудности. Подсчёт показывает, что в стационарной смеси трансуранов спонтанное тепловыделение в сотни раз, а нейтронный фон — в десятки тысяч раз больше, чем в стандартном плутонии.
Наиболее простой способ обращения с радиоактивными отходами, таким образом, заключён в следующей процедуре. Выгоревшие твэлы подвергаются обработке, при которой отделяются тяжёлые материалы (ураны и трансураны) от лёгких компонент (осколков , конструкционных материалов) . Первые по идеальной схеме все без исключения возвращаются в состав тепловыделяющих элементов (в определённой пропорции с ураном-238) . Если мощность станций не нарастает, то по прошествии некоторого времени общее количество трансуранов не изменяется. Так возникает полностью замкнутое производство энергии, предельно сбалансированное по нейтронам, с минимальным расходом природного урана.
В тех случаях, когда тяжёлые материалы вследствие технологических затруднений не могут быть возвращены в топливный цикл, трансурановая компонента подвергается захоронению. В связи с этим позволю себе одно замечание количественного характера. Известно, что из внутренних слоёв Земли к её поверхности поступает тепло, обязанное своим происхождением радиоактивному распаду тория и урана. Поток этого тепла, отнесённый ко всей поверхности Земли, таков, что он на несколько порядков превосходит тот, которого можно ожидать при полном захоронении трансурановой компоненты топлива. Конкретно в цифрах: если считать, что трансурановая радиоактивность будет накапливаться в Земле на протяжении тысячи лет, то тепловой баланс внутри Земли практически не изменится даже при наличии 100 миллионов (!) действующих энергоблоков гигаваттной мощности.
Таким образом, получается, что особой необходимости в искусственном уничтожении актиноидов нет. Они либо возвращаются, наряду с ураном и плутонием, в цикл, если удаётся найти приемлемую технологию, либо удаляются и подвергаются захоронению вместе с осколками.
Что касается лёгких материалов, то они после некоторой выдержки непосредственно на станции подвергаются окончательному захоронению. Через несколько сот лет их фон упадёт до уровня практически безопасного для окружающей среды.
В предлагаемом быстром реакторе многое из того, что декларировалось в общем плане, вполне достижимо. Автоматически поддерживается критсостояние, регулировка мощности осуществляется с помощью урана-238 , который не столько поглощает нейтроны, сколько их временно заимствует. Обеспечивается высокое (до 50 процентов) выгорание топлива с самообеспечением плутонием, нет необходимости в выделении плутония в последующих стадиях обработки использованного топлива, и, следовательно, исчезает угроза распространения ядерных материалов, а накопление радиоактивности может быть сведено к минимуму.
* * *
Термоядерная детонация. Подобно тому как свеча или бикфордов шнур зажигаются от спички, а порох от капсюля, так и нашей задачей является проведение аналогичной процедуры, но на ядерном уровне. Смысл её один: затратить как можно меньше энергии на инициирование реакции и получить в конечном итоге как можно больше энергии. Здесь следует пояснить, что порох сам по себе не производит энергии, он просто переносит её из одного места (завода-изготовителя, где энергия затрачивается на производство) к точке потребления, где она высвобождается.
Не так с ядерными реакциями — они протекают на компонентах (в нашем случае — на тяжёлом водороде-дейтерии), взятых из природы. Наличие другой составляющей реакции — трития (для ДТ amp;ndash;реакции), которого в природе нет, положения не изменяет, так как тритий регенерируется при последующей переработке.
Важнейшая особенность термоядерной детонации по сравнению с химической заключена в возможности многократного сжатия вещества перед фронтом горения энергией опережающего факела. Физической причиной этому служит превосходство ядерной энергии над внутренней энергией вещества. И при химической детонации происходит сжатие вещества на фронте ударной волны в несколько раз. Сейчас же речь идёт о сжатии топлива в сотни раз.
