Кто угрожает России? Вызовы будущего

Но и это только часть большой проблемы. Огромное количество практически дармового газа, по сути, развратило потребителей. Пропал не только стимул к его своевременной оплате (для борьбы с неплатежами «Газпрому» пришлось даже создавать специальную структуру «Межрегионгаз»), но у них отбили и всякую охоту беречь ресурсы. На большинстве производств эксплуатируются устаревшие энергорасточительные технологии. Так, КПД газовых электростанций с паровыми турбинами в России составляет 38 %, в то время как в мире активно внедряются парогазовые установки с КПД 53–57 %. А расход газа в металлургии и производстве аммиака в России превышает аналогичные зарубежные показатели в 1,6–2,2 раза. Представьте, что будет, если завтра либерализовать в России цены на газ, подняв их до уровня мировых. Энергетики, металлурги и химики окажутся неконкурентоспособны, промышленность просто «ляжет», а за ней – и экономика.

* * *

Тем не менее вводить рыночные цены всё равно необходимо, поскольку только так можно заставить наших промышленников и энергетиков преодолеть «газовую паузу», которая действительно затянулась. Ведь Россия обладает еще одним преимуществом: наши угли – самые качественные в мире по зольности и сернистости (например, станции на канскоачинских углях можно строить даже без систем улавливания азота и серы), что позволит существенно сэкономить на очистке. Правда, пока не все новейшие технологии угольной генерации доведены нашими энергомашиностроителями до уровня массовой промышленной эксплуатации. Эксперты говорят, что по этим технологиям мы на грани отставания с так называемыми «суперсверхкритическими параметрами работы котлов» (максимальная температура сжигания 600 °C, тогда как японцы жгут уже на 700 °C). Понятно, что инвестиции в научно-исследовательскую работу по преодолению отставания найдутся только в том случае, если уголь снова станет основным топливом.

Решение об увеличении внутренних цен на газ до уровня европейских было принято нашим правительством 13 ноября 2006 года. Программа перехода рассчитана на пять лет, а следовательно, уже к началу 2012 года российский потребитель начнет платить за газ по полной.

Эта программа успешно выполняется. Так, уже в 2006 году Минпромэнерго выпустило приказ, разрешающий «Газпрому» реализовывать газ в объеме до пяти миллиардов кубометров в рамках биржевой торговли по свободным ценам. Продавцами могут выступать «Газпром» и независимые производители газа, покупателями – энергетики и промышленные предприятия остальных отраслей, которые уже сейчас испытывают дефицит «голубого топлива». В качестве организации, утвержденной Минпромэнерго для осуществления эксперимента по биржевой торговле газом в формате «5+5», выступает электронная торговая площадка «Межрегионгаз». Первые электронные торги прошли 22 ноября 2006 года. Эксперимент показал, что потребители готовы платить за необходимые им объемы в полтора раза больше, чем по госрасценкам.

Впрочем, и этого недостаточно. Посему была выработана Энергетическая стратегия, включающая и требование перевести на уголь те электростанции, которые сжигали его раньше. Но это не просто возвращение в 1980-е – планируется наладить обогащение угля до сжигания в топках, а также очистку выбросов от загрязнителей. Существует список, включающий 41 электростанцию, которые планируется перевести на уголь в первую очередь. Все они, за исключением Челябинской ТЭЦ-1, находятся в Европейской части России. В списке встречаются и тепловые электростанции, которые и так сжигают уголь наряду с другим топливом (например, Новочеркасская ГРЭС) – для них планируется увеличение доли сжигания угля.

Эффективным становится и ускоренное замещение старых газовых установок новыми. Это обеспечивает экономию газа за счет более высокого КПД и, соответственно, более низкого расхода топлива. К 2011 году закончится ресурс 14 крупных энергоблоков, а к 2015 году выработает срок основная часть существующих крупных паротурбинных установок, поэтому в период 2011–2015 годов замена оборудования может приобрести значительные масштабы.

Однако при всей привлекательности идей, заложенных в Энергостратегию, ее реализация связана со значительным увеличением инвестиций. Кроме того, нужна система правовых, административных и экономических мер, стимулирующих более эффективное использование газа. Ими могут стать, например, предоставление государственных гарантий и прямая финансовая поддержка энергосберегающих проектов, ускоренная амортизация газосберегающего оборудования и тому подобное. Приходит время вводить более жесткое регулирование нормативов использования газа, правил учета и контроля газопотребления, обязательную сертификацию оборудования газомазутных электростанций на соответствие нормативам расхода топлива.

К сожалению, в настоящее время вся активность в этом направлении ограничивается декларациями. Конкретных механизмов реализации Энергостатегии, нормативных и подзаконных актов пока нет. Несмотря на многочисленные громкие заявления, по-прежнему сохраняется неопределенность относительно механизмов и динамики повышения цен на газ. А без этого любые меры по газосбережению останутся невостребованными.

* * *

Казалось бы, в такой ответственный момент, когда энергетика должна приспособиться к новым ценам и провести модернизацию производства, чтобы вернуться на новом технологическом уровне к каменному углю в качестве основного топлива, государство просто обязано удержать все рычаги управления энергетикой при себе. Однако вместо этого нас «обрадовали» завершением реформы РАО ЕЭС (Российское открытое акционерное общество энергетики и электрификации), в рамках которой частным управляющим кампаниям были переданы за очень скромную компенсацию (около 30 миллиардов долларов) порядка 108 миллионов киловатт готовых генерирующих мощностей – в основном тепловых станций. Если вспомнить, что ввод в строй новых мощностей обходится в 1,5–2 тысячи долларов за киловатт, то получится, что российская тепловая энергетика была распродана за сумму, составляющую всего не более одной пятой ее реальной стоимости!..

