Александр Николаевич Проценко ЭНЕРГИЯ БУДУЩЕГО Серия "Эврика" Техн...

Александр Николаевич Проценко

ЭНЕРГИЯ БУДУЩЕГО

Серия "Эврика"

Технический прогресс невозможен без энергии. О путях обеспечения человека энергией, об энергетических ресурсах планеты, о той роли, которую должна сыграть термоядерная энергия в будущем, идет речь в книге доктора наук А. Проценко. Издание рассчитано на самые широкие круги читателей.

СОДЕРЖАНИЕ

ВПЕРЕД ИЛИ НАЗАД?

Дискуссии вокруг атома

А если без энергии?

ЭНЕРГИЯ АТОМА

Закон Эйнштейна

Дефект массы

Два пути

Аннигиляция

КАК РАЗДЕЛИТЬ ЯДРО

Ядра со "знаком качества"

Как это было

Открытие, сделанное в бассейне

ТЫСЯЧИ ВОПРОСОВ

Всего процент. Почему?

Ошибка ученых фашистской Германии

На стадионе и в монтажных мастерских

Пока задачу приходится сводить к предыдущей

СТЕПЕНЬ ОПАСНОСТИ

Лекарства от радиации

Пять барьеров

Конференция по природным реакторам

Что же в результате?

ТОПЛИВО РОЖДАЕТСЯ В ТОПКЕ

Чудо Каспия

Темпы. Темпы. Темпы

Кто же прав?

ЗЕМНОЕ СОЛНЦЕ

Великий синтез

Пришло ли время?

Проблема УТС

Первые шаги

МЕДЛЕННО? НЕТ, БЫСТРО!

Спрессованный свет

Вторая жизнь открытия

Есть термоядерные нейтроны!

Еще многое неясно, но

Нет легких побед

ТОКАМАКИ ВПЕРЕДИ

Сенсация в Лондоне

Шорох орехов

Токамаки, стеллараторы и другие

UWMAK-II

Нельзя ли быстрей?

ГРОЗИТ ЛИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ГОЛОД?

Сколько энергии нужно человеку?

Прогнозы, прогнозы

Дело не в голоде

ШАГИ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Решения приняты

Мир без бензина

В ПОИСКАХ ЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ

"Римский клуб"

Рубикон энергетики

Чистая энергия

СКОРО ЛИ 2000 ГОД?

ВПЕРЕД ИЛИ НАЗАД?

Что бы ни сделал враг врагу или же ненавистник ненавистнику, ложно направленная мысль может сделать еще худшее.

(Джаммапада, глава о мысли.

(V век до н э )

Девятого ноября 1965 года крупнейшая авария потрясла Нью-Йорк и некоторые другие ближайшие к мему города. По страницам газет всего жира пронеслись устрашающие заголовки - "Авария века", "Конец света". Радио и телевидение посвящали этому событию большую часть программ. Случилось же в Нью-Йорке вот что на одной из второстепенных линий электропередачи, связывающих США с Канадой, возникли неполадки. Они привели к отключению других параллельных линий, вследствие чего образовалась лавинорастущая авария. В результате отключились электростанции мощностью примерно 45 миллионов киловатт Такой встряски не выдержана вся электроэнергетическая сеть северо-востока страны, многокилометровая электроэнергетическая сеть вышла лз строя, и анергии лишились восемь северо-восточных штатов и две провинции Канады с населением в несколько десятков миллионов человек.

В тот вечер Нью-Йорк окутала кромешная тьма, выключенные -светофоры вызвали аварии. Пробки на улицах нарушили движение транспорта остановились автобусы, троллейбусы, легковые автомобили В метро замерли поезда Одновременно выключилась вентиляция и нарушилась система откачки грунтовых вод. В ужасном положении отазались люди. В биткам набитых поездах возникали дикие сцены. "Скорая помощь" (она тоже была парализована) оказалась бессильной. В часы "пик", что обостряло создавшееся -положение, люди, покидавшие работу, оказались запертыми в лифтах, которые, лишенные притока воздуха, превратились в душегубки, замерли все электродвигатели и электроустановки. Вышли из строя крупнейшие холодильные хранилища. Нарушились технологические процессы на заводах и фабриках, что привело к авариям. Возникли пожары. Начались грабежи; с грабителями в сложившейся обстановке не могла справиться полиция. Нарушилась связь. В течение нескольких часов жизнь Нью-Йорка и других городов была парализована. Лишь на следующий день возобновилась работа электростанций.

Получив энергию, город начал приходить в себя и...

оценивать урон, нанесенный аварией. А он был значительный. Много оказалось погибших, искалеченных и раненых людей. Не в лучшем положении были здоровые, лишившиеся крова, так как многие здания были охвачены пожарами. Десятки тысяч тонн продовольствия, хранящегося в холодильниках, пришли в негодность.

Комиссия, созданная для расследования причин аварии, вынесла следующее заключение: необходимо централизовать управление развитием и эксплуатацией электроэнергетических систем. Это хотя и запоздавшее, ио разумное решение не так-то просто осуществить в капиталистическом мире - оно вошло в противоречие с "принципом свободного предпринимательства". Примечательно, что после этой грандиозной аварии гораздо большую популярность среди предпринимателей США завоевала идея создания автономных, независимых от общей сети источников питания; пусть дорогих, пусть требующих специального обслуживания, ио... своих.

Каждому дому, каждому хозяину - свой отдельный источник энергии.

Как и любая острая конфликтная ситуация, авария в США, обескровившая энергетическую сеть, предельно четко, хотя, конечно, и очень зло, показала значение энергии для современного общества.

Действительно, энергия окружает нас повсюду. Ей мы обязаны возникновением жизни на Земле. Но мы так свыклись с нею, с ее качествами и проявлениями, что порою забываем об этом и о том, что именно благодаря ей человеку удалось создать те вещи, которые нас, окружают.

Конечно, мгновенное прекращение подачи энергии - это случай крайний. Но попробуем себе представить, что мы тем или иным путем подготовились к внезапности ее исчезновения или резкого сокращения ее потребления. И тогда возникает вопрос: согласны ли вы жить в доме, где нет телевизора, магнитофона, приемника; нет подачи централизованного тепла, газа, горячей и холодной воды; не работают утюг, холодильник, пылесос и т. п.? Примиритесь ли вы с тем, что исчезнут кинотеатры и самолеты, метро и автомобили, корабли и поезда и многое другое, чем мы пользуемся и считаем это само собой разумеющимся? Ответ на все эти вопросы будет однозначный отрицательный.

Но почему появились эти вопросы? Не праздные ли они? И с какой стати зашла речь о сокращении потребления энергии? Неужели нашлись люди, серьезно относящиеся к такой перспективе?

Да, нашлись, и их достаточно много. И среди них не только дилетанты, безответственные футурологи и фантасты, но и грамотные, технически образованные специалисты. Все они говорят о необходимости отказа от создания новых источников энергии, в том числе ядерных и термоядерных. К их доводам мы обратимся несколько позже. А сейчас, как бы готовясь к дискуссии с ними, зададим такой вопрос: какова же роль энергии в жизни человеческого общества?

Описанная выше авария и ее последствия - это только чисто внешние наиболее эффектные проявления временного исчезновения энергии. Однако и оно было способно обескровить город, лишить его нормальной жизни. Как тут не сказать о том, что на каждой ступени развития общества совершенствование техники и создание новых орудий труда были неизменно связаны со скачком в добыче энергии и освоением ее новых источников; эта энергия всегда была не только спутником, но и показателем прогресса человеческого общества. На всем протяжении его развития в орбиту производства вовлекались все новые и новые ее источники. Сначала это была мускульная энергия, затем дрова, вода, ветер, потом уголь, иефть, газ. Человек никогда не останавливался, постоянно отыскивал и осваивал другие, более перспективные виды энергии. На этом пути триумфом человеческой мысли явилась ядерная энергия. Она только развивается, только набирает силу, а наука и техника зовут дальше - к термоядерной энергии.

Как это ни удивительно, на ярком фоне стремительного прогресса человечества, успехов техники и энергетики раздаются голоса осторожных, сомневающихся и даже отрицающих необходимость развития атомной энергетики.

Дискуссии вокруг атома

Сразу же оговоримся. Споры о путях прогресса, развернувшиеся в последние годы -за рубежом и у нас, направлены не только против ядерной энергетики, хотя отказывающихся именно от нее немало. Основная тема дискуссий - пути дальнейшего обеспечения развития техники, производства и энергетики. А поскольку флагманом энергетики, ее будущим становится ядерная энергетика, то зачастую она и попадает в центр атакстановится наиболее сильно обстреливаемой мишенью.

Что же атакуют? И за что? Что они требуют? И что предлагают? Одни из них за то, чтобы прекратить развитие лишь ядерной энергетики, другие всей энергетики, а третьи вообще предлагают остановить развитие научно-технической революции. К ним относятся и экзистенциалисты (от латинского existentia - существовать). С их точки зрения развитие науки и техники очень быстро приведет к утрате внутреннего мира личности - к ее деперсонализации и превращению человеческого существа в робота. Вещанию экзистенциалистов в книге "Эра роботов" вторит англичанин П. Клитер. "Благодаря автоматизации и освобождению людей от физического и умственного труда, - пишет он, - мир превратится в скопище тунеядцев, бездарностей, идиотов и преступников".

Диапазон требований противников прогресса широк, и мотивы их выступлений совершенно различны. Профессор Хорнер из Западной Германии отмерил такие сроки мрачных событий: через 10 тысяч лет наступит утрата интереса к науке и технике, а через 30 тысяч лет - физическое или духовное вырождение и вымирание.

Группа ученых под руководством А. Медоуза подготовила доклад "Пределы роста", в котором негативные стороны и последствия научно-технической революции доводятся до объективных закономерностей. Впадая в мальтузианскую крайность, они предрекают в ближайшем будущем массовый голод, приостановку производства, исчерпание минеральных ресурсов и резкое загрязнение окружающей среды.

"Времени -для того, чтобы исправить положение, уже почти нет", считает американский ученый Э. Вейнберг. По его мнению, у человечества остается всего 20 лет, чтобы начать радикальную перестройку глобальной энергетической системы, так как, утверждает он, все, что горит, приносит людям вред.

Бьет тревогу распространившееся на Западе движение алармистов (to alarm - бить тревогу): их девиз назад к природе.

Многие требуют вообще прекратить антропогенные (то есть связанные с деятельностью человека) преобразования: нельзя, мол, нарушать "естественное равновесие" окружающей среды, поскольку неизвестно, к чему это может привести.

Недостатка в пессимистических прогнозах нет. Ставшие модными в последнее время футурологи - предсказатели будущего - стращают нас неотвратимыми ужасами научно-технического прогресса - безысходностью и обреченностью человеческого рода.

Растерянность и фаталистические настроения царят и среди многих падких на сенсации писателей и журналистов. Страницы западных газет и журналов пестрят громкими предсказаниями такого рода: "Демония науки и техники", "Разочарование в прогрессе", "Мистика экспоненты". Западногерманский журнал "Шпигель" в статье "Ожидается мезозой" сообщает, что из-за развития энергетики средняя температура на планете поднимется на шесть градусов и установится климат, существовавший 100 миллионов лет назад. Журнал приводит высказывание немецкого климатолога Г. Флона, утверждающего, что "грядущие катаклизмы можно было бы предотвратить только в том случае, если... отказаться от идеи о неограниченном росте энергетики, осуществление коего неизбежно приведет к катастрофе".

Итак, мозаика мнений и настроений - от алармистов, просто бьющих тревогу, до крайних пессимистических высказываний, которые кто-то удачно окрестил "синдромом судного дня", - довольно пестра. Противникам, сомневающимся, устрашающим, нет конца. Кроме футурологов, алармистов, экзистенциалистов, к их хору присоединяются федерации, конференции, партии, ассоциации.

Трудно и неправильно было бы оспаривать целесообразность и необходимость прогнозов и предупреждений. Но выводы из них могут быть принципиально разными. Конечно, во многом эти пессимистические взгляды, запугивания алармистов, сенсации футурологов можно объяснить стремлением вызвать сенсацию или организовать кампанию против конкурентов (например, угольная промышленность против ядерной энергетики).

Но так же очевидно, что недопустимо и проходить мимо какой-либо проблемы только потому, что ее гиперболизируют любители сгущения красок, а также используют для всяческой спекуляции и шантажа.

А если без энергии?

Есть ли хоть какие-либо основания под всеми этими прогнозами и предостережениями? Да, есть. Мы уже говорили, что тревогу высказывают не только любители сенсации, но и серьезные ученые и специалисты. И их можно понять. Масштабы энергетики, техники и вообще всей деятельности человека возросли настолько, что стали оказывать существенное влияние на окружающую среду, изменять установившийся ранее кругооборот вещества и энергии.

А как скажутся эти изменения на самом существовании людей - установить нелегко. Отсюда тревога за будущее план-еты и всего живого на ней, за ее перегрев и чистоту атмосферы. Вызывает беспокойство и тот факт, что добыча некоторых невозобновляемых полезных ископаемых возросла настолько, что сравнима уже с их общими запасами или станет сравнимой в ближайшем будущем. Такое положение вызывает беспокойство ученых за обеспеченность населения сырьевыми ресурсами уже сегодня.

И еще: сокращение топливных запасов заставляет человека добывать полезные ископаемые из пластов, которые лежат не на самой поверхности или вблизи нее.

А такая добыча требует большего труда. Это приводит к удорожанию производства энергии. "До 50 процентов бюджета промышленно развитых стран тратится на обеспечение общества энергией", - говорит президент Академии наук СССР А. Александров.

Вдумайтесь во все это! До половины своих усилий человечество тратит на то, чтобы обеспечить себя энергией.

Непрерывный рост потребностей в энергии, трудности с извлечением запасов ископаемого топлива и загрязнением атмосферы при его сжигании заставляют ученых не только пересматривать свое отношение к уже известным энергетическим источникам, но и изыскивать более эффективные. Однако для многих новых способов производства энергии нет еще готовых технологий, хорошо освоенных промышленностью. Следовательно, предметом беспокойства является создание этих новых процессов и темп их развития. Успеется ли это к сроку или налицо отставание?

