Харитонов Енергетика

сопровождается не только синтезом урана и трансурановых элементов, но и их делением под действием нейтронов. В итоге расширяющаяся туманность обогащается еще и продуктами деления тяжелых элементов.

Солнечная система, в которой находится Земля, вращается вокруг центра Галактики и одновременно осциллирует в направлении, перпендикулярном к плоскости Галактического экватора. Период времени между двумя последовательными пересечениями этой плоскости (полупериод осцилляций) составляет около 31 млн лет. В ходе каждого прохождения Солнечной системы через слой массивных звезд имеется вероятность попадания Земли внутрь туманности, оставшейся после вспышки сверхновой. В молодом остатке сверхновой плотность энергии космических лучей на несколько порядков величин превышает плотность энергии в околоземном пространстве.

Оценки показывают, что каждое прохождение Солнечной системы через слой сверхновых приводит к ряду существенных последствий для Земли [2.7].

1.Резкое увеличение радиационных потоков вызывает катастрофические последствия для высших организмов, наиболее радиационно чувствительных. Хорошо установленная к настоящему времени повторяемость массовых вымираний высших организмов характеризуется периодом около 31 млн лет, что совпадает с временами пересечения Солнечной системой Галактического экватора.

Вгеологической истории Земли обнаружено 9 эпох вымирания. Самое раннее из них состоялось около 245 млн лет назад.

2.Неизбежным следствием пребывания Земли в газовых остатках сверхновых является гравитационный захват вещества туманностей и последующее его падение на поверхность Земли (это явление называется аккреция). Геологические данные указывают на 19 эпох накопления урана на земле. Самая ранняя из обнаруженных состоялась около 600 млн лет назад.

Примечательно, что осадочные отложения, сформировавшиеся в эпохи массовых вымираний, сильно обогащены ураном. В частности, в костях динозавров, погибших в эпоху Великого мезозойского вымирания (около 65 млн лет назад), обнаружены концентрации урана и тория в сто раз выше, чем обычные. Поэтому естественно

связать вымирание динозавров именно с попаданием Земли в остаток сверхновой.

3.Упомянутые выше осадочные отложения ураноносных эпох обогащены не одним лишь ураном, но также элементами, которые относятся к числу наиболее вероятных продуктов деления урана под действием нейтронов. То есть распространенность среднетяжелых элементов в земной коре хорошо коррелирует с их выходом при делении урана и плутония, т.е. со «спектром масс» продуктов деления.

4.Ионизирующие излучения, испускаемые радиоактивными элементами, диспергированными в небольших количествах (несколько г/т) в органическом веществе, обусловили радиационнотермическую карбонизацию органики и образование природных энергоносителей – угля, нефти и газа (см. разд. 2.2).

5.О космическом происхождении урана свидетельствуют не только вышеприведенные данные. Тот факт, что содержание урана

вземной коре уменьшается с глубиной, говорит о его поступлении с поверхности Земли. Кроме того, уран гораздо равномернее распространен по поверхности земли, нежели органическое топливо.

Глобальные запасы урана в земной коре оцениваются в ≈ 1014 т,

вмировом океане – ≈ 1010 т. Природных запасов урана в 800 раз больше золота и во много раз больше, чем ртути, кадмия или серебра [2.4], [2.6], [2.16], [2.22]. Уран близок по распространенности олову, мышьяку, молибдену, но меньше распространенности меди и свинца. Экономически выгодная добыча урана возможна только в тех местах, где в результате геологических процессов возросла его локальная концентрация (более 0,1 % урана в руде). Богатые руды могут содержать до 4 % урана. Главные урановые руды – уранинит (урановая смолка черного цвета), карнотит (ярко желтый или зеленовато желтый минерал), отунит (зеленоватый или желтый мине-

рал) – содержат уран в виде его окислов от UO2 до U3O8.

