Физика будущего
Шрифт:
Во время Второй мировой войны единственным способом разделить два изотопа урана был очень трудоемкий способ газовой диффузии: уран превращали в газ (гексафторид урана), а затем прогоняли сквозь сотни километров различных трубок и мембран. В конце этого долгого путешествия более быстрые (а значит, и более легкие) молекулы, содержащие уран-235, выигрывали гонку, оставляя более тяжелые молекулы с ураном-238 позади. Газ, содержащий уран-235, извлекали из установки и повторяли весь процесс заново, до тех пор пока доля урана-235 не возрастала с 0,7 до 90% (именно такая его концентрация нужна для создания бомбы). Но проталкивание газа через мембраны и тонкие трубки требовало громадного количества электричества. Во время войны значительная часть производства электроэнергии в США шла в Национальную лабораторию в Окридже именно на эти цели. Обогащением урана занимался громадный комбинат площадью 200 000 м2, на
После войны две сверхдержавы, США и Советский Союз, смогли накопить целые арсеналы атомных бомб (почти по 30 000 каждая), потому что освоили метод газовой диффузии. Но сегодня методом газовой диффузии получается лишь 33% мирового производства обогащенного урана.
Обогатительные предприятия второго поколения используют более хитроумную и более дешевую технологию: ультрацентрифуги, изобретение которых оказало громадное влияние на мировую политику. Ультрацентрифуга способна раскрутить капсулу с ураном до скорости в 100 000 оборотов в минуту. При такой скорости вращения один процент разницы в массе между ураном-235 и ураном-238 приобретает серьезное значение. Постепенно уран-238 оседает на дно капсулы, и через некоторое время из верхней части трубки можно извлекать уран-235.
Энергетически ультрацентрифугирование в 50 раз эффективнее, чем газовая диффузия. На сегодняшний день этим методом очищается 54% мирового урана [22] .
Одного года непрерывной работы 1000 ультрацентрифуг достаточно, чтобы наработать обогащенного урана на одну атомную бомбу. При этом технологию ультрацентрифугирования очень легко украсть. Секретность в ядерной области нарушалась не раз, и один из худших случаев такого рода в истории заключался в том, что никому не известный инженер-атомщик Абдул Кадир Хан (Abdul Qadeer Khan) сумел украсть и продать чертежи ультрацентрифуги и отдельных компонент атомной бомбы. В 1975 г. Хан работал в Амстердаме на компанию URENCO, основанную Британией, Западной Германией и Нидерландами для обеспечения ураном европейских реакторов [23] . Получив доступ к секретным материалам, он передал их пакистанскому правительству. На родине его возвеличили как национального героя, однако есть подозрения, что он, помимо Пакистана, продал эту информацию Саддаму Хусейну и правительствам Ирана, Северной Кореи и Ливии.
22
Центрифужный метод был впервые разработан в СССР при участии немецких специалистов, и благодаря своим преимуществам перед газодиффузионным стал основным уже в 1960-е гг. А вот в наши дни за право построить в США первый центрифужный завод с американской фирмой USEC сражаются, причем успешно, европейские компании URENCO и AREVA. — Прим. пер.
23
И владевшую патентами Гернота Циппе, который вместе с Максом Штеенбеком, Исааком Кикоиным, Евгением Каменевым и коллективом СКВ Кировского завода в Ленинграде создал первую в мире промышленную ультрацентрифугу. — Прим. пер.
Пакистан воспользовался украденной технологией, создал небольшой запас ядерного оружия и в 1998 г. начал проводить испытания. Между Пакистаном и Индией разгорелось ядерное соперничество, в ходе которого обе страны провели по серии испытательных взрывов и чуть не дошли до ядерной конфронтации. Возможно, именно благодаря купленным у Хана технологиям Иран, согласно разведданным, ускорил работы по ядерной программе и построил к 2010 г. 8000 ультрацентрифуг; в его планах строительство еще 30 000 таких установок. В результате другие ближневосточные государства испытывают давление и стремятся создать собственное ядерное оружие. Нестабильность в регионе растет.
Еще одна причина, по которой геополитика в XXI в. может претерпеть серьезные изменения, состоит в том, что на сцену выходит технология нового поколения — технология лазерного обогащения; потенциально она должна стать еще дешевле, чем ультрацентрифугирование.