Ладно, продали и продали. Надеялись, видимо, что «частники» более оборотисты и более заинтересованы в создании высокоэффективных ресурсосберегающих технологий. Но уже сегодня можно говорить, что эти ожидания не оправдываются. Ссылаясь на экономический кризис и отсутствие кредитных ресурсов, энергокомпании начинают свертывать инвестиционные программы, которые им «навязало» государство. Вместо модернизации они только задирают цены, благо недавно прошла очередная девальвация национальной валюты. С января цены на электроэнергию в регионах России выросли на 20–27 %. Для промышленности в 2009 году предел роста цен установлен в 19 %, однако манипуляции энергетиков с розничным ценообразованием привели к тому, что в ряде регионов у предприятий (особенно средних и малых) сумма платежей за электроэнергию выросла в два и более раз, в связи с чем они оказались на пороге банкротства.

Даже президент Дмитрий Медведев был вынужден признать, что с мест поступает информация о саботировании энергокомпаниями инвестиционных обязательств. На первом заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России, которое состоялось 18 июня 2009 года, президент прямо так и сказал:

...

«С проблемами энергоэффективности в нашей стране пока очень плохо, одна болтовня на эту тему идет, и ничего не происходит. Причем даже кризис, на который все уповали, абсолютно не помог, никто энергоэффективностью не занимается, себестоимость не падает».

С учетом того, что грядет период замены оборудования и глубокой модернизации существующих электростанций с переходом на уголь, ситуация выглядит совсем аховой. Если правительство не решится пойти на жесткие или даже жестокие меры, Россию и вправду может накрыть «конец света» – в самом прямом, а не переносном смысле.

Энергетика будущего

Теперь можно поговорить и о термоядерной энергетике, которую многие считают панацеей от грядущих энергетических проблем.

А проблемы ожидаются действительно серьезные. В настоящее время потребление энергии в мире составляет около 17,5 тераватт (ТВт). Разделив эту величину на население планеты, мы получим примерно 2400 ватт на человека, что можно легко оценить и представить: потребляемая каждым жителем Земли, включая детей, энергия соответствует круглосуточной работе двадцати четырех 100-ваттных электрических ламп. Согласно прогнозу Международного агентства по энергетике, мировое потребление энергии к 2030 году увеличится еще на 50 %. При этом основной рост энергопотребления придется на развивающиеся страны, где полтора миллиарда человек в настоящий момент испытывает острую нехватку электрической энергии.

Введение новых энергомощностей на основе ископаемых топлив чреват ускорением потребления невосполнимых ресурсов, что приведет к резкому повышению их стоимости (в том числе за счет исчерпания доступных и разработанных месторождений), а также дальнейшему ухудшению экологической обстановки. Освоение же термоядерного синтеза позволит раз и навсегда решить проблему энергообеспечения – человечество получит дешевый и практически неисчерпаемый источник энергии.

Появления термояда ждут всю вторую половину XX века. Ожидания эти настолько перегреты, что возникла весьма популярная конспирологическая теория, которая гласит: на самом деле термояд изобрели давно, но нефтяные магнаты скрывают это изобретение от народных масс, чтобы не потерять в одночасье свои сверхприбыли. Как и любая конспирология, подобная теория не выдерживает ни малейшей критики и остается темой для фантастической и детективной прозы. Однако понимание этого не отменяет главный вопрос: когда же мы овладеем термоядерной энергией?

* * *

Самый первый ответ прост: мы уже овладели термоядерной энергией.

Как ни парадоксально звучит, но это правда. Термоядерная реакция (или ядерная реакция синтеза), при которой осуществляется слияние более легких ядер в более тяжелые, была описана физиками еще в 1910-е годы, однако впервые ее наблюдал великий английский физик Эрнст Резерфорд – в 1919 году он столкнул на большой скорости гелий с азотом, получив водород и тяжелый кислород. Спустя пять лет Резерфорд успешно провел синтез сверхтяжелого водорода трития из ядер тяжелого водорода дейтерия.

Примерно в то же самое время астрофизик Артур Эддингтон выдвинул смелую гипотезу, что все звезды горят благодаря протеканию в их недрах термоядерных реакций. В 1937 году американскому ученому Хансу Бете удалось доказать протекание термоядерных реакций на Солнце – следовательно, Эддингтон оказался прав: звезды действительно черпают свою колоссальную энергию из термоядерного синтеза. Именно эта реакция позволяет Солнцу светить миллиарды лет – подсчитано, что если бы оно состояло из угля или бензина, то выгорело бы за ничтожную тысячу лет.

Идея воспроизведения «солнечного костра» на Земле принадлежала японскому физику Токутаро Хагивара, который в 1941 году высказал предположение о возможности возбуждения термоядерной реакции между ядрами водорода с помощью взрывной цепной реакции деления ядер урана – то есть атомный взрыв должен создать условия (сверхвысокие температура и давление) для начала термоядерного синтеза. Чуть позже к такой же идее пришел Энрико Ферми, который участвовал в создании американской атомной бомбы. В 1946 году под руководством Эдварда Теллера в Лос-Аламосской Лаборатории стартовал первый исследовательский проект в сфере термояда.

Термоядерная эра началась 1 ноября 1952 года, когда американские военные взорвали термоядерную бомбу мощностью 1,4 мегатонны на атолле Эниветок в Тихом океане. В СССР аналогичный эксперимент был успешно осуществлен в 1953 году, в Великобритании – в 1957 году, в Китае – в 1967-ом, во Франции – в 1968-ом.

Таким образом, человечество использует термоядерный синтез уже больше полувека, но пока только в разрушительных целях. Почему же никак не получается использовать его более рационально? Ведь научились же делать атомные реакторы на базе управляемого распада?

Проблема в том, что между урановым распадом и водородным синтезом есть принципиальная разница – последний, как мы помним, осуществляется при чрезвычайно высоких (солнечных) температурах. В недрах звезд температура достигает 15 миллионов градусов, оптимальная же температура для проведения термоядерных процессов с точки зрения энергетики – 100 миллионов градусов. Любое вещество при подобной температуре немедленно превратится в плазму.

