Страница:
Не намного лучше и предложение американского политолога Грэма Эллисона. Он называет российский арсенал „ядерным супермаркетом“, предлагает выкупить его целиком по миллиону долларов за штуку (всего за 30 млрд. долларов) и разместить в международном охраняемом хранилище.
Инерция коснулась и промышленности. До сих пор Россия производит плутоний, которого сейчас в избытке, и нам ещё предстоит определиться, что с ним делать. В сущности, совсем небольшие изменения претерпела вся отрасль, производящая атомное оружие. Однако не случаен и такой факт: я не знаю политических деятелей, которые бы во всеуслышание говорили, что нужно всемерно развивать атомное оружие, тем более — использовать. В поисках популярности и голосов избирателей даже самые решительные из них не допускают крутых выражений, потому что учитывают настроение народа, который давно понял, что жить по-человечески можно только без истребительных войн.
Пятьдесят лет существует атомное оружие… С ужасом думаешь, что оно будет ещё 50 лет и жизнь наших внуков и правнуков останется под угрозой полного истребления. Нам твердят про сдерживающую функцию ядерного оружия, нас пугают: Россию, как и Советский Союз, уже растащили бы по кускам не будь она ядерной страной. Только кому она нужна, голодная и отсталая? И почему такие традиционно нейтральные страны, как Швеция, Швейцария, Люксембург и другие, не постигла подобная участь?
Само по себе утверждение, что 50 лет не было крупных войн благодаря сдерживающей функции ядерного оружия, на мой взгляд, безосновательно. Тем более что войны — пусть не мировые, но многолетние — были. Вспомним хотя бы Вьетнам и Афганистан, где ядерные страны потерпели поражение, но ядерное оружие не использовали. В противоположность этому — конфликт США с Ираком: международная солидарность способна погасить любую агрессию, не прибегая к атомным бомбёжкам.
Любое неядерное государство, приобретая оружие, ставит перед собой определённую цель. Одни стремятся иметь систему вооружения ради защиты, другие — в целях шантажа. Между тем известно, что создание ядерного оружия — дело не одного дня, требует колоссальных затрат, и потому скрыть это невозможно. Совершенно немыслимо при современных видах разведки, чтобы в неядерной стране внезапно возникло ядерное оружие в количестве, опасном для другого государства или мира в целом. Да и вряд ли найдётся сегодня страна, которая встанет на путь конфронтации со всем миром, открыто заявив о своём решении обзавестись ядерным оружием.
Но это не уберегает от опасности терроризма.
Шантаж и террор сопровождают нашу жизнь: угнанные самолёты, заложники, зарин в метро… Преступный мир развивается в своей плоскости, хотя и использует порой высшие достижения науки и техники. Невозможно, конечно, исключить, что со временем появится шантажист с ядерным уклоном. Украдёт ли он бомбу (или перекупит) , достанет ли плутоний и изготовит себе примитивное устройство — для поставленной задачи достаточно. Есть ли смысл в часто используемом аргументе, что он, террорист, испугается ядерного возмездия со стороны общества? Попробуем вообразить себе нечто абсолютно невероятное. Террорист подложил под Московский Кремль атомную бомбу и взорвал её. Что дальше? Мы не знаем ни его самого, ни организацию или страну, которые он представляет. А если и узнаем — не истреблять же за это ни в чём не повинный народ ядерными бомбами! То же самое относится не только к террористу-одиночке, но и к некоей стране.
При всех сходных ситуациях появление нелегального оружия в условиях военного ядерного сообщества, в котором и бомбы на складах, и плутоний в котлах, намного вероятней, чем в мире без ядерного оружия.
Ядерное оружие как оружие массового уничтожения людей не отличается от химического, бактериологического. Отношения к ним ко всем должно быть одинаково запретительным.
Я уверен, что при доброй воле государств, разветвлённой международной инспекции ликвидация оружия возможна и в конце концов принесёт материальную выгоду всем народам. А если ничего не делать, то избежать катастрофического распространения ядерного оружия нам не удастся. Единственная логически замкнутая альтернатива состоит в абсолютном уничтожении ядерного оружия. Или мы придём к самоуничтожению.
У всякой крупной деформации общества есть свои положительные и отрицательные черты. Переход от ядерного мира к безъядерному не является исключением. Важно, чтобы в итоге баланс был положительным.
10. От надежд на Бомбу — к надёжному реактору
Инерция коснулась и промышленности. До сих пор Россия производит плутоний, которого сейчас в избытке, и нам ещё предстоит определиться, что с ним делать. В сущности, совсем небольшие изменения претерпела вся отрасль, производящая атомное оружие. Однако не случаен и такой факт: я не знаю политических деятелей, которые бы во всеуслышание говорили, что нужно всемерно развивать атомное оружие, тем более — использовать. В поисках популярности и голосов избирателей даже самые решительные из них не допускают крутых выражений, потому что учитывают настроение народа, который давно понял, что жить по-человечески можно только без истребительных войн.
Пятьдесят лет существует атомное оружие… С ужасом думаешь, что оно будет ещё 50 лет и жизнь наших внуков и правнуков останется под угрозой полного истребления. Нам твердят про сдерживающую функцию ядерного оружия, нас пугают: Россию, как и Советский Союз, уже растащили бы по кускам не будь она ядерной страной. Только кому она нужна, голодная и отсталая? И почему такие традиционно нейтральные страны, как Швеция, Швейцария, Люксембург и другие, не постигла подобная участь?
Само по себе утверждение, что 50 лет не было крупных войн благодаря сдерживающей функции ядерного оружия, на мой взгляд, безосновательно. Тем более что войны — пусть не мировые, но многолетние — были. Вспомним хотя бы Вьетнам и Афганистан, где ядерные страны потерпели поражение, но ядерное оружие не использовали. В противоположность этому — конфликт США с Ираком: международная солидарность способна погасить любую агрессию, не прибегая к атомным бомбёжкам.