Важным преимуществом детонации со сжатием является её устойчивость (в химической детонации устойчивость возникает по причине полного выгорания) , если выполнено простое требование. Всякая сжимающаяся система испытывает три стадии: движение внутрь, прекращение движения в момент максимального сжатия и разлёт, то есть движение наружу. Утверждение сводится к тому, что процесс распространения устойчив, когда вспышка происходит до момента максимального сжатия. Другими словами, поскольку наилучшие условия горения возникают при наибольшем сжатии, реализовать их буквально невозможно, надо отступить, иметь некоторый запас.
Допустим, произошёл сбой, где-то выделилось энергии меньше чем в среднем. Из этого следует, что последующих участков „трубы“ достигнет также уменьшенная, против ожидаемой, энергия излучения. Значит, вспышка этого участка наступит несколько позже, при большем сжатии, так как выполнение критерия воспламенения диктуется прежде всего температурой. Компенсирующий момент заключён в том, что с ростом плотности энерговыделение возрастает, и, следовательно, при понижении энергии в одном месте она нарастает в другом и в целом усредняется. Конструктивное оформление может быть различным. Это либо шары, эквидистантно расположенные в общей „трубе“, либо „труба“ в „трубе“.
В многошаровой трубе, когда шары находятся на достаточно большом удалении друг от друга, на сжатие последующего шара оказывает влияние главным образом предыдущий, при их сближении начинает чувствоваться влияние всё большего количества шаров. И нарастает устойчивость, так как энергии шаров перемешиваются, — но тогда труднее обеспечить сферическую симметрию сжатия от отдельного шара. Непрерывная „труба“, по-видимому, обладает наибольшей устойчивостью, но меньшим сжатием.
Устойчиво детонирующая система полностью решает энергетический баланс, её можно использовать для выгодного производства энергии. По нашим оценкам, необходимая инициирующая энергия составляет несколько мегаджоулей. В роли внешнего устройства, возбуждающего термоядерную реакцию, несомненное лидерство имеют лазеры, как наиболее технически освоенные. Но, как сказано, нужен запас. Наличие же запаса выше некоторого минимального, обусловленного всякого рода неточностями (допусками) , может быть использовано для возникновения совсем экзотических построений.
Доступными тогда становятся не только цилиндрические конструкции, но также конусообразные — расширители. Угол раствора конуса пропорционален запасу. Но каков бы ни был запас, рано или поздно энерговыделение удвоится и станет возможным повести энергию не по одному, а по двум каналам. Так возникает произвольная энерговыделяющая сеть двухмерной или даже трёхмерной конфигурации.
Ныне истинное состояние таково: детонация реализована в крупном взрывном эксперименте. Что же касается мини-шнуров, пригодных для непосредственного использования на электростанциях, то здесь до практических результатов дело ещё не дошло. На этом направлении уже многие годы мы пребываем в состоянии „глубоких научно-исследовательских разработок“.
* * *
Гибридный реактор. Подразумевается такой подкритический реактор, в котором стационарность энерговыделения поддерживается с помощью постороннего источника нейтронов.
В качестве такого источника нейтронов может использоваться ускоритель частиц, возбуждающих ядерные реакции, или лазер, концентрирующий свои лучи на миллиметровую мишень и вызывающий термоядерные реакции на тяжёлых изотопах водорода. С оговорками к гибридному реактору можно отнести и комбинированный делительный. В нём соединены внутренний быстрый критический реактор малой мощности, который своими нейтронами подпитывает энергетический внешний подкритический бланкет.
Подкритические активные зоны, при достаточно глубокой подкритичности, не допускают при всех непредвиденных обстоятельствах перехода через верхнее критсостояние, в них невозможно развитие неконтролируемой цепной реакции. Переход к подкритическим реакторам, что очень важно, передвигает границу, разделяющую знание от незнания, в область изученную. Идёт поиск компромисса: чем меньше подкритичность, тем меньше требование к мощности источника, но тем меньше зазор, отделяющий от опасной зоны. И наоборот.
По расчёту, по опыту, в том числе зафиксированному в инструкциях по технике безопасности, реактор можно считать надёжно защищённым от случайностей с выбросом в надкритичность, если глубина подкритичности около 5 процентов.