Ученых и специалистов нельзя обвинять в том, что они поздно спохватились. Спохватились оеи давно, то топливно-энергетический комплекс - чрезвычайно инерционная система. Примером может служить такой факт: двадцать шесть лет назад была пущена в СССР первая атомная электростанция. Двадцать шесть лет! И все же доля ядерной энергетики в производстве электроэнергии составляет пока что всего 1,5-2 процента.

Сложность нынешней ситуации в том, что уже необходим совсем иной подход к решению цроблемы получения энергии. Если до недавнего времени ее можно было рассматривать как отдельную техническую и экономическую задачу, то в наши дни приходится учитывать многие факторы: тут и запасы топлива, и экономичность способа производства энергии, и уровень технического развития общества, и степень воздействия избранного способа производства энергии на человека и окружающую среду и т. д. Да, сложностей много, даже слишком много, и они серьезно обостряют ситуацию.

Так как же поступить человечеству сейчас?

Может быть, действительно отказаться от дальнейшего продвижения по пути прогресса? Остановиться и перестать развивать технику и энергетику? Правда, вскоре после такой остановки почти не станет хватать энергии и обязательно начнет давать сбои уже налаженная жизнь.

"Ну и что, - скажут иные. -- Разве нельзя отказаться от телевизора и радио, кино и самолетов, холо дильников и лифтов, центрального отопления и освещения?.."

Конечно, главное не в этих отдельных комфортных условиях, пришедших к нам в последние десятилетия (хотя не будем забывать, что и они входят в материальные потребности человека, удовлетворение которых - закон развития нашего общества). В конце концов, если бы вопрос стоял так: существовать или нет человечеству, то можно было бы и отказаться от каких-то вещей и привычек. Но ведь на самом деле речь идет не о комфорте или, точнее, не только о нем. "Остановите развитие энергетики, перестаньте строить атомные электростанции, откажитесь от техники" - вот смысл апологетов теории под названием: "Стоп! Назад!" Иными словами, это автоматически означает отказ от прогресса. А готов ли на "простое" существование человек, о катаром А. Чехов сказал, что ему нужно "не три аршина земли, не усадьба, а весь земной шар, вся природа, где на просторе он мог бы проявить все свои свойства и особенности своего свободного духа". Так может ли человек отказаться от великих целей? Конечно, нет.

Есть и другая грань той же проблемы, которую назовем "Энергия и время".

Определяющим фактором в развитии производства сейчас является его интенсификация. А самая глубокая ее сущность в том, что "интенсификацияг степень экономии времени является главным показателем состояния общества, уровня всесторонности развития как того или иного общества в целом, так и его отдельного члена", - пишет советский философ Б. Афанасьев.

Энергия, являющаяся фундаментом научно-технического развития, выступает как важнейшее средство экономии времени, и в конечном счете в этом ее важнейшее назначение.

Люди издавна дорожили временем. Вспомните "время - деньги" - изречение, рожденное американским физиком В. Франклином. Энергия и время! Множество видимых и невидимых уз связывают два эти понятия.

Иногда это простые и прозрачные связи, а иногда, чтобы увидеть их, нужно проследить и проанализировать длинную цепочку превращений.

Простейший и наглядный пример - энергия и экономия времени в быту. В среднем, то есть включая детей, стариков и тех, кто просто не занимается домашними делами, один городской житель тратит в год: на отопление жилища 100 часов при отопительных печах и 0 часов при централизованном теплоснабжении; на приготовление пищи при помощи дровяных плит, керосинок и примусов 300 часов и всего 200 часов, если есть газовые и электрические плиты и холодильники; на стирку белья, уборку помещений и мытье посуды 250 часов вручную, и та же работа может быть сделана за 100 часов при наличии стиральных машин, пылесосов, посудомойки, горячей воды; на передвижение при отсутствии транспорта 500 часов, и всего 200 часов уйдет на это при развитой системе транспорта.

А итог таков: 500 часов против 1150! Современное энергоснабжение позволяет сэкономить 650 часов в год, то есть в среднем на одного городского жителя почти месяц.

Люди всегда сталкиваются с дилеммой: что лучше экономить - энергию или время? Причем почти всегда предпочитают получить выигрыш во времени. С этой точки зрения всевозможные станки, промышленные агрегаты, транспорт, сельскохозяйственные орудия требуются только для экономии времени.

Человек настолько привык к мысли, что время важнее и ценнее иных затрат (энергии), что возможность сделать то же самое за больший срок, но с меньшими затратами энергии уже не принимается во внимание.

Однако различные технологические процессы, связанные с изменением состояния вещества, в подавляющем большинстве бывает выгоднее проводить с гораздо меньшими затратами, но за более долгий срок. Так, из рождающихся проблем нашего времени острой становится проблема получения чистой преоной воды из морской. Сейчас на это затрачивают в 10-15 раз больше энергии, чем это нужно теоретически, но зато за более короткое время. Таков обычный жизненный парадокс.

Одно из удивительнейших свидетельств физической связи энергии со временем демонстрирует теория относительности. Если, затратив большое количество энергии, разогнать космический корабль до скорости, близкой к световой, то на корабле все физические процессы будут проходить медленнее.

Вооружившись энергией, человек обретает власть не только над Природой, но и над самим Временем - казалось бы, совсем неуправляемой субстанцией.

В человеке действует сила, которая толкает его овладевать окружающим миром. Весь путь борьбы за существование привил ему потребность в непрерывном движении вперед, без чего он теряет свою человеческую сущность. В. Франклин говорил: "Человек - животное, создающее орудия труда". Перестанет человек создавать и совершенствовать орудия труда, и разница между ним и животным начнет стираться.

Итак, человек не может вернуться назад не только потому, что это приведет его к духовному обнищанию, моральной деградации. Он не сможет примириться с уменьшенной нормой потребления энергии и потому, что это будет отказом от промышленности, возвращением к патриархальной жизни, к тому "сохранению естественного равновесия", которое не может не закончиться физической гибелью большей части человечества!

При нынешней численности людей, количестве и качестве земель, пригодных для сельскохозяйственных угодий, при сегодняшней обеспеченности водой только для пропитания человек должен обладать энергией гораздо большей, чем его мускульная энергия. "В условиях строгого сохранения "естественного" равновесия, - пишет известный советский ученый академик Е. Федоров, - возможно существование лишь первобытного племени, добывающего пропитание сбором плодов и охотой на животных. Если бы наши предки превратили всю планету в тщательно охраняемый заповедник, то современной цивилизации просто не было бы".

Крупнейший специалист по теоретической экологии академик С. Шварц говорил о том, что тезис "назад к природе" всегда был, по существу, реакционен, а в настоящее время он еще и антинаучен. Почему же этот тезис антинаучен и в чем ошибка слишком ретивых защитников природы? Дело здесь в том, что при современной численности человечества неиндустриальные методы производства оказывают на развитие природной среды не менее пагубное влияние, чем функционирование самых грозных (с точки зрения традиционного понимания охраны природы) индустриальных комплексов.

Следовательно, прогресс несет в себе благо и человечеству и природе. А без развития энергетики он немыслим. Сердцевиной же энергетики будущего должна стать и станет атомная энергия.

Что же такое атомная энергия - энергия, которая может выручить, и обязательно выручит, человека?

ЭНЕРГИЯ АТОМА

Мы подходим к великому перевороту в жизни человечества, с которым не может сравниться все им ранее пережитое. Недалеко время, когда человек получит в свои руки атомную энергию, такой источник силы, который даст ему возможность строить свою жизнь, как он захочет.

В. И. Вернадский. Очерки и речи, 1922.

Истоки проблем и споров при оценке и прогнозировании энергетической ситуации в разных районах мира весьма различны. Здесь все: и незнание сути проблемы, и философские заблуждения, и недоверие к новому, и конкурентные соображения отдельных промышленных кругов, и многое другое. Не надо думать, что энергетика вообще и атомная энергетика в частности являются в этом смысле исключением. Как и во всяком другом открытии, в атомной энергетике тоже имеются противоречивые тенденции, которые и порождают различное к ней отношение. И чтобы правильно их оценить, надо задаться вопросом: что несет атомная энергия человечеству - несчастье или благо? Надо сразу же заявить: да, благо; она должна прийти на смену энергии, получаемой от органического топлива, когда его запасы на планете истощатся. Каковы же достоинства атомной энергии и ее слабости?

Сначала вспомним, что такое энергия вообще.

Впервые это понятие будто бы появилось в трудах Аристотеля более 2000 лет назад. Энергия - слово гре-, ческое и состоит из двух простых слов. "Эн" - что значит "в", "содержание", и "эрг" - "работа". А все вместе означает способность тела совершать работу.

Энергия есть не что иное, как форма движения материи. Существует много видов энергии, а вот единой классификации их пока еще нет. Разные ученые, каждый по-своему, систематизируют ее виды. Мы же приведем одну из таких классификаций. Итак, вот что в нее входит.

Химическая энергия - это энергия, освобождающаяся при изменении структуры электронных оболочек молекул.

Тепловая энергия - энергия хаотического движения молекул и других частиц вещества.

Механическая энергия - это энергия свободного движения тел.

Сюда же входят электрическая, электромагнитная, гравистатическая, электростатическая, магнитостатическая, мезонная, аннигиляционная и, наконец, ядерная.

Человечество освоило большую часть перечисленных видов энергии, на что ушло несколько тысяч лет. Вначале это была энергия Солнца. Затем им был приручен огонь. За ним энергия падающей воды. Наконец наступил век пара и электричества. А несколько десятков лет назад человек перешагнул еще один рубеж и освоил энергию ядерную, или атомную, что одно и то же.

Закон Эйнштейна

Что же такое атомная энергия? Чтобы узнать, что это такое, лучше, пожалуй, напомнить о более привычной форме энергии - химической, и от нее перейти к атомной.

Мы знаем, что в угле, нефти, газе скрыта энергия.

Это и есть химическая энергия. Каким же образом освобождается она из перечисленных выше видов топлива?

Представьте себе, что вы взяли 10 гирь по одному килограмму каждая, взвесили их по отдельности и убедились, что каждая гиря весит точно один килограмм.

Затем сложили их вместе и, взвесив, получили общий вес не 10, а 9,9 килограмма! Невероятно? Да, конечно, но подобное явление с "исчезновением" массы проявляется ежечасно, ежесекундно и не в лабораторных условиях, а в топках, где горят нефть и уголь, в газовых плитах при сгорании газа. Известно, что горение, скажем, угля - это процесс (реакция) соединения углерода с кислородом с образованием углекислого газа. При сгорании каждых 12 килограммов углерода расходуется 32 килограмма кислорода. И мы вправе ожидать, что в результате этой реакции образуется 44 килограмма углекислого газа.

Но проведем такой воображаемый опыт. Поместим в герметическом сосуде те же 12 килограммов углерода и 32 килограмма кислорода, взвесим сосуд и убедимся, что суммарный вес составляет 44 килограмма. Теперь каким-либо способом (нам все равно, каким,опыт воображаемый) подожжем углерод и проведем полностью реакцию соединения углерода с кислородом. Поскольку сосуд герметичный и ни во время горения, ни после него не выходили никакие вещества, то взвешивание его после реакции должно дать все те же 44 килограмма, теперь уже в виде углекислого газа. Взвесив же сосуд, мы удивимся, что углекислого газа не 44 килограмма, а примерно на 4 миллионные доли (4-10^-6) грамма меньше.

Этот опыт мы назвали воображаемым потому, что при существующей технике взвешивания невозможно уловить изменение такого большого веса (44 кг) всего на 0,000004 грамма. Тем не менее ученые другим путем установили, что вес углекислого газа в данной реакции действительно снизился на 4-10^-6 грамма. В чем же тут дело? Куда делась эта недостающая часть реагирующих веществ?

Все дело в том, что при реакции горения образуется не только углекислый газ, но и выделяется энергия. Вот на нее-то и израсходованы 4-10^-6 грамма массы!

Энергия, как оказывается, самым непосредственным образом связана с массой. Этот всеобщий закон связи массы и энергии был открыт и сформулирован создателем теории относительности А. Эйнштейном. Согласно этому закону массе вещества в один грамм соответствует энергия 21,5 миллиарда килокалорий. (Одна килокалория (ккал) - это количество тепла, необходимое для нагревания одного килограмма воды на один градус.)

Эту величину можно получить и из нашего воображаемого опыта, если разделить выделившуюся энергию на уменьшение массы.

Закон Эйнштейна носит всеобщий характер. Так, при любой химической реакции с выделением энергии уменьшается масса и, наоборот, в реакции с поглощением энергии масса продуктов, получающихся в результате реакции, возрастает. Например, в реакции соединения водорода и кислорода масса получаемой воды меньше, чем сумма масс водорода и кислорода, взятых в отдельности, но при этой реакции выделяется энергия.

Если теперь с помощью электрического тока провести электролиз какого-то количества воды, то есть разложить ее на водород и кислород, то сумма масс их будет больше, чем исходная масса воды. Однако при этом на разложение воды затрачено некоторое количество энергии. В этом примере с получением и разложением воды соотношение между изменением массы и величиной выделившейся и поглощенной энергии будет таким же, как в реакции горения углерода, а именно: изменению массы в один грамм соответствует энергия в 21,5 миллиарда килокалорий.

Эта величина очень большая. Если б можно было перевести всю массу одного грамма вещества в энергию, ее хватило бы на обеспечение жизни 5-10 человек на протяжении всего их существования. К сожалению, пока это область фантастики. Позже мы еще коснемся этой проблемы, а сейчас вернемся к приведенному ранее воображаемому опыту. В нем, как вы помните, в реакции горения использовалось 44 килограмма углерода и кислорода, из которых в энергию превратилось всего 4-10^-6 грамма, то есть только одна десятимиллиардная доля. Конечно, это очень маленькая часть. А нельзя ли ее увеличить? Нельзя ли заставить переходить в энергию большую долю взятого вещества?

Оказывается, можно, и люди уже умеют это делать.