Физики быстро придумали решение – они предложили удерживать высокотемпературную плазму внутри «магнитной ловушки». Первые варианты магнитных ловушек были рассмотрены еще в 1946 году в Лос-Аламосе. Однако американским ученым показалось тогда, что подобные «сосуды» неизбежно будут «подтекать», и поэтому дальше вычислений дело не пошло.

В Советском Союзе к идее создания промышленного термоядерного реактора отнеслись с куда большим вниманием. Помог случай. Академик Андрей Сахаров писал в своих «Воспоминаниях», что впервые задумался об осуществлении управляемой термоядерной реакции в 1949 году, однако «без каких-либо разумных конкретных идей». Летом 1950 года из секретариата Лаврентия Берии, курировавшему советский атомный проект, на заключение Сахарову было прислано письмо, отправленное в ЦК ВКП(б) младшим сержантом Олегом Лаврентьевым, который служил на Сахалине радиотелеграфистом. Лаврентьев предложил вполне разумную схему водородной бомбы, а также конструкцию термоядерного реактора, в котором изоляция плазмы осуществлялась за счет постоянного электрического поля. Сахаров в своем отзыве весьма лестно отозвался о Лаврентьеве, но подчеркнул, что электростатическая термоизоляция плазмы неосуществима на практике. Тогда же Сахаров понял, что плазму можно удержать магнитным полем, замкнутым внутри тороидальной (в виде бублика) обмотки. Через несколько дней к этой проблеме подключился ведущий физик Игорь Тамм. Вместе они рассчитали конфигурацию магнитных полей, способных сжимать плазму в тонкий шнур и препятствовать ее падению на стенки камеры. Эти вычисления стали основой программы разработки тороидального магнитного термоядерного реактора, утвержденной Советом министров 5 мая 1951 года. Научное руководство этими исследованиями было возложено на члена-корреспондента АН СССР Льва Арцимовича.

Параллельно с советскими учеными американский физик Лайман Спитцер предложил более сложную конструкцию магнитного реактора, который он назвал стелларатором. Первые эксперименты со стеллараторами оказались неудачными, но сегодня с этими системами работают в США, Японии и ФРГ. Примерно тогда же английские и американские физики начали эксперименты с магнитным удержанием газовых разрядов в трубках-бубликах. Позднее были предложены и другие типы магнитных ловушек для плазмы. Однако время показало, что наиболее перспективной является схема Сахарова-Тамма. Именно на ее основе были созданы многочисленные реакторы-токамаки.

Считается, что термин «ТОКАМАК» возник как аббревиатура фразы «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками», однако на самом деле это всего лишь удобная расшифровка уже имевшегося названия.

Основные работы над термоядерными реакторами велись в Институте атомной энергии, который в 1950-е годы «маскировался» под вывеской Лаборатории измерительных приборов АН СССР (ЛИПАН). Реакторами занималось особое подразделение – Бюро электрических приборов (БЭП), для которого построили отдельный дом рядом со зданием Отдела электроаппаратуры, где под руководством Арцимовича группа физиков занималась электромагнитным разделением радиоактивных изотопов. В феврале 1953 года там состоялся семинар, на котором обсуждали доклад о разработке магнитного термоядерного реактора, подготовленный техническими руководителями проекта Николаем Явлинским и Игорем Головиным. Именно на этом семинаре будущая установка впервые была названа токамаком. Головин тогда сказал, что это просто сокращение от слов «тока максимум». Авторы доклада полагали, что сила тока в тороидальных разрядах намного превысит силу тока в прямолинейных трубках, отсюда и появилось название аппарата. Со временем эта гипотеза была опровергнута, а вот термин «токамак» остался и со временем сделался международным.

Главным элементом конструкции токамака являются катушки, создающие мощное магнитное поле. Эти катушки напоминают гигантские трансформаторы. Рабочая камера токамака заполняется газом, а в катушках возбуждается магнитное поле. В результате пробоя под действием вихревого поля происходит усиленная ионизация газа в камере, отчего тот превращается в плазму. Возникает плазменный шнур, движущийся вдоль тороидальной камеры и разогреваемый продольным электрическим током. Магнитные поля катушек и плазмы удерживают шнур в равновесии и придают ему форму, которая не дает шнуру коснуться стенок и прожечь их.

Ток используется для нагрева плазмы лишь до температуры порядка 10 миллионов градусов, для получения большей температуры используются другие методы. Кроме того, постоянно нагревать плазму током опасно, поскольку он создает собственное магнитное поле, – если оно превысит по силе поле катушек, то скорость движения плазменного шнура сильно увеличится, и он, прорывая теплоизоляцию, коснется стенок. Поэтому дополнительный подогрев осуществляется посредством ультразвука, электромагнитных волн высокой частоты или введения в камеру пучков быстрых атомов.

Основные вехи овладения мирным термоядом таковы. В 1954 году сотрудники БЭП приступили к испытаниям фарфоровой тороидальной камеры с магнитной намоткой, которая стала прообразом будущих токамаков. В конце 1960-х на советском токамаке Т-3А была получена плазма с температурой электронов в 20 миллионов градусов, а ионов – в 4 миллиона и впервые зарегистрировано устойчивое термоядерное излучение плазменного шнура. Через 10 лет принстонский токамак RLT нагрел ионы в плазме примерно до 80 миллионов градусов. В 1995 году на другом американском токамаке TFTR температура ионов была доведена до 510 миллионов градусов; позднее этот рекорд превзошел японский токамак JT-10, который разогрел ионы до 520 миллионов градусов.

Однако разогрев до солнечных температур – это самое начало пути. Токамак не является энергетической установкой – наоборот, он жрет энергию, ничего не давая взамен. Термоядерная электростанция должна строиться на иных принципах.

