И.И. Никитчук, бывший сотрудник ВНИИЭФ (Арзамас-16), депутат ГД ФС РФ, д.т.н.
2015-06-11 00:33.
В истории своего развития человечество пережило несколько эпох. Первая из них – переход от охоты и собирательства к оседлому земледелию и скотоводству. Эта эпоха длилась сотни тысяч лет.
 |
| Никитчук Иван Игнатьевич |
Чуть более двух веков назад началась промышленная революция, сначала в Англии, потом во всём мире. Она продолжается до сих пор в отдельных регионах.
В настоящее время происходят новые изменения в развитии цивилизации, связанные с такими причинами, как рост народонаселения, недостаток природных ресурсов, чрезмерная нагрузка на природную среду. Характерно, что эти изменения происходят одновременно во всех точках земного шара.
Между ростом народонаселения, потреблением энергоресурсов и экологией существует прямая связь. Чем большее число людей, проживающих на земле, тем больше затрачивается материальных и энергоресурсов для обеспечения нужд народонаселения, и тем большее антропологическое воздействие на окружающую среду. Поэтому сегодня перед человечеством стоит две задачи – сокращение, или, по крайней мере, ограничение численности народонаселения Земли (в настоящее время это около 7 млрд. человек) и поиск жизненно важных ресурсов.
Ограничение или сокращение народонаселения Земли – это в принципе решаемая проблема посредством международных договорённостей. Гораздо сложнее проблема поиска источников ресурсов жизнеобеспечения.
Среди различных ресурсов первостепенное значение имеют энергетические ресурсы, которые мы связываем с нефтью, газом, углем, ураном и др. Заключённая в ископаемых энергия также является ресурсом.
Количество существующей вокруг нас энергии во много раз превышают даже будущие потребности человечества. Однако освоена только ничтожная её часть. В то же время запасы традиционных энергоносителей быстро убывают.
Сейчас уровень энергопотребления на планете составляет около 3.1021 Дж/год (1014 Вт). Энергопотребности покрываются в основном за счёт нефти и газа. Запасы этих ископаемых близки к исчерпанию, к тому же они являются ценным сырьём для нефтехимической промышленности и производства товаров народного потребления. Кроме того, нефть является ещё и одним из самых «милитаризованных» продуктов. Боеприпасы современных армий не могут быть применены, если не будет нефти. Газ менее удобен для военных целей. Расчёты на то, что газ нас спасёт – эфемерны: энергосодержание газа в его мировых запасах меньше, чем нефти. Восприняв примерно утроенную нагрузку с целью замены нефти, он ненадолго переживёт нефть. И вряд ли стоит рассчитывать, что борьба за остатки газа будет вестись с помощью авиации, работающей на сжиженном газе.
По имеющимся оптимистическим оценкам учёных в недрах Земли остаётся примерно 190 млрд. тонн нефти, включая сланцевую нефть и трудноизвлекаемые запасы. Сегодня в мире ежегодно потребляется около 4 млрд. тонн нефти. Таким образом, запасов нефти хватит примерно на 50 лет. Но, если учесть военный резерв и потребности промышленности, то нефти для энергетики практически не осталось. Кроме того, надо иметь в виду, что на определённом этапе добыча трудноизвлекаемых запасов нефти может потребовать затрат энергии гораздо больше, чем содержится в добытой нефти, и такая добыча с точки зрения сохранения энергетического баланса становится не выгодной.
Из традиционных энергоносителей только уголь смог бы в ближайшее время заменить нефть и газ. Но тогда его сжигание надо увеличить примерно в 20 раз. Такое углепотребление погубило бы цивилизацию, за счёт непомерных трудозатрат и недопустимых загрязнений. Для угольной энергетики мощностью 1014 Вт ежегодно придётся добывать 1,5.1011 т угля, т.е. 150 млрд. тонн. Для этого потребуется произвести около миллиарда кубов горных работ и проложить в горных выработках рельсовых путей весом 3 млрд. тонн. Напомню, что сегодня весь мир вырабатывает около 1 млрд. тонн стали.
За 30 лет работы угольной энергетики мощностью 1014 Вт концентрация углерода в атмосфере повысится в 10 раз, а сгоревшая сера выпадет на землю в виде кислотных дождей. Доказать невозможность жизни в таких условиях нельзя, но ожидаемый облик планеты будет напоминать сюжет из фильмов ужасов. Иными словами, век угля недопустим, необходимы другие источники.