Чтобы понять, как это у них получается и в чем секреты разных способов освобождения энергии, давайте заглянем в глубины вещества и посмотрим, из каких деталей оно устроено.

Дефект массы

Что происходит с веществом при химической реакции, скажем, при горении углерода?

Молекула кислорода, состоящая из двух атомов, соединяясь с одноатомной молекулой углерода, образует трехатомное вещество - углекислый газ. Если молекула является наименьшей частью вещества, сохраняющей присущие этому веществу свойства, то атомы - это самые крошечные "кирпичики", определяющие свойства химических элементов, например, углерода, водорода, железа. Элементы отличаются друг от друга тем, что составляющие их атомы различны.

Углекислый газ не элемент, а вещество, содержащее атомы различных-элементов. Однако вещество, получившееся в результате химической реакции, состоит только из тех атомов, которые были введены в реакцию, - в данном случае из атомов углерода и кислорода. Этот факт обязателен для любой химической реакции, следовательно, в ней никогда нельзя получить новый химический элемент, новые атомы. А этого как раз и не знали средневековые алхимики и пытались получить золото из более дешевых и менее привлекательных материалов, которые, однако, не содержали атомов, определяющих свойства цветного металла.

Энергия, которую можно получить в химических реакциях, мала. Это мы видели в нашем опыте, где при горении углерода превратилась в энергию лишь одна десятимиллиардная доля вещества, участвовавшего в химической реакции горения. В других химических реакциях эта доля может быть больше, но ненамного. Значит, во всех химических реакциях, при которых изменения претерпевают лишь молекулы вещества, а атомы не изменяются и остаются целыми, невозможно перевести в энергию большую долю вещества. Как же эту долю увеличить? Надо пойти по принципиально новому пути и попытаться осуществить такие реакции, где менялись бы сами атомы.

Продолжим путешествие и "заглянем" внутрь атома.

Атом очень мал, что-то около одной пятимиллионной доли миллиметра. Почти все вещество, составляющее атом, сконцентрировано в его центре, образуя ядро атома. Вокруг ядра на большом (по сравнению с размером ядра) расстоянии вращаются электроны, несущие отридательный электрический заряд. Масса и размер этих элементарных частиц во много раз меньше массы ядра.

Вращаясь вокруг ядра, они как бы образуют так называемую электронную оболочку атома. Взаимодействие именно электронных оболочек определяет характер химических реакций и выделение энергии при этих реакциях.

Приведенное здесь описание атомов весьма и весьма упрощенное. В действительности он устроен гораздо сложнее, и очень многое в его устройстве до сих пор еще неизвестно. Однако и такая упрощенная модель довольно хорошо описывает результаты большого количества опытов, которые проводили физики, исследуя атом.

Позже нам понадобятся сведения еще о некоторых деталях атома, сейчас же дополним нарисованную модель следующим. В ядро атома входят два типа элементарных частиц: протоны и нейтроны. Последние не имеют никакого электрического заряда (отсюда и их название neutrum - ни то, ни другое латинское). Протоны же несут положительные электрические заряды, причем по величине они в точности равны заряду электрона.

Стоит сказать, сколько нейтронов, протонов и электронов содержит в себе каждый атом химических элементов.

Например, в ядре атома водорода - самого легкого элемента - содержится только один протон, вокруг которого вращается один электрон.

У углерода шесть нейтронов, шесть протонов и шесть электронов.

В атоме урана уже 143 нейтрона, 92 протона и 92 электрона.

Нельзя не обратить внимания на то, что у названных элементов число протонов равно числу электронов.

Таблица же Менделеева показывает, что это закономерно и для всех элементов. Но раз число протонов равно числу электронов, то, следовательно, положительный заряд ядра атома всегда равен отрицательному заряду всех электронов, а атом в целом, или "снаружи", электрически нейтрален.

И наконец, последний шаг путешествия в глубь атома: сколько же весят атом, протон, нейтрон? Массы этих частиц настолько малы, что для них придумана новая единица измерения, названная атомной единицей массы (а.е.м.). Одна такая единица массы равна 1,66-10^-24 грамма. Примерно столько весят и нейтрон и протон.

Вот и кончилось наше путешествие в глубь атома.

Но как все-таки извлечь из него энергию большую, чем та, которую он отдает при химических реакциях? Может быть, можно использовать метод, схожий с реакцией горения, но уже на уровне элементарных частиц, из которых состоит атом, то есть на уровне протонов и нейтронов?

При реакции горения выделение энергии происходит при соединении одних веществ и образовании других, новых. Посмотрим, что можно получить, если так же попытаться составить атом из отдельных элементарных частиц. Начнем с углерода. Какая должна быть масса у его атома, если составить его из элементарных частиц?

Проведя все вычисления, получим 12,1 а.е.м.

Вот тут-то и начинаются неожиданности! Оказывается, готовый, существующий в природе атом весит не 12,1 единицы, а только 12,0! Ну и что здесь особенного, скажете вы, стоит ли обращать внимание на такую малую разницу. Но подобное же удивление охватило нас, когда оказалось, что образовавшийся после реакции горения углекислый газ весит меньше, чем исходные продукты.

Мы выяснили тогда, что такому недостатку массы сопутствует выделение энергии. Так, может быть, и здесь то же самое? Может быть, если бы нам удалось из отдельных нейтронов, протонов и электронов составить атом углерода, то он весил бы на 0,1 атомной единицы массы меньше суммы исходных частиц? А так как материя не исчезает бесследно, то при этом пропорционально образовавшемуся недостатку массы и выделилась бы энергия?!

А умудрись мы таким образом создать 44 килограмма углерода (это вес исходных продуктов в рассмотренной выше химической реакции), то энергии получилось бы 7,8*10^12 килокалорий, что примерно в сто миллионов раз больше, чем при обычной химической реакции соединения углерода и кислорода! А это уже немало, и уже стоит обращать внимание на уменьшение массы в 0,1 а.е.м.

Все это хорошо, но у данного способа освобождения энергии есть существенный недостаток: наука еще не знает, как из отдельных элементарных частиц получать атомы углерода или других тяжелых элементов.

Ну что ж, придется искать другие способы освобождения энергии из недр атомов. Это делать уже легче, так как теперь ясно, что они должны быть основаны на использовании недостатка массы у элементов.

Недостаток массы присущ каждому элементу. Физики назвали его дефектом массы. Приведем для ясности небольшую таблицу нескольких элементов с их дефектами масс, а также их массовые числа, равные сумме протонов и нейтронов.

___________________________________________________.

_____________________________________________Дефект.

Элемент_____Число________Число____Массовое____массы.

___________нейтронов___ протонов___число____в а.е.м.

Дейтерий_____1____________1_________2_______0,0024_.

Тритий_______2____________1_________3_______0,009__.

Гелий________2____________2_________4_______0,03___.

Литий________3____________3_________6_______0,034__.

Углерод______6____________6________12_______0,1____.

Молибден____54___________42________96_______0,88___.

Лантан______82___________57_______139_______1,23___.

Уран_______143___________92_______235_______1,91___.

___________________________________________________.

Если соединить ядра таких двух элементов, чтобы у образовавшегося нового недостаток (дефект) массы был больше суммарного дефекта масс исходных элементов, то наверняка можно сказать, что при этом соединении (ядерной реакции) выделилась энергия, пропорциональная изменению дефекта массы.

Из таблицы видно, что такому условию удовлетворяет, например, реакция соединения двух ядер дейтерия с образованием гелия, при их соединении должна выделиться энергия. Такой же эффект получится, если соединить атомы дейтерия и лития и образовать два атома гелия.

Заметим, что дефект массы возрастает (а это означает больший выход энергии), если к любому элементу присоединить нейтрон. Так, с добавлением нейтрона дейтерий преобразовывается в тритий с большим дефектом массы, Значит, простое присоединение нейтрона к любому элементу сопровождается выделением энергии.

Два пути

Подобные ядерные реакции соединения легких элементов уже осуществлены. Интересно посмотреть, чего можно ожидать от реакций с тяжелыми элементами, приведенными в конце таблицы?

"Соединив" молибден с лантаном, мы получим элемент с массовым числом 235. Это уран-235 (такое написание применяется и для других элементов). Оказывается, в такой реакции результирующий дефект массы не возрастает, а уменьшается, и никакой энергии не выделяется, напротив, для осуществления такой реакции необходимо затратить ее пропорционально полученному изменению дефекта массы. Если сделать подобные расчеты для всех известных элементов, то окажется, что при соединении элементов с массовым числом, большим 60, новый элемент может быть получен лишь при затрате энергии на эту реакцию.

Вернемся к нашему примеру получения урана из молибдена и лантана. Будем рассуждать так: если при соединении атомов молибдена и лантана затрачивается энергия и получается атом урана, то при проведении реакции наоборот, то есть при делении атома урана на атомы молибдена и лантана, должна выделиться энергия. Действительно, пусть теперь исходным продуктом будет уран-235. Предположим, что каким-то путем нам удалось его разделить на молибден и лантан. Оказывается, сумма масс атомов этих элементов меньше массы атома урана, то есть дефект массы при такой реакции увеличивается, а значит, реакция пойдет с выделением энергии. Так на смену синтезу элементов пришел другой путь освобождения внутриядерной энергии - деление ядер. Так учеными был преодолен еще один рубеж на пути познания природы.

Конечно, достигли они этих высот не сразу. Ими создавались новые и отбрасывались отжившие теории, проводились многочисленные эксперименты и разрабатывались новые методы исследований. Лишь одно описание путей освобождения энергии может занять несколько томов. Перелистывая страницы этого описания, можно встретить многие славные имена наших современников, чьими трудами открыта эта тайна вещества. Среди них англичане Э. Резерфорд и Д. Чэдвик, датчанин Н. Бор, итальянец Э. Ферми, физики Советского Союза Д. Иваненко, И. Гуревич, Л. Ландау, И. Померанчук, Г. Флеров, И. Курчатов, немцы О. Ган и Ф. Штрассман, французы И. и Ф. Жолио-Кюри, а также многие, многие Другие.

Но вернемся к синтезу и делению - так будем называть два рассмотренных пути освобождения внутриядерной энергии - атомных ядер. Говоря о реакции синтеза, надо заметить, что в ряде случаев наряду с образованием нового элемента происходит высвобождение злементарных частиц: протона или нейтрона. Так, в реакции соединения двух атомов дейтерия образуется тритий, или гелий-3, и высвобождается протон или нейтрон. Возможна реакция синтеза дейтерия и трития с образованием атома гелия и вылетом нейтрона. Величина выделяющейся на грамм соединившихся веществ энергии составляет около 80 миллионов килокалорий. При делении же урана на один его грамм освобождается только около 20 миллионов килокалорий.

Итак, сопоставим: при синтезе дейтерия и трития выделяется 80*10^6 килокалорий на грамм; при делении урана - 20*10^6; при сжигании углерода всего лишь 7.

Количество энергии, выделяющейся при сгорании углерода, приведено для сравнения. Ее по сравнению с энергией синтеза и деления меньше (в расчете на один грамм вещества) в несколько миллионов раз. Это цифры, за которые стоит бороться. Как же осуществить реакцию синтеза?

Обратимся опять к химическим реакциям. Попробуйте при обычной комнатной температуре провести реакцию соединения (горение) древесины с кислородом. Дерево повсюду окружает нас, но, находясь в непосредственном контакте с кислородом, оно не соединяется с ним. Для того чтобы эта реакция началась, его нужно поджечь, повысив температуру.

Еще со школьной скамьи каждому из нас известно, что при нагревании вещества изменяется характер движения его атомов и молекул. Эти частицы всегда находятся в состоянии хаотического, беспорядочного движения. Так, при минусовой температуре молекулы, скажем, воды, прочно связанные друг с другом, лишь слабо колеблются, образуя кристаллики льда.

При повышении температуры колебания их становятся все быстрее и быстрее, при ноле и выше градусов прочные связи между ними разрываются и лед превращается в жидкость, воду.

С дальнейшим увеличением температуры энергия молекул возрастает настолько, что они начинают вылетать из воды, при 100 градусах она закипает и переходит в пар.

Если продолжать нагревать пар, то начнут распадаться сами молекулы воды на отдельные молекулы водорода и кислорода. Когда температура станет еще большей, распадутся все молекулы и перейдут в свободные атомы водорода и кислорода.

Итак, вещество из твердого переходит в жидкое, а затем в газообразное состояние.

При дальнейшем повышении температуры от атомов станут отрываться электроны и образовываться смесь ядер и электронов. Говорят, вещество переходит в так называемое четвертое состояние - в плазму.

Конечно, чтобы зажечь дерево, не нужно переводить его в четвертое состояние. Уже при температуре около 400 градусов его молекулы (точнее, молекулы целлюлозы) и молекулы кислорода движутся настолько интенсивно, что при соударении соединяются друг с другом, "сцепляются" своими электронными оболочками и образуют новое вещество. Выделяющейся при этой реакции энергии с избытком хватает на то, чтобы прошла такая же реакция соединения соседних молекул. От них энергия передается к следующим и так далее. Так возникает цепная реакция горения.

Мы обратились к химическим реакциям, чтобы на их примере показать, как можно осуществить реакцию синтеза атомных ядер, то есть заставить соединиться, например, два ядра дейтерия. Оказывается, надо дейтерий также разогреть, но до такой высокой температуры, при которой движущиеся атомы лишились бы своих электронных оболочек, дейтерий перешел бы в четвертое состояние, и лишь потом его ядра при соударении будут образовывать ядро трития и свободный протон.

Не нужно забывать, что химические и ядерные реакции (в данном случае реакция синтеза) качественно различны. В первой из них соединение атомов или молекул приводит к образованию нового вещества, но не нового элемента. Для осуществления химической реакции достаточно придать атомам или молекулам относительно небольшие скорости движения. В реакции синтеза совершенно другая ситуация. Чтобы соединить ядра, их нужно разогнать до гораздо больших скоростей движения.

Ведь ядра атомов несут положительный электрический заряд, а всякие одноименно заряженные частицы отталкиваются, и чем меньше расстояние между ними, тем больше силы отталкивания. Для преодоления этих сил отталкивания и нужно придать ядрам колоссальные скорости порядка 500-800 километров в секунду! Такую большую скорость ядра дейтерия приобретут только при температуре 100-150 миллионов градусов.

