Страница:
мифа о Прометее, который украл огонь в с небес для человеческой расы. В
наказание Зевс приковал его к скале и каждый день туда прилетал орел и
клевал его печень до тех пор, пока Геркулес не спас его [3].
_Человечество, получив от Прометея огонь, сделало первый шаг на пути к
доминированию над остальными животными, невзирая на отсутствие:
1) такого оружия, как клыки, рога и острые когти;
2) толстой шкуры или слоя жира, чтобы пережить холодную зиму;
3) крыльев, чтобы избегать опасности.
Кроме того, у человечества должно было возникнуть ощущение, что им
достигнуто что-то непредсказуемое.
_По контрасту с химической при ядерной реакции выделяется значительно
больше энергии. Ядерная реакция происходит в масштабах ядра, и,
следовательно, энергия, выделяемая в единице объема, примерно в миллион раз
превосходит химическую. Поэтому люди и более боятся, когда получают ядерную
энергию. Этот страх подкрепляется взрывами атомных бомб.
_Ядерные испытания проводились в рамках проекта "Манхэттен" в пустыне
штата Невада. Ученые знали эффект ядерного взрыва, но для солдат,
совершавших маневры, столб огня и гриб казались чем-то невероятным.
Испытания сопровождались большими выбросами радиации, от которой солдаты не
были защищены. Те, кто попал в зараженные районы,, страдали белокровием,
сразу же проявившем себя. События в Хиросиме и Нагасаки были более
трагичными. Ядерная энергия, второй огонь, названный впоследствии
дьявольским, нельзя сравнить с первым, который достался людям от Прометея.
Мирное использование ядерной энергии порождает у людей двоякое впечатление.
С одной стороны, это:
1) неисчерпаемый источник энергии, а с другой стороны,
2) слабый контроль над использование ядерной энергии.
Катастрофа на Три Майл Айланд и чернобыльская катастрофа - это типичные
примеры такого слабого контроля.
7.2.2.1. Катастрофа на Три Майл Айланд
1 марта 1979 года в США на атомной электростанции на Три Майл Айланд
(ТМА) вышел из строя второй контур системы охлаждения. В результате отток
тепла от реактора уменьшился, что вызвало его перегрев и, как следствие,
повышение давления внутри реактора. Предохранительный клапан открылся, но
закрыться он уже не смог. Уровень охлаждающей жидкости резко снизился, так
как охладитель вытекал через не закрывающийся клапан. Включилась
дополнительная система охлаждения, но она вскоре была отключена операторами,
так как они ошибочно посчитали, что дополнительное охлаждение достаточно
охладило реактор. Потеря охлаждения вызвала значительные разрушения активной
зоны реактора.
_Как видно, незначительные повреждения в системе охлаждения вызвали
цепь событий, приведших в итоге к разрушению почти четверти активной зоны
реактора. Произошел, хотя и небольшой, выброс водорода. Существенное
количество радиоактивных веществ было непосредственно выброшено в окружающую
среду: 60 тысяч кюри йода-131 (I-131) и около 25 миллионов кюри газа. 1 кюри
соответствует радиоактивности, излучаемой одним граммом радия за одну
секунду. Выброс йода спустя два часа после катастрофы составил 50 тысяч
кюри, а по прошествии 2 дней - 30 тысяч кюри. Такой выброс, очевидно,
негативно отразился на здоровье людей, находившихся в районе катастрофы.
Предельно допустимый уровень воздействия I-131 на человека составляет 0,7
микрокюри, ибо такой уровень может вызвать увеличение щитовидной железы.
Второй энергоблок был относительно новым, и катастрофа говорит о том, что
даже на современных станциях различные относительно незначительные отказы
могут стать инициаторами более серьезных повреждений.
_В отчете Расмуссена, названного wash-1400, предсказывалось, что малые
потери охладителя могут внести основной вклад в катастрофу. Также
предсказывалось, что человеческие ошибки существенны. Этот отчет был основан
на использовании методики построения дерева событий для описания сценария
происшествия и методики построения дерева неисправностей для установления
причин развития событий. Эти две методики в настоящее время широко
используются для вероятностной оценки риска. Количественно частота, с какой
случаются аварии, в отчете Расмуссена неопределенна. Таким образом, хотя
вероятностная оценка риска эффективна для определения "слабых мест", скрытых
в структуре станции, еще довольно рано применять вероятностную оценку риска
для количественного определения степени безопасности атомных электростанций.
7.2.2.2. Чернобыльская авария
26 апреля 1986 года произошел взрыв на 4-м энергоблоке Чернобыльской
атомной электростанции. Эта авария было более серьезной, чем катастрофа на
Три Майл Айланд.
_Проводился эксперимент, целью которого было испытать способность
станции генерировать энергию с отключенными генераторами. Выходная энергия
поддерживалась на уровне 20% от обычного. Однако этот уровень неожиданно
увеличился до 2000% от обычного уровня, возможно, из-за поднятия графитовых
стержней. Вставка стержней не смогла сдержать нарастающее выделение энергии.
Реактор перегрелся, и стержневой тепловыделяющий блок, а также циркониевое
покрывающее плакирование реактора были полностью уничтожены высокой
температурой. В дальнейшем на реактор обрушил 200-тонный кран для смены
топлива, нанеся непоправимый ущерб управляющей системе реактора. Стержни
расплавились под действием температуры в рабочей зоне реактора, взорвался
водород, и радиоактивные вещества были выброшены на километровую высоту.
Одновременно загорелись графитовые замедлители, умножив масштабы катастрофы.
_Около 10 биллионов кюри радиоактивности находилось в этом
мегакиловаттном реакторе. По крайней мере 5 биллионов было выброшено в
окружающую атмосферу. Государственная комиссия Советского союза дала оценку
выброса в 96 миллионов кюри на 6 мая, включая разряженный газ, что
соответствует радиоактивности в 0,34 биллиона кюри на день катастрофы, так
как радиоактивность уменьшается с течением времени. После распада СССР
эксперты признались, что выброс составил 2-3 биллиона кюри. Концентрация на
почве, измеренная в Швеции, говорит о том, что выброс составил более чем 5
биллионов кюри.