Прежде всего физики определились с топливом для термояда. Хотя принято писать о термоядерной энергетике как о «солнечной», эта метафора не вполне уместна. Основой внутрисолнечного термоядерного синтеза является так называемый водородный цикл, в ходе которого четыре протона превращаются в ядро гелия-4, два позитрона и два нейтрино. Этот цикл включает в себя несколько ядерных реакций, скорости которых зависят от температуры и плотности солнечных недр. Первая из них – превращение пары протонов в ядро дейтерия, позитрон и нейтрино, в среднем требует примерно 14 миллиардов лет (что сопоставимо с возрастом нашей Вселенной). Конечно же, некоторым протонам удается встретиться и объединиться и за меньшее время – ведь будь иначе, термоядерная печь в центре газопылевой туманности, которая 4,5 миллиарда лет назад дала начало нашему Солнцу, не зажглась бы и до сих пор. Однако из-за медлительности водородного цикла генерация энергии в центре Солнца в расчете на единицу массы смехотворно мала. Звучит парадоксально, но один грамм солнечной материи выделяет меньше тепла, чем грамм человеческого тела! Исполинская мощность излучения Солнца объясняется его гигантской массой, но в качестве источника энергии для электростанций водородный цикл явно не подходит.

К счастью, он не единственно возможный – существуют и другие варианты. Почти идеальной для энергетического реактора является реакция на основе слияния ядер изотопов водорода – дейтерия и трития (D + Т), в результате чего образуется ядро гелия-4 и нейтрон. Энерговыделение этой реакции меньше, чем в водородном цикле, зато счет времени идет лишь на секунды, посему такой синтез вполне устраивает конструкторов термоядерных реакторов. Источником дейтерия послужит обычная вода (примерно в одной из каждых 3350 молекул воды один из атомов водорода замещен дейтерием), а тритий будут получать из облученного нейтронами лития – самого легкого из всех металлов, третьего элемента таблицы Менделеева.

Для преодоления кулоновского отталкивания дейтериево-тритиевую плазму необходимо нагреть как минимум до 100 миллионов градусов. Однако эта температура сама по себе не повлечет за собой самоподдерживающийся термоядерный процесс. В среднем на каждые сто тысяч столкновений ядер дейтерия с ядрами трития приходится лишь один акт образования гелия. Поэтому для запуска реактора плазму следует не только подогреть, но и сильно сжать, увеличив таким образом частоту столкновений и выход гелия. Кроме того, плазму необходимо сохранить в таком состоянии достаточно долго, чтобы успело сгореть заметное количество термоядерного топлива. Понятно, что с позиций инженерного проектирования получается весьма нетривиальная задача.

Именно запредельная техническая сложность термоядерного реактора долгое время сдерживала развитие данного направления энергетики. Ведь сложность – это еще и вопрос стоимости. К примеру, в 1976 году Консультативный комитет по термоядерной энергии Министерства энергетики США попытался оценить сроки осуществления научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) на этапе создания демонстрационной (всего лишь демонстрационной!) термоядерной энергетической установки при разных вариантах финансирования исследований. При этом обнаружилось, что объемы существовавшего на тот момент годичного финансирования исследований в области термоядерной энергетики совершенно недостаточны, и при сохранении подобного уровня ассигнований создание даже уникальной экспериментальной установки никогда не завершится успехом.

Помимо технической сложности и высокой стоимости, сдерживающим фактором выступает… размер. Дело в том, что термоядерную установку обсуждаемого типа нельзя создать и продемонстрировать в виде небольшой модели. Как было сказано выше, для термоядерного синтеза необходимо не только магнитное удержание плазмы, но и достаточный ее нагрев. Отношение же затрачиваемой и получаемой энергии возрастает пропорционально квадрату линейных размеров установки, вследствие чего научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на крупных станциях. Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не существовало достаточной уверенности в успехе.

* * *

Эти проблемы могли быть обойдены только в одной стране мира – в Советском Союзе, в котором власти не жалели денег на перспективные разработки и мало прислушивались к «общественному мнению». И советские физики действительно вырвались вперед, научившись строить уникальные токамаки, которые сегодня являются предметом вожделения многих научных учреждений мира.

Однако с началом реформ и в СССР начали придавать значение финансовой отдаче, поэтому возникла идея кооперации усилий в рамках международного проекта. Впервые она обсуждалась на высоком уровне в начале октября 1985 года во время встречи Генерального секретаря ЦК КПСС Михаила Горбачева и французского президента Франсуа Миттерана. Идея получила дальнейшее развитие через полтора месяца, когда Горбачев провел в Женеве переговоры с президентом США Рональдом Рейганом. Вскоре определился первоначальный круг партнеров по разработке первой термоядерной электростанции: СССР, США, Евросоюз и Япония (со временем к ним присоединились КНР и Южная Корея). В 1999 году США вышли из числа участников этой программы, однако через четыре года сочли за благо в нее вернуться.

Итак, первый экспериментальный термоядерный реактор для энергетики будет всё-таки построен – в поселке Кадараш, который находится на юго-востоке Франции, поблизости от города Эксан-Прованс. Выбор места был предопределен: в 1988 году именно там ввели в эксплуатацию самый большой в мире плазменный реактор на сверхпроводящих магнитах Tore Supra.

К сожалению, установка, которую построят в Кадараше, всё еще не сможет работать в качестве термоядерной электростанции, но, возможно, приблизит время ее появления. Неслучайно ее назвали ITER – эта аббревиатура расшифровывается как International Thermonuclear Experimental Reactor, но имеет и символический смысл: по-латыни iter – дорога, путь. Таким образом, кадарашский реактор должен «проложить путь» к термоядерной энергетике будущего, которая обеспечит выживание человечества и после истощения запасов ископаемого топлива.

