Атомной энергетике предстоит научиться производить тепло не только для турбин электрогенераторов, но и для отопления жилищ, для различных технологических процессов. Иначе в предстоящие 15-20 лет придется отправлять с Востока на Запад минимум вдвое-втрое больше железнодорожных составов с углем.
Чтобы избежать столь нерадостной перспективы, уже началось сооружение атомных теплоэлектроцентралей (АТЭЦ) вблизи Одессы и Минска. Затем последуют Волгоградская и Харьковская АТЭЦ и десятки других вблизи крупных городов европейской части СССР.
Исключительно одно лишь тепло производят специальные атомные станции теплоснабжения (ACT), подобные котельным на органическом топливе. Для отопления и горячего водоснабжения городов нужна вода вдвое "холоднее", чем в АЭС, - с температурой не больше 150 градусов. Уменьшить нагрев вдвое - значит вдесятеро снизить давление в корпусе реактора ACT. Корпус же ответственнейший элемент реактора. Его диаметр - 6 метров, а длина - 15. В состав ACT входят два таких реактора. Мощность каждого - 500 тысяч киловатт. Оба они способны обогреть город численностью около 300 тысяч человек.
ACT обычно располагается в непосредственной близости от города. Конструкторы позаботились о гарантиях ее надежной работы, об отводе остаточного тепловыделения после какой-либо вынужденной остановки реактора. Например, основной корпус окружен вторым корпусом "страховочным". Если реактор остановился, то тепло - благодаря естественной циркуляции воды за счет разности температур - отводится даже в случае выхода из строя основных циркуляционных насосов. А при работе на мощности тепло передается потребителю через специальный промежуточный контур. Другими словами, вода из реактора никак не сможет попасть в теплосеть.
Пожалуй, не случайно первые ACT появились в СССР.
Ведь большинство из нас проживает в довольно холодных северных широтах. Посмотрите на географическую карту - вся территория США лежит южнее широты Киева. Поэтому нам приходится очень много энергии тратить на отопление жилищ и производственных помещений. Вот почему мы и через годы будем с такой же признательностью, как и первую АЭС, вспоминать атомные станции теплоснабжения под Горьким и Воронежем.
Еще не набрали силу атомные станции, вырабатывающие тепло, а в конструкторских бюро уже спроектированы станции для обеспечения теплом промышленности. "На их основе, - говорится в Энергетической программе, будут созданы ядерно-технологические комплексы".
Невозможно было "эволюционным" путем создать реакторы для выработки высокотемпературного теплд.
Здесь нужно было не модернизировать существующие типы ядерных котлов, а найти принципиально новое решение. И оно было найдено. В активной зоне реактора решили использовать температуростойкий конструкционный материал графит. Он не плавится, а только возгоняется при очень высокой температуре - 3700 градусов. Из графита выполнены как опорные конструкции, так и стенки активной зоны. Необычны и тепловыделяющие элементы, в которых спрятано ядерное топливо: они имеют форму сферы размером в бильярдный шар. Внутри каждого шара несколько тысяч комочков двуокиси урана в "скорлупах" из пирографита и карбида кремния.
В активной зоне реактора шары насыпаны беспорядочно, как горох в банке. Через пустоты между шарами продувается инертный благородный газ - гелий. Проходя через засыпку, гелий нагревается до 900-1000 градусов и потом отдает тепло потоку тех или иных технологических газов. С помощью этого тепла при 800- 900 градусов из природного газа выделяют водород, осуществляют "паровую конверсию метана". При соединении метана и паров воды в присутствии катализатора образуется смесь водорода и окиси углерода, или восстановительный газ, который можно использовать в металлургии для извлечения железа из руд, в химической промышленности для производства аммиака и затем азотосодержащих удобрений. При глубокой переработке нефти тоже незаменим водород, который позволяет увеличить "выход" жидкого топлива для автотранспорта, самолетов, дизельных тепловозов. Высокотемпературные реакторы способны наполовину сократить расход природного газа при получении водорода.
Соединение энергии ядерного котла с процессом паровой конверсии метана помогает также решить проблему обеспечения горячей водой и паром рассредоточенных потребителей. Ведь по территории нашей страны разбросаны десятки тысяч поселков и небольших городов, многие удаленные от крупных населенных пунктов промышленные и сельскохозяйственные предприятия.