_в случае с катастрофой на Три Майл Айланд Комиссия по ядерному
управлению США установила уровень выброса в 10,3 миллиона кюри, что также
было меньше величины, установленной экспертами в 25 миллионов кюри. Таким
образом, общей тенденцией всех правительственных организаций является
занижение реальных показателей. МАГАТЭ также склонна к подобным заниженным
оценкам, так как она приняла показатели выброса в Чернобыле, представленные
СССР; большая оценка подорвала бы доверие к использованию атомных
электростанций.
7.2.3. Отказ США от строительства атомных электростанций
Администрация Клинтона проявляла сдержанность в строительстве атомных
электростанций в США. Она относилась критически к энергетической политике с
использованием атомных электростанций. Коммунальные же коммерческие частные
предприятия США не придерживались этой позиции из соображений экономии.
_В книге вице-президента США Альберта Гора "Гармония на Земле"
отмечается, что отказ США от использования атомных электростанций вызван в
основном не экономической нецелесообразностью их строительства, а в целях
предотвращения серьезных аварий, таких как Три Майл Айланд и Чернобыль.
_На территории в радиусе 30 километров от чернобыльской электростанции
была объявлена чрезвычайная ситуация, так как в этой зоне доза радиации
составляла несколько десятков бэр. Доза радиации в 100 бэр наносит серьезный
вред здоровью человека, а доза в 500 бэр в 50% случаев приводит к летальному
исходу; из этого следует, что доза в несколько десятков бэр очень опасна,
особенно для детей и еще не родившихся малышей. Частота случаев со
смертельным исходом среди детей должна была быть очень высокой, так как
эвакуация началась лишь спустя 36 часов после аварии.
_Детей из Киева (2,5 миллиона человек) необходимо было эвакуировать,
хотя облучение в Киеве было намного слабее, чем в 30-километровой зоне, так
как этот город находился в 120 километрах от реактора, в сторону против
ветра. В другом направлении в лесном массиве в 130 километрах от станции
большое число подростков, находившихся там в то время, облысели. Эксперты
считают, что последствия чернобыльской аварии проявились на довольно большой
территории, и около 100000 человек умерло от пагубного воздействия радиации
на гены.
_Последствия этой катастрофы мы будем наблюдать еще более 10 лет, и не
только на территории бывшего СССР, но и в странах, находящихся по
направлению ветра, дувшего в момент взрыва, таких как Германия и Югославия.
7.2.4. Ядерная энергия и ядерный взрыв
При взрыве на мегакиловаттной атомной электростанции в атмосферу будет
выброшено 9 биллионов кюри радиоактивности. Это составляется один процент от
900 биллионов кюри в случае взрыва водородной бомбы мощностью в 1 мегатонну.
Через 3 дня радиоактивность и на станции, и в эпицентре взрыва бомбы
составит 8 биллионов кюри. По прошествии года радиоактивность га станции
остановится на отметке 0,2 биллиона кюри, в то время как в эпицентре взрыва
атомной бомбы - на уровне в 2 биллиона кюри. Это различие в радиоактивности
будет сохраняться в течение длительного времени.
_Излучение бета лучей стронцием-90 снизится до 50% от первоначального
уровня спустя 28 лет. Период полураспада цезия-137, излучающего гама и бета
лучи, составляет 30 лет. Йод-131 наполовину распадется за 8 дней, испуская
бета и гамма лучи, в то время как йод-129, который излучает только бета
лучи, наполовину распадется только за 1,7 биллиона лет. Плутоний-239, что
был обнаружен в Швеции после катастрофы в Чернобыле, наполовину распадется
только через 24000 лет, испуская при этом гамма лучи.
_Гамма излучение - это нечто вроде световых волн очень высокой частоты,
но с большей энергией и проникающей способностью, чем рентгеновские лучи.
Бета лучи суть пучок электронов, а альфа лучи - поток ядер гелия. Альфа и
бета лучи трудно зарегистрировать при помощи счетчика Гейгера. Когда
плутооний-239 попадает в тело человека, он излучает альфа лучи. Несмотря не
то, что расстояние, на котором действуют альфа лучи очень мало, они
воздействуют на кожу и внутренние органы и вызывают рак. Одна
десятимиллионная грамма плутония-239 может принести смерть, вызвав рак.
Именно поэтому плутоний-239 часто называют веществом дьявола. Плутон,
согласно греческой мифологии, был богом подземного царства Гадеса и являлся
братом Зевса и Посейдона. Плутоний-239 был впервые получен в 1940 году
командой Глена Сиборга в университете Беркли штата Калифорния. Своим
названием он обязан планете Плутон, в периодической таблице он идет следом
за нептунием, так же как и планета Плутон идет за Нептуном [3].
7.2.5. Риск на перерабатывающих предприятиях
Топливные стержни на атомных электростанциях должны заменяться с
периодичностью в три года. В типичном ядерном реакторе используется урановое
топливо, обогащенное на 3% ураном-235. После трех лет работы реактора только
две трети урана-235 сгорает как топливо, а оставшаяся часть переходит в
плутоний-239. Отработанное топливо погружают в азотную кислоту и проводят
контролируемое окисление урана-235, плутония-239 и других радиоактивных
материалов путем использования специальных органических жидкостей при
постоянном контроле окисления. Это основные стадии работы перерабатывающих
предприятий.
_Предприятие со среднегодовой перерабатывающей способностью в 200 тонн
отработанного топлива способно обслуживать 7 мегакиловаттных атомных
станций. Все станции во всем мире производят более тысячи миллионов киловатт
энергии, и для их обслуживания требуется среднегодовая перерабатывающая
способность в 3000 тонн. К сожалению, на данный момент реально имеется
только 10% от этой перерабатывающей способности.
_Перерабатывающие предприятия, построенные в США, Великобритании,
Франции, Бельгии, Японии и Германии, периодически останавливают, загружают и
запускают снова. Так что на деле эффективность их значительно меньше. На
этих предприятиях имеются сотни километров труб, и существует риск их
разрушения вследствие воздействия азотной кислоты. Часто происходят выбросы
радиоактивных веществ. Кроме того, с отработанным топливом трудно работать
из-за его высокой радиации.
-Даже в штатном режиме при обработке предприятием 200 тонн
радиоактивных отходов в окружающую среду выбрасывается 8 тысяч кюри с
разряженным газом, что наносит серьезный ущерб окружающей среде, так как
столько же вредных веществ выбрасывается 70 мегакиловаттных станций.