ITER устроен следующим образом. В его центральной части располагается тороидальная камера объемом около 2000 м3, заполненная тритий-дейтериевой плазмой, нагретой до температуры выше 100 миллионов градусов. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны покидают «магнитную бутылку» и сквозь «первую стенку» попадают в свободное пространство бланкета толщиной около метра. Внутри бланкета нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития – при этом количество образующегося трития должно не только обеспечивать потребности самой установки, но и быть даже несколько большим, что позволит обеспечивать тритием и другие станции. Кроме того, нейтроны должны разогревать «первую стенку» примерно до температуры 400 °C. Пока решено использовать в качестве материала стенки нержавеющую ауотенитную сталь, облицованную изнутри бериллиевыми пластинами. В дальнейшем конструкторы собираются создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000 °C, что может быть достигнуто за счет использования новейших высокопрочных материалов (типа композитов из карбида кремния). Выделяющееся внутри бланкета тепло, как и в обычных станциях, отбирается первичным охлаждающим контуром с теплоносителем (содержащим, например, воду или гелий) и передается на вторичный контур, где и производится водяной пар, идущий в турбины, которые вырабатывают электроэнергию.

Установка ITER – воистину мегамашина. Ее вес составляет 19 000 тонн, внутренний радиус тороидальной камеры – 2 метра, внешний – больше 6 метров. Сооружение реактора займет десять лет, первые эксперименты начнутся не ранее 2015 года и продлятся пару десятков лет.

Проблемы и сложности эксплуатации такой установки связаны прежде всего с тем, что мощный поток высокоэнергетических нейтронов и выделяющаяся энергия (в виде электромагнитного излучения и частиц плазмы) серьезно воздействуют на реактор и разрушают материалы, из которых он создан. Вторая основная проблема состоит в обеспечении высокой прочности конструкционных материалов реактора при длительной (в течение нескольких лет) бомбардировке нейтронами и под воздействием потоков тепла.

Однако ожидаемый результат должен окупить затраты. ITER сможет производить 200 000 кВт/час, что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля. Требуемое для этого количество лития содержится в одной мини-батарейке для компьютера, а количество дейтерия – в 45 литрах воды. Указанная выше величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в пересчете на одного человека) в странах Евросоюза за 30 лет! Максимальная же мощность ITER может составить 500 МВт.

Сам факт, что столь ничтожное количество лития и воды может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без малейшего загрязнения атмосферы, между прочим), является достаточно серьезным аргументом для быстрейшего освоения и развития термоядерной энергетики, несмотря на вышеперечисленные сложности и проблемы.

При этом дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребности в нем в течение сотен лет. Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, физики смогут добывать его из морской воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации.

Разумеется, создатели ITER уделяют особое внимание вопросам безопасности. К счастью, обеспечить ее гораздо проще, чем построить реактор. Используемая в термоядерных установках плазма имеет очень низкую плотность (примерно в миллион раз ниже плотности атмосферы), вследствие чего рабочая среда установок никогда не будет содержать в себе энергии, достаточной для возникновения серьезных аварий. Кроме того, загрузка топливом должна производиться непрерывно, что позволяет легко останавливать работу реактора, не говоря уже о том, что в случае аварии или резкого изменения условий окружения термоядерное «пламя» просто погаснет.

Тем не менее, опасности есть.

Во-первых, следует отметить, что хотя продукты синтеза (гелий и нейтроны) не являются радиоактивными, оболочка реактора при длительном нейтронном облучении может таковой стать. Эту проблему предполагается решить при подборе для оболочки материалов с заданными свойствами – за счет такой оптимизации можно обеспечить накопление радиоактивных продуктов с периодом полураспада не выше 10 лет.

Во-вторых, тритий является радиоактивным и имеет период полураспада 12 лет. Но хотя объем используемой плазмы значителен, из-за ее низкой плотности там содержится лишь очень небольшое количество трития (общим весом в десять почтовых марок). Поэтому даже при самых тяжелых ситуациях и авариях (полное разрушение оболочки и выделение всего содержащегося в ней трития) в окружающую среду поступит лишь незначительное количество топлива, что не потребует эвакуации населения из близлежащих населенных пунктов.

Так или иначе, но ITER будет построен. И не может не радовать, что в этом проекте будущего принимает участие наша страна. Общий вклад России сравнительно невысок – 17 %, а в строительство реактора мы готовы вложить только 10 % из бюджета в 4,8 миллиарда евро, что гораздо меньше, чем вкладывают европейцы или японцы, однако без нас этот проект в принципе не может быть реализован на современном этапе – только российские специалисты обладают глубоким многолетним опытом по созданию больших сверхпроводящих магнитов, без которых нельзя удержать плазму в шнуре (спасибо токамакам!), и уникальными технологиями по обработке бериллия (спасибо ракетно-космической программе!). Кроме того, наши ученые взялись оборудовать реактор системами диагностики и контроля плазмы.

* * *

Интересно, что у ITER уже появился конкурент. Им может стать сверхмощный лазер, создаваемый в рамках проекта US National Ignition Facility (NIF), что переводится как «Национальная зажигательная установка». Проект, который ведет Ливерморская Национальная лаборатория имени Лоуренса в Калифорнии, является результатом сотрудничества правительства США с крупными индустриальными корпорациями и научным сообществом страны. Строительство лазерной установки продолжалось 12 лет и завершилось в апреле 2009 года. На лазерный комплекс было потрачено 3,5 миллиарда долларов.

Зачем же понадобились такие расходы? Оказывается, NIF тоже способен обеспечить управляемый термоядерный синтез, но несколько иным, чем ITER, путем. Еще в 1960 году Андрей Сахаров показал, что реакцию можно получить, не удерживая плазму магнитным полем, а позволяя ей свободно разлетаться во все стороны. При этом разлету плазмы препятствует инерция ее частиц, обладающих массой. Вместо очень разреженной, но долго удерживаемой магнитным полем плазмы предлагается противоположное ее состояние – очень плотная и короткоживущая. А результат будет тот же – превышение энергии, выделяемой в реакциях синтеза, над энергетическими затратами.