Любое неядерное государство, приобретая оружие, ставит перед собой определённую цель. Одни стремятся иметь систему вооружения ради защиты, другие — в целях шантажа. Между тем известно, что создание ядерного оружия — дело не одного дня, требует колоссальных затрат, и потому скрыть это невозможно. Совершенно немыслимо при современных видах разведки, чтобы в неядерной стране внезапно возникло ядерное оружие в количестве, опасном для другого государства или мира в целом. Да и вряд ли найдётся сегодня страна, которая встанет на путь конфронтации со всем миром, открыто заявив о своём решении обзавестись ядерным оружием.
Но это не уберегает от опасности терроризма.
Шантаж и террор сопровождают нашу жизнь: угнанные самолёты, заложники, зарин в метро… Преступный мир развивается в своей плоскости, хотя и использует порой высшие достижения науки и техники. Невозможно, конечно, исключить, что со временем появится шантажист с ядерным уклоном. Украдёт ли он бомбу (или перекупит) , достанет ли плутоний и изготовит себе примитивное устройство — для поставленной задачи достаточно. Есть ли смысл в часто используемом аргументе, что он, террорист, испугается ядерного возмездия со стороны общества? Попробуем вообразить себе нечто абсолютно невероятное. Террорист подложил под Московский Кремль атомную бомбу и взорвал её. Что дальше? Мы не знаем ни его самого, ни организацию или страну, которые он представляет. А если и узнаем — не истреблять же за это ни в чём не повинный народ ядерными бомбами! То же самое относится не только к террористу-одиночке, но и к некоей стране.
При всех сходных ситуациях появление нелегального оружия в условиях военного ядерного сообщества, в котором и бомбы на складах, и плутоний в котлах, намного вероятней, чем в мире без ядерного оружия.
Ядерное оружие как оружие массового уничтожения людей не отличается от химического, бактериологического. Отношения к ним ко всем должно быть одинаково запретительным.
Я уверен, что при доброй воле государств, разветвлённой международной инспекции ликвидация оружия возможна и в конце концов принесёт материальную выгоду всем народам. А если ничего не делать, то избежать катастрофического распространения ядерного оружия нам не удастся. Единственная логически замкнутая альтернатива состоит в абсолютном уничтожении ядерного оружия. Или мы придём к самоуничтожению.
У всякой крупной деформации общества есть свои положительные и отрицательные черты. Переход от ядерного мира к безъядерному не является исключением. Важно, чтобы в итоге баланс был положительным.
10. От надежд на Бомбу — к надёжному реактору
Не так давно довелось стать свидетелем и участником опроса телезрителей. В прямом эфире был задан вопрос: „Открытие ядерной энергии — для общества благо или вред?“ Голоса разделились поровну. Неопределённость, заключённая в вопросе, повлекла за собой и неоднозначность ответов. А все дело в том, что у ядерной энергии две ипостаси, две „родовые“ функции: военная-разрушительная, и энергетическая — созидательная.
Для меня отправным является то положение, что вместе с исчезновением ядерного оружия — антигуманного, направленного против беззащитного населения, ядерная энергия, напротив, будет проникать внутрь цивилизованного общества в виде тепла, электричества, медицинских изотопов и т. д. Будет врастать в нашу жизнь как энергия экологически наиболее чистая, с практически беспредельным сырьевым ресурсом. Она безальтернативна в стратегическом плане.
* * *
Открытие ядерной энергии — высочайшее достижение мировой науки, его нельзя ни закрыть, ни забыть, его нужно научиться использовать не во вред, а на пользу человеку. Чтобы непредвзято оценить роль атомной энергии в общем энергопроизводстве, попытаемся для начала развеять некоторые распространённые предубеждения.
Например, такое. При извлечении урана из недр и, наоборот, при захоронении радиоактивных осколков деления происходит нарушение глобального радиоактивного равновесия.
Несомненно это так, но ядерная энергия не является в этом отношении каким-то исключением. Всякое вмешательство человека в естественное протекание природных процессов нарушает равновесие. Нам не обойтись без тепла в жилище, без телевизора, телефона, электрического утюга и всех прочих удобств, в основе которых энергоисточники. А за киловаттами энергии, полученными на уже привычных нашему сознанию гидроэлектростанциях, — пересохший Арал, подтопленные города и посёлки, бьющиеся о каменные глыбы Волгоградской ГЭС осетры…
Неверным, по крайней мере в своём абсолютном выражении, является также положение, будто ядерная энергия „не от бога“, что она противоестественна, что человек и всё живое в своём развитии не обрели защитных инстинктов против радиоактивности.
Во-первых, многие вредные химические вещества также не обладают предупредительными признаками: угарный газ не имеет цвета и запаха, сильнейший яд — цианистый калий — имеет запах „всего лишь“ горького миндаля и т. д.
Во-вторых, на самом деле вся наша жизнь пронизана радиацией — от Земли, из космоса. При этом естественный фон может меняться в 2 amp;ndash;3 раза вследствие суточных, сезонных, солнечных вариаций. На Земле есть отдельные населённые районы (юго-западное побережье Индии, Атлантическое побережье Бразилии) , где радиоактивный фон в 10 раз превосходит средний из-за песков-монацитов, содержащих радиоактивный торий. Кроме естественного фона, как бы постоянной составляющей, есть и индивидуальная, переменная для каждого человека величина. Она зависит от конкретного жилища, частоты обращений за медицинской помощью и, как правило, в среднем в 2,5 раза превышает фон и не может считаться фиксированной. Другими словами, мы живём в условиях радиации, организм к ней адаптировался, а по убеждению некоторых учёных, именно радиация является источником генных мутаций, лежащих в основе развития всего живого. Разумеется, в некоторых, хотя и не строго фиксированных рамках.