_Радиоактивные отходы, которые нельзя перерабатывать, должны храниться
в специальных местах при искусственном охлаждении, что создает риск другого
свойства. Мощный взрыв, названный "уральской трагедией", произошел на
хранилище в уральском регионе. Вызвав сильное загрязнение среды. Похожее
происшествие было зарегистрировано 5 апреля 1993 года в Восточной Сибири.
7.2.6. Хранение ядерных отходов
Даже переработанные отходы сильно радиоактивны. Если отходы скапливать
в одном месте, то может случиться еще одна "уральская трагедия"; чтобы не
допустить этого, используется метод остекления, в ходе которого большинство
радиоактивных отходов превращается в стекло. На первой стадии этого метода
температуру утилизируемых отходов повышают до 900 градусов по Цельсию, затем
охлаждают и вызывают остекление материалов. Процедура обычно повторяется
несколько раз, но при этом появляются новые проблем.
_Остекленные отходы упаковывают в капсулы. Но для веществ с большим
периодом полураспада требуется дополнительное непрерывное охлаждение. Так,
например, хранить плутоний-239 человечеству не под силу, так как период
полураспада плутония - 24000 лет, а человек живет менее 100 лет.
_Низко радиоактивные вещества обычно хранят в зацементированных
капсулах в отдаленных районах. Принимая во внимание, что именно отходов
такого типа как раз больше всего, человечество, страдающее демографическими
взрывами, теряет территории своего потенциального обитания. Впоследствии
захоронения таких отходов могут достигнуть жилых густонаселенных районов
из-за землетрясений и движений пород во время долгого периода полураспада.
_Надежный способ переработки ядерного топлива еще не найден. Поэтому
атомную станцию иногда называют ?апартаментами без туалетной комнаты".
7.2.7. Бридерные реакторы на быстрых нейтронах
в настоящее время легководяные ядерные реакторы в качестве топлива
используют уран-235, содержание которого в природной руде оставляет только
0,72%. Таким образом, прогнозируется, что это топливо иссякнет через 30 - 40
лет. В бридерных реакторах используется нерасщепляющийся уран-238,
составляющий более 99% урановой природной руды. Он используется для
получения легко расщепляющего плутония-239. Это достигается путем создания
оболочки из U-238 вокруг активной зоны реактора. Процесс распада
радиоактивного вещества (обычно U-235 или Pu-239) порождает поток нейтронов
в активной зоне, которые захватываются U-238, что приводит к его
бета-распаду, в результате которого появляется крайне нестабильный изотоп
U-239. В свою очередь, после бета-распада U-239 превращается в еще более
нестабильный изотоп нептуний-239, и в конце концов, минуя еще один
бета-распад, он превращается в легко распадающийся Pu-239.
_Коэффициент воспроизводства ядерного топлива, то есть отношение
полученного Pu-239 к использованному U-235, составляет от 1,1 до 1,3.
Значит, мы получаем на 10 - 13% больше Pu-239 по отношению к истраченному
U-235, и жизнь источника энергии продлевается на несколько сотен лет и
более. Вначале на бриденые реакторы возлагались очень большие надежды.
_Для достижения большего коэффициенты воспроизводства ядерного топлива
нейтроны, поглощаемые U-238, должны иметь большую скорость. В современных
легководяных реакторах скорость нейтронов имеет значение около 16000 км/ч, в
то время как в высокоскоростном бридерном реакторе скорость нейтронов
составляет 8 миллионов км/ч, что в 3000 раз больше.
_Вода охладителя реактора замедляет нейтроны, и поэтому в качестве
охлаждающего вещества используются жидкие металлы, например натрий. Натрий
очень активный металл, и он легко взрывается при контакте с водой или
воздухе. Трубы системы охлаждения легируются, но через трубы протекает
жидкий металл и вымывает углерод из стенок, так что имеется возможность их
разрушения, а, следовательно, возможен взрыв из-за контакта охладителя с
водой, находящейся снаружи.
_Бридерные реакторы на быстрых нейтронах становятся все меньше и меньше
в размерах и работают при больших температурах, что повышает коэффициент
воспроизводства. Но с повышением рабочей температуры реактор становится
трудно управляемым. В США реактор "Ферми" из-за неполадок и инцидентов был
остановлен, развив лишь 10% мощности.
_Топливом для бридерных реакторов на быстрых нейтронах служит Pu-239.
Чтобы добиться стабильной работы, требуется более 500 кг плутония-239. Чтобы
работа реактора была экономически выгодна, требуется загрузить в реактор
около двух тонн топлива. Критическая масса, при которой происходит взрыв
Pu-239, составляет 5 кг. К сожалению, очень сложно оптимально распределить
плутоний в реакторе. Последствия накопления плутонием критической массы
непредсказуемы. Как результат - остановка реактора "Ферми".
_Наиболее серьезные исследования бридерных реакторов проводились во
Франции. Французский реактор "Феникс" был запущен в июне 1974 года. Случаи
утечки натрия из системы охлаждения произошли дважды в 1976 году, и реактор
остановили до следующего года, когда его отремонтировали.
_Приняв во внимание опыт проекта "Феникс", Франция приступила к
строительству новой серии реактора в "Супер Феникс" с еще более
экстремальными условиями работы. Как бы там ни было, проект "Супер Феникс"
был остановлен из-за неполадок в систем. Пока только Япония планирует
запустить в течение нескольких лет реактор на быстрых нейтронах мощностью
0,3 миллиона кВт под названием "Монжу".
7.2.8. Реакторы термоядерного синтеза
7.2.8.1. Осуществимость термоядерного синтеза
Термоядерный синтез - это наиболее мощный способ получения энергии на
Земле, подобный способу образования энергии на Солнце. Ископаемое топливо
аккумулировало энергию Солнца. Все живое на Земле зависит от Солнца. Земля
без Солнца - ничто.
_Термоядерный синтез является символом современного западного сознания,
основанного на христианстве, придающего особое значение покорению природы.
Реализация термоядерного синтеза на Земле позволит нам обходиться без
Солнца. Используя громадное количество энергии, моно превратить пустыни в
зеленые рощи, делать из морской воды питьевую, контролировать климат на
обширных территориях.