Конкретный путь реализации «инерционного термояда» был указан советскими физиками Николаем Басовым и Олегом Крохиным в 1962 году – обжимать и нагревать дейтерий-тритиевые «мишени» (размером в 1 миллиметр) мощными лазерными пучками. Это направление получило название «лазерного термояда».

За прошедшие полвека лазерный метод проделал большой путь. Были созданы многопучковые установки, которые позволяли синхронно сбрасывать импульсы лазерного излучения на сферические мишени, добиваясь их равномерного сжатия и разогрева. Были разработаны сверхкороткие импульсные лазеры, наиболее пригодные для «зажигания» термоядерной реакции, и многослойные мишени, сжимаемые равномерно без потери формы.

В основе NIF – 192 мощных лазера, которые будут одновременно направляться на миллиметровую сферическую мишень (около 150 микрограммов термоядерного топлива – смесь дейтерия и трития). Температура мишени достигнет в результате 100 миллионов градусов, при этом давление внутри шарика в 100 миллиардов раз превысит давление земной атмосферы. То есть условия в центре мишени будут сравнимы с условиями внутри Солнца.

Первый цикл целевых испытаний NIF начался летом 2009 года, а попытка получить термоядерный синтез с положительным энергетическим сальдо запланированы на 2010 год.

Эксперты, правда, указывают, что главный недостаток такого рода установок – слабое поглощение лазерного излучения горячей плазмой: чем выше ее температура, тем меньше она «замечает» лазерный луч, проходящий через нее. Велики потери и на отражение от холодной короны, образованной вокруг мишени.

Впрочем, даже если американским ученым не удастся запустить термоядерный синтез в фокусе своего суперлазера, он найдет множество других применений, ведь в отличие от чисто гражданского реактора ITER этот проект курируют военные из Пентагона…

* * *

Как видите, и магнитный термояд, и инерционный лазерный термояд требуют серьезных капиталовложений и большого строительства, поэтому постоянно всплывает тема «холодного» термояда, который действительно смог бы сделать фантастику реальностью.

Говоря о холодном термояде, нужно сразу отметить, что под этим термином понимаются самые разные реакции, и зачастую происходит путаница.

Направление, получившее название холодного термояда, или, что более правильно, мюонного катализа, было предложено Андреем Сахаровым и Яковом Зельдовичем в 1957 году. Суть его заключается в использовании нестабильной частицы – отрицательно заряженного мюона, масса которого в 200 раз больше массы электрона. Мюон по своим свойствам очень похож на электрон (его называют тяжелым электроном), в частности, он может замещать электрон в атоме, но по закону квантования радиус мюонной орбиты в 200 раз меньше, чем электронной. Атомы дейтерия и трития, в которых место электрона занял мюон, могут объединяться в молекулы, где ядра дейтерия и трития (по той же причине) сближены в 200 раз. В горячей плазме при таком сближении ядерная реакция не пойдет, но в мезомолекуле дейтерий и тритий постоянно находятся на таком расстоянии и могут, «почувствовав» друг друга, с заметной вероятностью осуществить «туннельный переход», вступив в реакцию. При этом образуются ядро гелия и нейтрон, выделится энергия синтеза, а мюон, ставший вновь свободным, может сесть на орбиту соседнего атома, заменив в нем электрон. Всё повторится – произойдет новое сближение ядер и новая реакция синтеза. Таким образом, мюон может выступать ядерным катализатором. За время своей короткой жизни (2 микросекунды) мюон успевает осуществить до ста реакций! При этом не нужны сверхвысокие температуры, нет надобности в капризной плазме и сильных магнитных полях. Но эта кажущаяся простота не дается даром – нужны интенсивные потоки мюонов, которые можно получить только на ускорителях во взаимодействии энергичных протонов с ядрами, а значит, снова понадобятся значительные финансовые расходы и большие стройки – без уверенности в конечном успехе.

В конце 1980-х годов появилось сообщение американских химиков о холодном синтезе при электролизе тяжелой воды. Секрет якобы состоял в выборе материала электродов (лучшим оказался палладий), адсорбирующего водород. Ионы дейтерия скапливались в электроде, где из-за большого давления мог происходить «туннельный эффект», как при мюонном катализе. Никакие теоретические оценки не подтверждали такой возможности, что сразу настораживало. Тщательная проверка, проведенная в других лабораториях, показала ошибочность этих экспериментов. И всё же, отвергнув данный метод, физики получили положительный результат: оказалось, что при некоторых условиях ядерный синтез возможен без высокой температуры за счет скрытого ускорения частиц в субатомных электрических полях. Впрочем, получить на этой основе энергетически выгодный синтез невозможно.

Другая «сенсация» пока еще жива, но, похоже, и она скоро заглохнет. Речь идет о «пузырьковом» термояде, предложенном десять лет назад академиком Робертом Нигматулиным из Уфимского научного центра РАН и подтвержденном группой американских исследователей во главе с профессором Диком Лэхи. Это тоже вариант холодного синтеза, но с более серьезным обоснованием. В дейтерированном ацетоне при температуре ниже 2–3 °C создавались условия роста микропузырьков газа, а затем внешним акустическим воздействием проводилось их сжатие (кавитация), что резко повышало температуру до нескольких миллионов градусов и могло инициировать реакции синтеза. При экспериментах регистрировались нейтроны и активность трития. То есть ядерный синтез происходил, но, как отмечают эксперты, совершенно не очевидно, что на выходе будет получен энергетически выгодный термояд – затраты энергии опять оказываются выше, чем ее выделение.