Да, в отношении АЭС допускаются сильные выражения. Эти станции иногда называют минами замедленного действия. Многим кажется, что Чернобыль доказал несостоятельность атомно-энергетической концепции. Общее внимание сфокусировалось на опасности ядерной энергетики, в стороне оказываются события из других областей, хотя они порой не менее трагичны, чем Чернобыль. А всё, как известно, познаётся в сравнении.
Незадолго до Чернобыля, в 1984 году, произошли две крупные аварии. В Мексике, близ столицы Мехико, на газораспределительном заводе взорвались ёмкости со сжиженным газом. В результате погибли 452 человека, тысяча пропали без вести, ранены 4248, в радиусе до километра разрушены здания. Картина близка по ударному действию к взрыву небольшой атомной бомбы.
Другая авария приключилась в Бхопале (Индия) . Произошла утечка смертоносного газа метилизоционата. Погибли 2,5 тысячи человек, пострадали сотни тысяч, ущерб составил 50 млрд. долларов.
Любое сложное производство связано с риском. Поскольку развитое общество невозможно представить без топлива и химии, то и аварии, как неизбежное зло, нам приходится оплачивать. В отношении же ядерной энергетики положение представляется менее очевидным. Далеко не все считают, что ядерная энергетика нужна вообще.
С другой стороны, такие страны, как Япония и, особенно, Франция, во много раз превосходят Россию в развитии ядерной энергетической базы. Было бы наивно полагать, что такое развитие — опрометчивый с их стороны шаг. Всё дело в том, что эти страны, не имеющие достаточных топливных ресурсов, раньше других убедились в экологической чистоте ядерной энергии (разумеется , при нормальных условиях эксплуатации) , её экономической целесообразности.
Довольно часто выдвигается тезис об особой опасности, возникающей в связи с атомными объектами в военное время. В самом деле, разрушение атомных станций (а также и других крупных промышленных объектов) может многократно усилить и без того ужасные последствия войны. Мерой оценки привнесённой опасности от атомной энергетики в случае любой войны, будь то ядерная или обычная, может служить общая мощность АЭС, приходящаяся на единицу площади. При достаточно большом числе АЭС такая усреднённая величина представляется правильной для сопоставления, так как длина смертоносного радиоактивного следа при разрушении вытянется на сотни километров и при ширине в десятки километров следы будут перекрывать друг друга. Россия в этом отношении рискует куда меньше таких энергонасыщенных стран, как Франции, Япония и даже США с их обширной территорией.
Приводя и комментируя различные доводы „за“ и „против“ ядерной энергетики, я никоим образом не ставлю своей целью хоть как-то приуменьшить потенциально существующую радиоактивную опасность. Для меня важно подчеркнуть, что у ядерной энергии нет той исключительности, с точки зрения опасности для людей, которую ей порой приписывают.
Давно отмечено исследователями, что жизненный уровень пропорционален производимой в обществе энергии. Наше отставание от передовых стран Европы, США, Японии выражается прежде всего в энергетической насыщенности промышленности и быта (у нас ниже примерно вдвое) и рациональном, экономном расходовании энергии — тут мы, напротив, в полтора раза расточительнее.
В том, что нужно экономить энергию, как, впрочем, и другие материальные ресурсы, сомнения нет. Энергосбережение как выгодный способ вложения капитала всё же не является бесплатным. Оно сопряжено с внедрением новейших технологий, современного, менее энергоёмкого оборудования, с необходимостью теплоизоляции зданий — то есть является действием, растянутым во времени и доступным для общества, уже достигшего определённых технических высот.
В поиске альтернатив органическим и ядерным энергоисточникам чаще всего называют ветровую энергию и энергию Солнца (кстати сказать, ядерную по своей природе) . Однако при первых же попытках анализа природных источников энергии на первый план выступает их основной недостаток — рассеянный, рассредоточенный характер.
Красивые картинки с изображением современных ветряных двигателей не должны никого вводить в заблуждение. При диаметре винта 10 м. и средней скорости ветра 10 м/сек (36 км/час) такой ветряк сможет реализовать электрическую мощность не более нескольких киловатт. Таким образом, чтобы сравниться хотя бы со средней АЭС, ветряков потребуется несколько сот тысяч.
На один квадратный метр в средних широтах приходится 150 Вт солнечной энергии. Легко сосчитать, что для солнечной электростанции мощностью в 1 ГВт(э) придётся около 100 квадратных километров сплошь закрыть фотоэлементами. Помимо расхода огромного количества материалов, в том числе весьма дефицитных, до сих пор не ясно, получим ли мы разумный энергетический выигрыш, то есть окажется ли добытой солнечной энергии больше, чем энергии, затраченной на её извлечение. Нет уверенности и в её широко рекламируемой экологической чистоте. И дело не только в отходах производства и отчуждении больших территорий. Представьте себе, что, как на хороших АЭС, треть солнечной энергии такой станции в виде электричества передаётся из южных районов в северные. При массовом использовании солнечной энергии мы столкнёмся с не меньшими экологическими трудностями, чем при строительстве гидростанций.
Выйти на высокий энергетический уровень за сравнительно короткий срок (в пределах 10 лет) возможно только посредством развития ядерной энергетики. Последнему утверждению сопутствует ряд благоприятных моментов.
Нравится нам это или нет, но в силу многих причин в СССР преимущественное развитие получила военная промышленность: ядерная, ракетно-космическая, авиационная и некоторые другие. Потрачены огромные интеллектуальные усилия и материальные средства на развитие соответствующих научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро, опытных производств и т. п. Уровень приборной и экспериментальной базы на предприятиях бывшего Министерства среднего машиностроения существенно выше, чем в среднем по стране, квалификация научных и инженерных кадров не уступает мировым стандартам. Мы поступили бы расточительно, неразумно, нелепо, если бы не воспользовались высоким уровнем производства на этих предприятиях. Деньги надо вкладывать не туда, где мы слабы и отстали, а туда, где сильны и конкурентоспособны в мировых масштабах.