_Глупо полагать, что ядерный синтез - это реализация Солнца на Земле.
Количество энергии на единицу массы в секунду, выделяющееся на Солнце,
чрезвычайно мало; оно составляет всего лишь одну десятитысячную тепла,
генерируемого человеческим телом на единицу массы в секунду. Ядерный синтез
на Солнце происходит преимущественно центральной его части. Этот процесс
поддерживается огромной силой тяготения. Из-за большой массы полная
синтезируемая энергия огромна; температура на поверхности Солнца достигает
6000 градусов по Цельсию. Ядерный синтез на Земле пытаются поддерживать
действием электромагнитного поля; плотность распределения тепла на единицу
объема примерно в 10 миллионов раз больше, чем на Солнце. Это значит, что
синтез на Земле соответствует процессам, происходящих при взрыве сверхновой
звезды. Ядерный синтез на Земле принципиально отличается от синтеза на
Солнце.
_Термоядерный управляемый синтез на Земле - очень сложный процесс, хотя
реакция неуправляемого синтеза может быть осуществлена путем взрыва атомной
бомбы. Управляемый синтез изучался на реакции синтеза из дейтерия (D:
встречающийся в природе тяжелый изотоп с атомным числом 2, один протон и
один нейтрон) и тритий (T: изотоп водорода с атомной массой 3,0170) в новый
еще более тяжелый элемент, такой как, например, гелий. D-D синтез требует
сверх высокой температуры, около 5000 миллионов градусов Цельсия, в то время
как для D-T синтеза достаточно температуры в 100 миллионов градусов.
Типичная реакция синтеза, при которой реагенты необходимо удерживать с
помощью электромагнитного поля, может начаться ,если 10 в 20 степени плазмы
на кубический метр продержать более одной секунды при температуре 1000
миллионов градусов по Цельсию. Другими словами, плотность плазмы, умноженная
на время сдерживания, должна достичь 10 в 20 степени кубических метров в
секунду. Однако до настоящего времени была достигнута только пятая часть
необходимой температуры, половина требуемой плотности плазмы и 20-30 %
времени сдерживания. Для реализации реакции должны быть достигнуты
критические условия, но возможность их достижения сомнительна.
_Недавно выяснилось, что время сдерживания может быть увеличено путем
увеличения размеров реактора, и как результат - попытки в разных странах
строить реакторы все больших и больших размеров. Элементы реактора
повреждаются быстрыми нейтронами, выделяющимися при D-T синтеза;
металлические частицы испаряются со стен, окружающих место синтеза; эти
частички загрязняют вакуум и начинают излучать рентгеновские лучи. Что
значительно снижает температуру плазмы. Считается, что именно по этой
причине нельзя осуществить синтез, даже если построить реактор больших
размеров.
_Нечистоты могут быть удалены во время остановки реактора, хотя метод
их удаления до сих пор не найден. Даже если применяются автоматические
устройства для удаления частиц, контроль за ними может быть осуществлен
только с помощью роботов, так как происходит слишком сильный выброс
нейтронов. Очень сложно после удаления грязи вернуться к критическим
условиям.
7.2.8.2. Ресурсы для термоядерного синтеза
Дейтерий (D) может быть получен из морской воды. Тритий (T) можно
получить бомбардировкой лития-6. Концентрация литий-6 в морской воде
составляет 0,17 ppm, и почти невозможно получить его. Следовательно, литий-6
надо получать из литиевой руды, которая в США распространена повсеместно. К
сожалению, литий-6 содержится только в количестве тритий требуется
устройство для генерации быстрых нейтронов. Большие термоядерные реакторы
требуют гораздо большей генерации быстрых нейтронов, чем реакторы на быстрых
нейтронах. В установки для производства тритий такого масштаба должно быть
единовременно закружено 230 тонн лития, и это количество должно ежедневно
пополняться 11 тоннами лития.
_В термоядерных реакторах используется бериллий (Be) для управления
скоростью нейтронов, стартовая загрузка которого должна оставлять 190 тонн.
Из-за слабой концентрации бериллий трудно выделить из морской воды. Имеются
только небольшие залежи бериллия на территории США и Африки.
_Чтобы противостоять агрессивной среде, стенки реактора должны быть
выполнены из ванадия или ниобия. Для постройки одного реактора требуется
около 1000 тонн данных материалов. В США к настоящему времени имеется около
6000 тонн таких материалов. Следовательно, недостаток ресурсов не позволит
построить много электростанций.
_В качестве охладителя в реакторах используется жидкий гелий. Для
одного реактора необходимо 120 тонн этого вещества. В настоящее время
проводятся исследования явления сверхпроводимости при высоких температурах;
теоретическая база еще не создана, также есть подозрения, что это явление
крайне нестабильно.
7.2.8.3. Чистота термоядерных реакторов
На протяжении долгого времени бытовало мнение, что термояде6рные
реакторы чисты, а энергия, полученная из ядерного топлива, является самой
чистой и что выбросов радиации просто не может быть. Но это не так потому,
что синтез не может протекать без выделения радиации.
_Для процесса D-T синтеза существует большая вероятность выброса
трития. Тритий - это изотоп водорода, искусственно полученный путем
нейтронной бомбардировки. Обладает периодом полураспада в 12 лет. До
недавнего времени считалось, что радиоактивность трития невелика. Тем не
менее выяснилось, что тритий чрезвычайно опасен, так как его излучение может
разрушить ДНК. Практически невозможно химическим путем выделить тритий из
воды. Таким образом, вода с тритием может попасть в организм; водород в ДНК
может быть заменен тритием, который разрушит спиралевидную структуру ДНК
бета-излучением, вызывая тем самым пагубные генетические эффекты.
_Ниобиевые и ванадиевые стенки реакторов легко пропускают частицы
водорода. Следовательно, тритий может проникать сквозь стенки. Подобные же
утечки могут происходить через стенки теплообменников. Величина суммарных
утечек может в 1000 раз превосходить количество трития, приносимого
космическими лучами.
_Быстрые нейтроны могут превращать ниобий в изотопы двух видов с
периодами полураспада соответственно 1000 и 2000 лет. Нейтроны также могут
превращать материалы конструкций и щитов в радиоактивные вещества. Из-за
наказание Зевс приковал его к скале и каждый день туда прилетал орел и
клевал его печень до тех пор, пока Геркулес не спас его [3].