Мировые запасы урана по наивысшей сегодня цене 130 дол. за

килограмм оцениваются в 14 млн т [2.5]. Данные табл. 2.8 подтверждают вывод об относительной равномерности распределения урана по континентам Земли.

Таблица 2.8

Страны с наибольшими суммарными ресурсами урана по цене до 130 долл./кг [2.5]

Уран используется в качестве топлива почти во всех энергетических ядерных реакторах (в том числе и на подводном флоте).

Урановая руда добывается традиционным открытым способом в карьерах глубиной до 100 м (Казахстан, Австралия, Намибия), шахтным методом (Франция, Нигер, ЮАР) или подземным выщелачиванием (США, Канада, Россия, Казахстан), приобретающим наибольшее распространение в последние годы. Промышленная технология извлечения урана из руд использует свойство растворимости окислов урана, содержащихся в руде, в водных растворах азотной, серной и соляной кислот, а также в щелочных растворах

[2.16], [2.23].

Принято стоимость производства природного урана относить к 1 кг закиси-окиси U3O8 в концентрате, или к 1 кг металлического урана в ней (1 кг U3O8 соответствует 0,8485 кг металлического урана).

Цены на уран. В динамике цены урана на мировом рынке четко прослеживаются три этапа (рис. 2.17): 1) наращивание вооружений в 1940 – 1969 гг., 2) накапливание товарных запасов в 1970 – 1984 гг., 3) ликвидация товарных запасов с 1985 г. Вначале, в каче-

стве стимула для расширения добычи урана, комиссия по атомной энергии США (US AEC) установила относительно высокую цену на уран и снизила ее, когда был обеспечен необходимый для военной программы объем сырья. С 1940 по 1969 гг. 70 % всего добывавшегося урана покупала US AEC (США). Оставшиеся 30 % сырья приобретали Великобритания, Франция и др.

Первые крупные заказы для АЭС появились в конце 1960-х годов. Затем во всем мире началось массовое строительство АЭС, подстегнувшее спрос на уран. Во время мирового энергетического кризиса 1973 – 1975 гг. США планировали построить более 250 энергетических реакторов. Ожидания участников рынка привели к скачку цен на уран в 1976 г. Авария на американской АЭС Three Mile Island в 1979 г. привела к обвалу цен на уран. К этому времени было накоплено до 250 тыс. т урана.

Стагнация ядерной энергетики после Чернобыльской аварии в

СССР в 1986 г., развал СССР и окончание «холодной войны» привели к «выбросу» на рынок металла из бывших республик СССР и из России, включая металл из демонтированных ядерных боеголовок.

Начиная с 1990 г. спрос на природный (первичный) уран превышает его добычу, причем эта разница в 2005 г. составляла более 30 тыс.т. Почти 20 лет дефицит урана покрывается за счет вторичных источников (запасов). Примером таких поставок является соглашение «Мегатонны в МегаВатты» (проект ВОУ-НОУ), подписанное Россией и США в 1993 г. Согласно данному соглашению Россия поставляет в США для американских АЭС низкообогащенный уран (НОУ), полученный при «разбавлении» отвальным ураном 500 тонн высокообогащенного урана (ВОУ) из демонтированных боеголовок. Эти поставки удовлетворяют почти треть потребности в топливе американских АЭС и эквивалентны 153 тыс.т природного урана. Однако 2013 год – последний год действия этого соглашения.

С середины 2003 г. природный уран (U3O8) подорожал почти в 2 раза. Ожидается, что в ближайшие 10 лет уран подорожает вчетверо, а после 2013 года цена на природный уран может возрасти до 180 дол./кг, пока не вступят в действие новые шахты, на разработку которых требуется 10 – 15 лет.

В 2003 г. в мире добыто 36 тыс. т урана (см. табл. 2.9). Как видно, бывшие советские предприятия дают почти 8 тыс. т урана в год, или около 30 % мировой добычи урана.