Теперь уже ясно, что мир встал на путь массового ядерного разоружения. Это означает, что скоро высвободится огромное количество ядерных материалов — около 100 тонн плутония-239 и 1000 тонн урана-235 . Такого количества делительных материалов хватит на 40 лет эксплуатации ныне действующих АЭС. Если же иметь в виду более экономные и перспективные реакторы будущего, о которых речь пойдёт ниже, — то и на многие сотни лет вперед.
Разумно ли, особенно при нашей бедности, не воспользоваться этим как бы „бесплатным“ ядерным топливом? Десятки миллиардов рублей, затраченные на создание военной техники, вернулись бы в сферу мирного потребления — ведь в атомных электростанциях топливная составляющая достигает 15 amp;ndash;20 процентов стоимости производства электроэнергии. Наконец, разве лучше, если мы начнём строить склады с военным плутонием и ураном, выставлять многочисленную охрану, экономически разорительную, или, что ещё хуже, как предлагают некоторые горячие головы, зарывать в землю, уничтожать эти ценные материалы, стоимость которых намного выше золота?
Однако какие бы слова и заклинания ни произносились, общество не примет ядерной энергетики, если не будет уверено в полнейшей её безопасности. И не помогут ссылки на Японию, Францию: одно дело там, другое — у нас.
* * *
Около пятнадцати лет назад в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова широко обсуждались вопросы строительства АЭС в трёх предположениях развития: высокого, среднего и низкого (по среднему прогнозу до 150 ГВт(э) суммарной мощности АЭС к 2000 году) . Сейчас можно констатировать, что развитие пошло ниже самой низкой кривой. И даже само слово „развитие“ следует взять в кавычки. И дело не только в том, что Россия переживает глубокую экономическую реформу и дезорганизацию производства. Спад в ядерной энергетике произошёл раньше. Его причина заключена в реакции общества на Чернобыльскую аварию.
Стало ясно, что ключевой момент, определяющий развитие атомной энергетики, концентрируется в вопросах безопасности. Сама проблема безопасности многогранна. Поэтому критика, выдержанная в духе „в вашем предложении не учтено ещё то-то …“, малоконструктивна. Философский принцип ныне состоит в том, чтобы любое действие, пусть незначительное, не исчерпывающее проблему в целом, но направленное на повышение безопасности, расценивалось бы как явление положительное. Высказанное суждение в равной степени относится как к собственно реактору, так и ко всей технологической процедуре ядерного цикла, включая обращение с радиоактивными отходами.
Только тогда, вместе с дальнейшим усовершенствованием атомной техники, можно надеяться, что удастся преодолеть скепсис населения, правительства, разорвать связь между ядерной войной и АЭС, гибелью и созиданием.
Со времени первых атомных электростанций конъюнктура резко изменилась. Раньше на первый план выдвигалась экономия активно-делительных материалов, их оборачиваемость и, следовательно, предельно напряжённая по энерговыделению активная зона. Сегодня картина обратная: происходит затоваривание ураном как по причине разоружения, так и из-за резкого спада ядерно-энергетической программы. Ныне выдвигаются другие приоритеты, главный из них — безопасность.
Безопасным реактором мы будем называть такой реактор, который ни при каких неконтролируемых ситуациях не создаёт радиоактивного загрязнения вне пределов реакторного зала.
Реактором с внутренней безопасностью назовём такой безопасный реактор, в котором авария гасится не усилиями человека (оператора) , а автоматически, в силу заложенных в него физических причин.
Круг вопросов, связанных с безопасностью реактора, ограничен не только переходом через критсостояние и развитием взрывного процесса. Выход радиоактивности может иметь место и при других видах аварии. Например, очень серьёзные последствия могут наступить при отказе (разрушении) контура теплосъёма. В заглушённом реакторе тем не менее происходит остаточное тепловыделение, вызванное радиоактивным распадом накопившихся продуктов горения. Оно может быть настолько значительным, что расплавит активную зону и радиоактивность выйдет наружу.
Однако, и это надо иметь в виду, темп остаточного энерговыделения, отнесённый к единице объёма твэла, пропорционален рабочей мощности реактора в единице объёма. Снижая удельную мощность, неся некоторые потери в экономике, можно уменьшить остаточное энерговыделение до уровня, когда оно снимается естественным образом и не расплавляет твэл.
Вместе с тем, одновременно увеличивая выгорание (КПД) топлива, очень важно увеличить время жизни твэла в реакторе — так, чтобы оно совпадало со всем временем эксплуатации АЭС, то есть 50 amp;ndash;100 лет. Тогда появляется ещё один существенный фактор повышения безопасности и упрощения эксплуатации.
Для того чтобы обрисовать облик реактора, условно говоря „идеального“, необходимо прежде сформулировать требования к нему.
Во-первых. Не допускается ни при каких условиях переход реактора в верхнее надкритичное состояние по случайным причинам: ошибка оператора, отказ контура теплосъёма и т. п. Обязательна так называемая отрицательная связь, при которой нарушение в работе реактора ведёт к его затуханию. Предельно упрощено управление реактором. Режим работы поддерживается в значительной мере автоматически, без участия человека (кроме запуска и остановки реактора) .
Во-вторых. В реакторе, как известно, происходит не только выжигание топлива, но также его накопление, что характеризуется коэффициентом воспроизводства (KB) , то есть отношением накопления к исчезновению.
Работа с коэффициентом воспроизводства близким к единице или несколько большим позволяет вовлечь в горение основной изотоп урана-238 . Стратегическая (перспективная) линия может быть обоснована только в том случае, когда в качестве преимущественного материала для деления служит уран-238 , а не уран-235 , как в современных реакторах. Только тогда сырьевая база ядерной энергетики становится практически беспредельной.
В-третьих. Минимум химической регенерации топлива, минимум радиоактивных отходов. Наряду с широким использованием плутония в ядерно-энергетическом цикле технология не предусматривает извлечения плутония из твэлов в чистом виде, что делает невозможным переключение плутония в военную область.