_Человечество, получив от Прометея огонь, сделало первый шаг на пути к
доминированию над остальными животными, невзирая на отсутствие:
1) такого оружия, как клыки, рога и острые когти;
2) толстой шкуры или слоя жира, чтобы пережить холодную зиму;
3) крыльев, чтобы избегать опасности.
Кроме того, у человечества должно было возникнуть ощущение, что им
достигнуто что-то непредсказуемое.
_По контрасту с химической при ядерной реакции выделяется значительно
больше энергии. Ядерная реакция происходит в масштабах ядра, и,
следовательно, энергия, выделяемая в единице объема, примерно в миллион раз
превосходит химическую. Поэтому люди и более боятся, когда получают ядерную
энергию. Этот страх подкрепляется взрывами атомных бомб.
_Ядерные испытания проводились в рамках проекта "Манхэттен" в пустыне
штата Невада. Ученые знали эффект ядерного взрыва, но для солдат,
совершавших маневры, столб огня и гриб казались чем-то невероятным.
Испытания сопровождались большими выбросами радиации, от которой солдаты не
были защищены. Те, кто попал в зараженные районы,, страдали белокровием,
сразу же проявившем себя. События в Хиросиме и Нагасаки были более
трагичными. Ядерная энергия, второй огонь, названный впоследствии
дьявольским, нельзя сравнить с первым, который достался людям от Прометея.
Мирное использование ядерной энергии порождает у людей двоякое впечатление.
С одной стороны, это:
1) неисчерпаемый источник энергии, а с другой стороны,
2) слабый контроль над использование ядерной энергии.
Катастрофа на Три Майл Айланд и чернобыльская катастрофа - это типичные
примеры такого слабого контроля.
7.2.2.1. Катастрофа на Три Майл Айланд
1 марта 1979 года в США на атомной электростанции на Три Майл Айланд
(ТМА) вышел из строя второй контур системы охлаждения. В результате отток
тепла от реактора уменьшился, что вызвало его перегрев и, как следствие,
повышение давления внутри реактора. Предохранительный клапан открылся, но
закрыться он уже не смог. Уровень охлаждающей жидкости резко снизился, так
как охладитель вытекал через не закрывающийся клапан. Включилась
дополнительная система охлаждения, но она вскоре была отключена операторами,
так как они ошибочно посчитали, что дополнительное охлаждение достаточно
охладило реактор. Потеря охлаждения вызвала значительные разрушения активной
зоны реактора.
_Как видно, незначительные повреждения в системе охлаждения вызвали
цепь событий, приведших в итоге к разрушению почти четверти активной зоны
реактора. Произошел, хотя и небольшой, выброс водорода. Существенное
количество радиоактивных веществ было непосредственно выброшено в окружающую
среду: 60 тысяч кюри йода-131 (I-131) и около 25 миллионов кюри газа. 1 кюри
соответствует радиоактивности, излучаемой одним граммом радия за одну
секунду. Выброс йода спустя два часа после катастрофы составил 50 тысяч
кюри, а по прошествии 2 дней - 30 тысяч кюри. Такой выброс, очевидно,
негативно отразился на здоровье людей, находившихся в районе катастрофы.
Предельно допустимый уровень воздействия I-131 на человека составляет 0,7
микрокюри, ибо такой уровень может вызвать увеличение щитовидной железы.
Второй энергоблок был относительно новым, и катастрофа говорит о том, что
даже на современных станциях различные относительно незначительные отказы
могут стать инициаторами более серьезных повреждений.
_В отчете Расмуссена, названного wash-1400, предсказывалось, что малые
потери охладителя могут внести основной вклад в катастрофу. Также
предсказывалось, что человеческие ошибки существенны. Этот отчет был основан
на использовании методики построения дерева событий для описания сценария
происшествия и методики построения дерева неисправностей для установления
причин развития событий. Эти две методики в настоящее время широко
используются для вероятностной оценки риска. Количественно частота, с какой
случаются аварии, в отчете Расмуссена неопределенна. Таким образом, хотя
вероятностная оценка риска эффективна для определения "слабых мест", скрытых
в структуре станции, еще довольно рано применять вероятностную оценку риска
для количественного определения степени безопасности атомных электростанций.
7.2.2.2. Чернобыльская авария
26 апреля 1986 года произошел взрыв на 4-м энергоблоке Чернобыльской
атомной электростанции. Эта авария было более серьезной, чем катастрофа на
Три Майл Айланд.
_Проводился эксперимент, целью которого было испытать способность
станции генерировать энергию с отключенными генераторами. Выходная энергия
поддерживалась на уровне 20% от обычного. Однако этот уровень неожиданно
увеличился до 2000% от обычного уровня, возможно, из-за поднятия графитовых
стержней. Вставка стержней не смогла сдержать нарастающее выделение энергии.
Реактор перегрелся, и стержневой тепловыделяющий блок, а также циркониевое
покрывающее плакирование реактора были полностью уничтожены высокой
температурой. В дальнейшем на реактор обрушил 200-тонный кран для смены
топлива, нанеся непоправимый ущерб управляющей системе реактора. Стержни
расплавились под действием температуры в рабочей зоне реактора, взорвался
водород, и радиоактивные вещества были выброшены на километровую высоту.
Одновременно загорелись графитовые замедлители, умножив масштабы катастрофы.
_Около 10 биллионов кюри радиоактивности находилось в этом
мегакиловаттном реакторе. По крайней мере 5 биллионов было выброшено в
окружающую атмосферу. Государственная комиссия Советского союза дала оценку
выброса в 96 миллионов кюри на 6 мая, включая разряженный газ, что
соответствует радиоактивности в 0,34 биллиона кюри на день катастрофы, так
как радиоактивность уменьшается с течением времени. После распада СССР
эксперты признались, что выброс составил 2-3 биллиона кюри. Концентрация на
почве, измеренная в Швеции, говорит о том, что выброс составил более чем 5
биллионов кюри.
