Знание-сила, 1997 № 02(836)

Коллектив авторов

Кое-где радиоактивные шлаки остекловывают, превращая в прочные монолитные блоки. Хранилища снабжаются специальными системами контроля и отвода тепла. В качестве оправдания можно опять сослаться на естественный феномен. В Экваториальной Африке, в Габоне, около двух миллионов лет назад случилось так, что вода и урановая руда собрались в созданной самой природой каменной чаше внутри скальных пород и в такой пропорции, что получился естественный, «без всякого участия человека», атомный реактор, и там в течение некоторого времени, пока не выгорел скопившийся уран, работала цепная реакция деления. Образовывался плутоний и те же радиоактивные осколки, как и в наших искусственно созданных атомных котлах. Изотопный анализ воды, почвы и окружающих горных пород показал, что радиоактивность осталась замурованной и за два миллиона прошедших с тех пор лет ее диффузия была незначительной.

Это позволяет надеяться, что остеклованная радиоактивность в ближайшую сотню тысяч лет тоже останется наглухо изолированной.

Иногда шлаки замуровывают в глыбы особо прочного бетона, которые сбрасываются в океанские глубины, хотя, согласитесь, это далеко не лучший подарок нашим потомкам...

В последнее время всерьез обсуждается возможность забрасывать контейнеры с долгоживущими изотопами с помощью ракет на невидимую обратную сторону Луны. Вот только как обеспечить стопроцентную гарантию, что все запуски будут успешными, ни одна из ракет-носителей не взорвется в земной атмосфере и не засыплет ее смертоносным пеплом? Что бы ни говорили ракетчики, риск очень велик. Да и вообще мы не знаем, для чего понадобится обратная сторона Луны нашим потомкам. Было бы крайне легкомысленно превратить ее в убийственную свалку.

А радиоактивных шлаков на АЭС образуется немало. Например, в Швеции, энергетика которой, как упоминалось, на пятьдесят процентов атомная, к 2010 году накопится примерно двести тысяч кубометров требующих захоронения радиоактивных отходов. Пятнадцать процентов из них содержат долгоживущие изотопы, не выгоревшие в атомных реакторах остатки концентрированного ядерно го горючего и требуют особо тщательного хранения. Это объем концертного зала и только лишь для одной маленькой Швеции! Как видим, есть от чего болеть голове у атомщиков.

Три столбовые дороги атомной энергетики

Одна из них — использование реакции деления, о которой уже шла речь. Вторая — термоядерная реакция, когда ядра двух разновидностей тяжелого водорода (стабильный, нераспадающийся дейтрон и радиоактивный тритий) объединяются в одно Ядро инертного газа гелия, а оставшийся лишним нейтрон поглощается внутри вещества, передавая ему свою энергию. К сожалению, при этом тоже образуются радиоактивные изотопы, а самое главное — для изготовления быстро распадающегося трития нужны все те же атомные реакторы деления. В этом отношении термоядерный путь ничуть не лучше, не чище реакторного. Правда, тяжелый водород — тритий — можно заменить легким изотопом гелия. В этом случае лишним оказывается уже не нейтрон, а заряженный протон, который своим электрическим зарядом интенсивно взаимодействует с электронами атомов окружающего вещества. Быстро растратив свою энергию, он захватывает один из соседних электронов и превращается в атом обыкновенного, безвредного водорода. Хотя на Земле легкого гелия практически нет, его много в поверхностных слоях Луны, где он образовался в ядерных реакциях под действием космических лучей, бомбардирующих нашу космическую соседку уже в течение миллиардов лет. У нее нет атмосферы, задерживающей космические частицы на Земле, и они без помех дробят атомные ядра ее поверхности. Возможно, добыча и транспортировка лунного гелия станут основой экологически чистой термоядерной технологии будущего, но пока это область научной фантастики, хотя и не очень далекой от реального воплощения.

Третий и, по-видимому, наиболее перспективный и реализуемый уже в ближайшем будущем путь ядерной энергетики — это «электрояд». Представьте себе большой, толстый кусок какого-либо вещества, в который бьет пучок разогнанных ускорителем протонов. Столкнувшись с одним из ядер мишени, протон расщепляет его, из ядра вылетает веер протонов, нейтронов, вновь родившихся частиц мезонов, а само ядро остается в сильно перегруженном энергией «горячем» состоянии. Подобно тому, как капля нагретой жидкости охлаждается, испуская частички пара, ядро тоже переходит в свое основное, «холодное» состояние, испаряя свои частицы, а иногда, если оно тяжелое, делится на два дочерних ядра-осколка, тоже горячих и теряющих свою энергию путем испарения. Образовавшиеся в первом ядерном столкновении частицы, в свою очередь, дробят следующие ядра, и Так далее. Внутри облучаемого блока образуется лавина, каскад постепенно замедляющихся частиц. Протоны и мезоны быстро выходят из игры — мезоны распадаются, протоны превращаются в атомы водорода. А вот нейтроны продолжают еще долго гулять внутри вещества — первичный, бомбардирующий вещество протон превращается

в интенсивный поток низкоэнергетических нейтронов.