2.4.5. Реакции синтеза ядер

Если при делении тяжелых ядер образуются более легкие ядра, то при синтезе, наоборот – легкие ядра соединяются в более тяжелые ядра. Наиболее доступными для целей энергетики являются реакции синтеза гелия-3, гелия-4 и трития с участием тяжелых изотопов водорода – дейтерия D и трития T, открытые Э. Резерфордом. При столкновении ядер дейтерия (дейтонов), ускоренных до высоких энергий, синтезируются более тяжелые ядра гелия Не или трития Т с выделением большого количества энергии (в среднем около 3,65 МэВ):

(3He + 0,82 МэВ) + (n + 2.45 МэВ)

(Т + 1,01 МэВ) + (р + 3,03 МэВ)

Эти реакции идут с одинаковой вероятностью. Их привлекательность в том, что запасов дейтерия в воде морей и океанов очень много: на каждые 6000 – 7000 атомов водорода (самого распространенного элемента) приходится один атом дейтерия. То есть

в 1 т воды содержится около 10 ТНЭ (тонн нефтяного эквивалента) энергии дейтерия. Благодаря большим запасам дейтерия на Земле, реакцию D + D можно назвать «движущей силой» термоядерной энергетики.

Продукты синтеза гелий-3 и тритий так же, как и дейтерий, являются термоядерным топливом и участвуют в реакциях синтеза гелия-4:

Основная проблема в осуществлении синтеза ядер связана с преодолением кулоновского отталкивания положительно (одноименно) заряженных ядер при их сближении на расстояние действия ядерных сил (около 10 -15 м). Для инициирования реакций синтеза приходится либо ускорять ядра до энергии в сотни кэВ, либо нагревать термоядерное топливо почти до миллиарда градусов, когда вещество находится в состоянии полностью ионизованной плазмы. Поэтому реакции ядерного синтеза и получили наименование термоядерных (температура в энергетических единицах 1 эВ соответствует температуре в градусах 11600 К согласно формуле

eВ = kT).

Реакция D + 3He интересна тем, что, во-первых, она безнейтронная, благодаря чему резко уменьшается активация конструкционных материалов реактора; во-вторых, все продукты синтеза несут электрический заряд, что позволяет использовать прямое преобразование их кинетической энергии в электрическую с помощью магнитных полей без ограничений цикла Карно. Однако гелия-3 практически нет на Земле. В больших количествах он обнаружен на Луне. По оптимистическим оценкам, доля затрат на его добычу и транспортировку с Луны составит менее 6 % от стоимости выработанной на термоядерном реакторе электроэнергии [2.5].

Из всех реакций термоядерного синтеза реакция D + T наиболее вероятна и потому наиболее доступна. Другая отличительная особенность этой реакции – образование быстрого (термоядерного) нейтрона, энергия которого 14,1 МэВ значительно превышает среднюю энергию нейтронов деления урана и плутония (около 2 МэВ). На долю нейтронов приходится почти 80 % энергии синте-

за. (Для сравнения напомним, что в реакции деления урана или плутония более 80 % энергии приходится на сравнительно тяжелые продукты деления). Термоядерные нейтроны с энергией 14,1 МэВ имеют длину пробега в воздухе более 2 км, а в стали – около 0,3 м, т.е. обладают большой проникающей способностью. Это обстоятельство послужило основой создания «нейтронных бомб», основным поражающим фактором которых являются нейтроны, уничтожающие живую силу противника, не повреждая технику и здания.

Выход энергии синтеза по реакции D + T превышает затраты на нагрев плазмы при условии, что произведение концентрации N ядер дейтерия и трития в плазме на время их жизни τ (время удержания в горячей плазме) превышает пороговую величину Nτ = = 1020 с/м3 , а температура плазмы выше 4 кэВ. Достижение этих значений Nτ и температуры, именуемых критерием Лоусона, – главная цель термоядерных исследований.