Наконец, наличие внешнего источника, допинга нейтронов, улучшает нейтронный баланс и ведёт к более сильному выгоранию урана: экономия по отношению к затраченному природному урану может составлять разы по сравнению со стандартными реакторами ВВЭР и РБМК.
Из всех термоядерных и ускорительных источников нейтронов мы отдаём предпочтение импульсивно-периодическому источнику на основе лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) . Причина предпочтения заключается, помимо прочего, в компоновочно-конструктивном оформлении. Только для ЛТС мишенная камера — зона термоядерного горения — отделена от энергопитания (собственно лазеров) на десятки метров. Сама по себе камера сгорания с соответствующими каналами для излучения лазера (лучше всего с одним каналом — односторонней подсветкой) компактна и достаточно просто размещается в активной зоне реактора. Вообразить подобное для „Токамака“ или ускорителя практически невозможно.
В гибридной схеме основная энергия — делительная. Отношение делительной энергии к термоядерной первичного источника может составлять несколько тысяч раз при приемлемом уровне подкритичности в двухкамерной конструкции, использующей идею односторонних нейтронных потоков. Внутренний, „быстрый“ каскад питает нейтронами наружный, „тепловой“, тогда как влияние тепловых нейтронов на внутреннюю часть подавлено в сотни раз.
Лазер, безусловно, усложняет конструкцию, но вместе с тем придаёт реактору высокую степень безопасности, простоту управления, большое выгорание и экономию топлива. Все эти преимущества позволяют отнести гибридный реактор к вполне оригинальному построению. Является ли гибридный вариант реактора самостоятельным или только ступенькой, отступлением в освоении термоядерной энергии, покажет время.
И последнее. В печати, особенно в западной, активно пропагандируется тезис о том, что на АЭС, независимо от того, гибридная она или нет, происходит накопление плутония и он может использоваться для военных целей. Да, любой реактор, использующий нейтронно-ядерные реакции, может быть приспособлен для получения различных изотопов, включая плутоний. Однако в чисто термоядерном реакторе производительность получении изотопов примерно в десять раз выше, чем в реакторе деления. Достаточно 10 процентов всех нейтронов термоядерного реактора „незаметно“ направить в урановые блочки, как он превратится в могучий производитель плутония, притом кондиционного, в отличие от засорённого многими изотопами реакторного плутония АЭС.
Кардинальное решение состоит, таким образом, не в отказе от ядерной энергии, а в введении жёсткого международного контроля, в равной степени относящегося ко всем видам нейтронных источников, ко всем странам — ядерным и неядерным. А при сравнении различных производств по их глобальной экологической опасности нужно иметь в виду, что её количественная оценка содержит два сомножителя — вероятность аварии и цену возможного ущерба для общества. По обоим параметрам гибридные АЭС выгодно отличаются от термоядерных.
* * *
Подводя краткий итог, рискну предположить, что в освоении ядерной энергии мы не в конце пути, как многим казалось до Чернобыльской трагедии, а где-то в самом начале. Поэтому компромисс, сочетание в одном агрегате различных подходов, как в гибридном реакторе делительных и термоядерных реакций, может оказаться выгоднее, чем их использование по отдельности.
В последнее время меня не покидаёт ощущение, что эра ядерной энергетики только начинается. За горизонтом нас ждёт немало находок и открытий. Поле чуть вспахано, на нём появились первые всходы, но основной урожай впереди. Мы ищем и находим примеры того, чтобы с оптимизмом оценивать ядерно-энергетическую перспективу.
Я убеждён, что в конце XXI века ядерная энергетика станет такой же необходимой и привычной для человека, как электричество в конце двадцатого.
ЛЕВ И АТОМ. -М.: „Воскресенье“, 2003.
Посчитано, что по своим ядерно-физическим показателям трансурановая смесь не уступает исходной, плутониевой, и, следовательно, может быть многократно использована. В этом заключён радикальный способ уничтожения радиоактивных трансурановых элементов: их можно сжигать в тех же реакторах, где они рождаются. Впрочем, в самом отмеченном факте ничего удивительного нет. Трансураны, пересыщаясь нейтронами, имеют усиленную тенденцию к делению. Известно, например, что у кюрия-245 критическая масса в несколько раз меньше, чем у плутония-239 .