Паровая конверсия метана предоставляет возможность дальней "хемотермической" передачи энергии от крупного ядерного центра к этим разбросанным объектам. Для этого смесь водорода и окиси углерода охлаждается, отдавая свое тепло поступающим на реакцию метану и воде, и с помощью компрессора передается по газопроводу к месту потребления. Там в присутствии специального катализатора при температуре 400-600° С проводится обратная реакция - соединение окиси углерода и водорода. При этой реакции выделяется энергия и восстанавливаются исходные вещества метан и вода. Метан по отдельному газопроводу возвращается на атомную станцию, чтобы снова принять участие в химической реакции, - цикл повторяется. Как видим, тепло от реактора может быть в химически связанном виде передано на любое практически необходимое расстояние.
Колоссальными возможностями обладает ядерная энергетика, но и она не избавлена от недостатков. На Востоке говорят: "Даже роза дает тень". Одна из сложных проблем - где взять топливо для реакторов.
Топливная проблема в ядерной энергетике ставится по-другому, чем в энергетике нефти или газа. Если атомная станция вырабатывает электрическую мощность в один миллион киловатт, то за проектный срок службы она израсходует около 5 тысяч тонн урана. Казалось бы, не так много по сравнению с общими запасами этого радиоактивного элемента. Беда в том, что он содержится в земных недрах не столько в рудных залежах, сколько в рассеянном виде, и его концентрация в породах очень низкая. Добыча ядерного топлива обходится весьма дорого.
Не дешевле ли извлекать уран из морской воды - там его около 3 миллиардов тонн? Хватит для снабжения топливом в течение трехсот лет почти ста тысяч АЭС!
Увы, это обойдется в 10-20 раз дороже разработки рудных месторождений. Они-то и служат в настоящее время основным источником ядерного горючего.
По данным Международного агентства по атомной энергии, в сравнительно доступных для разработки рудных залежах сосредоточено во всем мире около 8- 10 миллионов тонн урана. На таких запасах ядерная энергетика сможет просуществовать лишь несколько десятков лет. Ситуация такая же, как с нефтью и газом:
дешевого сырья значительно меньше дорогого. Действительно, нефти тоже под землей много, нужно только поглубже бурить и тратить больше средств на добычу.
Но у ядерной энергетики есть одна коренная отличительная особенность. На ядерных энергетических станциях можно в принципе, кроме электроэнергии, производить также искусственное ядерное горючее. Оно, правда, обходится дороже, чем природный уран из рудных жил, однако по мере истощения дешевых месторождений придется разрабатывать все более труднодоступные и малорентабельные залежи или заниматься рудами с малой концентрацией радиоактивного сырья. Когда же стоимость добываемого природного урана сравняется со стоимостью искусственного ядерного топлива, атомная энергетика станет производить ядерное горючее на специальных промышленных атомных фабриках. При этом его стоимость возрастет в 3-4 раза и далее останется стабильной на сотни лет.
В 1973 году такая необычная атомная станция заработала в пустынной местности полуострова Мангышлак на берегу Каспийского моря в крае, богатом минеральными ресурсами, но бедном электроэнергией и пресной водой. Для жителей города Шевченко она стала давать электроэнергию и пресную воду, а для атомной энергетики - искусственное топливо - плутоний. Новая станция получила название БН-350. Это значит, что она работает на быстрых нейтронах и в качестве теплоносителя использует в реакторе натрий в жидком расплавленном виде, а 350 - электрическая мощность, которую можно было бы получить, если бы все полученное тепло превратилось в электроэнергию. На самом деле установка дает только 150 мегаватт электроэнергии, а остальное тепло расходуется на производство 120 тысяч тонн пресной воды в сутки.
Во всех отношениях ввод в действие первого промышленного реактора на быстрых нейтронах стал большим достижением советской атомной энергетики и вызвал значительный интерес за рубежом. Успех пришел не случайно. Быстрые реакторы давно привлекали внимание советских ученых. Ранее в Физико-энергетическом институте в городе Обнинске была создана и исследована целая серия подобных установок малой мощности. В Научно-исследовательском институте атомных реакторов в Дмитровграде вскоре вступил в строй опытный реактор БОР-60 мощностью 60 тысяч киловатт. В 1973 году пришла очередь БН-350, и затем последовали БН-600 и БН-800.