Таков первый путь освобождения энергии ядра. Второй путь - деление ядер. А есть ли еще какие-либо способы высвобождения энергии ядра? Пока, к сожалению, нет, или, точнее, мы их пока не знаем.

Аннигиляция

В реакциях деления и синтеза ядер в тепло и излучение превращается от 0,1 до 0,5 процента вещества. При химических реакциях, как мы уже говорили, эта величина составляет всего лишь одну десятимиллионную (10^-7) часть. Значит, овладев энергией деления и синтеза, человечество увеличит калорийность (теплотворную способность) топлива в миллионы раз. Это очень важный и своевременно взятый рубеж. Но, овладев им, человек начинает думать о взятии нового. Это и не удивительно.

"Человек создан затем, чтобы идти вперед и выше", - говорил Максим Горький, поэтизируя это качество людей.

Если же думать о практическом значении такого "опережения событий", то, пожалуй, не скажешь лучше известного польского писателя-фантаста С. Лема: "...в предыстории практика, естественно, опережала теорию, ныне же теория обязана провидеть пути практики, ибо за всякое невежество, проявленное сейчас, человечеству придется дорого уплатить потом".

Итак, стоит вопрос, который задают и ученые-теоретики, и экспериментаторы, занимающиеся физикой ядрасуществуют ли пути превращения в энергию большего количества вещества, чем реакции деления и синтеза ядер. Возможны ли они в принципе?

В принципе такие пути возможны. Нужно только найти законы, управляющие процессами большего превращения вещества в энергию.

Один из таких возможных процессов называется аннигиляцией. Это слово образовано от латинского "nihil" - ничто. Буквальный перевод: превращение в ничто, уничтожение. Физики называют аннигиляцией превращение элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов), обладающих в неподвижном состоянии массой, в другие формы материи, например в гамма-кванты, имеющие массу покоя, равную нулю (электромагнитное излучение). Ясно, что речь не идет об уничтожении материи, а о превращении одного ее вида движения в другой. Только простоты ради мы иногда будем называть этот процесс превращением вещества в энергию.

Аннигиляция происходит при столкновении какойлибо элементарной частицы, например, протона, с ее античастицей - антипротоном. Обладая т0й же массой, что и протон, она имеет не положительный, а отрицательный заряд и отличается рядом других свойств.

Эта ядерная реакция найдена не только на бумаге, но и осуществлена 1зо многих экспериментальных установках. Если аннигиляция протона и антипротона происходит в вакууме - образуются гамма-кванты, несущие 34 процента энергии; электрон и его положительно заряженный антипод позитрон с 16 процентами энергий. Половину энергии уносят нейтрино частицы с весьма большой проникающей способностью. Удержать их невозможно: свою долю энергии они уносят в необозримые просторы вселенной. Однако другую половину удержать удается. Если аннигиляция будет происходить в плотной среде, то энергия, уносимая нейтрино, уменьшается до 9 процентов.

Казалось бы, все обстоит ладно. Но есть один неприятный факт: на Земле, да и, кажется, во всей Солнечной системе антивещества нет. В распоряжении людей есть только технические способы получения искусственного антивещества. Здесь уже есть некоторые успехи. В лабораториях получены антипротоны, антиэлектроны (позитроны), даже созданы атомы антивещества: антиводород, антигелий. Однако задача - значительное уменьшение количества энергии, необходимой для создания античастиц, - еще не решена. В существующих способах на создание антипротонов или антиэлектронов бомбардировкой ядер ускоренными электронами или протонами тратится почти столько же энергии, сколько получается потом при аннигиляции полученных античастиц с частицами. Коэффициент полезного действия в такой схеме составляет не более 0.1 процента. Следовательно, чтобы получить одну килокалорию аннигиляционной энергии, надо предварительно затратить 999 килокалорий энергии того вида, которым мы располагаем, например электроэнергии.

Может ли устроить человека процесс, когда в конце концов энергии получается меньше, чем ее затрачивается? Принципиально может. В жизни мы пользуемся такими процессами. Например, на получение одной килокалории электроэнергии затрачивается 2,5 килокалории тепла сжигаемого топлива. Зато в результате получается качественно новый вид энергии, который можно эффективно использовать в промышленности, быту.

Для чего же нужна аннигиляционная энергия антивещества с калорийностью, в 100-300 раз превышающей калорийность ядерного топлива? Возможно, в далеком будущем она понадобится только для космических аппаратов. Для земной энергетики такой процесс не подходит.

Пожалуй, стоит рассказать еще об одной идее, которая родилась на заре работ по термоядерному синтезу.

Напомним: чтобы осуществить термоядерную реакцию, нужно разогреть плазму до 100-150 миллионов градусов. Лишь такая температура может обеспечить высокие скорости ядер, достаточные для преодоления силы отталкивания их положительных зарядов. Но допустим, что удалось бы нейтрализовать заряд одной из взаимодействующих частиц. При таком условии отпала бы необходимость в высокой температуре.

В природе существует некая элементарная частица, которая называется отрицательным мю-мезоном. Егозаряд равен электронному, а масса в 212 раз больше. Если этот мю-мезон соединить, например, с дейтерием, то может образоваться новый атом, в котором электрон атома дейтерия будет заменен мю-мезоном. Поскольку масса мю-мезона в две сотни раз больше массы электрона, то вокруг ядра он будет вращаться по орбите, лежащей во столько же раз ближе к ядру, чем орбита электрона. Благодаря тому, что эта система нейтральна и очень мала, она может очень близко подойти к другому ядру дейтерия, лишенному электрона (иону), и образовать молекулярный ион дейтерия, в котором вокруг двух очень близко расположенных ядер дейтерия вместо электрона будет вращаться мю-мезон. Расчеты показывают, что в этом случае очень велика вероятность того, что даже при не очень высокой температуре ядра дейтерия вступят в реакцию синтеза и начнет выделяться энергия. При этом процессе мю-мезон будет невредимым выброшен и сможет снова вызывать реакцию другой пары, потом третьей, потом...

К сожалению, "потом" может не быть. Время жизни мю-мезона всего несколько миллионных долей секунды. Окончив свою "деятельность", он распадается на электрон и два нейтрино. Так что за отпущенное ему время он сможет инициировать синтез всего нескольких пар ядер. Выделившаяся при этом энергия составит малую долю той энергии, которую необходимо затратить на создание самого мю-мезона. Значит, такой синтез не имеет практической ценности для энергетики.

Что же показывают эти два примера "неудачной попытки" еще более эффективного и более легкого использования энергии ядра в энергетике? Возможно, пессимист скажет, что они подтверждают сказанное ранее: пока нет других, более эффективных способов высвобождения- энергии ядра. Оптимист ответил бы по-другому: наличие таких "почти пригодных" способов позволяет надеяться и показывает, что где-то рядом, пока еще скрытые от нас, существуют процессы, познав которые человек станет обладать еще большими запасами дешевой и нужной энергии. Надо только их искать. И ученые ищут.

Теоретики считают, что если получить уран в изомерном состоянии, то при делении, по-видимому, можно будет получить не 2,5, а, скажем, 5 свободных нейтронов. Почему это важно, мы увидим позже.

Теоретически показана возможность существования сверхплотных ядер. Пока трудно говорить о возможностях их использования, но стоит обратить внимание на то, что сверхплотные ядра должны обладать запасами внутренней энергии в тысячи раз большей, чем обычные ядра.

В энергетике, по-видимому, можно было бы использовать и ядра нейтронные, то есть состоящие почти из одних этих частиц. О такой возможности говорит теория.

КАК РАЗДЕЛИТЬ ЯДРО

Ценнейшее в жизни качество - вечно юное любопытство, не утоленное годами и возрождающееся каждое утро.

Ромен Роллан

В одном из номеров журнала "Иностранная литература" был напечатан памфлет "Законы Паркинсона".

В острой сатирической форме автор расскааал, Б частности, о заседании парламентариев, рассматривавших новые финансовые законопроекты. Около трех часов ушло на обсуждение такого "важного" законопроекта, как выдавать ли парламентариям в перерыве между заседаниями бесплатный кофе (стоимостью в несколько пенсов). По этому поводу почти каждый счел своим долгом высказать мнение потому, что вопрос этот был известен и близок каждому депутату. Другое дело - проведение законопроекта... о строительстве ядерного реактора (стоимостью в несколько миллионов фунтов стерлингов) . На это ушло меньше пяти минут, ибо высказываться не хотел никто. Не хотел? Вернее, не мог. Ведь для этого нужно обладать знаниями. А что такое ядерный реактор - парламентарии имели о нем самое общее представление.

В этом анекдоте есть доля правды. Как ни удивительно, но в век атомной энергетики и покорения космоса очень многие ничего или почти ничего не знают о ядерном реакторе, об атомной энергетике, которая гигантскими шагами входит в нашу жизнь. Может быть, причина этого в удивительно быстром развитии знаний ученых о тайнах атома? Может быть, это развитие настолько стремительное, что за ним не поспевает ясная и правдивая информация? А может быть, виновным является и сам ядерный реактор: ведь понимание процессов, происходящих при его работе, очень непростая вещь. В этом отношении он довольно парадоксален. Вот пример: чтобы сделать простейший реактор, не нужно знать почти ничего, кроме, пожалуй... рецепта, подобного рецепту, взятому из поваренной книги.

Выглядеть такой рецепт мог бы так. "Возьмите алюминиевый бак. Наполните его 20 литрами дистиллированной воды, засыпьте 3800 граммов уранилнитрата (уран с азотом), тщательно перемешайте смесь стальной ложкой. Затем быстро выньте ложку, и вы получите работающий ядерный реактор".

Конечно, это шутка. Однако в принципе именно так может выглядеть гомогенный (однородный) ядерный реактор на тепловых нейтронах. Но как, не имея опыта домашней хозяйки, а руководствуясь только рецептом, можно приготовить не обед, а лишь нечто с ним схожее, так, не зная принципов работы реактора, не имея необходимых контрольных приборов, можно получить бак с грязной водой, а если и реактор, то такой, которым невозможно управлять.

Хотя о существовании больших запасов энергии в ядре атома было известно очень давно, понадобилось несколько десятилетий исканий, расширения знаний о свойствах ядер атомов, длинная цепочка интересных, открытий, приведших к созданию ядерного реактора, - устройства, в котором освобождается энергия деления ядра.

Ядра со "знаком качества"

Чтобы разделить ядро и вызвать высвобождение внутренней энергии, нужно выбрать "инструмент", сравнимый с размером самого ядpav-ведь никто не станет разбивать грещшй opejc паровым молотом. Непригоден он и для разделения ядра. Его и не разбить таким инструментом.

Мы уже знаем несколько частиц, сравнимых с размером ядра. Перечислим их. Прежде всего это само же ядро. Затем нейтрон и протон. Пока достаточно. Они пригодны в качестве инструмента. А теперь стоит уточнить,, какими свойствами этот инструмент должен обладать.

Чтобы расколоть полено, разбить камень или распилить железную заготовкуг мало иметь остро отточенный топор,, удобный молоток или пилу, нужно еще затратить энергию. Нельзя забывать, что материалы бывают капризные: каждому нужна только "его" энергия - та, с помощью которой можно этот материал обработать.

Чтобы разделить ядро, нужно затратить энергию, различную для разных ядер.

При изучении строения атома и его ядра обычно возникает вопрос: почему ядро не разваливается само по себе? Ведь входящие в его состав протоны электрически заряжены, следовательно, они должны отталкиваться друг от друга с большой силой. Почему же этого не происходит? Объясняется это тем, что внутри ядра действуют еще так называемые внутриядерные силы, притягивающие друг к другу частицы ядра. Силы эти велики, но действуют только на очень близком расстоянии, поэтому их называют короткодействующими. Онито и компенсируют - гасят силы электрического отталкивания протонов и не дают ядру самопроизвольно распасться.

В пределах объема ядра составляющие его частицы находятся в беспрерывном движении. Если бы удалось добавить туда хотя бы немного энергии, то есть ввести ее избыточное количество, то частицы стали бы двигаться быстрее. Можно предположить, что они смогли бы преодолеть соединяющие их ядерные силы и "изнутри" взорвать, разделить ядро. Величину этой избыточной энергии (физики называют ее энергией возбуждения) можно рассчитать.

Если проделать эти вычисления, то окажется, что легче всего поддаются делению тяжелые ядра. Так, для урана-235 величина энергии возбуждения равна всего 5 миллионам электронвольт - 5 Мэв. (В своих расчетах физики предпочитают пользоваться этой единицей энергии. Один Мэв примерно равен 4-10^-17 килокалориям.) Для платины (атомный вес 195) величина возбуждения равна 40 Мэв, а для элемента с атомным весом 141 (празеодим) возрастет до 62 Мэв. Ядра тяжелых элементов самые неустойчивые. Достаточно лишь немного "подтолкнуть" такое ядро, то есть добавить небольшое количество энергии, как оно разделится.

Если теперь возобновить разговор об инструменте и энергии, то инструментом для деления атомного ядра могут быть, как уже говорилось, протоны, другие ядра или нейтроны. Попав в ядро, они должны иметь хороший запас энергии, то есть обладать большой скоростью. Этот запас должен быть не меньше той энергии возбуждения, о которой речь шла выше. Только тогда ядро перейдет в возбужденное состояние и произойдет его деление.

Для того чтобы протон или нейтрон обладали энергией 5 Мэв, необходимой, для деления урана-235, нужно, чтобы скорость их равнялась 30 тысячам километров в секунду.

Мы еще не обращали внимания на одно свойство частиц, представляющих собой инструмент для деления ядра, - их заряд. А ведь протоны и ядра атомов - это заряженные частицы, и именно поэтому они как инструмент непригодны для деления ядра. При сближении, например, протона с ядром между ними будут действовать силы отталкивания. Преодолевая их, протон потеряет часть своей энергии и попадет в ядро таким обессиленным, что уже не сможет разделить ядро. Значит, энергия заряженных частиц-снарядов должна быть очень большой (вспомните термоядерный синтез), существенно больше энергии, необходимой для деления ядра.