Вместе с тем нельзя не сказать, что при всей принципиальной ясности конкретное исполнение подобного рода твэлов может ветретить значительные технические трудности. Подсчёт показывает, что в стационарной смеси трансуранов спонтанное тепловыделение в сотни раз, а нейтронный фон — в десятки тысяч раз больше, чем в стандартном плутонии.
Наиболее простой способ обращения с радиоактивными отходами, таким образом, заключён в следующей процедуре. Выгоревшие твэлы подвергаются обработке, при которой отделяются тяжёлые материалы (ураны и трансураны) от лёгких компонент (осколков , конструкционных материалов) . Первые по идеальной схеме все без исключения возвращаются в состав тепловыделяющих элементов (в определённой пропорции с ураном-238) . Если мощность станций не нарастает, то по прошествии некоторого времени общее количество трансуранов не изменяется. Так возникает полностью замкнутое производство энергии, предельно сбалансированное по нейтронам, с минимальным расходом природного урана.
В тех случаях, когда тяжёлые материалы вследствие технологических затруднений не могут быть возвращены в топливный цикл, трансурановая компонента подвергается захоронению. В связи с этим позволю себе одно замечание количественного характера. Известно, что из внутренних слоёв Земли к её поверхности поступает тепло, обязанное своим происхождением радиоактивному распаду тория и урана. Поток этого тепла, отнесённый ко всей поверхности Земли, таков, что он на несколько порядков превосходит тот, которого можно ожидать при полном захоронении трансурановой компоненты топлива. Конкретно в цифрах: если считать, что трансурановая радиоактивность будет накапливаться в Земле на протяжении тысячи лет, то тепловой баланс внутри Земли практически не изменится даже при наличии 100 миллионов (!) действующих энергоблоков гигаваттной мощности.
Таким образом, получается, что особой необходимости в искусственном уничтожении актиноидов нет. Они либо возвращаются, наряду с ураном и плутонием, в цикл, если удаётся найти приемлемую технологию, либо удаляются и подвергаются захоронению вместе с осколками.
Что касается лёгких материалов, то они после некоторой выдержки непосредственно на станции подвергаются окончательному захоронению. Через несколько сот лет их фон упадёт до уровня практически безопасного для окружающей среды.
В предлагаемом быстром реакторе многое из того, что декларировалось в общем плане, вполне достижимо. Автоматически поддерживается критсостояние, регулировка мощности осуществляется с помощью урана-238 , который не столько поглощает нейтроны, сколько их временно заимствует. Обеспечивается высокое (до 50 процентов) выгорание топлива с самообеспечением плутонием, нет необходимости в выделении плутония в последующих стадиях обработки использованного топлива, и, следовательно, исчезает угроза распространения ядерных материалов, а накопление радиоактивности может быть сведено к минимуму.
* * *
Термоядерная детонация. Подобно тому как свеча или бикфордов шнур зажигаются от спички, а порох от капсюля, так и нашей задачей является проведение аналогичной процедуры, но на ядерном уровне. Смысл её один: затратить как можно меньше энергии на инициирование реакции и получить в конечном итоге как можно больше энергии. Здесь следует пояснить, что порох сам по себе не производит энергии, он просто переносит её из одного места (завода-изготовителя, где энергия затрачивается на производство) к точке потребления, где она высвобождается.
Не так с ядерными реакциями — они протекают на компонентах (в нашем случае — на тяжёлом водороде-дейтерии), взятых из природы. Наличие другой составляющей реакции — трития (для ДТ amp;ndash;реакции), которого в природе нет, положения не изменяет, так как тритий регенерируется при последующей переработке.
Важнейшая особенность термоядерной детонации по сравнению с химической заключена в возможности многократного сжатия вещества перед фронтом горения энергией опережающего факела. Физической причиной этому служит превосходство ядерной энергии над внутренней энергией вещества. И при химической детонации происходит сжатие вещества на фронте ударной волны в несколько раз. Сейчас же речь идёт о сжатии топлива в сотни раз.