Но где взять тритий? Дело в том, что тритий радиоактивен. Период его полураспада около 12,6 лет, поэтому он не может накопиться в природе. Для создания термоядерного оружия его нарабатывают в ядерных реакторах деления, облучая нейтронами литий. На один нейтрон, поглощенный ядром лития, образуется одно ядро трития по реакциям

Природный литий содержит 7,5 % лития-6 и 92,5 % лития-7. Вероятность первой реакции в (2.22) тем больше, чем меньше энергия нейтронов. Вторая реакция пороговая. Она идет только с быстрыми нейтронами.

Таким образом, для воспроизводства трития, сгорающего в термоядерном реакторе, необходимо окружить плазму оболочкой (бланкетом = «одеялом») из материалов, содержащих литий. Вылетающие из плазмы термоядерные нейтроны будут поглощаться литием с образованием трития. Состав бланкета надо подобрать так, чтобы скорость производства трития в бланкете превышала скорость его сгорания в плазме.

Ситуация с тритием напоминает наработку плутония из урана238 в бридерном реакторе на быстрых нейтронах. Таким образом, в термоядерном реакторе с тритиевым циклом «горючими материа-

лами» (топливом) являются дейтерий и тритий, а исходным сырьем – дейтерий и литий. К сырьевым материалам относят также бериллий, который может способствовать ускоренной наработке трития в бланкете термоядерного реактора для первичной загрузки трития во вновь строящиеся (новые) реакторы синтеза. Дело в том, что бериллий способен увеличить число нейтронов в реакторе за счет реакции (n, 2n):

(Nτ > 1020 с/м3, Т > 4 кэВ), реализовать самоподдерживающийся термоядерный синтез можно либо в плотной плазме с малым временем удержания, либо, наоборот, в разреженной плазме с большим временем удержания. Первый вариант реализован в термоядерных бомбах. Для реализации второго варианта были предложены различные схемы магнитного удержания плазмы. Наиболее удачной оказалась идея ТОроидальной КАмеры с МАгнитной Катушкой и продольным магнитным полем (токамак), предложенная в 1951 г. академиками А.Д. Сахаровым и И.Е. Таммом. После выдающихся результатов, полученных к 1969 г. под руководством академика профессора МИФИ В.А. Арцимовича на токамаках в Курчатовском институте, все американские стеллараторы были переделаны в токамаки. К настоящему времени построено в мире около 200 токамаков, крупнейшие из них: TFTR – в США, JET и Tore-Supra – в Европе, JT-60 – в Японии. Получены важные экспериментальные результаты, что послужило базой проектирования и строительства во Франции международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР типа токамак (рис. 2.18). Объем плазмы более 1000 м3, затраты энергии на нагрев и удержание плазмы и поддержание тока в ней с помощью быстрых нейтральных атомов и интенсивного высокочастотного излучения более 70 МВт, мощность термоядерных реакций 500 – 700 МВт. ИТЭР будет иметь крупнейшие в мире сверхпроводящие катушки магнитных полей, в том числе на базе перспективного сверхпроводника из ниобия и олова Nb3Sn. Планируется ввести ИТЭР в строй к 2015 г. и затратить на строительство около 5 млрд дол.

Разработаны также проекты термоядерных реакторов с инерци- онным удержанием плазмы, в которых осуществляются последова-

тельные взрывы капсул с термоядерным топливом [2.14], [2.24], [2.25]. Для инициирования реакций синтеза в капсулах (мишенях), встреливаемых 1 – 10 раз в камеру реактора диаметром около 10 м, используют мощные лазеры или ускорители ионов. Применение лазеров для получения термоядерной плазмы впервые предложили в 1962 г. Н.Г. Басов и О.Н. Крохин, возглавлявшие в разное время кафедры МИФИ.

В Российском федеральном ядерном центре в г. Снежинске раз-

работан проект взрывной дейтериевой электростанции [2.11].