Каким же образом создается искусственное топливо?
Дело в том, что когда в реакторе на быстрых нейтронах сжигается ядерное горючее, то одновременно создается новое в количестве, превышающем сгоревшее. Топливо размножается? Да! Поэтому установку БН-350 и подобные ей стали называть реакторами-размножителями на быстрых нейтронах.
Новое топливо - делящееся ядро плутония-239 - образуется при поглощении нейтрона "сырьевым" ядром урана-238. Этот изотоп почти не делится, но в природном уране его в 140 раз больше, чем делящегося изотопа урана-235. Вот почему его очень выгодно превращать с помощью нейтронов в делящийся изотоп - плутоний-239.
Сделать это непросто. Например, для расширенного воспроизводства искусственного ядерного топлива не годятся реакторы на тепловых нейтронах, в которых используется уран-235. В них просто не хватает нейтронов, вызывающих деления ядер, в момент расщепления вылетает всего в среднем 2,5 свободного нейтрона. А в реактореразмножителе типа БН-350 - их уже 3.
Казалось бы, разница столь незначительна, что вряд ли она играет какую-нибудь роль, тем более что половинок нейтрона вообще нет в природе. Это - статистическая величина: в одном случае при делении вылетит всего два нейтрона, в другом - три, а в среднем - 2,5.
В реакторе на быстрых нейтронах расщепляющееся ядро плутония испускает и два и четыре, но в среднем будет 3.
Предположим, при распаде ядра рождаются три нейтрона. Одни из них вызовет деление другого делящегося ядра, и цепная реакция не затухает. Если один из двух оставшихся нейтронов поглотится ядром урана-238, то будет образовано ядро плутония-239 и тем самым осуществится воспроизводство ядерного горючего, так как на каждое "сгоревшее" ядро будет произведено одно новое делящееся. В результате реактор может работать бесконечно долго, потребляя только уран-238.
Но простое воспроизводство нас не удовлетворит, надо добиться воспроизводства расширенного, а для этого создать дополнительно еще одно ядро плутония-239. С помощью последнего - третьего - нейтрона из урана-238 и можно получить дополнительный плутоний.
К сожалению, от 30 до 60 процентов столь нужных "третьих" нейтронов либо улетает из реактора, либо поглощается в различных конструкционных материалах.
Зато оставшиеся 40-70 процентов поглощаются ураном-238, производя плутоний-239. Другими словами, каждое сгоревшее в реакторе ядро плутония-239 оборачивается 1,4-1,7 нового делящегося ядра. Так выглядит расширенное воспроизводство ядерного горючего.
Как эффективнее осуществить его?
Оказалось, выгодно активную зону реактора охлаждать натрием, отличающимся сравнительно большим атомным весом - 23. Если же отводить тепло с помощью воды, то ее легкие ядра водорода замедлят быстрые нейтроны до тепловой энергии, и тогда существенно увеличится их вредное поглощение, ухудшится воспроизводство плутония-239.
Создание эффективных реакторов-размножителей на быстрых нейтронах обеспечивает практически безграничные ресурсы ядерного топлива. Благодаря этому атомная энергетика сможет сыграть важную роль в решении энергетических проблем будущего.
Как почти любой вид промышленной деятельности, работа атомных станций оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду и человека. Особенно настороженно люди относятся к радиоактивному излучению, которое наиболее специфично для атомной энергетики. Безусловно, одна из важных причин необоснованной тревоги - неосведомленность. У многих в памяти ужасы Хиросимы и Нагасаки. И атомная энергетика невольно отождествляется с атомной бомбой.
Между тем защите обслуживающего персонала и населения от вредного влияния излучений уделяется не просто большое, а по сравнению с другими производствами громадное внимание. Но здесь очень важен психологический фактор. Излучения не видно. Оно не пахнет. Его не почувствуешь. В такой ситуации человеку кажется, что он беззащитный.
