8-16. Электрическая энергия из атомной
Один килограмм угля, сгорая в топке парового котла, позволяет получить около киловатт-часа электроэнергии.
Реакция горения, используемая в тепловых электростанциях,— это химическая реакция. В начале нашего века были открыты реакции, дающие в согни тысяч, в миллионы раз больший выход энергии, чем химические реакции соединения углерода и водорода с кислородом.
Это — ядерные реакции.
При ядерных реакциях происходит более глубокая перестройка вещества, чем при химических реакциях.
Атомы всех элементов состоят из ядра диаметром 10-13 см, вокруг которого на расстоянии, в 10 000 раз превышающем размеры самого ядра, движутся, подобно планетам вокруг Солнца, отрицательно заряженные частицы — электроны.
При химических реакциях перестраиваются только электронные оболочки атомов. При ядерных же реакциях изменяются масса и электрический заряд самих ядер: крупные ядра расщепляются на части или, наоборот, мелкие соединяются друг с другом.
Понадобились десятилетия настойчивых кропотливых научных исследований, чтобы выяснить условия, при каких можно управлять ядерными реакциями, заставить их совершать полезную работу.
Первая ядерная реакция, которую удалось поставить на службу энергетике, — это реакция с ураном — тяжелым темно-серым металлом, последним естественным химическим элементом периодической системы Менделеева. Уран был известен уже в середине прошлого века, но до второй мировой войны находил лишь очень ограниченное практическое применение (для некоторых фотографических процессов, для специальных типов электрических сопротивлений).
В 1939 г. было открыто, что при некоторых условиях ядра урана могут распадаться на части, причем высвобождается огромное количество энергии.
В конце второй мировой войны, осенью 1945 г., американские империалисты использовали ядерную реакцию расщепления урана в атомных бомбах, сброшенных на японские города.
Но не только в виде взрыва может идти ядерная реакция расщепления урана. Процесс расщепления урана можно сделать управляемым, регулируемым, и выход энергии этой реакции направить на полезные мирные цели. Чтобы это осуществить, пришлось преодолеть множество трудностей.
При ядерных реакциях возникает интенсивное проникающее излучение, оказывающее вредное биологическое воздействие. Поэтому ядерные реакторы должны работать автоматически, обслуживающий персонал должен находиться за толстой защитной стеной. Продукты ядерных реакций—осколки ядер урана — движутся с огромными скоростями, соответствующими температурам в сотни тысяч и миллионы градусов. Их нельзя непосредственно использовать в обычных тепловых двигателях. В современных ядерных реакторах — «атомных котлах», как их часто называют, — осколки распавшихся урановых ядер нагревают в конечном итоге воду, превращают ее в пар, который работает в обычных тепловых турбинах.
При мощности в 10 000 кВт атомная электростанция должна расходовать в сутки несколько сотен граммов урана. Это количество ядерного горючего может уместиться в спичечной коробке.
Чтобы удовлетворить мировую потребность в энергии на современном уровне — дать столько энергии, сколько ее дают все существующие гидростанции, все добываемые горючие ископаемые (уголь, нефть, торф, газ), достаточно затрачивать ежегодно менее 100 т урана.
По некоторым (возможно, неполным) данным, запасы расщепляющихся материалов в земной коре, доступные для разработки, составляют 26 млн. т. По весу это в 140 тысяч раз меньше всего имеющегося на земле угля. Но один килограмм урана может дать столько же энергии, сколько три тысячи тонн угля. Энергия урана, который может быть добыт на Земле, в 23 раза больше энергии всех запасов обычных видов топлива.
Следовательно, уже одни только запасы урана позволят развернуть электрификацию значительно шире и богаче, чем при старой — «угольной» энергетике.
8-17. Схемы атомных электроцентралей
Естественный уран, добываемый из руды, состоит из смеси изотопов — атомов, немного, чуть-чуть, различающихся по массе. Большая часть — это уран с атомным весом 238, около 0,7% — уран с атомным весом 235. Ядерные реакции идут по-разному с U235 и с U238. Возможны различные схемы энергетического использования урана. В одних схемах естественный уран подвергается перед поступлением в ядерный реактор так называемому обогащению: часть U238 отделяется. Это требует сложных и громоздких установок разделения. В других схемах U238 переводится в ходе ядерных реакций в элемент плутоний U239.
За последние годы предложены различные системы атомных котлов. Известны, например, котлы, в которых соли урана растворяются в тяжелой воде. В этом растворе и происходят атомные реакции. В котлах других систем уран загружается в виде маленьких слитков с защитной алюминиевой оболочкой. Урановые слитки движутся по трубам среди графитовой кладки котла.
При работе атомных котлов уран расщепляется и внутри котла накапливаются продукты ядерных реакций — «ядерная зола», которую необходимо удалять, чтобы она не мешала дальнейшему ходу ядерных реакций.
В «ядерной золе» содержатся ценные продукты, в частности, искусственно получившиеся радиоактивные вещества, находящие важные применения в науке и технике. Например, радиокобальт широко применяется для просвечивания массивных металлических изделий, для выявления скрытых пороков в паровых котлах высокого давления, в больших стальных отливках и т. д.
Чтобы отделять еще не прореагировавший уран от продуктов расщепления, строятся специальные очистительные заводы, оборудованные сложными электрическими, механическими, химическими установками.
Атомная электроцентраль — это целый комплекс установок, представляющих собой все самое передовое, что есть в современной технике. Для атомных установок требуется самая совершенная, самая надежная автоматика.