Ядерная энергетика имеет три мыслимых аспекта: делительная, термоядерная (построенная на реакциях синтеза) и комбинированная (гибридная) , сочетающая в себе элементы и деления, и синтеза. Каждая из этих ветвей имеет свои особенности, преимущества и недостатки, разную степень развитости.
* * *
Быстрый реактор деления. Быстрый реактор уступает тепловому по многим параметрам (капитальные затраты, эксплуатация) — за исключением одного, ради которого он и придуман. В нём коэффициент воспроизводства (KB) больше единицы, то есть он способен производить не только энергию, но и активно-делительные атомы, притом в возрастающих количествах.
При всех различиях современных быстрых и тепловых реакторов есть одна черта, их объединяющая. И тот и другой работают по схеме выжигания активной компоненты топлива (уран-235 , плутоний-239) в активной зоне. Другими словами, в них первоначально закладывается активного материала больше, чем это требуется для непосредственного поддержания критического уровня. Стационарное положение балансируется регулирующими стержнями — поглотителями нейтронов. По мере выгорания топлива стержни вынимаются, что и поддерживает постоянство мощности реактора. Так как любой реактор осуществляет некоторый конечный по времени срок „жизни“ твэлов в своей активной зоне, то в нём по необходимости содержится некоторый запас надкритичности — тем больший, чем больше предполагаемое время кампании.
В этом смысле ни один из ныне существующих реакторов, работающих по принципу выгорания, нельзя отнести к безусловно безопасным, потому что, если вдруг по случайным причинам регулирующие стержни покинут активную зону, возникнет значительная надкритичность. Цепная реакция в таких условиях будет развиваться настолько быстро, что никакая аварийная защита не поможет.
По поводу быстрых реакторов сделаны два, казалось бы, взаимоисключающих утверждения. В начале говорилось, что быстрые реакторы — они же размножители, а дальше — что они, как и тепловые реакторы, построены на выгорании активной зоны. Так накапливают или выжигают?
И то и другое утверждения верны. Это объясняется самим устройством реактора, который разделён на две зоны — центральную, где происходит реакция деления, и периферийную, состоящую из урана-238 , где накапливается плутоний. В активной зоне KB, отнесённый к этой части реактора, в самом деле меньше единицы. Однако с учётом плутония, возникшего в зоне воспроизводства, то есть по отношению к реактору в целом, KB больше единицы.
Не правда ли, наблюдается странная картина: проделав путь по кругу, плутоний через пять лет возвращается в исходную точку, в свой же (или соседний) реактор. Зачем? Ведь гораздо проще и выгоднее сжечь его на месте, не теряя времени на перевозку и переработку.
Почему бы для этого две зоны быстрого реактора не заменить одной, „смешав“ их в такой пропорции, чтобы была обеспечена и критичность, и воспроизводящая функция? Недостаток такого смешения очевиден: резко возрастет критическая масса реактора, она устремляется в бесконечность для смеси урана с плутонием при концентрации последнего в пределах 4,5 процента.
Но ведь и преимуществ немало. Для утверждения концепции нового реактора не требуется длительных вычислений. Исходным является только один факт — быстрый реактор может иметь KB больше единицы непосредственно в активной зоне, если исходная концентрация плутония ниже равновесной. Иными словами — заключена в пределах от 5 до 10 процентов по отношению к урану-238 .
В предлагаемом реакторе осуществляется глубокое выгорание топлива, и он не рассчитан на поддержку плутонием от других реакторов. По этой причине топливо может не подвергаться химической регенерации (открытый цикл) или если перерабатывается, то по упрощённой технологии, с отделением тяжёлой фракции (уран , плутоний, трансураны) в целом. Плутоний в чистом виде не высвобождается. Он всегда находится в комбинации с другими элементами и для использования в оружии непригоден.
Несколько слов по поводу конечных продуктов реакторов деления. Как всякое масштабное производство, атомные станции имеют отходы, притом радиоактивные, в очень концентрированном состоянии.
Все радиоактивные продукты, возникшие в результате деления, можно разделить на две группы: трансурановые элементы, которые появляются при захвате нейтронов ураном и его дочерними продуктами, и осколки деления. Первые из них характеризуются весьма длительными периодами полураспада — тысячи и даже миллионы лет (хотя есть исключения) , вторые — наоборот, живут, как правило, недолго — от секунд до нескольких десятков лет.
Для меня отправным является то положение, что вместе с исчезновением ядерного оружия — антигуманного, направленного против беззащитного населения, ядерная энергия, напротив, будет проникать внутрь цивилизованного общества в виде тепла, электричества, медицинских изотопов и т. д. Будет врастать в нашу жизнь как энергия экологически наиболее чистая, с практически беспредельным сырьевым ресурсом. Она безальтернативна в стратегическом плане.
* * *
Открытие ядерной энергии — высочайшее достижение мировой науки, его нельзя ни закрыть, ни забыть, его нужно научиться использовать не во вред, а на пользу человеку. Чтобы непредвзято оценить роль атомной энергии в общем энергопроизводстве, попытаемся для начала развеять некоторые распространённые предубеждения.
Например, такое. При извлечении урана из недр и, наоборот, при захоронении радиоактивных осколков деления происходит нарушение глобального радиоактивного равновесия.
Несомненно это так, но ядерная энергия не является в этом отношении каким-то исключением. Всякое вмешательство человека в естественное протекание природных процессов нарушает равновесие. Нам не обойтись без тепла в жилище, без телевизора, телефона, электрического утюга и всех прочих удобств, в основе которых энергоисточники. А за киловаттами энергии, полученными на уже привычных нашему сознанию гидроэлектростанциях, — пересохший Арал, подтопленные города и посёлки, бьющиеся о каменные глыбы Волгоградской ГЭС осетры…
Неверным, по крайней мере в своём абсолютном выражении, является также положение, будто ядерная энергия „не от бога“, что она противоестественна, что человек и всё живое в своём развитии не обрели защитных инстинктов против радиоактивности.