Обращает на себя внимание солнечная энергия. Её поступление на планету колоссальное, примерно 3.1024 Дж/год.
К сожалению, пока ни один из разработанных проектов не оставляет надежды на то, что когда-нибудь солнечная энергия заменит все источники энергии. Малая плотность энергии солнечного излучения (в среднем 250 Вт/м2) и её зависимость от метеоусловий и времени суток не даёт возможности технически решить проблему концентрации солнечной энергии в необходимом объёме при приемлемой её цене. Например, солнечная электростанция мощностью 1 ГВт будет занимать площадь 120 км2, а число приёмников солнечной энергии (гелиостатов) должно быть около 1,5 миллиона штук. Т.е. это будет колоссальное сооружение с огромными материальными затратами, а, следовательно, вырабатываемая электроэнергия на такой станции будет очень дорогой.
Чтобы увеличить время съёма солнечной энергии, приблизив её к 24 часам, предлагалось крупные панели солнечных батарей разместить на геостационарной орбите на расстоянии примерно 36 тысяч км от поверхности Земли. Поток солнечной энергии на такой высоте довольно интенсивен и составляет около 1,4 кВт/м2. Предполагалось, что вырабатываемая электроэнергия солнечными батареями будет преобразовываться в микроволновую энергию и передаваться на Землю сфокусированным электромагнитным пучком на частоте 2,45 ГГц. На этой частоте наименьшие потери в атмосфере. На Земле микроволновая энергия преобразуется специальной приёмной системой в энергию постоянного или переменного тока необходимой частоты.
В США были проведены проектные исследования построения станций такого типа мощностью 5 ГВт каждая. Одна из-за технических трудностей и дороговизны проектов было принято решение отказаться от подобного замысла. Ну, и на самом деле, вес станции на Земле со средствами доставки составил бы 2 млн. тонн или 400 кг/кВт. При замене современной энергетики космическими солнечными станциями их потребуется 2000 штук, которые на площади 260 тысяч км2 создадут мощность микроволновой радиации в 230 Вт/м2, которая грозит всему живому серьёзными заболеваниями, в том числе и онкологическими.
Обратимся к урановой энергетике. Здесь принципиально возможны два варианта получения энергии – за счёт термоядерной реакции синтеза, т.е. слияния ядер лёгких элементов и за счёт реакции деления тяжёлых элементов, таких как уран, торий и плутоний.
Техническая возможность на сегодня реализована для реакции деления. Одна из таких реакций, при которой разделяется ядро урана U235, высвобождает 200 МэВ энергии.
Сейчас мощность всех АЭС мира около 1012 Вт. И даже при такой мощности запасов U235 хватит на время не длиннее века нефти.
Удлинить век урана можно за счёт применения реакторов-размножителей, которые часто называют бридерными реакторами. В этих реакторах в качестве топлива используется другой изотоп урана – U238, запасы которого значительно больше. При распаде ядра U238 образуется плутоний Pu239. При попадании в ядро плутония нейтронов оно разделяется с выделением также 200 МэВ ядерной энергии. Не вдаваясь в теорию, заметим, что в бридерных реакторах возможна реализация так называемого замкнутого цикла, когда можно получать плутония больше, чем его закладывается в начале работы реактора.
Реакторов-бридеров с фактически замкнутым циклом воспроизводства топлива пока нет. Есть прототипы, в частности, российский реактор БН-600, который работает уже более четверти века на Белоярской АЭС. В настоящее время близок к пуску более мощный реактор на той же станции – БН-800.
Однако выполненные расчёты и прогнозы показывают, что глобальная энергетика на делении урана невозможна, так как:
– для ядерного цикла с U235 слишком малы запасы этого изотопа;
– для бридерного варианта в недрах недостаточно изотопа U238;
– необходимое количество плутония для реализации замкнутого цикла можно наработать за время, существенно превышающее 100 лет.
Практически неисчерпаемый источник энергии связывают с термоядерной управляемой реакцией. Главный топливный элемент в этой реакции слияния является дейтерий – изотоп водорода, способный выделять огромное количество энергии. Например, в 1 тонне воды содержится около 10 тонн нефтяного эквивалента (ТНЭ) энергии дейтерия.
Более полувека ведутся работы по так называемому управляемому термоядерному синтезу (УТС). Этого хотят достигнуть либо за счёт постоянного (в течение нескольких десятков миллисекунд) горения десятков грамм масс, либо за счёт периодических коротких (доли наносекунды) микровзрывов миллиграммовых количеств горючего.