Сам академик Нигматулин говорит по этому поводу так: «Для досконального изучения явления необходимы время и средства. Хотя эти потоки нейтронов и трития невелики, но и не малы, тем более, что установка занимает всего лишь письменный стол и работает много часов. Высвобождаемая энергия пока ничтожна, но лиха беда начало. Я представляю, как повысить производительность и эффективность процесса. Помимо практических перспектив, представленные измерения позволят определять свойства вещества при десятках миллионах градусов и плотностях в пятьдесят раз больших, чем встречаются в природе. Теперь мы крайне заинтересованы в том, чтобы другие лаборатории проверили наши результаты».

Таким образом, уповать на холодный термояд не стоит – пока что это игрушка для теоретиков, и не факт, что когда-нибудь удастся получить сколько-нибудь значимый результат.

Возможен ли новый Чернобыль?

Безусловно, термоядерная энергетика – это будущее. Однако списывать со счетов классическую атомную энергетику явно преждевременно, у нее еще есть значительный потенциал для роста.

Специалисты говорят, что если дешевые запасы углеводородов истощатся, термояд так и не будет освоен, а тенденция к значительному росту энергопотребления сохранится, то единственным спасением для цивилизации станут именно атомные электростанции, использующие энергию цепного уранового распада.

Атомная энергетика сегодня не вызывает того энтузиазма, который вызывала еще тридцать лет назад. Ширится движение за ее полный и окончательный запрет. Такое отношение возникло не на пустом месте, а как общественная реакция на последствия Чернобыльской аварии, которая потрясла и напугала весь мир, вызвав настоящую пандемию радиофобии. Но самое главное и самое ужасное, что история этой аварии еще не закончилась – Зона отчуждения, созданная вокруг Чернобыльской АЭС, будет существовать сотни лет, если, конечно, люди не придумают способ эффективно очистить ее от долгоживущих радиоактивных изотопов.

Посему любые разговоры о необходимости развивать атомную энергетику часто натыкаются на непонимание и страх. Вопрос в этом случае задают всего один: вы хотите повторения Чернобыля?

Разумеется, никто не хочет повторения Чернобыля. Хотя это покажется парадоксальным, но можно даже сказать, что Чернобыльская авария способствовала развитию атомной энергетики, выявив серьезные недостатки в обеспечении безопасности АЭС и принудив атомщиков устранить их.

Но прежде чем говорить о мерах, предпринятых для того, чтобы предотвратить повторение аварии, давайте вспомним, как это было и что именно привело к трагическому исходу.

* * *

По поводу причин Чернобыльской аварии существует множество версий: от локального землетрясения до диверсии, осуществленной то ли злыми американцами, то ли «прогрессорами» из будущего. На самом деле всё куда прозаичнее – к взрыву привело сочетание недостатков конструкции и ошибок работников станции.

Ко времени аварии на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС) использовались четыре реактора РБМК-1000 (реактор большой мощности канального типа) с электрической мощностью 1000 МВт каждый. Рядом строили еще два аналогичных реактора.

В реакторе РБМК-1000 в качестве замедлителя выделяемых ураном нейтронов используется графит, а теплоносителем служит вода. Реактор размещается в наземной бетонной шахте и опирается на бетонное основание, под которым находится бассейн-барботер. В качестве ядерного топлива используется слабообогащенная (2 %) двуокись урана. Стационарная загрузка топлива в один реактор составляет свыше 190 тонн. Каждая тонна ядерного топлива содержит примерно 20 килограммов ядерного горючего (урана-235). Ядерное топливо загружается в реактор в виде тугоплавких таблеток, помещенных в трубки из циркониевого сплава – в ТВЭЛах. Трубки устанавливаются в активной зоне в виде тепловыделяющих сборок (ТВС) объединяющих по 18 ТВЭЛов. Эти сборки (около 1700 штук) вводят в специальные вертикальные технологические каналы в графитовой кладке. По этим же каналам циркулирует вода, которая в результате теплового воздействия от происходящей в реакторе цепной реакции доводится до кипения. Пар через специальные коммуникации подается на турбину, которая вырабатывает электрическую энергию. По мере выгорания топлива кассеты с ТВЭЛами заменяются.

К моменту аварии активная зона реактора 4-го энергоблока ЧАЭС содержала 1659 кассет с ТВЭЛами. Радиоактивные продукты деления имели период полураспада от 2,35 суток (нептуний-239) и свыше 27 000 лет (плутоний-239).

В цилиндре активной зоны реактора имеются сквозные отверстия (трубы), в которых размещаются 211 стержней регулирования из бористой стали или карбида бора, поглощающих нейтроны, а также регулирующих изменение скорости нейтронного потока. По мере извлечения стержней из активной зоны (поднятия вверх) начинается цепная реакция и нарастание мощности реактора (чем выше извлечены стержни, тем больше мощность). Однако в любом случае количество опущенных в активную зону стержней должно быть не менее 28–30 (после Чернобыльской аварии установлено, что в нижнем положении должно находиться не менее 70 стержней).

На 25 апреля 1986 года была запланирована остановка 4-го энергоблока ЧАЭС для очередного планово-предупредительного ремонта. Во время таких остановок обычно проводятся различные испытания оборудования и непредусмотренные регламентом эксперименты. В тот раз целью одного из них была экспериментальная проверка возможности использования кинетической энергии ротора турбогенератора для обеспечения электропитания циркуляционных насосов до запуска аварийных дизель-генераторов в случае обесточивания собственных нужд. Дело в том, что в случае отключения внешних источников энергии (а станция тоже является потребителем энергии, не только ее производителем) происходит отключение питательных насосов (подающих холодную питательную воду в реактор) и главных циркуляционных насосов (обеспечивающих прокачку нагреваемой воды через активную зону), что мгновенно приводит к отсечению поступления пара в турбину. Несмотря на прекращение подачи пара, ротор турбины продолжает некоторое время вращаться по инерции, что позволяет, в принципе, генератору турбины давать электроток, которым можно поддерживать работу насосов, избежав таким образом их немедленного отключения. Подобный режим работы не был штатным для АЭС, не был отработан и нигде не применялся. Но он очень интересовал энергетиков и военных – ведь подобное отключение внешних источников питания вполне могло произойти в случае катастрофического развала энергосистемы, например, после ядерного удара. Кстати, проведение подобного эксперимента предлагалось многим атомным электростанциям, но из-за рискованности все отказывались. Руководство ЧАЭС согласилось. Больше того, аналогичные эксперименты, проведенные там в 1982, 1984 и 1985 годах, заканчивались неудачно – ожидаемый эффект не был достигнут из-за слишком быстрого падения тока возбуждения генератора и обусловленного этим снижения напряжения на шинах генератора. Однако вместо того чтобы отказаться от проведения сомнительного опыта, руководство ЧАЭС назначило новую серию испытаний, в которых предусматривалось устранение этого недостатка с помощью специального регулятора магнитного поля генератора.