Поэтому в качестве инструмента для деления предпочтение надо отдать незаряженному нейтрону. Пользуясь своей нейтральностью, он может свободно проникать в ядро; ему не надо преодолевать силы отталкивания. Чтобы разделить ядро, он должен только принести в него энергию возбуждения, и ее будет достаточно для этой "операции".

Остановимся еще на одном факте, имеющем громадное значение для осуществления реакции деления.

Когда шла речь о синтезе элементов, мы заметили, что если лишь присоединить нейтрон к ядру, то, поскольку это будет уже элемент с другим атомным весом, должна выделиться энергия, обусловленная изменением недостатка (дефекта) массы. В случае присоединения нейтрона к урану-235 она равна примерно 7 Мэв. Прежде чем выделиться из ядра, эта энергия переведет его в возбужденное состояние. Следовательно, "простое присоединение" нейтрона к ядру уже вносит в него энергию возбуждения, большую той, которая необходима для разделения элемента с атомным весом 235 (она равна, если помните, 5 Мэв), точнее, 236, так как после присоединения нейтрона атомный вес увеличился на единичку.

Отсюда вытекает, что нейтрон не должен обладать никакой начальной энергией, его не нужно разгонять до 30 тысяч километров в секунду, необходимо только, чтобы он как-то попал в ядро. Тогда оно придет в возбужденное состояние и с большой вероятностью разделится. А уж само деление приведет к выделению энергии гораздо большей. О ее величине мы уже говорили: для урана-235 она равна примерно 200 Мэв на ядро (20 миллионов килокалорий на грамм урана).

Под действием нейтронов, не обладающих начальной энергией, могут делиться не все ядра, а только те, у которых энергия возбуждения, необходимая для их деления, меньше 7 Мэв, то есть той энергии, которая выделяется при простом добавлении нейтрона к ядру.

Таких ядер известно немного. Их атомный вес должен быть близким к 235, и для них энергия возбуждения, вызывающая деление их ядер, составляет около 5 Мэв.

Действительно, платина (атомный вес 195) уже не подходит. Энергия возбуждения, необходимая для ее деления, равна 40 Мэв. Элемент с атомным весом 141 вообще невыгодно делить: энергия, которую необходимо затратить на его деление (62 Мэв), меньше энергии, обусловленной дефектом массы и выделяющейся при делении (48 Мэв). Значит, нужные элементы со "знаком качества" следует искать вблизи атомного веса 235. Они легко делятся и отдают большую энергию, чем тратится на их деление. Прежде всего это сам уран с атомным весом 235, наиболее распространенный в природе, затем плутоний-239 и изотоп уран-233. Эти элементы называются делящимися.

Как это было

Последовательность шагов, которые мы делали, подходя к делению ядер, почти обратна историческому ходу событий. До 1938 года физики вообще не знали, что деление возможно. Лишь открыв это опытным путем, они объяснили природу данного явления: почему его легко осуществить с помощью нейтронов и трудно с помощью протонов. Вот как это происходило.

С 1919 года физики-экспериментаторы начали изучать ядра элементов, бомбардируя их-пучками летящих частиц: ядрами гелия (альфа-частицами), протонами.

При обстреле ядра влившаяся в него частица меняла его заряд и атомный вес. Первым человеком, осуществившим превращение ядра, был английский ученый Э. Резерфорд. Он наблюдал реакцию получения кислорода из азота при обстреле последнего ядрами гелия.

У многих исследователей потом возникла мысль о создании новых элементов, которых нет на земле. Начавшаяся серия опытов приносила массу новых сведений, одно открытие следовало за другим. Началась эта серия опытами французских молодых ученых Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри. При бомбардировке бериллия ядрами гелия были обнаружены какие-то новые частицы. Д. Чедвик в Англии повторил опыты Кюри и показал, что эти новые частицы имели массу протона, но были лишены электрического заряда. Так были открыты нейтроны. Советским ученым Д. Иваненко и немецким физиком В. Гейзенбергом была выдвинута подтвердившаяся затем гипотеза о том, что нейтроны являются составной частью ядра.

В 1934 году Э. Ферми бомбардирует атомы вновь открытыми частицами нейтронами. Обстреливая ими уран, он получил новые радиоактивные ядра, которые принял за новые элементы, следующие в периодической таблице Менделеева за ураном.

Но лишь в 1939 году стало ясно, что в действительности происходит при обстреле урана нейтронами.

В конце 1938 года Ирэн Жолио-Кюри и югославский ученый Савич провели опыты по бомбардировке урана и обнаружили среди продуктов, возникших после бомбардировки, вещество, сходное с лантаном - элементом, весьма далеким от урана в таблице Менделеева.

Эти опыты были повторены О. Ганом и его сотрудником Ф. Штрассманом (Германия). Среди продуктов облучения они обнаружили барий и молибден и уже в январе 1939 года опубликовали это сенсационное сообщение.

Атомный вес бария 137, что означало, что его ядро содержит чуть более половины числа протонов и нейтронов ядра урана. Таким образом, было установлено, что ядро урана раскалывается на более легкие ядра, в числе которых ядро бария. Этот процесс назвали расщеплением ядра. Затем появился термин - деление.

Позже было установлено, что при делении урана-235 может образоваться до 30 пар различных элементов. Характер деления таков, что ядро распадается на равные половины или образует одно тяжелое и одно легкое ядра.

В дальнейшем опыты, поставленные Ф. ЖолиоКюри, показали, что при делении урана выделяется громадная энергия. При этом были обнаружены осколки урана на расстоянии трех миллиметров от места их деления, что свидетельствовало о ядерном взрыве. Ведь если сопоставить указанное расстояние с масштабом земного шара, то оно равносильно отбрасыванию осколков нашей планеты в случае ее взрыва на расстояние 400 миллионов миллиардов километров, то есть на половину диаметра нашей Галактики.

Сомнений не было - человек впервые осуществил ядерный взрыв.

Ленинградским физиком-теоретиком Я. Френкелем и датским ученым Н. Бором была разработана теория деления ядра урана. Из нее следовало, что при делении появляется больше нейтронов, чем нужно для образования легких ядер. Некоторые из этих частиц, вошедших в новые ядра, превращаются в протоны, испуская при этом один электрон. Другие, избыточные, нейтроны выбрасываются из ядра и остаются свободными.

Об испускании нескольких нейтронов расколовшимся ядром стало достоверно известно в начале 1939 года после проведения экспериментов по делению урана. Это и натолкнуло физиков разных стран на мысль узнать, сколько же нейтронов испускается при делении урана.

Они готовили эксперименты и с нетерпением ожидали своих и чужих результатов.

По разным причинам им представлялось, что результаты будут различные. Так, венгерский физик Л. Сциллард, эмигрировавший в Америку, в письме к Ф. Жолио-Кюри изложил свои надежды, отражающие ту драматическую ситуацию, в которой находились ученые:

"Мы все надеемся, что количество выделяющихся нейтронов либо равно нулю, либо недостаточно, и нам не придется больше беспокоиться по этому поводу".

Что же вызвало беспокойство ученых? Сформулируем задачу, которую необходимо было решить, четче.

Сформулируем ее так, какой она представлялась физикам, начинавшим борьбу за покорение атома.

Предстояло создать установку большой мощности для получения энергии от деления ядер. Если бы не требование высокой мощности, такую установку можно было бы создать довольно просто. Надо взять кусок урана-235 и начать обстреливать его нейтронами. В качестве источника нейтронов, состоящего из смеси нескольких элементов (в том числе радиоактивных), используем такой, из которого в секунду вылетает 30 миллиардов нейтронов. Для нас "сейчас неважно, как устроен этот источник. Отметим только, что он очень большой мощности по сравнению с источниками, применяемыми, например, физиками-экспериментаторами.

Допустим, что все нейтроны, попав в ядра урана, вызовут их деление. В таком случае в секунду будет выделяться 2-10^-4 килокалорий. Но это же очень и очень мало! В этой установке в течение суток выделится всего 20 килокалорий, то есть энергия, достаточная лишь для того, чтобы вскипятить стакан воды. Ясно, что такая установка для энергетики не годится. У нее должен быть другой принцип работы. Какой? Примерно такой, как в обычной реакции горения. Ведь мы не поджигаем спичкой каждое полено, каждый кусок угля и не подводим энергию к каждой паре атомов углерода и кислорода. Достаточно зажечь топливо в каком-то одном месте, а дальше реакция охватывает всю горючую массу. Пламя, словно по цепочке, переходит от одной части топлива к другой. Так осуществляется цепная реакция горения.

Теперь нет никаких сомнений, что для деления урана нужна также цепная реакция. Деление одного ядра должно вызывать деление других; именно здесь должны сыграть свою роль нейтроны, вылетающие при делении. Они и будут тем пламенем, которое перенесет реакцию от одного ядра к другому.

Пусть в нашем распоряжении только 100 нейтронов.

Кажется, это не так много. Но такой малостью можно многого добиться: можно расщепить 100 ядер урана.

Если при этом из каждого разделившегося ядра вылетит по 3 новых нейтрона, то мощность реакции очень быстро разовьется и она пойдет сама собой. Из разделившихся 100 ядер урана вылетят 300 новых нейтронов уже второго поколения (первое поколение - это 100 исходных нейтронов). Нейтроны второго поколения произведут уже 300 делений, при которых вылетит 900 нейтронов уже третьего поколения. В следующем число делений снова увеличится в три раза и станет равным 2700, затем 8100 и т. д. Число делений будет увеличиваться безгранично, если вовремя не остановить этот процесс. Такая цепная реакция называется растущей.

Если бы при каждом делении урана вылетало не 3 нейтрона, а только один, то число делений в каждом поколении оставалось бы постоянным. Наконец, если при делении вылетало бы меньше одного нейтрона, скажем, 0,5 (один нейтрон на два акта деления), тогда число делений в последующих поколениях сокращалось бы вдвое: вместо 100-50, затем 25... Такая цепная реакция в конце концов прекратится.

Теперь мы подошли к концу поиска принципов работы установки, использующей энергию деления ядер.

Впрочем, с точки зрения физика, тут-то и начинается настоящий поиск. И пожалуй, он будет прав. Пока мы знаем только принцип работы установки, но ведь ее еще нужео сделать так, чтобы осуществился найденный принцип.

После открытия деления ядер в том же, 1939 году на научном совещании советских физиков в московском Доме ученых обсуждалась возможность возникновения цепной реакции деления урана. Хотя было еще очень мало экспериментальных данных, общие условия, необходимые для осуществления цепной реакции, были сформулированы. Со времени этого совещания исследования деления урана нейтронами заняли центральное место в лаборатории крупного ученого-физика Игоря Васильевича Курчатова, работавшего тогда в Ленинградском физико-техническом институте. Он организовал семинар, на котором обсуждались все вопросы деления урана. К работе были привлечены ленинградские физики Ю. Харитон, Я. Зельдович, Г. Флеров. Уже в ноябре 1939 года на состоявшемся в Харькове совещании физико-математического отделения Академии наук СССР Ю. Харитоя изложил проведенное им и Я. Зельдовичем теоретическое исследование течения цепной реакции в уране. После харьковского совещания И. Курчатов направил все научные силы на исследования размножения нейтронов. Его молодые сотрудники Г. Флеров и К. Петржак изучали процессы деления урана, когда нейтроны "поставлялись" внешним источником. Както поздней ночью, собираясь идти домой, они его убрали и поразились: деление урана продолжалось. Соратник И. Курчатова физик И. Головин так описывает продолжение этого события. "Позвонили Курчатову. Обсудили удивительный результат и продолжали наблюдать.

В два часа ночи Курчатов позвонил в лабораторию и сказал: "Тщательно проверьте. Это не открытие, а какая-то грязь". В течение нескольких месяцев он заставлял своих учеников менять условия опытов и добывать неопровержимые факты. Возникали сомнения: может быть, лаборатория заражена радиоактивностью? Нет, ни один радиоактивный элемент не мог дать таких сильных импульсов. Может быть, деление вызывают космические лучи? Немедленно опыты переносятся под землю, на станцию "Динамо" Московского метрополитена. Нет, космические лучи тут ни при чем... Когда все сомнения были разрешены, И. Курчатов Наконец согласился на опубликование открытия.

Г. Флеров с К. Петржаком в начале 1940 года послали краткое сообщение об открытом ими новом явлении - самопроизвольном делении урана - в американский журнал "Физикал ревью", в котором печаталось большинство сообщений об уране. Письмо было опубликовано, но проходили неделя за неделей, а отклика все не было. Просматривая американские журналы, советские физики обнаружили поразительный факт. После бурного потока статей, наперебой сообщавших о результатах исследования деления урана, американская печать вдруг умолкла".

После Великой Отечественной войны мы узнали, что инициатором засекречивания работ по урану была группа физиков во главе со Сциллардом. Да, именно тем Сциллардом, который в письме к Ф. Жолио-Кюри выражал надежду, что число нейтронов, выделяющихся при делении, будет слишком малым, чтобы вызвать беспокойство. Беспокойство какого рода его волновало, из-за чего?

Теперь это очевидно. Если число нейтронов, вылетающих при одном акте деления, велико, то возможна растущая цепная реакция деления, которая, если ее не контролировать, может привести к взрыву, взрыву громадной мощности. А это не что иное, как атомная бомба. Надо иметь в виду, что в эти годы в Германии фашизм достиг апогея. Всем было ясно, куда гитлеровцы ведут мир: он стоял на грани второй мировой войны.

Опасаясь, что получаемые результаты могут быть использованы фашизмом для создания ядерного оружия, Л. Сциллард и предложил засекретить работы по урановой проблеме.

В Советском Союзе урановая проблема последний раз открыто обсуждалась в Москве в ноябре 1940 года на Всесоюзном совещании по физике атомного ядра.

И. Курчатов и Ю. Харитон выступили тогда с обстоятельными докладами об условиях осуществления цепной реакции.

После этого общение физиков СССР, США и других стран прервалось. Возобновилось оно только в послевоенные годы.

