Андрианов Ядерные технологии история, состояние, перспективы 2012

Число сооружаемых реакторов увеличилось с 33 с общей мощностью 27 193 МВт(э) в конце 2007 г. до 60 с общей мощностью 58 584 МВт(э) по состоянию на 26 августа 2010 г. Во многих странах, в которых в настоящее время осуществляются ядерноэнергетические программы, значительно увеличиваются инвестиции в будущие АЭС. Из 60 строящихся станций 11 находятся в стадии сооружения еще с 1990-х гг. или ранее, при этом из 11, возможно, только три согласно прогнозам будут введены в эксплуатацию в следующие три года. Несколько реакторов, которые возводятся уже более 20 лет, тем не менее, находятся еще на начальном этапе строительства. В 2008 г. началось сооружение 10 реакторов, а в 2009 г. – 12, что свидетельствует о продолжении непрерывной возрастающей тенденции, которая проявилась в 2003 г. Все 22 реактора, сооружение которых началось в 2008–2009 гг. на территории Китая, Южной Кореи и России, являются реакторами с водой под давлением (PWR).

В дополнение к действующей программе строительства многие страны, в том числе Китай, Индия, Украина, Южная Корея и Россия, объявили о своих грандиозных планах по увеличению мощности АЭС в ближайшие десятилетия. В процессе обсуждения находятся проекты по сооружению атомных электростанций в Канаде и США: в случае одобрения этих проектов в Северной Америке будет построено более 20 реакторов.

Ежегодно МАГАТЭ публикует свои прогнозы глобального роста ядерной энергетики. В 2009 г., несмотря на финансовый кризис, начавшийся в конце 2008 г., в сторону повышения были пересмотрены как низкий, так и высокий прогнозы. Согласно обновленному низкому прогнозу глобальная мощность ядерной энергетики в 2030 г. достигнет 511 ГВт(э) – для сравнения мощность в конце 2009 г. составила 371 ГВт(э). Согласно обновленному высокому прогнозу этот показатель достигнет 807 ГВт(э). Эти пересмотренные прогнозы на 2030 г. на 8 % выше, чем прогнозы, сделанные в

2008 г. (табл. 2.3) [12].

Корректировка прогнозов в сторону повышения наиболее существенна в отношении Дальнего Востока – региона, в который входят Китай, Республика Корея и Япония. Небольшие корректировки прогнозов в сторону снижения были сделаны в отношении Северной Америки и Юго-Восточной Азии и Тихого океана.

31

Свои прогнозы в 2009 г. пересмотрело не только МАГАТЭ, обновленные прогнозы были изданы также Администрацией по энергетической информации (АЭИ) США, Международным энергетическим агентством ОЭСР (МЭА) и Всемирной ядерной ассоциацией (ВЯА). Диапазон прогнозов АЭИ несколько сузился, диапазон ВЯА несколько расширился и диапазон МЭА был незначительно скорректирован в сторону повышения (возросли как низкие, так и высокие значения). На рис. 2.5 приведено сравнение диапазонов ядерных прогнозов 2009 года, опубликованных АЭИ, МЭА, МАГАТЭ и ВЯА (рис. 2.5) [13].

2.2. История развития ядерной науки и техники

Знакомство с историей развития ядерной науки и технологии позволяет лучше понять присущие ей современные реалии [14-17].

2.2.1. Основные этапы в истории развития атомной науки

ХХ век стал переломным для науки: на смену классической механике пришли новые квантовые представления, развитые М. Планком, А. Эйнштейном, Э. Шредингером, Н. Бором, В.К. Гейзенбергом и другими выдающимися учеными.

В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, работая с катодными лучами, обнаружил, что при их столкновении со стеклом трубки возникает некоторое излучение, способное проникать сквозь материальные преграды. Поскольку Рентген не смог определить, какого рода это излучение, он назвал его «x-лучами». Новый тип излучения позволял увидеть внутреннее строение предметов и быстро нашел применение в медицине.

Французский физик Антуан Анри Беккерель заметил, что сульфат урана, выставленный на свет, затем начинал светиться в темноте. Позже он выяснил, что это соединение излучает «х-лучи».

34

В1896 г. в ходе дальнейших исследований Беккерель обнаружил, что сульфат урана испускает похожие на рентгеновские лучи постоянно, вне зависимости от того, выставляют его на солнечный свет или нет. Также он обратил внимание на то, что эти лучи заставляют чернеть фотопластинку даже в том случае, если она заворачивалась

вчёрную бумагу. Беккерель назвал это яв-

ление радиацией.

В1898 г. французский физик польского

именно атом урана, то есть любое соединение урана испускает излучение. Позже она назвала открытое ею свойство урана радиоактивностью и стало ясно, что открытый Й.Я. Берцелиусом в 1829 г. торий также радиоактивен.