Представим теперь, что место бруска-мишени занял атомный реактор, но не обычный, работающий на атомных электростанциях, а так называемый подкритический, в котором ядерного топлива немножко не хватает и цепная реакция сама по себе не идет. Стоит, однако, дать в такой реактор подсветку нейтронами (для этого как раз и нужен пучок рождающих их протонов), как он сразу же выходит на критический режим с цепной реакцией. Такие управляемые ускорителями реакторы безопасны. Не требуется никаких — ни медленных, ни быстрых — регулирующих стержней. Все управление берут на себя мгновенно действующие электрические импульсы ускорителя. Если нужно, снижается ток ускорителя и реактор немедленно возвращается в исходное подкритическое состояние, увеличивается ток ускорителя — реактор включается. Без ускорителя он работать не может.

Конечно, на ускорение пучка бомбардирующих частиц затрачивается электроэнергия, но расчеты и опыт говорят, что для этого достаточно лишь небольшой доли той энергии, которую вырабатывает реактор. Основная ее часть, как и на обычных АЭС, подается потребителям в виде электрического тока или по трубам теплоцентралей в виде горячей воды и пара[3 Статистика говорит, что для получения горячей воды, пара и тепла сегодня затрачивается более половины всей производимой в мире энергии. Это сотни миллионов тонн угля, огромные площади сожженных лесов.]. И вот что самое важное: выделяющейся в реакторе энергии хватает и на то, чтобы выжечь все накапливающиеся там долгоживущие радиоактивные шлаки, превратить их в более легкие и короткоживущие, а частично даже вообще в стабильные, нераспадающиеся далее ядра. Отпадает нужда в строительстве дорогостоящих, тщательно изолированных, долговременных радиационных могильников. Более того, можно переработать и те горы шлаков, которые уже накоплены атомной промышленностью.

Идея электроядерного метода, объединившая две основные атомные технологии XX века — ускорительную и реакторную, была высказана еще полвека назад, однако потребовались десятилетия теоретических расчетов, экспериментов и инженерных разработок, для того чтобы сделать ее экономически выгодной. Лишь с помощью сильноточных ускорителей, дающих мощные пучки высокоэнергетических частиц, а их научились строить совсем недавно, можно достаточно далеко отойти от уровня критичности и использовать по-настоящему безопасные глубоко подкритические системы. Сегодня речь идет уже о строительстве опытно-промышленных электроядерных станций — источников энергии и трансмутаторов (переработчиков) радиоактивных шлаков. Подобно тому как это было с первой атомной электростанцией в Обнинске, они позволят отработать технологию и проложат пути для следующих, более мощных электроядерных блоков.

Электроядерные бридеры

Из каждого килограмма добываемого урана атомный реактор использует всего лишь семь граммов. Таково содержание в природном уране изотопа ²³⁵U, который только и делится в процессе цепной реакции. Все остальное — изотоп ²³⁸U, идущий в отвал. Правда, если содержание изотопа ²³⁵U в реакторе увеличить в несколько раз, то цепную реакцию можно осуществить и в таком режиме, когда ядра ^23&U тоже будут делиться. Более того, часть их станет превращаться в ядра другого, легко делящегося химического элемента — плутония ²³⁹Pu. Однако в сильноточной электроялерной установке (ее в этом случае называют бридером — размножителем) этот процесс протекает намного быстрее и безопаснее. Наработанный таким образом плутоний можно использовать в качестве ядерного горючего в реакторах деления, не имеющих «ускорительной приставки».

Бридерная технология гарантирует, что после того как будут исчерпаны запасы природного углеводородного топлива, энергетический голод нашей планете не грозит в течение по крайней мере нескольких тысяч лет. Разведанных запасов урана хватит надолго.

Сегодня еще трудно сказать, как станет развиваться электроядерная энергетика — путем создания относительно компактных систем «один ускоритель + один реактор» или же начнут создаваться узловые станциибридеры с мощными ускорителями, которые будут снабжать легкоделящимся плутониевым топливом дочерние реакторы деления и одновременно перерабатывать их радиоактивные отходы. На первых порах, наверное, будет использоваться первый путь — он более простой и пока более дешевый.