Во-первых, многие вредные химические вещества также не обладают предупредительными признаками: угарный газ не имеет цвета и запаха, сильнейший яд — цианистый калий — имеет запах „всего лишь“ горького миндаля и т. д.
Во-вторых, на самом деле вся наша жизнь пронизана радиацией — от Земли, из космоса. При этом естественный фон может меняться в 2 amp;ndash;3 раза вследствие суточных, сезонных, солнечных вариаций. На Земле есть отдельные населённые районы (юго-западное побережье Индии, Атлантическое побережье Бразилии) , где радиоактивный фон в 10 раз превосходит средний из-за песков-монацитов, содержащих радиоактивный торий. Кроме естественного фона, как бы постоянной составляющей, есть и индивидуальная, переменная для каждого человека величина. Она зависит от конкретного жилища, частоты обращений за медицинской помощью и, как правило, в среднем в 2,5 раза превышает фон и не может считаться фиксированной. Другими словами, мы живём в условиях радиации, организм к ней адаптировался, а по убеждению некоторых учёных, именно радиация является источником генных мутаций, лежащих в основе развития всего живого. Разумеется, в некоторых, хотя и не строго фиксированных рамках.
Да, в отношении АЭС допускаются сильные выражения. Эти станции иногда называют минами замедленного действия. Многим кажется, что Чернобыль доказал несостоятельность атомно-энергетической концепции. Общее внимание сфокусировалось на опасности ядерной энергетики, в стороне оказываются события из других областей, хотя они порой не менее трагичны, чем Чернобыль. А всё, как известно, познаётся в сравнении.
Незадолго до Чернобыля, в 1984 году, произошли две крупные аварии. В Мексике, близ столицы Мехико, на газораспределительном заводе взорвались ёмкости со сжиженным газом. В результате погибли 452 человека, тысяча пропали без вести, ранены 4248, в радиусе до километра разрушены здания. Картина близка по ударному действию к взрыву небольшой атомной бомбы.
Другая авария приключилась в Бхопале (Индия) . Произошла утечка смертоносного газа метилизоционата. Погибли 2,5 тысячи человек, пострадали сотни тысяч, ущерб составил 50 млрд. долларов.
Любое сложное производство связано с риском. Поскольку развитое общество невозможно представить без топлива и химии, то и аварии, как неизбежное зло, нам приходится оплачивать. В отношении же ядерной энергетики положение представляется менее очевидным. Далеко не все считают, что ядерная энергетика нужна вообще.
С другой стороны, такие страны, как Япония и, особенно, Франция, во много раз превосходят Россию в развитии ядерной энергетической базы. Было бы наивно полагать, что такое развитие — опрометчивый с их стороны шаг. Всё дело в том, что эти страны, не имеющие достаточных топливных ресурсов, раньше других убедились в экологической чистоте ядерной энергии (разумеется , при нормальных условиях эксплуатации) , её экономической целесообразности.
Довольно часто выдвигается тезис об особой опасности, возникающей в связи с атомными объектами в военное время. В самом деле, разрушение атомных станций (а также и других крупных промышленных объектов) может многократно усилить и без того ужасные последствия войны. Мерой оценки привнесённой опасности от атомной энергетики в случае любой войны, будь то ядерная или обычная, может служить общая мощность АЭС, приходящаяся на единицу площади. При достаточно большом числе АЭС такая усреднённая величина представляется правильной для сопоставления, так как длина смертоносного радиоактивного следа при разрушении вытянется на сотни километров и при ширине в десятки километров следы будут перекрывать друг друга. Россия в этом отношении рискует куда меньше таких энергонасыщенных стран, как Франции, Япония и даже США с их обширной территорией.
Приводя и комментируя различные доводы „за“ и „против“ ядерной энергетики, я никоим образом не ставлю своей целью хоть как-то приуменьшить потенциально существующую радиоактивную опасность. Для меня важно подчеркнуть, что у ядерной энергии нет той исключительности, с точки зрения опасности для людей, которую ей порой приписывают.
Давно отмечено исследователями, что жизненный уровень пропорционален производимой в обществе энергии. Наше отставание от передовых стран Европы, США, Японии выражается прежде всего в энергетической насыщенности промышленности и быта (у нас ниже примерно вдвое) и рациональном, экономном расходовании энергии — тут мы, напротив, в полтора раза расточительнее.
В том, что нужно экономить энергию, как, впрочем, и другие материальные ресурсы, сомнения нет. Энергосбережение как выгодный способ вложения капитала всё же не является бесплатным. Оно сопряжено с внедрением новейших технологий, современного, менее энергоёмкого оборудования, с необходимостью теплоизоляции зданий — то есть является действием, растянутым во времени и доступным для общества, уже достигшего определённых технических высот.
В поиске альтернатив органическим и ядерным энергоисточникам чаще всего называют ветровую энергию и энергию Солнца (кстати сказать, ядерную по своей природе) . Однако при первых же попытках анализа природных источников энергии на первый план выступает их основной недостаток — рассеянный, рассредоточенный характер.
Красивые картинки с изображением современных ветряных двигателей не должны никого вводить в заблуждение. При диаметре винта 10 м. и средней скорости ветра 10 м/сек (36 км/час) такой ветряк сможет реализовать электрическую мощность не более нескольких киловатт. Таким образом, чтобы сравниться хотя бы со средней АЭС, ветряков потребуется несколько сот тысяч.