Ввиду необходимости громоздкой биологической защиты нет перспектив для постройки миниатюрных урановых реакторов, которые можно было бы установить на автобусе, автомобиле. Ядерная энергетика — это энергетика больших мощностей, крупных электроцентралей. Для целей транспорта возможно применять ядерные реакторы только на крупных океанских судах, крупных подводных лодках. Такие корабли могут совершать самые дальние рейсы, не нуждаясь в возобновлении горючего.
Один из возможных путей распределения ядерной энергии — это получение в ядерных реакторах искусственных радиоактивных элементов, представляющих собой непрерывно действующие источники тепла. В принципе такие ядерные аккумуляторы можно применять для различных мощностей — в больших количествах для огромных пассажирских самолетов, в малых — для летающих моделей.
Серьезный недостаток ядерных аккумуляторов тот, что их разряд нельзя приостановить. Они отдают энергию непрерывным потоком с первого момента, как только зарядятся на атомной энергоцентрали. Вряд ли будет практично применение энергии атомных аккумуляторов в двигателях автомашин, проводящих значительную часть времени на стоянках.
8-18. Термоядерные реакции
Расщепление урана — это только одна из многих ядерных реакций, которые могут служить источником энергии. Большое внимание уделяется изучению ядерных реакций с легкими элементами — первыми элементами периодической системы Менделеева. Эти реакции могут идти при высоких температурах — порядка миллионов градусов, и потому называются термоядерными реакциями.
Одна из таких термоядерных реакций происходит, например, между ядром водорода — протоном — и ядром лития. Проникновение протона в ядро лития ведет к образованию двух ядер гелия и к высвобождению огромного количества энергии.
Возможна термоядерная реакция образования ядра гелия из четырех ядер обычного водорода или из двух ядер тяжелого водорода — дейтерия. При всех этих реакциях получается значительно больше энергии на единицу массы, чем при расщеплении урана.
Наблюдения и теоретические расчеты показывают, что именно реакция превращения водорода в гелий (через посредство ряда промежуточных реакций) поддерживает в течение миллиардов лет огромное излучение солнца и будет его поддерживать на том же уровне еще многие миллиарды лет. Эта реакция идет при царящей в недрах Солнца и других звезд температуре в десятки миллионов градусов.
Как же на земле создать «звездные» температуры, необходимые для термоядерных реакций? Один из способов — это взрыв урановой бомбы; при таком взрыве возникают температуры, достаточные для синтеза гелия из легких элементов. Но температура, создаваемая в результате расщепления урана, сохраняется лишь ничтожные доли секунды. Урановая бомба может служить запалом мощной термоядерной бомбы. Для длительного же, постепенного высвобождения ядерной энергии в мирных целях мощный взрыв неприменим.
Ни в твердом, ни в жидком веществе нельзя создать длительно существующих температур порядка миллионов градусов. В плотном веществе при таких температурах возникают давления в миллионы атмосфер. С повышением температуры частицы вещества расталкиваются, разлетаются в миллиардные доли секунды. Возникает вопрос: есть ли вообще возможность поддерживать достаточно длительное время высокие звездные скорости в группе атомных ядер?
В гл. 2 мы уже говорили о «четвертом состоянии вещества» — о плазме — смеси электронов и ионов в разреженном газе. В плазме вещество находится в крайне разреженном состоянии — кубический метр ее весит меньше булавочной головки. И именно в плазме электроны и атомные ядра могут получать высокие скорости, соответствующие сверхвысоким температурам.
В последние годы во многих лабораториях мира делались попытки создать звездные температуры, пропуская возможно более мощные электрические токи через разреженный газ. Трубка из изоляционного материала снабжается с двух сторон электродами, к которым подводится высокое напряжение от мощной батареи конденсаторов. Под действием электрических сил заряженные частицы — электроны и ядра атомов — движутся с большой скоростью от одного электрода к другому. Вокруг потока заряженных частиц возникает электромагнитное поле; оно сжимает поток частиц, как бы теплоизолирует его от окружающей среды.
Это явление магнитного сжатия плазмы представляет огромный интерес; магнитные силовые линии образуют «теплонепроницаемую магнитную бутылку». Но сколь она устойчива? Сколько времени может существовать сгусток сверхраскаленной плазмы? В последние годы усиленно разрабатывается теоретически и экспериментально магнитоэлектродинамика — наука о поведении плазменных струй в электромагнитных полях.
8-19. Мировой баланс энергии
Мировая потребность в энергии и возможные источники ее удовлетворения усиленно изучаются исследователями.
Через 100—150 лет мировая потребность в энергии в год достигнет 15Q, где Q=l,l-1021 дж.
Ресурсы же неядерного горючего составляют, по современным данным, 150Q. Они могут быстро оказаться исчерпанными. Другие неядерные источники энергии малы по сравнению с ростом потребностей.
Ресурсы ядерного горючего известны двух родов: ресурсы деления тяжелых ядер и ресурсы синтеза легких ядер.
Реальные ресурсы делящихся материалов составляют 108 тонн. При полном их использовании можно получить энергию 5 000Q.
При ежегодном потреблении 15Q этих ресурсов хватит на 300 с лишним лет.
Реальные ресурсы материалов синтеза (в пересчете на дейтерий) таковы, что их хватит по меньшей мере на 109 лет даже при ежегодном потреблении энергии 15Q.
Таким образом, наибольшее значение приобретают управляемые термоядерные реакции, призванные реализовать для человечества выявленные запасы термоядерного горючего
Проблема управляемого синтеза ядер — основная проблема нашего века. Синтезировать ядра труднее, чем расщеплять ядра. Когда эта проблема будет решена, то выходные полезные мощности отдельных термоядерных устройств достигнут многих миллиардов ватт.