В термоядерном оружии эта реакция давно реализована. Что касается управляемой термоядерной реакции или управляемого термоядерного синтеза, то пока не удаётся получить горения даже смеси дейтерия с тритием, хотя для поджига такой смеси требуется гораздо ниже температура и плотность, чем для горения дейтерия. Но если допустить, что удастся реализовать дейтериево-тритиевую реакцию, то для того, чтобы можно было приступить к её использованию по замене традиционных источников энергии, надо решить другие задачи. В первую очередь потребуется огромное количество других материалов, которые необходимы для наработки трития. Прежде всего, это литий и бериллий. Для энергетики мощностью 10.14 Вт потребуется сжигать в год 5000 тонн трития, 10000 тонн лития и 15000 тонн бериллия. Взять такие количества этих материалов негде.
Как видим человечество стоит перед серьёзнейшей энергетической проблемой, пока неразрешимой. Есть ли какой-то выход в создающейся ситуации, которая неизбежно со временем будет обостряться, и, весьма вероятно, приводить к международным конфликтам борьбы за энергетические ресурсы. Такой выход есть.
Дело в том, что для термоядерного синтеза необходимы высокие температуры и плотности, характерные для недр Солнца. В земных условиях из-за малого объёма топлива необходимы ещё большие температуры и плотности, реализующиеся только при ядерном взрыве. Поэтому учёные-ядерщики приходят к логичному выводу, что дейтериевая энергетика может быть только взрывной.
Первые публикации и предложения о возможности ядерных взрывов для мирных целей, включая энергетику, появились достаточно давно, по сути, с началом испытаний ядерного оружия. Ещё в 1963 году во ВНИИЭФ (Арзамас-16) был выпущен закрытый отчёт выдающихся советских учёных Ю.А.Трутнева, Ю.Н.Бабаева и А.В.Певницкого с предложением о стационарной установке для получения активных веществ и электроэнергии с помощью подземных ядерных и термоядерных взрывов. В 1977 году А.Д.Сахаров в Нью-Йорке опубликовал статью «Ядерная энергетика и свобода Запада». Суть содержания статьи сводилась к использованию термоядерных взрывов «максимально малой мощности … в большой подземной камере для наработки плутония, который потом сжигался бы в ядерных реакторах». В последующем эту идею более детально прорабатывали учёные ВНИИТФ (Челябинск-70) под руководством академика Е.Н.Аврорина.
Практическое решение взрывного синтеза заключается в том, что изготавливается высокопрочная камера, в которой периодически взрываются специальные термоядерные заряды мощностью 10–25 килотонн тротилового эквивалента. Выделяемая энергия взрыва передаётся специальному теплоносителю (жидкий натрий), который нагревается до температуры около 7000 Цельсия с последующей передачей тепла рабочему телу, которое используется в турбинах для выработки электроэнергии. При этом нарабатывается или Pu239, если в реакции участвует U238, или U233, если в реакции используется ещё один радиоактивный материал – торий Th232. Наработанные материалы можно использовать в ядерных реакторах также для выработки электроэнергии. Таким образом, взрывной синтез фактически обеспечивает человечество неисчерпаемым источником энергии, позволяя исключить нефть и газ в качестве топлива для выработки энергии и сохранить их для будущих поколений, как ценное сырьё для производства различных товаров.
Но чтобы реализовать предложения учёных, необходимо уже сейчас перейти к серьёзным научным, теоретическим и экспериментальным исследованиям, апробированию различных схем на лабораторных установках, проработки конструкторских решений и т.д.
Времени у человечества не так много для реализации этого гигантского проекта и для решения двух важнейших задач, о которых говорилось выше – сокращение народонаселения и решение энергетической проблемы, а также тесно связанно с ними экологической проблемы. Вместо выяснения отношений и разжигания вражды, ненависти, военных конфликтов надо садиться за стол переговоров, понимая, что все мы живём на одной планете, и эти проблемы коснутся каждого, где бы он ни жил – в Америке, Европе, Азии, Австралии. А пока что, глядя на всё происходящее на Земле, кажется, что наше время неприятно похоже на конец «Титаника» очень медленным осознанием людьми грозящей им опасности: корабль уж давно обречён, а на палубе ещё играет музыка и продолжается веселье.