Предлагается воспользоваться отработанной на практике технологией «чистых термоядерных энергозарядов», применявшихся для экологически чистых мирных взрывов.

Энергозаряд состоит из малого количества плутония-239 или урана-233, которые являются запалом (инициатором), и дейтерия, который дает основную долю энергии взрыва (более 98 %). Взрыв происходит приблизительно по следующей схеме: в инициаторе химической взрывчаткой сжимается 2,5 кг урана-233 до плотности 40 г/см3; при этой плотности масса урана становится критической и происходит взрыв деления. За время взрыва успевает сгореть 50 г урана (2 %), но этого достаточно для сжатия и разогрева дейтерия до термоядерных условий (Nτ > 1022 с/м3, Т >100 кэВ). В процессе термоядерного взрыва сгорает 120 г дейтерия.

Энергозаряды взрываются каждые полчаса в прочной полости диаметром около 150 м и высотой 250 м, названной авторами «котлом взрывного сгорания» (КВС). Мощность каждого взрыва 10 кт ТЭ (10 килотонн тротилового эквивалента, т.е. 500 вагонов взрывчатки). Напомним, что калорийность тротила 4 МДж/кг. Килотонна тротилового эквивалента означает, что при взрыве выделилось энергии 4·1012 Дж.

В момент взрыва корпус реактора (котла) защищается изливающимся толстым слоем жидкого натрия от высокой температуры продуктов термоядерного взрыва, импульсного давления и проникающей радиации. Жидкий натрий одновременно является теплоносителем, нагреваясь в результате взрыва до 550 – 700 оС. Полученная натрием энергия далее в парогенераторах передается воде паротурбинного цикла по обычной схеме для выработки электроэнергии. Тепловая мощность реактора 25 ГВт, расход дейтерия 1 тонна в год. Если окружить дейтерий в энергозаряде торием-232,

то под действием нейтронов, образующихся при взрыве, можно получить из тория уран-233 в количествах, превосходящих его расход для инициирования реакции синтеза.

2.5. Сравнительные характеристики источников энергии

Калорийность. Под калорийностью, или энергоемкостью, в данном контексте будем понимать количество энергии, которое можно получить из 1 кг топлива или с помощью 1 кг энергоносителя. Сравним энергоемкость (калорийность, теплотворную способность) различных источников энергии: водяного колеса, каменного угля (углерода), ядерного топлива (урана), термоядерного топлива (дейтерия с тритием) и теоретический предел энергоемкости вещества.

Водяное колесо. Энергетической базой производства в течение примерно 15 веков служило водяное колесо. Оно обычно работало под напором воды не более h = 5 – 10 м. Потенциальная энергия массы воды m перед колесом составляет E = mgh. Отсюда энергоемкость воды как энергоносителя составляет E/m = gh = = 50 – 100 Дж/кг.

Уголь. Переход к органическому (химическому) топливу благодаря применению паровой машины, изобретенной в конце XVII в. и ставшей символом промышленной революции и прихода капитализма, с энергоемкостью (калорийностью) около 30 МДж/кг характеризовался скачком почти в миллион раз по сравнению с водяным колесом.

Уран. При делении ядра урана выделяется энергия qU = = 200 МэВ = 3,2·10-11 Дж. Масса ядра урана-235 составляет mU = 235·1,66·10-27 кг ≈ 4·10-25 кг. Энергоемкость (калорийность) урана равна qU /mU = 0,82·1014 Дж/кг, что превышает калорийность лучших углей в 2 млн раз. Не исключено, что переход к широкомасштабному использованию ядерной энергии ознаменует собой новую промышленную революцию.

Дейтерий+тритий. Термоядерное «горение» дейтерия (AD = 2) и трития (AT = 3) сопровождается выделением энергии синтеза qDT = 17,6 МэВ = 2,8·10-12 Дж. Калорийность термоядерного топлива составляет