_в случае с катастрофой на Три Майл Айланд Комиссия по ядерному
управлению США установила уровень выброса в 10,3 миллиона кюри, что также
было меньше величины, установленной экспертами в 25 миллионов кюри. Таким
образом, общей тенденцией всех правительственных организаций является
занижение реальных показателей. МАГАТЭ также склонна к подобным заниженным
оценкам, так как она приняла показатели выброса в Чернобыле, представленные
СССР; большая оценка подорвала бы доверие к использованию атомных
электростанций.
7.2.3. Отказ США от строительства атомных электростанций
Администрация Клинтона проявляла сдержанность в строительстве атомных
электростанций в США. Она относилась критически к энергетической политике с
использованием атомных электростанций. Коммунальные же коммерческие частные
предприятия США не придерживались этой позиции из соображений экономии.
_В книге вице-президента США Альберта Гора "Гармония на Земле"
отмечается, что отказ США от использования атомных электростанций вызван в
основном не экономической нецелесообразностью их строительства, а в целях
предотвращения серьезных аварий, таких как Три Майл Айланд и Чернобыль.
_На территории в радиусе 30 километров от чернобыльской электростанции
была объявлена чрезвычайная ситуация, так как в этой зоне доза радиации
составляла несколько десятков бэр. Доза радиации в 100 бэр наносит серьезный
вред здоровью человека, а доза в 500 бэр в 50% случаев приводит к летальному
исходу; из этого следует, что доза в несколько десятков бэр очень опасна,
особенно для детей и еще не родившихся малышей. Частота случаев со
смертельным исходом среди детей должна была быть очень высокой, так как
эвакуация началась лишь спустя 36 часов после аварии.
_Детей из Киева (2,5 миллиона человек) необходимо было эвакуировать,
хотя облучение в Киеве было намного слабее, чем в 30-километровой зоне, так
как этот город находился в 120 километрах от реактора, в сторону против
ветра. В другом направлении в лесном массиве в 130 километрах от станции
большое число подростков, находившихся там в то время, облысели. Эксперты
считают, что последствия чернобыльской аварии проявились на довольно большой
территории, и около 100000 человек умерло от пагубного воздействия радиации
на гены.
_Последствия этой катастрофы мы будем наблюдать еще более 10 лет, и не
только на территории бывшего СССР, но и в странах, находящихся по
направлению ветра, дувшего в момент взрыва, таких как Германия и Югославия.
7.2.4. Ядерная энергия и ядерный взрыв
При взрыве на мегакиловаттной атомной электростанции в атмосферу будет
выброшено 9 биллионов кюри радиоактивности. Это составляется один процент от
900 биллионов кюри в случае взрыва водородной бомбы мощностью в 1 мегатонну.
Через 3 дня радиоактивность и на станции, и в эпицентре взрыва бомбы
составит 8 биллионов кюри. По прошествии года радиоактивность га станции
остановится на отметке 0,2 биллиона кюри, в то время как в эпицентре взрыва
атомной бомбы - на уровне в 2 биллиона кюри. Это различие в радиоактивности
будет сохраняться в течение длительного времени.
_Излучение бета лучей стронцием-90 снизится до 50% от первоначального
уровня спустя 28 лет. Период полураспада цезия-137, излучающего гама и бета
лучи, составляет 30 лет. Йод-131 наполовину распадется за 8 дней, испуская
бета и гамма лучи, в то время как йод-129, который излучает только бета
лучи, наполовину распадется только за 1,7 биллиона лет. Плутоний-239, что
был обнаружен в Швеции после катастрофы в Чернобыле, наполовину распадется
только через 24000 лет, испуская при этом гамма лучи.
_Гамма излучение - это нечто вроде световых волн очень высокой частоты,
но с большей энергией и проникающей способностью, чем рентгеновские лучи.
Бета лучи суть пучок электронов, а альфа лучи - поток ядер гелия. Альфа и
бета лучи трудно зарегистрировать при помощи счетчика Гейгера. Когда
плутооний-239 попадает в тело человека, он излучает альфа лучи. Несмотря не
то, что расстояние, на котором действуют альфа лучи очень мало, они
воздействуют на кожу и внутренние органы и вызывают рак. Одна
десятимиллионная грамма плутония-239 может принести смерть, вызвав рак.
Именно поэтому плутоний-239 часто называют веществом дьявола. Плутон,
согласно греческой мифологии, был богом подземного царства Гадеса и являлся
братом Зевса и Посейдона. Плутоний-239 был впервые получен в 1940 году
командой Глена Сиборга в университете Беркли штата Калифорния. Своим
названием он обязан планете Плутон, в периодической таблице он идет следом
за нептунием, так же как и планета Плутон идет за Нептуном [3].
7.2.5. Риск на перерабатывающих предприятиях
Топливные стержни на атомных электростанциях должны заменяться с
периодичностью в три года. В типичном ядерном реакторе используется урановое
топливо, обогащенное на 3% ураном-235. После трех лет работы реактора только
две трети урана-235 сгорает как топливо, а оставшаяся часть переходит в
плутоний-239. Отработанное топливо погружают в азотную кислоту и проводят
контролируемое окисление урана-235, плутония-239 и других радиоактивных
материалов путем использования специальных органических жидкостей при
постоянном контроле окисления. Это основные стадии работы перерабатывающих
предприятий.
_Предприятие со среднегодовой перерабатывающей способностью в 200 тонн
отработанного топлива способно обслуживать 7 мегакиловаттных атомных
станций. Все станции во всем мире производят более тысячи миллионов киловатт
энергии, и для их обслуживания требуется среднегодовая перерабатывающая
способность в 3000 тонн. К сожалению, на данный момент реально имеется
только 10% от этой перерабатывающей способности.
_Перерабатывающие предприятия, построенные в США, Великобритании,
Франции, Бельгии, Японии и Германии, периодически останавливают, загружают и
запускают снова. Так что на деле эффективность их значительно меньше. На
этих предприятиях имеются сотни километров труб, и существует риск их
разрушения вследствие воздействия азотной кислоты. Часто происходят выбросы
радиоактивных веществ. Кроме того, с отработанным топливом трудно работать
из-за его высокой радиации.
-Даже в штатном режиме при обработке предприятием 200 тонн
радиоактивных отходов в окружающую среду выбрасывается 8 тысяч кюри с
разряженным газом, что наносит серьезный ущерб окружающей среде, так как
столько же вредных веществ выбрасывается 70 мегакиловаттных станций.