Что же касается количества нейтронов, вылетающих при делении урана, то их оказалось достаточно. Первые эксперименты, проведенные группой Ф. Жолио-Кюри, разрушили отчаянные надежды Л. Сцилларда на то, что ядерная реакция заглохнет. Освобождение энергии атома оказалось возможным: при делении одного ядра урана французские физики насчитали от 2,8 до 4,2 вылетающего нейтрона. Позже это число было уточнено: тщательные измерения показали, что количество освобождающихся нейтронов неодинаково в разных случаях деления и зависит от того, каким образом распалось ядро урана. При одном акте деления может быть всего один нейтрон, при другом - два, а при следующем - три.

Если подсчитать среднее число нейтронов, вылетающих при делении, то окажется, что оно равно 2,5.

Заканчивая рассказ об истории открытия деления урана, нельзя пройти мимо такого важного факта: большую часть фундаментальных открытий делали молодые ученые. В те годы Э. Ферми, И. Курчатову и Ф. ЖолиоКюри было всего по 30-35 лет. Да и ныне стало привычным, что самый большой творческий вклад в развитие науки вносят молодые исследователи. Их успех объясняется тем, что им легче выкорчевывать из своего подсознания устаревшие понятия и истины.

Открытие, сделанное в бассейне

Казалось бы, имеется все для создания установки по извлечению энергии ядра: есть уран-235, способный делиться, есть самопроизвольное деление урана, которое дает начало цепной реакции, и, наконец, для поддержания цепной реакции есть большое количество нейтронов, вылетающих при делении.

Если бы, скажем, возникло требование построить атомный реактор мощностью 500 ватт, работающий на протяжении пяти лет, то понадобился бы всего один грамм урана.

Однако нечего надеяться с помощью такого реактора вскипятить воду в чайнике (ведь 500 ватт - мощность обычной бытовой электроплитки), так как в нем не возникнет самоподдерживающейся цепной реакции.

Почему?

В какой-то момент в таком кусочке урана произойдет самопроизвольное деление хотя бы одного ядра. Допустим, при этом вылетят два нейтрона, которые, попав в еаходящиеся рядом два ядра урана, вызовут их деление... По логике вещей, должна получиться цепная реакция. Но быть уверенным в том, что два нейтрона, вылетевшие при самопроизвольном делении первого ядра, попадут в соседние ядра урана, нельзя.

Можео привести такой пример. Попробуйте, встав напротив открытого окна дома, попасть в него хотя бы теннисным мячиком. Можно с уверенностью сказать, что это сделать нетрудно. Но если, скажем, в каком-то заранее неизвестном месте будет подвешен спичечный коробок и попасть в него надо с закрытыми глазами, мячик, пожалуй, придется бросать несколько тысяч раз.

Точно в таком же положении находится и нейтрон, вылетевший из разделившегося ядра. Он тоже ничего "не видит", и весьма вероятно, что он пролетит мимо всех окружающих его ядер урана. Ведь кусок урана только нам кажется очень плотным, непроницаемым веществом.

Для нейтрона же это пустота, в которой ему лишь изредка попадаются ядра урана. Их объем в этом кусочке занимает всего одну десятитриллионную долю. Сам нейтрон по сравнению с этим "пустым" кусочком урана так же мал, как шарик объемом в один кубический миллиметр по Сравнению с Солнцем.

Чтобы рождающиеся нейтроны могли попасть в ядра урана, нужно на пути их полета увеличить количество этих ядер, а значит, увеличить толщину слоя урана, через который должны пролетать нейтроны. С ростом размеров куска урана, который мы можем называть реактором, все большее число нейтронов будет попадать в ядра урана, вызывая их деление.

При каком-то размере куска доля нейтронов, попадающих в ядра урана, будет достаточна для поддержания цепной реакции. Этот минимальный объем реактора, при котором обеспечивается самоподдерживающаяся цепная реакция, называют критическим объемом, а соответствующий вес урана - критической массой. Величина ее для урана-235 составляет около 50 килограммов.

Этот реактор мы "построили" целиком из урана.

Однако более распространены реакторы другого типа, в которых уран перемешан с каким-либо неделящимся элементом. Тогда критическая масса может быть гораздо меньшей.

Основной принцип, лежащий в основе построения такого реактора, был открыт Э. Ферми в 1934 году, когда вообще еще ничего не было известно о делении урана.

Вместе со своими сотрудниками Б. Понтекорво, Амальди и другими Э. Ферми занимался исследованием радиоактивности различных элементов. Образцы изготавливались в виде пустотелых цилиндров с вставленными в них источниками нейтронов. При облучении материала цилиндрика нейтронами образовывались радиоактивные ядра. Именно их радиоактивность и изучали исследователи. И вот 22 декабря 1934 года, производя опыты с серебряным цилиндриком, Б. Понтекорво обнаружил, что активность цилиндрика была разной в зависимости от того, где он стоял в момент облучения. Оказалось, что предметы, находящиеся вблизи цилиндрика, способны влиять на его активность: если цилиндрик облучали, когда он стоял на деревянном столе, его активность была выше, на металлической подставке она понижалась.

Вот что пишет по этому поводу Лаура Ферми в книге "Атомы у нас дома": "Теперь уже вся группа заинтересовалась этим и все приняли участие в опытах. Они поместили источник нейтронов вне цилиндра и между ним и цилиндриком ставили различные предметы.

Свинцовая пластина слегка увеличивала активность.

Свинец - вещество тяжелое. "Ну-ка давайте попробуем теперь легкое! предложил Ферми. - Скажем, парафин". Счетчик словно с цепи сорвался, так и защелкал.

Все здание загремело возгласами. Немыслимо! Невообразимо! Черная магия! Парафин увеличивал искусственную радиоактивность в сто раз...

"Давайте-ка попробуем установить, какое действие окажет на активность серебра большое количество воды", - заявил Энрико.

Лучшего места, где имелось бы "большое количество воды", чем фонтан с золотыми рыбками в саду... позади лаборатории, нельзя было и придумать. Они притащили свой источник нейтронов и серебряный цилиндрик к фонтану и опустили то и другое в воду. Результаты эксперимента привели их в неистовое возбуждение... Вода также во много раз увеличивала искусственную радиоактивность серебра".

Чем же было вызвано такое "неистовое возбуждение" Э. Ферми и его сотрудников? Что было необычного и, если хотите, на первый взгляд противоречивого в этих опытах?

Вот что поразило исследователей. Ведь радиоактивность серебряного цилиндрика определяется тем, сколько нейтронов, вылетающих из источника, попадет в ядра серебра, образуя при этом радиоактивные ядра. Но ведь количество вылетающих нейтронов не менялось и цилиндрик оставался прежним, а тем не менее радиоактивность возрастала. Значит, в силу каких-то причин сечение ядер серебра, то есть площадь их, то есть мишени, в которые попадали нейтроны, менялось в зависимости от соседствующих предметов. Еще более фантастичным оказался тот факт, что сечение ядер для налетаюших на них нейтронов было в несколько десятков раз больше геометрической площади сечения ядер серебра.

Это поставило ученых в тупик. Когда группа Э. Ферми в том же году сообщила о результатах своих исследований, многие физики посчитали эти опыты ошибочными.

Ведь получалось, что вокруг ядра есть какая-то зона, намного превышающая площадь ядра, попав в которую нейтрон тут же захватывался ядром. Но если даже признать, что такое явление возможно, нужно было объяснить, почему эта площадь зависит от предметов, находящихся вблизи цилиндра.

Первое объяснение этим фактам дал сам Э. Ферми.

Уже во время эксперимента он догадывался, в чем первопричина этого явления. И не случайно предложил провести опыты в бассейне с водой. Позже многочисленными опытами и теоретическими разработками удалось существенно прояснить картину взаимодействия нейтронов с ядрами. Давайте и мы более подробно посмотрим, что происходит с нейтронами, пролетающими через какое-либо вещество. Ведь в опытах Э. Ферми активность цилиндрика менялась как раз потому, что между ним и источником нейтронов размещали разные материалы.

В основном картина взаимодействия нейтронов с веществом такова. Столкнувшись с ядром атома, нейтрон может просто поглотиться в нем. Если это ядро делящегося материала, то может произойти деление ядра.

Наконец, столкнувшись с ядром, нейтрон может просто отскочить от него рассеяться. Вот это событие следует рассмотреть внимательнее.

Если летящий футбольный мяч ударится о стенку дома, он отскочит от нее и с чуть меньшей скоростью полетит в каком-то другом направлении. Но если он ударится о другой такой же мяч, то может случиться так, что он совсем или почти совсем остановится, а тот, что находился в покое, полетит со скоростью, близкой к скорости налетевшего на него мяча. Значит, в первом сл\чае (при столкновении со стенкой) скорость футбольного мяча почти не изменилась, а во втором (столкнонии мяча с мячом) она стала близка к нулю. Конечно, и во втором случае футбольные мячи могли бы столкнуться так, что после удара полетели бы в разные стороны с какими-то скоростями, правда, меньшими, чем скорость налетевшего мяча, но для нас важен тот факт, что при соударении мяча с телом, масса которого оч"ень велика по сравнению с ним, скорость последнего почти не меняется. При столкновении же с телом массой, равной или близкой его массе, его скорость может изменяться весьма существенно.

Приблизительно то же самое происходит и с нейтронами, рассеивающимися на различных ядрах. Если нейтрон пролетит сквозь свинец (как в первом опыте Э. Ферми), то, сталкиваясь с ядрами атомов свинца, которые в 200 раз тяжелее нейтрона, он отскакивает от них, как футбольный мяч от стенки дома, почти ее уменьшая своей скорости, а следовательно, и энергии.

Значит, рассеяние нейтронов свинцом не приводит к существенному уменьшению их энергии.

Но вот источник нейтронов был помещен в воду, и его нейтроны, прежде чем добраться до серебряного цилиндрика, должны были пройти через слой воды, в которой очень миого атомов водорода, то есть много протонов, почти равных по весу нейтронам. Соударяясь с ними, как футбольный мяч с другим мячом, нейтрон может потерять большую часть своей энергии.

Чем больше число раз нейтрон столкнется с ядрами водорода, тем меньше будет его скорость, а значит, и энергия. Конечно, совсем остановиться иейтрон не может. Ведь атомы вещества не находятся в покое. Они движутся, колеблются, сталкиваются, обусловливая этим движением температуру вещества. Вот и получается, что остановиться нейтрон ее может. Если он попытается это сделать, на него немедленно налетели бы беспорядочно движущиеся окружающие его ядра и заставили бы двигаться. Итак, минимальная скорость движения нейтрона определяется температурой вещества. При комнатной температуре эта скорость равна всего двум тысячам метров в секунду, и поэтому нейтроны, движущиеся с такой скоростью, называют тепловыми, или медленными, так как их скорость после столкновения с окружающими ядрами вещества замедляется в 10 тысяч раз. Скорость же нейтронов, вылетающих при делении, равна 20 тысячам километров в секунду. Поэтому их называют быстрыми.

Теперь понятно, почему были разными результаты опытов, поставленных Э. Ферми при облучении серебряного цилиндрика. В одном случае на него падали быстрые нейтроны, в другом - медленные. Значит, площадь сечения ядра-мишени зависит от того, какова энергия нейтрона, налетающего на ядро. Ясно, что когда мы говорим о площади сечения ядра, то подразумеваем не геометрическую, а эффективную площадь ядра, попав в которую нейтрон провзаимодействует с ядром, то есть поглотится, рассеется или вызовет деление.

Есть такая игра: на дне небольшой коробочки сделано несколько лунок и там столько же шариков. Задача заключается в том, чтобы, покачивая коробочку, заставить все шарики упасть в лунки. Попробуйте сделать это, тряся коробочку очень резко. Поверьте, из этого ничего не получится. Шарики, быстро перекатывающиеся по дну коробочки, пролетят мимо лунок, и если даже попадут в них, то тотчас выскочат и покатятся дальше. Только очень осторожно наклоняя коробочку, так, чтобы шарики катились медленно, можно заставить их попасть в лунки. Приблизительно так же можно было бы объяснить увеличение площади сечения ядра при

уменьшении скорости нейтрона. Чем медленнее нейтрон, чем дольше он находится вблизи ядра, тем больше вероятность того, что он не проскочит мимо него.

Здесь целесообразно заметить, что истинная причина такой зависимости сечения ядер от скорости налетающих нейтронов лежит в двойственной природе самого нейтрона. Мы считали, что он - частица, подобная, например, очень маленькому шарику. И действительно, во многих явлениях и процессах нейтрон ведет себя как частица. Но существует множество опытов, которые можно объяснить только, посчитав нейтрон неким сгустком волн, что он как бы размазан в пространстве. При этом оказывается, что чем меньше его скорость, тем больше длина его волны и его размер. Если же нейтрон очень медленный, то может оказаться, что его размер в несколько тысяч раз больше размера ядра. Поэтому так сильно возрастает площадь, попав в которую нейтрон взаимодействует с ядром. Физики называют эту площадь сечением ядра, именно ядра, а не налетающего на него нейтрона.

Это открытие позволило предложить другой тип атомного реактора, нежели просто кусок металлического урана-235. Необходимое условие осуществления цепной реакции - это удержание в таком реакторе достаточного количества нейтронов, рождающихся при делении. Если реактор делается только из урана, то приходится значительно увеличивать размеры шара, так как при делении урана рождаются быстрые нейтроны, а сечение ядер для таких нейтронов очень маленькое, и большое количество нейтронов улетает из уранового шара, так и не вызвав нового деления.

Ограничить вылет нейтронов из атомного реактора и заставить их делить ядра урана можно и другим способом. Для этого в реактор надо добавлять любой химический элемент, замедляющий нейтроны, например водород. Столкновение с ядрами водорода будет не только препятствовать вылету нейтронов, но и замедлять их.

А медленные нейтроны, как мы уже знаем, будут более эффективно захватываться ядрами урана и делить их.

Если такой реактор сделать в виде сферы, заполненной водой, в которой будет растворен уран, то, чтобы началась цепная реакция, потребуется всего около килограмма урана. Такой атомный реактор называют реактором на тепловых, или медленных, нейтронах.