Важным преимуществом детонации со сжатием является её устойчивость (в химической детонации устойчивость возникает по причине полного выгорания) , если выполнено простое требование. Всякая сжимающаяся система испытывает три стадии: движение внутрь, прекращение движения в момент максимального сжатия и разлёт, то есть движение наружу. Утверждение сводится к тому, что процесс распространения устойчив, когда вспышка происходит до момента максимального сжатия. Другими словами, поскольку наилучшие условия горения возникают при наибольшем сжатии, реализовать их буквально невозможно, надо отступить, иметь некоторый запас.
Допустим, произошёл сбой, где-то выделилось энергии меньше чем в среднем. Из этого следует, что последующих участков „трубы“ достигнет также уменьшенная, против ожидаемой, энергия излучения. Значит, вспышка этого участка наступит несколько позже, при большем сжатии, так как выполнение критерия воспламенения диктуется прежде всего температурой. Компенсирующий момент заключён в том, что с ростом плотности энерговыделение возрастает, и, следовательно, при понижении энергии в одном месте она нарастает в другом и в целом усредняется. Конструктивное оформление может быть различным. Это либо шары, эквидистантно расположенные в общей „трубе“, либо „труба“ в „трубе“.
В многошаровой трубе, когда шары находятся на достаточно большом удалении друг от друга, на сжатие последующего шара оказывает влияние главным образом предыдущий, при их сближении начинает чувствоваться влияние всё большего количества шаров. И нарастает устойчивость, так как энергии шаров перемешиваются, — но тогда труднее обеспечить сферическую симметрию сжатия от отдельного шара. Непрерывная „труба“, по-видимому, обладает наибольшей устойчивостью, но меньшим сжатием.
Устойчиво детонирующая система полностью решает энергетический баланс, её можно использовать для выгодного производства энергии. По нашим оценкам, необходимая инициирующая энергия составляет несколько мегаджоулей. В роли внешнего устройства, возбуждающего термоядерную реакцию, несомненное лидерство имеют лазеры, как наиболее технически освоенные. Но, как сказано, нужен запас. Наличие же запаса выше некоторого минимального, обусловленного всякого рода неточностями (допусками) , может быть использовано для возникновения совсем экзотических построений.
Доступными тогда становятся не только цилиндрические конструкции, но также конусообразные — расширители. Угол раствора конуса пропорционален запасу. Но каков бы ни был запас, рано или поздно энерговыделение удвоится и станет возможным повести энергию не по одному, а по двум каналам. Так возникает произвольная энерговыделяющая сеть двухмерной или даже трёхмерной конфигурации.
Ныне истинное состояние таково: детонация реализована в крупном взрывном эксперименте. Что же касается мини-шнуров, пригодных для непосредственного использования на электростанциях, то здесь до практических результатов дело ещё не дошло. На этом направлении уже многие годы мы пребываем в состоянии „глубоких научно-исследовательских разработок“.
* * *
Гибридный реактор. Подразумевается такой подкритический реактор, в котором стационарность энерговыделения поддерживается с помощью постороннего источника нейтронов.
В качестве такого источника нейтронов может использоваться ускоритель частиц, возбуждающих ядерные реакции, или лазер, концентрирующий свои лучи на миллиметровую мишень и вызывающий термоядерные реакции на тяжёлых изотопах водорода. С оговорками к гибридному реактору можно отнести и комбинированный делительный. В нём соединены внутренний быстрый критический реактор малой мощности, который своими нейтронами подпитывает энергетический внешний подкритический бланкет.
Подкритические активные зоны, при достаточно глубокой подкритичности, не допускают при всех непредвиденных обстоятельствах перехода через верхнее критсостояние, в них невозможно развитие неконтролируемой цепной реакции. Переход к подкритическим реакторам, что очень важно, передвигает границу, разделяющую знание от незнания, в область изученную. Идёт поиск компромисса: чем меньше подкритичность, тем меньше требование к мощности источника, но тем меньше зазор, отделяющий от опасной зоны. И наоборот.