На самом деле радиация - явление для человека не повое. Всегда люди жили, не зная об этом, в потоках разнообразных лучей. Излучение ядер было открыто на рубеже веков, и долгое время о нем знали только ученые. Но теперь большинство людей, по крайней мере у нас в стране, знают, что излучение электронов, нейтронов, гамма-квантов окружает нас со всех сторон. Достаточно вспомнить рентгеновские установки в больницах, часы со светящимся циферблатом, космические лучи, телевизор, гранитные породы и строительные материалы.
Для надежной защиты от излучений следует установить допустимые нормы и обеспечить, чтобы они не превышались.
Излучение природных, естественных источников сопровождало всю предыдущую эволюцию человека как биологического вида. В процессе эволюционного развития и естественного отбора человек "привыкал" к тем уровням излучений, которые существуют в природе. В последнее столетие к естественному излучению прибавилось искусственное, или техногенное, обусловленное деятельностью человека. Каково же соотношение между естественным и техногенным излучением?
В атмосфере, воде, растениях и человеческом организме имеются радиоактивные элементы типа калия-40 и углерода-14. Они образуются под влиянием космического излучения и разными путями попадают в наш организм.
Ежеминутно в человеческом теле распадается около полумиллиона радиоактивных ядер. При этих распадах органики облучается гамма-квантами и электронами. Если люди находятся рядом, то один облучает другого.
Сравним его с уровнем техногенного облучения. Одич из английских атомников привел такое образное сравнение: "Человек, проживающий вблизи атомной станции, подвергается примерно такому же облучению, которое получит за восьмичасовой рабочий день от сидящего рядом сослуживца". А вот более точные данные по облучению населения ФРГ. В этой стране большие мощности атомной энергетики сочетаются с высокой плотностью населения. В среднем каждый западный немец ежегодно получает за счет естественного облучения дозу 115 миллибэр, а доза техногенного облучения за счет рентгено- и радиоизотопной диагностики, радиоактивности строительных материалов и других источников уже сейчас почти вдвое больше - 225 миллибэр. Если даже мощность германских АЭС достигнет 20 миллионов киловатт, каждый житель ФРГ получит от них дозу облучения всего в 0,25 миллибэра, то есть не более одной десятой процента от общей дозы. Даже авиапутешествие на десятикилометровой высоте чревато большей радиационной опасностью...
Отсюда видно, что радиоактивное излучение работающей АЭС практически безвредно и составляет лишь малую долю того, что человек получает от других источников излучения.
Конечно, это справедливо лишь при работе в нормальном режиме. В случае аварии высвобождение радиоактивности увеличивается многократно и величина облучения может существенно возрасти.
Авария любой сложной и достаточно крупной промышленной системы или отдельного оборудования может приводить к гибели людей, будь то падение пассажирского авиалайнера или взрыв на угольной шахте. Памятна многим авария на химическом заводе в Бхопале, сразу унесшая около двух с половиной тысяч жителей близлежащего города, а сейчас пострадавших уже около 30 тысяч. Это событие будет иметь и генетические последствия.
Авария на Чернобыльской атомной станции также привела к гибели людей, но только из числа тех, кто непосредственно участвовал в ликвидации аварии. Велик и материальный ущерб от этой аварии. Ведь в него входят не только стоимость блока АЭС или потери от недовыработки энергии. Большие затраты будут связаны с захорешением аварийного блока, дезактивацией и отчуждением части территории из пользования, эвакуацией населения.
Конечно, при создании атомной станции должны учитываться возможные поломки оборудования, отказы различных систем, ошибки персонала, и этот учет является обязательным при ее проектировании и проведении конструкторских и научно-исследовательских работ. Рассматриваются различные "потенциальные" аварии и необходимые технические меры по их локализации и предотвращению развития. С этой целью ядерный реактор оборудуется различными аварийными системами: энергопитания, расхолаживания, герметизации. Правила при таком проектировании достаточно строги.
Так в соответствии с этими правилами в качестве первопричины аварии должен рассматриваться не только отказ любой одной системы, но и совпадение этой поломки с еще одной не обнаруженной до аварии поломкой другой системы.
И все же приведшая к взрыву авария на Чернобыльской АЭС показала, что нужно еще более тщательно и строго рассматривать возможные виды "потенциальных"