Реактор, в который специально не вводится замедляющее вещество и представляющий собой, например, сферу из металлического урана, называют реактором на быстрых нейтронах.

Так целая цепочка открытий, сделанных в 30-е годы нашего столетия, дала возможность разработать теорию и приступить к созданию атомного реактора, в котором при делении ядер освобождалась бы внутриядерная энергия.

Конечно, всем этим достижениям предшествовали фундаментальные классические исследования, а попытки проникнуть внутрь ядра начались на несколько десятилетий раньше. Точно так же ведущиеся в наше время исследования по физике ядра и элементарных частиц несомненно приведут к новому скачку в понимании тайн веществ, не меньшему, чем был осуществлен в те уже довольно далекие годы.

ТЫСЯЧИ ВОПРОСОВ

Я бы предпочел найти истинную причину хотя бы одного явления, чем стать королем Персии.

Демокрит

Одно из основных преимуществ атомной энергетики - это огромная калорийность используемого в ней ядерного топлива. Вспомните числа: деление урана дает 20 миллионов килокалорий на грамм разделившегося топлива против 7 килокалорий на грамм угля. Это много, бесконечно много. Такая высокая калорийность позволяет значительно уменьшить объем перевозок топлива.

Кроме того, одним из главных достоинств атомной энергетики является возможность перенесения центра тяжести производства энергии из отрасли, добывающей топливо (уголь, нефть, газ, сланцы), в отрасль машиностроения с ее традиционно поточным методом производства и высокой степенью автоматизации.

В действительности эффективная калорийность ядерного топлива оказывается не столь высокой. Правда, на транспортных расходах некоторое уменьшение выхода энергии в реакторе по сравнению с расчетной почти не сказывается. Подумаешь, вместо 20 миллионов килокалорий из грамма урана мы получим в 100 раз меньше!

Однако соглашаться на такой расточительный его расход никак нельзя. Ведь на Земле его не бесконечное количество. От чего же зависит эффективность использования ядерного горючего?

Всего процент. Почему?

Главная идея, лежащая в основе ядерного реактора деления, понятна: нужно, смешав уран и замедлитель, взять достаточное количество смеси, и в ней возникнет цепная реакция. Объем этой смеси называют критическим объемом, а массу урана - критической массой.

Однако бесполезно пытаться сделать реактор с однородной смесью природного урана и какого-либо легкого замедлителя: воды или графита. Он работать не будет; как говорят физики, такая установка никогда не достигнет критичности. Одна из причин неудачи состоит в том"

что в смеси применен природный уран.

В чистом виде урана-235, способного делиться под действием тепловых нейтронов, в природе не существует. Во всех рудах и минералах, содержащих уран, он находится в смеси с другим изотопом - ураном-238.

А его, к сожалению, в природном уране содержится 99,3 процента. И только около 0,7 процента приходится на долю урана-235. Чем же это плохо?

А тем, что уран-238 тепловыми нейтронами не делится, а просто поглощает их. Более того, он жадно поглощает не только тепловые - медленные нейтроны, но и нейтроны более быстрые, еще не успевшие отдать свою энергию в процессе замедления. Такой сильный захват нейтронов физики назвали резонансным.

Еще в 1936 году И. Курчатов в работе "Расщепление ядер нейтронами" описал явление резонансного поглощения. Но вышло так, что честь этого открытия принадлежит не ему. В то время, когда И. Курчатов и его сотрудники для проверки выводов и опровержения сомнений коллег-оппонентов, в первую очередь Л. Арцимовича, вновь и вновь ставили контрольные опыты, в печати появилась публикация Э. Ферми, в которой и описывалось резонансное поглощение нейтронов.

Казалось бы, если уран-238 - вредный поглотитель, то его нужно просто отделить от урана-235. Конечно, это так. Но вот отделить его вовсе не просто. Если, скажем, нужно очистить воду от каких-либо примесей, то ясно, что речь идет о разделении различных химических веществ, обладающих различными химическими и физическими свойствами. На этом и основывается разделение. Но уран-238 и уран-235 - это разные изотопы одного и того же химического элемента, и химические и физические свойства у них практически одинаковы. Разделение этих изотопов должно основываться на другом принципе, на их различии. Чем же отличается уран-238 от урана-235?

Вес этих изотопов различный, и в основе их разделения должно лежать это различие. Существует большое количество методов разделения изотопов; упомянем лишь электромагнитный, метод центрифугирования и газовой диффузии. Расскажем о методе газовой диффузии, на примере которого особенно отчетливо видны трудности, которые необходимо преодолевать при разделении изотопов одного и того же элемента.

Метод этот основан на том факте, что молекулы легкого газа при одной и: той же температуре движутся в среднем более быстро, чем молекулы тяжелого газа.

Как-то в 1945 году на одном из научно-технических заседаний, когда советский ученый И. Кикоин рассказывал о методах разделения, И. Курчатов в шутку заметил, что этот процесс схож, если можно так выразиться, с ситуацией при выходе из кинотеатра после окончания сеанса: подростки проскакивают быстрее степенных и солидных зрителей.

Возвращаясь к проблеме разделения изотопов, скажем, что если пропускать через пористую перегородку газовую смесь, то молекулы легкого газа пройдут быстрее и за перегородкой содержание его окажется больше, чем до перегородки.

Уран-238 и уран-235, как известно, металлы.

Для разделения их прежде всего переводят в газообразное состояние, соединяют с фтором и получают гексафторид урана. Этот газ и пропускают через пористую перегородку с микроскопическими отверстиями порядка 10^-8 сантиметра. Однако после одного прогона через перегородку содержание легкого изотопа урана-235 увеличивается всего в 1,002 раза. Чтобы увеличить концентрацию, этот процесс повторяют снова и снова. Например, чтобы поднять содержание урана-235 с 0,7 процента до 99, нужно пропустить газ примерно через 4 тысячи таких перегородок.

При разделении больших количеств изотопов применяют перегородки гигантской площади. Больше того, для разделения газовых смесей нужно строить специальные заводы, на которых площадь только одних пористых перегородок должна составлять сотни гектаров.

Система же труб, соединяющих отдельные камеры, протягивается на несколько тысяч километров. Ценой очень больших усилий удается отделить вредный, поглощающий нейтроны изотоп уран-238 от урана-235.

Поэтому так высока его стоимость.

Процессы разделения, которые часто называют обогащением урана, настолько важны для атомной энергетики, что научно-исследовательские и поисковые работы продолжаются и по сей день. Предложен ряд новых методов разделения, в том числе способ, основанный на использовании лазерного излучения, интенсивно изучаемый в настоящее время.

Используя уран, обогащенный изотопом урана-235, и применяя однородную смесь урана, например, с графитом, уже можно создать действующий реактор.

При достижении некоторого объема в нем начнется цепная реакция деления - реактор заработает и... через очень короткое время остановится. Почему? Дело в том, что при производстве энергии часть ядер урана-235 разделится выгорит. Количество его, находящееся в активной зоне реактора, станет меньше критической массы, и цепная реакция затухнет.

Из такого положения есть два выхода. Первый состоит в том, чтобы непрерывно загружать реактор новым ураном-235, заменяя им выгоревший. Можно, кроме того, заранее загружать активную зону дополнительным количеством горючего, предназначенного для выгорания.

Использовать первый способ в чистом виде практически невозможно: стоит выгореть всего нескольким атомам урана-235, как цепная реакция начнет затухать.

Поэтому применяют комбинацию того и другого. В реактор загружают не весь уран, необходимый для работы реактора все время, на которое он рассчитан, а только часть его. Затем, по мере выгорания, добавляют новые порции урана.

Поскольку речь зашла о выгорании урана, стоит рассказать еще об одной особенности работы реактора при нагрузке, говорят, "на мощности". Связана эта особенность с осколками ядер, образующимися при делении урана, или, как их иногда называют, - шлаками.

При пуске первого реактора, работающего "на мощности", физики столкнулись с необъяснимым явлением, впоследствии получившим название отравление. Действительно, это явление выглядит так, словно в реактор, который только что был выведен "на мощность", кто-то начинает подсыпать вредный поглотитель, бесполезно захватывающий нейтроны и прекращающий цепную реакцию.

Теперь это явление получило объяснение. Но когда физики столкнулись с ним впервые, оно выглядело непонятным, а ситуация тревожной. Под сомнением оказалась возможность работы реакторов на большой мощности. Ведь могло случиться, что при увеличении мощности отравление станет настолько большим, что ценная реакция прекратится и реактор нельзя будет вернуть в критическое состояние.

Такие мысли тревожили физиков, наблюдавших за поведением реакторов. Но уже через несколько дней после начала работы первого реактора "на мощности"

Э. Ферми удалось отыскать, или, если быть более точным, понять причину этого явления. Непонятное стало очевидным, простым, однако... неприятности, вызываемые отравлением, конечно, не исчезли. Остались они потому, что вызывались все теми же осколками ядер, или шлаками, возникающими при делении.

Шлаки, зола затрудняют процесс горения и в обычной угольной топке. Но там, обеспечивая нормальные условия для горения, их просто удаляют из топки. Другое дело шлаки атомного реактора. Удалить их очень трудно. Ведь они - атомы новых элементов, образовавшиеся при делении, и находятся они среди окружающих их атомов урана. Практически все они так и остаются в реакторе до самого конца его работы, то есть до той поры, пока активная зона не будет заменена новой. Накапливание осколков ведет к потере нейтронов, бесполезно поглощающихся ими.

Влияние некоторых шлаков-осколков на цепную реакцию сказывается сразу же после начала работы, так как они обладают очень большим сечением поглощения. Влияние других, имеющих маленькое сечение поглощения нейтронов, выявляется постепенно, по мере их накопления. Но все равно рано или поздно шлаков накопится столько, что цепная реакция прекратится, несмотря на то, что к этому времени в реакторе останется еще очень много урана-235. Ведь до самого последнего момента реактор был критическим и в нем шла цепная реакция. Теперь, после остановки, все топливо, включая и невыгоревший уран-235, нужно удалять из реактора и загружать его свежим. Выгоревший уран направляется в специальные хранилища.

Если проследить всю цепочку обращения с этим металлом, начиная с его добычи и кончая извлечением из реактора и его захоронением, то окажется, что полезно используется, то есть преобразуется в энергию, очень небольшая доля. Из всего добываемого урана в энергию деления переводится лишь один процент. Как видите, эффективная калорийность урана с учетом невыгоревшего топлива оказывается в сто раз меньше теоретически рассчитанной. Значит, на самом деле каждый грамм урана может дать не 20 миллионов килокалорий, а всего 200 тысяч. Но по сравнению с 7 килокалориями, которые можно получить при сжигании грамма угля, это, конечно, все еще очень много.

Низкая эффективность использования уранового топлива беспокоит нас и с другой точки зрения. Ведь запасы дешевого урана, как и других органических видов топлива, не безграничны. Поэтому повышение эффективности его использования - это важнейшая задача атомной энергетики сегодняшнего дня. Путей улучшения использования урана достаточно много: тут и уменьшение в реакторах вредного поглощения нейтронов за счет применения подходящих материалов, и снижение потерь при добыче урана, и экономия при изготовлении топлива, и многие другие.

Но основные причины ниакой эффективности еще и в потере топлива, выгружаемого после работы реактора. Совершенно очевидно, что его необходимо вторично использовать в реакторе, а для этого надо переработать, очистив от шлаков.

Принципиальных трудностей, тупиковых проблем в переработке топлива нет. А вот технических трудностей очень много. Достаточно сказать, что уран нужно очистить от химических элементов чуть ли не всей таблицы Менделеева, а также от многочисленных химических соединений. Ныне, правда, уже есть лабораторные, а в ряде случаев налажены и промышленные способы очистки ядерного горючего. Все же есть нужда в особых предприятиях, где все операции и манипуляции с топливом, по ремонту и замене оборудования могли бы осуществляться дистанционно. Ведь большая часть осколков, образующихся при делении, а также многие новые элементы, которые возникают при поглощении нейтронов, радиоактивны. Работать с ними так, как мы работаем с другими веществами, нельзя. Нужны специальные меры защиты. Надо сказать, что эти меры защиты, необходимые защитные материалы и конструкции известны. Однако объединение всего этого, в общем, принципиально известного атомного хозяйства - химических процессов, аппаратов переработки, автоматики, оборудования, защитных материалов и способов защиты - в одно целое, то есть создание такого надежно и эффективно работающего завода по переработке топлива, - это сложная научно-техническая проблема. Но нет сомнения, что она будет решена, ибо уже работают опытно-промышленные установки и даже заводы промышленного масштаба.

Итак, переработка топлива - один из путей повышения эффективности использования урана - обязательна в любом случае. Однако важно также добиться использования урана-238 - изотопа, который не делится тепловыми нейтронами. Кстати, он не очень хорошо делится и быстрыми нейтронами. Когда в 1939 году Г. Флеров и К. Петржак открыли самопроизвольное деление урана, основной задачей исследований, поставленной И. Курчатовым, было как раз определение пороговой энергии деления урана-238. Уже тогда было показано, что она высока и что необходимая энергия нейтронов, способных разделить ядра урана-238, тоже должна быть высока. Кстати, энергия нейтронов, вылетающих при делении, близка к этой пороговой энергии.

Было также показано, что тем не менее осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию только на уране-238 невозможно. Каким же образом можно поставить уран-238 на службу атомной энергетике, если он не очень эффективно делится нейтронами?

Оказывается, методы получения энергии из урана238 существуют, и связаны они с созданием в реакторе таких условий, при которых нейтроны поглощаются ядром урана-238 и образуется новый элемент - нептуний-239, а затем плутоний-239. Уже в реакторах на тепловых нейтронах в качестве горючего используется не только уран-235. Это видно и из следующего: содержание в природном уране делящегося изотопа урана-235 всего, как уже говорилось, 0,7 процента, а в реакторе при его работе удавалось сжечь один процент природного урана, то есть больше, чем содержится урана-235. Это увеличение эффективности использования топлива происходит благодаря расходу также и урана-238.

К тому, каким образом это происходит, мы обязательно еще вернемся, поскольку это одна из важнейших проблем атомной энергетики будущего.