Уже на стадии разработки программы эксперимента был допущен ряд грубейших ошибок. Так, испытания считались руководством ЧАЭС чисто электротехническими, не влияющими на ядерную безопасность реактора, поэтому не согласовывались с генпроектантом, главным конструктором и научным руководителем. Программой не только не были предусмотрены дополнительные меры безопасности, но даже снижены существующие штатные меры. Так, в ней предписывалось отключить систему аварийного охлаждения реактора на весь период испытаний (4 часа), поскольку считалось, что она может автоматически сработать и сорвать эксперимент.

Испытания должны были проводиться на тепловой мощности 700-1000 МВт. Примерно за сутки до аварии мощность реактора была снижена до 50 % (1600 МВт), однако дальнейшее снижение мощности запретил диспетчер электросети. Продолжение снижения мощности энергоблока было разрешено диспетчером 25 апреля за час до полуночи. В итоге длительное время активная зона реактора находилась в режиме «отравления» продуктами распада – радиоактивным ксеноном-135, что неизбежно привело к дальнейшему падению мощности. Компенсация производилась операторами, выдвигавшими из активной зоны стержни-поглотители В течение примерно двух часов мощность реактора была снижена до уровня, предусмотренного программой (около 700 МВт тепловых), однако была допущена ошибка, в результате которой тепловая мощность реактора начала быстро падать, достигнув величины в 30 МВт. Персонал принял роковое решение о восстановлении мощности реактора, снова приступив к извлечению стержней. Через несколько минут удалось добиться начала ее роста, и в дальнейшем – стабилизации на уровне 160–200 МВт. Всё это время продолжалось «отравление», и операторы продолжали поднимать стержни. В момент аварии в крайнем верхнем положении находилось 205 стержней, то есть внизу оставалось только 6 стержней, что явилось грубейшим нарушением регламента эксплуатации.

26 апреля в 1:23:04 начался эксперимент. Из-за снижения оборотов насосов, подключенных к «выбегающему» генератору, и так называемого положительного парового коэффициента реактивности (который был обусловлен конструкцией РБМК-1000) реактор испытывал тенденцию к самопроизвольному увеличению мощности, что и произошло – тепловая мощность скачком увеличилась до 530 МВт. Только в этот момент персонал осознал всю меру опасности. В 1:23:40 начальник смены дал команду нажать кнопку АЗ-5 – по ней поглощающие стрежни начали движение в активную зону. Это была первая попытка предотвратить аварию и последняя из вызвавших ее причин. Дело в том, что каждый из стержней-поглотителей имеет на своем нижнем конце вытеснитель – алюминиевый цилиндр, заполненный графитом, поглощающий нейтроны в значительно меньшей мере, чем вода. Введение вытеснителей в активную зону спровоцировало резкий рост потока нейтронов, что повлекло скачкообразный рост мощности реактора и интенсивное парообразование. Реактор в буквальном смысле закипел.

Аварийный разгон сопровождался мощными ударами и отключением света. К 1:23:44 мощность цепной реакции в сто раз превысила номинальную. Бурное вскипание теплоносителя, в который попали частицы разрушаемых ТВЭЛов, привело к повышению давления в технологических каналах, их разрыву и взрыву, разрушившему реактор. Спустя две секунды после первого взрыва прогремел второй, причиной которого, по мнению специалистов, было образование и воспламенение смеси кислорода с водородом. При этом разрушилась часть здания реакторного цеха, наружу из реактора было выброшено около четверти графита и часть топлива. Очевидцы наблюдали фейерверк вылетающих раскаленных и горящих фрагментов. Часть из них, упав на крышу машинного зала, вызвала пожар.

Поток горячего воздуха поднял в атмосферу радиоактивные продукты деления. Суммарный выброс составил 3,5 % от общего количества радионуклидов в реакторе на момент аварии. Высота струи превышала 1200 метров, а уровни радиации в ней достигали 1000 мР/ч даже на расстоянии 10 километров от станции. Произошло радиоактивное загрязнение не только 30-километровой зоны вокруг АЭС, но и значительных территорий в ряде областей Украины, Белоруссии и России.

Непосредственно во время взрыва на 4-ом энергоблоке погиб один человек, еще один скончался в тот же день от полученных ожогов. У 134 сотрудников ЧАЭС и членов спасательных команд, находившихся на станции во время взрыва, развилась лучевая болезнь, 28 из них умерли.

Вечером 26 апреля было принято решение о начале эвакуации населения. Всего из 188 населенных пунктов было эвакуировано около 116 000 человек.

* * *

Мировой атомной энергетике в результате Чернобыльской аварии был нанесен серьезный удар. С 1986 до 2002 года в странах Северной Америки и Западной Европы не было построено ни одной новой АЭС, что связано как с давлением общественного мнения, так и с тем, что значительно возросли страховые взносы и уменьшилась рентабельность ядерной энергетики.

В СССР было законсервировано или прекращено строительство и проектирование 10 новых АЭС, заморожено строительство десятков новых энергоблоков на действующих АЭС в разных областях и республиках.