_Радиоактивные отходы, которые нельзя перерабатывать, должны храниться
в специальных местах при искусственном охлаждении, что создает риск другого
свойства. Мощный взрыв, названный "уральской трагедией", произошел на
хранилище в уральском регионе. Вызвав сильное загрязнение среды. Похожее
происшествие было зарегистрировано 5 апреля 1993 года в Восточной Сибири.
7.2.6. Хранение ядерных отходов
Даже переработанные отходы сильно радиоактивны. Если отходы скапливать
в одном месте, то может случиться еще одна "уральская трагедия"; чтобы не
допустить этого, используется метод остекления, в ходе которого большинство
радиоактивных отходов превращается в стекло. На первой стадии этого метода
температуру утилизируемых отходов повышают до 900 градусов по Цельсию, затем
охлаждают и вызывают остекление материалов. Процедура обычно повторяется
несколько раз, но при этом появляются новые проблем.
_Остекленные отходы упаковывают в капсулы. Но для веществ с большим
периодом полураспада требуется дополнительное непрерывное охлаждение. Так,
например, хранить плутоний-239 человечеству не под силу, так как период
полураспада плутония - 24000 лет, а человек живет менее 100 лет.
_Низко радиоактивные вещества обычно хранят в зацементированных
капсулах в отдаленных районах. Принимая во внимание, что именно отходов
такого типа как раз больше всего, человечество, страдающее демографическими
взрывами, теряет территории своего потенциального обитания. Впоследствии
захоронения таких отходов могут достигнуть жилых густонаселенных районов
из-за землетрясений и движений пород во время долгого периода полураспада.
_Надежный способ переработки ядерного топлива еще не найден. Поэтому
атомную станцию иногда называют ?апартаментами без туалетной комнаты".
7.2.7. Бридерные реакторы на быстрых нейтронах
в настоящее время легководяные ядерные реакторы в качестве топлива
используют уран-235, содержание которого в природной руде оставляет только
0,72%. Таким образом, прогнозируется, что это топливо иссякнет через 30 - 40
лет. В бридерных реакторах используется нерасщепляющийся уран-238,
составляющий более 99% урановой природной руды. Он используется для
получения легко расщепляющего плутония-239. Это достигается путем создания
оболочки из U-238 вокруг активной зоны реактора. Процесс распада
радиоактивного вещества (обычно U-235 или Pu-239) порождает поток нейтронов
в активной зоне, которые захватываются U-238, что приводит к его
бета-распаду, в результате которого появляется крайне нестабильный изотоп
U-239. В свою очередь, после бета-распада U-239 превращается в еще более
нестабильный изотоп нептуний-239, и в конце концов, минуя еще один
бета-распад, он превращается в легко распадающийся Pu-239.
_Коэффициент воспроизводства ядерного топлива, то есть отношение
полученного Pu-239 к использованному U-235, составляет от 1,1 до 1,3.
Значит, мы получаем на 10 - 13% больше Pu-239 по отношению к истраченному
U-235, и жизнь источника энергии продлевается на несколько сотен лет и
более. Вначале на бриденые реакторы возлагались очень большие надежды.
_Для достижения большего коэффициенты воспроизводства ядерного топлива
нейтроны, поглощаемые U-238, должны иметь большую скорость. В современных
легководяных реакторах скорость нейтронов имеет значение около 16000 км/ч, в
то время как в высокоскоростном бридерном реакторе скорость нейтронов
составляет 8 миллионов км/ч, что в 3000 раз больше.
_Вода охладителя реактора замедляет нейтроны, и поэтому в качестве
охлаждающего вещества используются жидкие металлы, например натрий. Натрий
очень активный металл, и он легко взрывается при контакте с водой или
воздухе. Трубы системы охлаждения легируются, но через трубы протекает
жидкий металл и вымывает углерод из стенок, так что имеется возможность их
разрушения, а, следовательно, возможен взрыв из-за контакта охладителя с
водой, находящейся снаружи.
_Бридерные реакторы на быстрых нейтронах становятся все меньше и меньше
в размерах и работают при больших температурах, что повышает коэффициент
воспроизводства. Но с повышением рабочей температуры реактор становится
трудно управляемым. В США реактор "Ферми" из-за неполадок и инцидентов был
остановлен, развив лишь 10% мощности.
_Топливом для бридерных реакторов на быстрых нейтронах служит Pu-239.
Чтобы добиться стабильной работы, требуется более 500 кг плутония-239. Чтобы
работа реактора была экономически выгодна, требуется загрузить в реактор
около двух тонн топлива. Критическая масса, при которой происходит взрыв
Pu-239, составляет 5 кг. К сожалению, очень сложно оптимально распределить
плутоний в реакторе. Последствия накопления плутонием критической массы
непредсказуемы. Как результат - остановка реактора "Ферми".
_Наиболее серьезные исследования бридерных реакторов проводились во
Франции. Французский реактор "Феникс" был запущен в июне 1974 года. Случаи
утечки натрия из системы охлаждения произошли дважды в 1976 году, и реактор
остановили до следующего года, когда его отремонтировали.
_Приняв во внимание опыт проекта "Феникс", Франция приступила к
строительству новой серии реактора в "Супер Феникс" с еще более
экстремальными условиями работы. Как бы там ни было, проект "Супер Феникс"
был остановлен из-за неполадок в систем. Пока только Япония планирует
запустить в течение нескольких лет реактор на быстрых нейтронах мощностью
0,3 миллиона кВт под названием "Монжу".
7.2.8. Реакторы термоядерного синтеза
7.2.8.1. Осуществимость термоядерного синтеза
Термоядерный синтез - это наиболее мощный способ получения энергии на
Земле, подобный способу образования энергии на Солнце. Ископаемое топливо
аккумулировало энергию Солнца. Все живое на Земле зависит от Солнца. Земля
без Солнца - ничто.
_Термоядерный синтез является символом современного западного сознания,
основанного на христианстве, придающего особое значение покорению природы.
Реализация термоядерного синтеза на Земле позволит нам обходиться без
Солнца. Используя громадное количество энергии, моно превратить пустыни в
зеленые рощи, делать из морской воды питьевую, контролировать климат на
обширных территориях.