На один квадратный метр в средних широтах приходится 150 Вт солнечной энергии. Легко сосчитать, что для солнечной электростанции мощностью в 1 ГВт(э) придётся около 100 квадратных километров сплошь закрыть фотоэлементами. Помимо расхода огромного количества материалов, в том числе весьма дефицитных, до сих пор не ясно, получим ли мы разумный энергетический выигрыш, то есть окажется ли добытой солнечной энергии больше, чем энергии, затраченной на её извлечение. Нет уверенности и в её широко рекламируемой экологической чистоте. И дело не только в отходах производства и отчуждении больших территорий. Представьте себе, что, как на хороших АЭС, треть солнечной энергии такой станции в виде электричества передаётся из южных районов в северные. При массовом использовании солнечной энергии мы столкнёмся с не меньшими экологическими трудностями, чем при строительстве гидростанций.
Выйти на высокий энергетический уровень за сравнительно короткий срок (в пределах 10 лет) возможно только посредством развития ядерной энергетики. Последнему утверждению сопутствует ряд благоприятных моментов.
Нравится нам это или нет, но в силу многих причин в СССР преимущественное развитие получила военная промышленность: ядерная, ракетно-космическая, авиационная и некоторые другие. Потрачены огромные интеллектуальные усилия и материальные средства на развитие соответствующих научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро, опытных производств и т. п. Уровень приборной и экспериментальной базы на предприятиях бывшего Министерства среднего машиностроения существенно выше, чем в среднем по стране, квалификация научных и инженерных кадров не уступает мировым стандартам. Мы поступили бы расточительно, неразумно, нелепо, если бы не воспользовались высоким уровнем производства на этих предприятиях. Деньги надо вкладывать не туда, где мы слабы и отстали, а туда, где сильны и конкурентоспособны в мировых масштабах.
Теперь уже ясно, что мир встал на путь массового ядерного разоружения. Это означает, что скоро высвободится огромное количество ядерных материалов — около 100 тонн плутония-239 и 1000 тонн урана-235 . Такого количества делительных материалов хватит на 40 лет эксплуатации ныне действующих АЭС. Если же иметь в виду более экономные и перспективные реакторы будущего, о которых речь пойдёт ниже, — то и на многие сотни лет вперед.
Разумно ли, особенно при нашей бедности, не воспользоваться этим как бы „бесплатным“ ядерным топливом? Десятки миллиардов рублей, затраченные на создание военной техники, вернулись бы в сферу мирного потребления — ведь в атомных электростанциях топливная составляющая достигает 15 amp;ndash;20 процентов стоимости производства электроэнергии. Наконец, разве лучше, если мы начнём строить склады с военным плутонием и ураном, выставлять многочисленную охрану, экономически разорительную, или, что ещё хуже, как предлагают некоторые горячие головы, зарывать в землю, уничтожать эти ценные материалы, стоимость которых намного выше золота?
Однако какие бы слова и заклинания ни произносились, общество не примет ядерной энергетики, если не будет уверено в полнейшей её безопасности. И не помогут ссылки на Японию, Францию: одно дело там, другое — у нас.
* * *
Около пятнадцати лет назад в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова широко обсуждались вопросы строительства АЭС в трёх предположениях развития: высокого, среднего и низкого (по среднему прогнозу до 150 ГВт(э) суммарной мощности АЭС к 2000 году) . Сейчас можно констатировать, что развитие пошло ниже самой низкой кривой. И даже само слово „развитие“ следует взять в кавычки. И дело не только в том, что Россия переживает глубокую экономическую реформу и дезорганизацию производства. Спад в ядерной энергетике произошёл раньше. Его причина заключена в реакции общества на Чернобыльскую аварию.
Стало ясно, что ключевой момент, определяющий развитие атомной энергетики, концентрируется в вопросах безопасности. Сама проблема безопасности многогранна. Поэтому критика, выдержанная в духе „в вашем предложении не учтено ещё то-то …“, малоконструктивна. Философский принцип ныне состоит в том, чтобы любое действие, пусть незначительное, не исчерпывающее проблему в целом, но направленное на повышение безопасности, расценивалось бы как явление положительное. Высказанное суждение в равной степени относится как к собственно реактору, так и ко всей технологической процедуре ядерного цикла, включая обращение с радиоактивными отходами.
Только тогда, вместе с дальнейшим усовершенствованием атомной техники, можно надеяться, что удастся преодолеть скепсис населения, правительства, разорвать связь между ядерной войной и АЭС, гибелью и созиданием.
Со времени первых атомных электростанций конъюнктура резко изменилась. Раньше на первый план выдвигалась экономия активно-делительных материалов, их оборачиваемость и, следовательно, предельно напряжённая по энерговыделению активная зона. Сегодня картина обратная: происходит затоваривание ураном как по причине разоружения, так и из-за резкого спада ядерно-энергетической программы. Ныне выдвигаются другие приоритеты, главный из них — безопасность.
Безопасным реактором мы будем называть такой реактор, который ни при каких неконтролируемых ситуациях не создаёт радиоактивного загрязнения вне пределов реакторного зала.
Реактором с внутренней безопасностью назовём такой безопасный реактор, в котором авария гасится не усилиями человека (оператора) , а автоматически, в силу заложенных в него физических причин.
Круг вопросов, связанных с безопасностью реактора, ограничен не только переходом через критсостояние и развитием взрывного процесса. Выход радиоактивности может иметь место и при других видах аварии. Например, очень серьёзные последствия могут наступить при отказе (разрушении) контура теплосъёма. В заглушённом реакторе тем не менее происходит остаточное тепловыделение, вызванное радиоактивным распадом накопившихся продуктов горения. Оно может быть настолько значительным, что расплавит активную зону и радиоактивность выйдет наружу.
Однако, и это надо иметь в виду, темп остаточного энерговыделения, отнесённый к единице объёма твэла, пропорционален рабочей мощности реактора в единице объёма. Снижая удельную мощность, неся некоторые потери в экономике, можно уменьшить остаточное энерговыделение до уровня, когда оно снимается естественным образом и не расплавляет твэл.