Было установлено, что это излучение неоднородно по составу. В 1899 г. Беккерель и другие показали, что под воздействием магнита часть излучения отклоняется в сторону, тогда как другая часть излучения распространяется по прямой линии. Кроме того, было установлено, что отклоняющиеся в магнитном поле лучи делятся на два потока в электрическом поле, т.е. имеют в своем составе положительно и отрицательно заряженные частицы. Английский физик

35

дующий элемент в которых образуется из предыдущего путём распада с испусканием α- или β-частицы). При изучении этих рядов были обнаружены атомы, которые по химическим свойствам были идентичны известным химическим элементам, но распадались или значительно быстрее, или значительно медленнее их. В 1913 г. Содди назвал атомы, которые находились на одном и том же месте в Периодической таблице элементов, но имели различные радиоактивные свойства, изотопами. В 1935 г. американский физик Артур Джефри Демпстер (1886–1950) обнаружил в природной смеси ядер урана 0,7 % изотопа 235U.

Вэто время большое внимание уделялось изучению состава атомного ядра. В 1914 г. Резерфорд, пытаясь выбить положительный электрический заряд из массы ядер водорода, сделал вывод, что это невозможно. Стало очевидно, что положительный заряд неразрывно связан с ядром атома водорода. Резерфорд назвал ядра водорода протонами и предположил, что ядра остальных элементов также состоят из протонов.

К тому времени стало ясно, что ядра способны самопроизвольно изменяться, и этот процесс является вероятностным и неуправляемым. В 1919 г. Резерфорд показал, что и человек может изменять структуру ядра, бомбардируя α-частицами ядра азота, превратив ядро азота в ядро кислорода.

В1934 г. французские физики Фредерик и Ирен Жолио-Кюри получили первый искусственный изотоп фосфор-30 методом бомбар-

36

массой, равной массе протона и нулевым зарядом, – и ученые искали эту частицу, названную впоследствии нейтроном. Свойства нейтрона таковы, что он практически не взаимодействует со средой, из-за чего его очень трудно заметить; однако нейтроны способны выбивать протоны из лёгких ядер, что было отмечено в опытах супругов Жолио-Кюри в 1932 г. К сожалению, они интерпретировали появление протонов как новое свойство γ-лучей. По их мнению, γ-кванты высокой энергии были способны выбивать протоны из легких ядер. Ученик Резерфорда, английский физик Джеймс Чедвик в том же году установил, что γ-лучи, не имеющие массы, не могут сдвинуть протон с его места в ядре.

37

(США, 1945 г., Д. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориэлл) и другие искусственные элементы.

В январе 1939 г. стало известно о возможности деления ядер урана под воздействием нейтронов на две части с выделением энергии и 2–3 нейтронов (Лиза Мейтнер, Отто Фриш, Отто Хан, Фриц Штрассман). Это означало, что становилось возможным осуществить цепную ядерную реакцию. Впервые о подобной реакции задумался венгерский физик Лео Сциллард (1898–1964), работавший с 1934 г. в Великобритании, а в 1937 г. приехавший в США. Сциллард ясно представлял себе разрушительную силу «атомной бомбы» и опасался, что Гитлер сможет получить её первым. Именно усилиями Сцилларда с 1940 г. учёные США стали добровольно

засекречивать результаты своих исследова-

38

ленные нейтроны без деления и испускают бета-частицы. Стало ясно, что необходимо разделить изотопы урана, максимально обогатив природную смесь ураном-235.

Перед практическим созданием ядерного заряда детально стал изучаться механизм цепной ядерной реакции. С этой целью в конце 1942 г. под трибунами футбольного стадиона в Чикагском университете с участием Энрико Ферми, эмигрировавшим в США в 1938 г., был построен первый в мире ядерный реактор, состоявший

39

ного оружия работали и советские учёные под руководством Л.П. Берии и Игоря Васильевича Курчатова. За эти годы была с нуля создана советская атомная промышленность: предприятия по добыче и обогащению урана, а также по переработке облученного ядерного топлива. 29 августа 1949 г. на Семипалатинском полигоне советские учёные взорвали первую атомную бомбу, за ними последовали англичане (1952), французы и китайцы (1964), Индия

(1974), Пакистан (1998) и, возможно, КНДР (2006).

Первый советский ядерный реактор был пущен в Лаборатории №2 АН СССР (г. Москва) 25 декабря 1946 г. в 19 ч. под руководством И.В. Курчатова (рис.2.7).

Во Франции первый реактор был введен в эксплуатацию неподалеку от Парижа 15 декабря 1948 г. Пуском руководил Фредерик Жо- лио-Кюри.

Позже появилась идея использования ядерной энергии на судах подводного и надводного флота. Установка на подводной лодке ядерного реактора позволяет преодолевать под водой без дозаправки десятки тысяч морских миль. В 1954 г. в США спустили на воду первую атомную подводную лодку «Наутилус». В 1957 г. было завершено создание первой советской атомной подводной лодки «Ленинский комсомол», испытания которой начались в 1958 г. В 1959 г. и в СССР, и в США были спущены на воду первые надводные корабли с ядерными двигателями (атомный ледокол «Ленин» и грузовое судно «Саванна») (рис. 2.8).

40