По расчёту, по опыту, в том числе зафиксированному в инструкциях по технике безопасности, реактор можно считать надёжно защищённым от случайностей с выбросом в надкритичность, если глубина подкритичности около 5 процентов.
Наконец, наличие внешнего источника, допинга нейтронов, улучшает нейтронный баланс и ведёт к более сильному выгоранию урана: экономия по отношению к затраченному природному урану может составлять разы по сравнению со стандартными реакторами ВВЭР и РБМК.
Из всех термоядерных и ускорительных источников нейтронов мы отдаём предпочтение импульсивно-периодическому источнику на основе лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) . Причина предпочтения заключается, помимо прочего, в компоновочно-конструктивном оформлении. Только для ЛТС мишенная камера — зона термоядерного горения — отделена от энергопитания (собственно лазеров) на десятки метров. Сама по себе камера сгорания с соответствующими каналами для излучения лазера (лучше всего с одним каналом — односторонней подсветкой) компактна и достаточно просто размещается в активной зоне реактора. Вообразить подобное для „Токамака“ или ускорителя практически невозможно.
В гибридной схеме основная энергия — делительная. Отношение делительной энергии к термоядерной первичного источника может составлять несколько тысяч раз при приемлемом уровне подкритичности в двухкамерной конструкции, использующей идею односторонних нейтронных потоков. Внутренний, „быстрый“ каскад питает нейтронами наружный, „тепловой“, тогда как влияние тепловых нейтронов на внутреннюю часть подавлено в сотни раз.
Лазер, безусловно, усложняет конструкцию, но вместе с тем придаёт реактору высокую степень безопасности, простоту управления, большое выгорание и экономию топлива. Все эти преимущества позволяют отнести гибридный реактор к вполне оригинальному построению. Является ли гибридный вариант реактора самостоятельным или только ступенькой, отступлением в освоении термоядерной энергии, покажет время.
И последнее. В печати, особенно в западной, активно пропагандируется тезис о том, что на АЭС, независимо от того, гибридная она или нет, происходит накопление плутония и он может использоваться для военных целей. Да, любой реактор, использующий нейтронно-ядерные реакции, может быть приспособлен для получения различных изотопов, включая плутоний. Однако в чисто термоядерном реакторе производительность получении изотопов примерно в десять раз выше, чем в реакторе деления. Достаточно 10 процентов всех нейтронов термоядерного реактора „незаметно“ направить в урановые блочки, как он превратится в могучий производитель плутония, притом кондиционного, в отличие от засорённого многими изотопами реакторного плутония АЭС.
Кардинальное решение состоит, таким образом, не в отказе от ядерной энергии, а в введении жёсткого международного контроля, в равной степени относящегося ко всем видам нейтронных источников, ко всем странам — ядерным и неядерным. А при сравнении различных производств по их глобальной экологической опасности нужно иметь в виду, что её количественная оценка содержит два сомножителя — вероятность аварии и цену возможного ущерба для общества. По обоим параметрам гибридные АЭС выгодно отличаются от термоядерных.
* * *
Подводя краткий итог, рискну предположить, что в освоении ядерной энергии мы не в конце пути, как многим казалось до Чернобыльской трагедии, а где-то в самом начале. Поэтому компромисс, сочетание в одном агрегате различных подходов, как в гибридном реакторе делительных и термоядерных реакций, может оказаться выгоднее, чем их использование по отдельности.
В последнее время меня не покидаёт ощущение, что эра ядерной энергетики только начинается. За горизонтом нас ждёт немало находок и открытий. Поле чуть вспахано, на нём появились первые всходы, но основной урожай впереди. Мы ищем и находим примеры того, чтобы с оптимизмом оценивать ядерно-энергетическую перспективу.
Я убеждён, что в конце XXI века ядерная энергетика станет такой же необходимой и привычной для человека, как электричество в конце двадцатого.
ЛЕВ И АТОМ. -М.: „Воскресенье“, 2003.