Вместе с тем, одновременно увеличивая выгорание (КПД) топлива, очень важно увеличить время жизни твэла в реакторе — так, чтобы оно совпадало со всем временем эксплуатации АЭС, то есть 50 amp;ndash;100 лет. Тогда появляется ещё один существенный фактор повышения безопасности и упрощения эксплуатации.
Для того чтобы обрисовать облик реактора, условно говоря „идеального“, необходимо прежде сформулировать требования к нему.
Во-первых. Не допускается ни при каких условиях переход реактора в верхнее надкритичное состояние по случайным причинам: ошибка оператора, отказ контура теплосъёма и т. п. Обязательна так называемая отрицательная связь, при которой нарушение в работе реактора ведёт к его затуханию. Предельно упрощено управление реактором. Режим работы поддерживается в значительной мере автоматически, без участия человека (кроме запуска и остановки реактора) .
Во-вторых. В реакторе, как известно, происходит не только выжигание топлива, но также его накопление, что характеризуется коэффициентом воспроизводства (KB) , то есть отношением накопления к исчезновению.
Работа с коэффициентом воспроизводства близким к единице или несколько большим позволяет вовлечь в горение основной изотоп урана-238 . Стратегическая (перспективная) линия может быть обоснована только в том случае, когда в качестве преимущественного материала для деления служит уран-238 , а не уран-235 , как в современных реакторах. Только тогда сырьевая база ядерной энергетики становится практически беспредельной.
В-третьих. Минимум химической регенерации топлива, минимум радиоактивных отходов. Наряду с широким использованием плутония в ядерно-энергетическом цикле технология не предусматривает извлечения плутония из твэлов в чистом виде, что делает невозможным переключение плутония в военную область.
Ядерная энергетика имеет три мыслимых аспекта: делительная, термоядерная (построенная на реакциях синтеза) и комбинированная (гибридная) , сочетающая в себе элементы и деления, и синтеза. Каждая из этих ветвей имеет свои особенности, преимущества и недостатки, разную степень развитости.
* * *
Быстрый реактор деления. Быстрый реактор уступает тепловому по многим параметрам (капитальные затраты, эксплуатация) — за исключением одного, ради которого он и придуман. В нём коэффициент воспроизводства (KB) больше единицы, то есть он способен производить не только энергию, но и активно-делительные атомы, притом в возрастающих количествах.
При всех различиях современных быстрых и тепловых реакторов есть одна черта, их объединяющая. И тот и другой работают по схеме выжигания активной компоненты топлива (уран-235 , плутоний-239) в активной зоне. Другими словами, в них первоначально закладывается активного материала больше, чем это требуется для непосредственного поддержания критического уровня. Стационарное положение балансируется регулирующими стержнями — поглотителями нейтронов. По мере выгорания топлива стержни вынимаются, что и поддерживает постоянство мощности реактора. Так как любой реактор осуществляет некоторый конечный по времени срок „жизни“ твэлов в своей активной зоне, то в нём по необходимости содержится некоторый запас надкритичности — тем больший, чем больше предполагаемое время кампании.
В этом смысле ни один из ныне существующих реакторов, работающих по принципу выгорания, нельзя отнести к безусловно безопасным, потому что, если вдруг по случайным причинам регулирующие стержни покинут активную зону, возникнет значительная надкритичность. Цепная реакция в таких условиях будет развиваться настолько быстро, что никакая аварийная защита не поможет.
По поводу быстрых реакторов сделаны два, казалось бы, взаимоисключающих утверждения. В начале говорилось, что быстрые реакторы — они же размножители, а дальше — что они, как и тепловые реакторы, построены на выгорании активной зоны. Так накапливают или выжигают?
И то и другое утверждения верны. Это объясняется самим устройством реактора, который разделён на две зоны — центральную, где происходит реакция деления, и периферийную, состоящую из урана-238 , где накапливается плутоний. В активной зоне KB, отнесённый к этой части реактора, в самом деле меньше единицы. Однако с учётом плутония, возникшего в зоне воспроизводства, то есть по отношению к реактору в целом, KB больше единицы.
Не правда ли, наблюдается странная картина: проделав путь по кругу, плутоний через пять лет возвращается в исходную точку, в свой же (или соседний) реактор. Зачем? Ведь гораздо проще и выгоднее сжечь его на месте, не теряя времени на перевозку и переработку.
Почему бы для этого две зоны быстрого реактора не заменить одной, „смешав“ их в такой пропорции, чтобы была обеспечена и критичность, и воспроизводящая функция? Недостаток такого смешения очевиден: резко возрастет критическая масса реактора, она устремляется в бесконечность для смеси урана с плутонием при концентрации последнего в пределах 4,5 процента.
Но ведь и преимуществ немало. Для утверждения концепции нового реактора не требуется длительных вычислений. Исходным является только один факт — быстрый реактор может иметь KB больше единицы непосредственно в активной зоне, если исходная концентрация плутония ниже равновесной. Иными словами — заключена в пределах от 5 до 10 процентов по отношению к урану-238 .
В предлагаемом реакторе осуществляется глубокое выгорание топлива, и он не рассчитан на поддержку плутонием от других реакторов. По этой причине топливо может не подвергаться химической регенерации (открытый цикл) или если перерабатывается, то по упрощённой технологии, с отделением тяжёлой фракции (уран , плутоний, трансураны) в целом. Плутоний в чистом виде не высвобождается. Он всегда находится в комбинации с другими элементами и для использования в оружии непригоден.
Несколько слов по поводу конечных продуктов реакторов деления. Как всякое масштабное производство, атомные станции имеют отходы, притом радиоактивные, в очень концентрированном состоянии.
Все радиоактивные продукты, возникшие в результате деления, можно разделить на две группы: трансурановые элементы, которые появляются при захвате нейтронов ураном и его дочерними продуктами, и осколки деления. Первые из них характеризуются весьма длительными периодами полураспада — тысячи и даже миллионы лет (хотя есть исключения) , вторые — наоборот, живут, как правило, недолго — от секунд до нескольких десятков лет.