_Глупо полагать, что ядерный синтез - это реализация Солнца на Земле.
Количество энергии на единицу массы в секунду, выделяющееся на Солнце,
чрезвычайно мало; оно составляет всего лишь одну десятитысячную тепла,
генерируемого человеческим телом на единицу массы в секунду. Ядерный синтез
на Солнце происходит преимущественно центральной его части. Этот процесс
поддерживается огромной силой тяготения. Из-за большой массы полная
синтезируемая энергия огромна; температура на поверхности Солнца достигает
6000 градусов по Цельсию. Ядерный синтез на Земле пытаются поддерживать
действием электромагнитного поля; плотность распределения тепла на единицу
объема примерно в 10 миллионов раз больше, чем на Солнце. Это значит, что
синтез на Земле соответствует процессам, происходящих при взрыве сверхновой
звезды. Ядерный синтез на Земле принципиально отличается от синтеза на
Солнце.
_Термоядерный управляемый синтез на Земле - очень сложный процесс, хотя
реакция неуправляемого синтеза может быть осуществлена путем взрыва атомной
бомбы. Управляемый синтез изучался на реакции синтеза из дейтерия (D:
встречающийся в природе тяжелый изотоп с атомным числом 2, один протон и
один нейтрон) и тритий (T: изотоп водорода с атомной массой 3,0170) в новый
еще более тяжелый элемент, такой как, например, гелий. D-D синтез требует
сверх высокой температуры, около 5000 миллионов градусов Цельсия, в то время
как для D-T синтеза достаточно температуры в 100 миллионов градусов.
Типичная реакция синтеза, при которой реагенты необходимо удерживать с
помощью электромагнитного поля, может начаться ,если 10 в 20 степени плазмы
на кубический метр продержать более одной секунды при температуре 1000
миллионов градусов по Цельсию. Другими словами, плотность плазмы, умноженная
на время сдерживания, должна достичь 10 в 20 степени кубических метров в
секунду. Однако до настоящего времени была достигнута только пятая часть
необходимой температуры, половина требуемой плотности плазмы и 20-30 %
времени сдерживания. Для реализации реакции должны быть достигнуты
критические условия, но возможность их достижения сомнительна.
_Недавно выяснилось, что время сдерживания может быть увеличено путем
увеличения размеров реактора, и как результат - попытки в разных странах
строить реакторы все больших и больших размеров. Элементы реактора
повреждаются быстрыми нейтронами, выделяющимися при D-T синтеза;
металлические частицы испаряются со стен, окружающих место синтеза; эти
частички загрязняют вакуум и начинают излучать рентгеновские лучи. Что
значительно снижает температуру плазмы. Считается, что именно по этой
причине нельзя осуществить синтез, даже если построить реактор больших
размеров.
_Нечистоты могут быть удалены во время остановки реактора, хотя метод
их удаления до сих пор не найден. Даже если применяются автоматические
устройства для удаления частиц, контроль за ними может быть осуществлен
только с помощью роботов, так как происходит слишком сильный выброс
нейтронов. Очень сложно после удаления грязи вернуться к критическим
условиям.
7.2.8.2. Ресурсы для термоядерного синтеза
Дейтерий (D) может быть получен из морской воды. Тритий (T) можно
получить бомбардировкой лития-6. Концентрация литий-6 в морской воде
составляет 0,17 ppm, и почти невозможно получить его. Следовательно, литий-6
надо получать из литиевой руды, которая в США распространена повсеместно. К
сожалению, литий-6 содержится только в количестве тритий требуется
устройство для генерации быстрых нейтронов. Большие термоядерные реакторы
требуют гораздо большей генерации быстрых нейтронов, чем реакторы на быстрых
нейтронах. В установки для производства тритий такого масштаба должно быть
единовременно закружено 230 тонн лития, и это количество должно ежедневно
пополняться 11 тоннами лития.
_В термоядерных реакторах используется бериллий (Be) для управления
скоростью нейтронов, стартовая загрузка которого должна оставлять 190 тонн.
Из-за слабой концентрации бериллий трудно выделить из морской воды. Имеются
только небольшие залежи бериллия на территории США и Африки.
_Чтобы противостоять агрессивной среде, стенки реактора должны быть
выполнены из ванадия или ниобия. Для постройки одного реактора требуется
около 1000 тонн данных материалов. В США к настоящему времени имеется около
6000 тонн таких материалов. Следовательно, недостаток ресурсов не позволит
построить много электростанций.
_В качестве охладителя в реакторах используется жидкий гелий. Для
одного реактора необходимо 120 тонн этого вещества. В настоящее время
проводятся исследования явления сверхпроводимости при высоких температурах;
теоретическая база еще не создана, также есть подозрения, что это явление
крайне нестабильно.
7.2.8.3. Чистота термоядерных реакторов
На протяжении долгого времени бытовало мнение, что термояде6рные
реакторы чисты, а энергия, полученная из ядерного топлива, является самой
чистой и что выбросов радиации просто не может быть. Но это не так потому,
что синтез не может протекать без выделения радиации.
_Для процесса D-T синтеза существует большая вероятность выброса
трития. Тритий - это изотоп водорода, искусственно полученный путем
нейтронной бомбардировки. Обладает периодом полураспада в 12 лет. До
недавнего времени считалось, что радиоактивность трития невелика. Тем не
менее выяснилось, что тритий чрезвычайно опасен, так как его излучение может
разрушить ДНК. Практически невозможно химическим путем выделить тритий из
воды. Таким образом, вода с тритием может попасть в организм; водород в ДНК
может быть заменен тритием, который разрушит спиралевидную структуру ДНК
бета-излучением, вызывая тем самым пагубные генетические эффекты.
_Ниобиевые и ванадиевые стенки реакторов легко пропускают частицы
водорода. Следовательно, тритий может проникать сквозь стенки. Подобные же
утечки могут происходить через стенки теплообменников. Величина суммарных
утечек может в 1000 раз превосходить количество трития, приносимого
космическими лучами.
_Быстрые нейтроны могут превращать ниобий в изотопы двух видов с
периодами полураспада соответственно 1000 и 2000 лет. Нейтроны также могут
превращать материалы конструкций и щитов в радиоактивные вещества. Из-за