Физика будущего - Мичио Каку

Это означает, что при переходе от бензина к электричеству нам необходимо заменить угольные электростанции совершенно новым источником энергии.

Деление атомного ядра

Одна из возможностей создавать энергию, а не просто передавать ее из одного места в другое заключается в расщеплении атома урана. Преимущество этого метода в том, что ядерная энергетика не производит парниковых газов, как угольная и нефтяная, но технические и политические проблемы привели к тому, что «руки» атомной энергетики связаны уже не один десяток лет. Строительство последней атомной станции в США началось в 1977 г., незадолго до роковой аварии на Тримайл-Айленд, положившей в 1979 г. конец развитию коммерческой атомной энергетики. Затем Чернобыльская катастрофа 1986 г. на целое поколение определила ее печальную судьбу. В США и в большей части стран Европы все атомные проекты были попросту закрыты, а во Франции, Японии и России чуть теплились и держались только на правительственных субсидиях[16].

При расщеплении урана возникает огромное количество атомных отходов, сохраняющих радиоактивность от тысяч до десятков миллионов лет. Стандартный 1000-мегаваттный реактор всего за год производит около 30 тонн высокоактивных атомных отходов. Они настолько радиоактивны, что буквально светятся в темноте, и хранить их приходится в специальных бассейнах выдержки. В США около 100 коммерческих реакторов; соответственно, ежегодно на них производятся тысячи тонн высокоактивных ядерных отходов.

Ядерные отходы представляют собой проблему по двум причинам. Во-первых, они остаются горячими даже после остановки реактора. Если в результате аварии вода в системе охлаждения отключится, как на Тримайл-Айленд, активная зона может расплавиться[17]. Расплавленный металл, соприкоснувшись с водой, может вызвать взрывное парообразование. Реактор при этом взорвется, выбросив в воздух тонны высокорадиоактивных обломков. В случае самой серьезной ядерной аварии 9-го уровня[18] правительству, возможно, придется эвакуировать миллионы людей из 16–80-километровой зоны вокруг реактора. Между тем атомная станция Индиан-Пойнт расположена меньше чем в 40 километрах от Нью-Йорка. Согласно правительственным исследованиям, авария на станции Индиан-Пойнт могла бы привести к потерям в сотни миллиардов долларов только в виде компенсаций за утраченную собственность. Аварию на Тримайл-Айленд удалось остановить за несколько минут до серьезной катастрофы, от которой пострадал бы весь северо-восток страны. Работникам станции удалось вновь подать воду в систему охлаждения активной зоны менее чем за полчаса до того, как температура там достигла точки плавления диоксида урана.

В Чернобыле под Киевом ситуация развивалась гораздо хуже. Работники станции вручную отключили механизм безопасности (управляющие стержни). Произошел небольшой скачок мощности, который вывел реактор из-под контроля. Когда холодная вода внезапно попала на расплавленный металл, началось взрывное парообразование. Взрыв снес всю верхушку реактора и выбросил в воздух значительную часть активной зоны. Многие работники, посланные на станцию для ликвидации аварии, позже умерли ужасной смертью от радиационных ожогов. Реактор горел, и Советам пришлось привлечь к его ликвидации военно-воздушные силы. Специальным образом экранированные вертолеты заливали пылающий реактор борной водой. В конце концов активную зону пришлось полностью замуровать в бетонный саркофаг. Даже сегодня она по-прежнему нестабильна и продолжает выделять тепло и радиацию[19].

Помимо проблем с расплавлением активной зоны и взрывами существует проблема хранения и переработки отходов. Куда их девать? Как ни печально, но ответа на этот вопрос по-прежнему нет, хотя с начала атомной эры прошло больше полувека. В прошлом было сделано немало дорогостоящих ошибок, связанных с попытками окончательно решить вопрос с отходами. Первоначально США и Россия просто сбрасывали отходы в океан или хоронили их в неглубоких шахтах. В 1957 г. на Урале одно хранилище отходов плутониевого производства взорвалось с катастрофическими последствиями, что потребовало массовой эвакуации жителей и вызвало радиоактивное заражение территории в 1000 км2 между Свердловском и Челябинском.

США в 1970-е гг. пытались захоранивать высокоактивные ядерные отходы в Лайонсе, штат Канзас, в соляных шахтах. Однако позже выяснилось, что соляные шахты использовать нельзя, так как они пронизаны множеством отверстий, пробуренных при разведке нефти и газа. Полигон в Лайонсе пришлось закрыть, и США вновь оказались перед трудноразрешимой проблемой.

В течение следующих 25 лет США истратили 9 млрд долларов на проектирование и строительство гигантского центра по глубокому захоронению отходов Юкка-Маунтин в штате Невада — только для того, чтобы президент Барак Обама в 2009 г. закрыл проект. Геологи заявили, что на полигоне Юкка-Маунтин отходы, скорее всего, не смогут пролежать 10 000 лет[20]. Этому полигону не суждено открыться, а коммерческие операторы атомных станций пока остаются без постоянного хранилища для отходов их деятельности.

В настоящий момент будущее ядерной энергетики видится довольно туманным[21]. Представители Уолл-стрит, как обычно, не слишком хотят выкладывать по несколько миллиардов долларов за каждую новую атомную электростанцию. Но представители отрасли утверждают, что станции последнего поколения значительно безопаснее прежних. А Министерство энергетики не спешит высказывать свою позицию по этому поводу.

Ядерное оружие расползается по миру

Но где великая мощь, там и великая опасность. В Северной Европе, к примеру, викинги поклонялись Одину, который правил Асгардом мудро и справедливо. Один главенствовал над целым легионом богов, включая и героического Тора, честь и доблесть которого любой воин ценил превыше всего. Однако среди богов был и Локи, бог хитрости и обмана, вечно снедаемый завистью и ненавистью. Он поднаторел в обмане и плетении интриг. Считалось, что когда-нибудь Локи сговорится с великанами и выступит против остальных богов в окончательной битве Света и Тьмы, эпическом Рагнареке, после которого наступят сумерки богов.

Проблема в том, что сегодня зависть и ненависть между странами могут развязать глобальный ядерный Рагнарек. История показала, что любая страна, овладевшая промышленными ядерными технологиями, может при наличии желания и политической воли перейти к производству ядерного оружия. Опасность в том, что эти технологии проникают в первую очередь в самые нестабильные регионы мира.

Во время Второй мировой войны только величайшие державы мира обладали ресурсами, знаниями и возможностями для создания атомной бомбы. Однако благодаря внедрению новых технологий стоимость обогащения урана падает, и в будущем этот порог может резко снизиться. Это реальная опасность: более новые и дешевые технологии могут привести к тому, что атомная бомба окажется в ненадежных руках.

Ключевой момент в создании атомной бомбы — получить большое количество урановой руды и очистить ее. Очистить значит разделить уран-238 (составляющий в природном уране 99, 3 %) и уран-235 (этот изотоп годится для создания атомной бомбы, но в природном уране его всего 0, 7 %). Эти два изотопа химически идентичны (естественно, ведь это один и тот же элемент), так что единственный способ надежно разделить их состоит в том, чтобы воспользоваться разницей в атомном весе: уран-235 примерно на 1 % легче урана-238.

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 котором работало 12 000 человек.

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.