Если посмотреть на электронные оболочки двух изотопов урана, может показаться, что они одинаковы. Это не удивительно — ведь ядра всех изотопов одного элемента имеют одинаковый электрический заряд. Но если тщательно проанализировать уравнения электронных оболочек, выяснится, что между энергиями оболочек урана-235 и урана-238 существует крохотная разница. Осветив смесь изотопов лазерным лучом, можно настроить его таким образом, что его фотоны будут выбивать электроны из оболочек атомов урана-235, но не будут оказывать никакого действия на атомы урана-238. А ионизированные атомы урана-235 несложно отделить от электрически
Энергетическая разница между двумя изотопами настолько мала, что многие страны потерпели неудачу в попытках воспользоваться ею. В 1980-е и 1990-е гг. США, Франция, Великобритания, Германия, Южная Африка и Япония безуспешно пытались подступиться к этой технологии. К примеру, на один из американских проектов, в котором принимало участие 500 исследователей, было затрачено 2 млрд долларов.
Однако в 2006 г. австралийские ученые объявили, что не только решили эту проблему, но и намереваются коммерциализировать ее. Известно, что 30% стоимости уранового топлива приходится на процесс обогащения, поэтому австралийская компания Silex считает, что эта технология будет востребована на рынке. Silex даже подписала с General Electric контракт, намереваясь совместно выйти на рынок с новой технологией обогащения. Ее создатели надеются, что со временем по их методу будет производиться до трети мирового уранового топлива. В 2008 г. компания GE Hitachi Nuclear Energy объявила о планах строительства первого коммерческого предприятия по лазерному обогащению урана в городе Уилмингтон, штат Северная Каролина. Завод площадью 81 га должен быть построен к 2012 г. на площадке размером 6,5 км2.
Для атомной энергетики это хорошая новость, поскольку в результате цены на обогащенный уран, вероятно, снизятся. Однако у остальных это вызывает беспокойство, поскольку рано или поздно данная технология распространится в нестабильные регионы мира — лишь вопрос времени. Иными словами, у нас осталось совсем немного времени на подписание договоров об ограничении и регулировании потоков обогащенного урана. Если мы не сумеем удержать контроль над новой технологией, атомные бомбы продолжат расползаться по миру и, возможно, попадут даже в руки террористических организаций.
Покойный Теодор Тейлор (Theodore Taylor), с которым я был знаком, имел редкую возможность поучаствовать в разработке самых крупных и самых маленьких атомных боеголовок для Пентагона. Среди его разработок — орудие «Дейви Крокет» весом всего около 25 кг, способное тем не менее выстрелить во врага небольшой атомной бомбой. Тейлор был фанатичным сторонником атомного оружия и работал в проекте «Орион», целью которого было использовать ядерные бомбы в качестве двигателя космического корабля для полета к ближайшим звездам. Он рассчитал, что космический корабль можно разогнать до скорости, близкой к скорости света, за счет ударной волны от взрывов ядерных бомб позади него.
Я однажды спросил Тейлора, почему он разочаровался в атомных бомбах и переключился на проекты, связанные с использованием солнечной энергии. Он признался, что постоянно видит один и тот же кошмарный сон. Ему казалось, что продолжение работы над ядерным оружием могло привести лишь к одному: к созданию атомных боеголовок третьего поколения. (Боеголовки первого поколения в 1950-е гг. были огромны, доставить их к месту назначения было настоящей проблемой. Боеголовки второго поколения в 1970-е гг. стали небольшими и компактными; под носовой обтекатель ракеты их можно было засунуть целый десяток. Но бомбы третьего поколения — «дизайнерские» бомбы, специально разработанные для использования в различных обстоятельствах: в лесу, в пустыне, даже в открытом космосе.) Среди бомб третьего поколения есть и миниатюрная, которую террорист мог бы принести в чемодане и уничтожить таким образом целый город. Мысль о том, что дело всей его жизни может когда-нибудь попасть в руки террористов, мучила Тейлора до конца жизни.
Середина века
(2030–2070 гг.)
Глобальное потепление
К середине века экономика, основанная на сжигании ископаемого топлива, вызовет закономерное и неизбежное следствие: глобальное потепление климата [24] . Тот факт, что Земля постепенно нагревается, уже не вызывает сомнений. За последние сто лет температура на планете выросла в среднем на 0,7 С, и темп ее роста увеличивается [25] . Признаки несомненны, куда ни посмотри.
24
Строго говоря, глобальное потепление уже началось, но к середине века его последствия скажутся в полной мере. — Прим. пер.
25
Тот факт, что глобальное потепление происходит, не подвергается сомнению. А вот о соотношении вклада в него естественных причин и результатов деятельности человека идет ожесточенная и весьма политизированная научная дискуссия. — Прим. пер.