А сейчас стоит вернуться несколько назад и коснуться проблем атомной энергетики прошлого.

Ошибка ученых фашистской Германии

Цепная реакция в реакторе может иметь разный характер. Она может быть растущей - мощность при этом увеличивается. Возможна реакция и затухающая.

При этом мощность будет падать. Об этом мы уже говорили. Нам сейчас надо выяснить, как направлять развитие цепной реакции или как управлять атомным реактором? Конечно, делать это нужно совсем не так, как управляют автомобилем, тепловозом или пламенем газовой горелки. И дело тут вовсе не в большей сложности, не в большем количестве приборов и систем управления - другим оказывается сам принцип управления реактором.

Как шофер меняет скорость движения автомобиля?

Он увеличивает или уменьшает мощность двигателя с помощью педали газа. Чтобы автомобиль ехал быстрее, шофер, нажимает на нее, увеличивая мощность двигателя. Но увеличение не будет беспредельным: в конце концов она достигнет определенной величины, станет какой-то вполне определенной и соответствующая ей скорость. Все зависит от того, насколько шофер переместил педаль газа. Если теперь он вернет ее в прежнее положение, то к прежней величине вернутся и мощность двигателя, и скорость автомобиля.

Математическое уравнение, описывающее критическое состояние реактора, однородно. Читателю, незнакомому с математикой, эти слова не говорят ничего.

Математик скажет, что величина, описываемая однородным уравнением, может быть определена только с точностью до постоянного коэффициента, если не задано какого-либо дополнительного условия. Но, не зная специфики работы атомного реактора, он никаких практических выводов из этого уравнения не сделает. Физикреакторщик же поймет, что в принципе мощность критического реактора, описываемого таким уравнением, может достичь любой величины.

Пусть перед нами критический реактор, в котором идет самоподдерживающаяся цепная реакция деления.

Число нейтронов в каждом последующем поколении одинаково. Это значит, что в каждый момент времени число делений урана, а значит, и мощность реактора остаются постоянными.

Теперь прибавим к этому реактору в каком-либо месте некоторое дополнительное количество урана. Положение изменится. Если, например, вначале в единицу времени делилось 100 ядер урана, то теперь дополнительный урановый блок уловит и часть тех нейтронов, которые раньше бесполезно улетали из реактора.

Число делений в каждом последующем поколении будет расти: в первом 100, во втором, скажем, 101, в третьем 102 и т. д. Одновременно будет расти и мощность реактора. И пусть в тот момент, когда она увеличилась вдвое, мы убрали от реактора тот дополнительный блок урана. Рост мощности прекратится. Те лишние нейтроны, которые вызывали ее возрастание, теперь не будут производить делений и станут вылетать из реактора. Но его мощность, и в этом принципиальное отличие поведения реактора от поведения автомобиля, осталась той же, то есть вдвое больше первоначальной!

А как надо поступить, если понадобится мощность реактора уменьшить?

В этом случае нужно из точно критического реактора просто вынуть какой-либо блок урана, число нейтронов в следующих друг за другом поколениях будет уменьшаться, и мощность реактора упадет до определенной величины.

Итак, и педаль газа, и блок урана - это органы управления, органы регулирования мощности установок.

Но как по-разному реагируют иа изменение положений этих органов регулирования автомобильный двигатель и ядерный реактор! В этом и заключается специфика управления атомным реактором. Кстати, отсюда видно, что от критической массы мощность ядерного реактора никак не зависит. При одной и той же критической массе она может быть совершенно различной.

Мы обошли стороной еще один вопрос управления реактором: именно скорость изменения его мощности.

От чего она зависит?

Регулирование реактора есть не что иное, как изменение его мощности, а она меняется вследствие изменения числа нейтронов в каждом последующем поколении.

Возрастает число нейтронов от поколения к поколению, увеличивается и мощность реактора. Значит, скорость изменения мощности зависит от того, как быстро меняются поколения нейтронов и насколько велико или мало время жизни одного поколения.

Начало жизни поколения нейтронов - это их рождение при делении. Потом в течение некоторого времени они будут находиться среди ядер замедлителя, соударяясь с ними, теряя энергию. Затем, уже замедлившиеся (тепловые), они будут блуждать среди атомов смеси урана и замедлителя, пока не поглотятся в ядре урана и не вызовут вновь деления. Этим и кончается жизнь одного поколения и начинается жизнь следующего.

Время жизни каждого нейтрона - всего одна стотысячная доля секунды. У людей одно поколение сменяет другое через 60-70 лет, и то иным кажется, что количество людей на земле растет слишком быстро.

В "реакторной" жизни смена одного поколения другим происходит за столь малое время, что количество нейтронов, а значит, и мощность реактора меняются очень быстро. Можно себе представить появление 100 тысяч поколений за одну секунду!

На самом деле такого быстрого роста не происходит.

При делении ядер не все нейтроны вылетают одновременно; часть из них задерживается в ядрах-осколках и вылетает через 10-20 секунд после деления. Жизнь всех сверстников таких нейтронов давно уже кончилась, а они в небольшом числе пережили свое поколение, существуя в миллион раз дольше. Как могут повлиять на процесс изменения мощности эти запаздывающие нейтроны?

Рассмотрим такой случай. Вы решили срочно передать кому-то важное сообщение. Но сделать это непосредственно не можете. Весть может дойти только по цепочке из пяти человек. Пусть каждый передаст это сообщение через 10 минут. Пройдет 50 минут прежде, чем весть дойдет до адресата. Если же хотя бы одно "звено" этой цепочки замедлится и передаст известие не через 10 минут, а, скажем, через сутки, то до нужного человека известие будет идти почти 1500 минут, то есть в тридцать раз дольше. А ведь запоздал только один человек!

Конечно, это не модель процесса размножения нейтронов. Но описанное показывает, как замедление в одном звене цепочки приводит к замедлению всего процесса.

Наличие запаздывающих нейтронов свидетельствует о том, что времени, затраченного на изменение мощности в реакторе, достаточно, чтобы с управлением реактором справлялась не только автоматика, но и непосредственно человек.

С неправильной оценкой явлений, вызывающих изменения мощности реактора, связана одна ошибка ученых фашистской Германии, которые в годы второй мировой войны пытались создать атомную бомбу.

После окончания войны в подземной лаборатории немецкого селения Хайгерлох был обнаружен сооруженный немецкими физиками реактор, в котором в качестве замедлителя использовалась тяжелая вода. Реактор не был критическим. Около полутора тонн урана и двух тонн тяжелой воды еще не хватало для осуществления самоподдерживающейся цепной реакции.

Первая ошибка немецких ученых заключалась в том их убеждении, что с помощью природного урана можно построить реактор, используя лишь тяжелую воду - замедлитель, слабо поглощающий нейтроны. Это надолго задержало работы по овладению атомной энергией. В те годы количество чистой тяжелой воды измерялось сотнями литров. Единственный завод по ее производству в Норвегии был взорван норвежскими патриотами. Восстановленный немцами, он вновь был разрушен при бомбардировке.

Вторая ошибка немецких физиков заключалась в том, что они считали новым сверхмощным оружием - атомной бомбой - атомный реактор на тепловых нейтронах или подобный ему. Они не знали, что время жизни одного поколения нейтронов в реакторе на тепловых нейтронах значительно дольше, чем должно быть в атомной бомбе. В силу этого (а также ряда других обстоятельств) реактор даже если и взорвется, то разделиться успеет лишь небольшое количество ядер урана.

Значит, по существу, это будет взрыв тепловой, а не ядерный. Кстати, такое ошибочное мнение очень распространено и поныне. И сейчас люди, не связанные с техникой и атомной энергетикой, считают атомный реактор и атомную бомбу одним и тем же.

Рассматривая принцип управления реактором, мы выяснили, что для изменения его мощности необходимо просто временно изменить число нейтронов одного поколения по отношению к предыдущему. То есть сделать его большим или меньшим в зависимости от того, что желательно иметь - увеличение или уменьшение мощности. Осуществляют это, добавляя или извлекая из реактора часть урана. Просто? Да, но на самом деле такой способ не применяется или, чтобы быть точными, применяется крайне редко.

Всем известно, что при пожаре цепную реакцию горения прекращают, заливая горящие предметы водой.

А чем погасить ядерную цепную реакцию? Конечно, с помощью самих ее возбудителей - нейтронов, которые можно вывести из реакции с помощью вещества, сильно поглощающего эти частицы. Таким достаточно распространенным в природе и дешевым элементом является бор. Если ввести его в точно критический реактор, он станет поглощать нейтроны, участвующие в цепной реакции. Их в конце концов будет не хватать для того, чтобы реакция была самоподдерживающейся, и мощность реактора начнет уменьшаться. А как ее увеличивать? Оказывается, это можно сделать также с помощью бора. Реактор с самого начала делают не только критическим, а надкритическим, для чего в "его вводят больше урана, нежели нужно для поддержания цепной реакции. Мощность в таком реакторе должна расти. Чтобы этого не происходило, в него вводят поглотитель - бор, и в таком количестве, чтобы реактор стал критическим. Теперь его мощность можно менять по своему желанию. Выведем бор из реактора - она станет увеличиваться. Введем в него дополнительное количество бора - мощность будет падать. А это уже вполне приемлемый способ управления. Нужно только, чтобы введение и выведение бора из реактора было простой процедурой. Для этого в рабочем объеме реактора предусматривают пустоты, которые предназначены для размещения в них поглотителя. Пустоты можно сделать, например, в виде отверстий-тоннелей, проходящих через весь реактор. Тогда поглотитель удобно вводить в виде стержней-трубок, заполненных бором. Погружая поглощающий стержень в тоннели или выводя из них, можно изменять мощность реактора.

Сейчас управление реактором, его первый пуск и вывод "на мощность" довольно простая процедура.

Но три с половиной десятилетия назад, когда создавался первый в истории человечества реактор, положение было совсем другим.

На стадионе и в монтажных мастерских

Очень многое выявлено за время, прошедшее со дня пуска первого реактора. Можно себе представить, с какой надеждой, сомнениями и тщательностью собирали его физики. То, что сейчас стало теорией, тогда еще было гипотезой, предположением. Приближенные оценки критической массы, делавшиеся в ту пору, сменились в наши дни куда более точн-ымирасчетами,, сделанными на электронных вычислительных машинах. Пойдет ли реактор (на жаргоне физиков это означает - достижимо ли критическое состояние) или самоподдерживающаяся цепная реакция не осуществится? А если пойдет, то не вырвется ли он из-под контроля?

Вот какие вопросы стояли перед физиками, собиравшими этот первый в истории человечества прибор. Руководил работами итальянский физик Э. Ферми. Первый в Европе реактор был создан в 1946 году в Москве коллективом, который возглавлял И. Курчатов.

Нужно сказать, что, хотя эти ядерные реакторы были созданы в разное время, для каждого коллектива ученых они были действительно первыми. Ученые работали независимо друг от друга и ничего не зььали о работах зарубежных коллег. Лишь в послевоенные годы были опубликованы сведения жо этим реакторам.

И вот что интересно: тогда-то и выяснилось, что американские и советские ученые шли одним и, тем же путем и решали очень сходные проблемы. На реакторах и в Чикаго и в Москве в качестве замедлителя был использован графит. В обоих случаях был создан реактор так называемого гетерогенного типа.

Можно было подумать, что такое совпадение чисто случайное, которого в иных условиях могло бы и не быть.

Но, пожалуй, истина в том, чтго" ученые в нашей стране и в США отыскали именно тот единственный оптимальный путь, который в та время был кратчайшим, ведущий к победе.

Может быть, некоторые читатели заметили одно противоречие: в первых реакторах использовался природный уран, а в начале этой главы было сказано, что создать реактор в виде однородной смеси графита (углерода) с природным ураном невозможно. Действительно, это так. В процессе замедления очень много нейтронов бесполезно поглощается в уране-238, и их начинает недоставать для цепной реакции. Реактор создать невозможно. И физики нашли оригинальное и в то же время удивительно простое решение. Казалось, они предложили бесполезную вещь - не распределять уран равномерно в графите, а собрать его в блоки-стержни и расставить их на некотором расстоянии друг от друга. Блоки же графита разместить между ними.

Что это изменило?А вот что. Быстрые нейтроны, вылетевшие при делении, замедляются теперь в блоках графита и не встречаются или встречаются очень редко с ядрами природного урана. И только после того, как они пройдут опасную область энергии, в которой уран2,38 весьма жадно их поглощает, они становятся тепловыми, медленными и захватываются ядрами урана-235.

Придумав этот оригинальный способ замедления нейтронов, физики все же через некоторое время поняли, что цепную ядерную реакцию с графитом, который выпускала тогда промышленность, осуществить невозможно, ибо в нем были многочисленные примеси химических элементов и среди них наиболее опасный для реакторов - бор.

Пришлось обращаться на заводы к специалистам с просьбой вырабатывать предельно чистый графит.

"Было очень трудно, - пишет С. Аллисон, руководивший в Чикагском университете химическим отделом проекта, - объяснить крупным поставщикам графита, почему вдруг нужно изготавливать тысячи тонн по нормам, применявшимся до тех пор исключительно для дуговых устройств спектроскопических анализаторов". Подобная ситуация возникла и у И. Курчатова. На завод, который должен был дать графит, были переданы жесткие требования к новому продукту. Директор предприятия жаловался: "Ваши требования многие встречают в штыки. А мы им возразить не можем: сами не понимаем, для чего вам нужна такая дьявольская чистота графита?" Были и курьезы. Заводской инженер, предположивший, что графит нужен для синтезирования алмазов, хвалился, что понимает важность таких жестких требований, но хотел бы знать, каким методом физики делают алмазы и как они создают высокие давления и каков выход продукции.

Так или иначе многие трудности, связанные с подбором материалов и приборов, были благополучно преодолены. И вот под трибунами университетского стадиона "Стейдт Филд" в Чикаго началось сооружение реактора. Он был построен на площадке для скуаша, своеобразного американского тенниса. На балконе вблизи установили измерительную аппаратуру. Там же находился пульт управления стержеями, которые можно было в любой момент опустить в реактор. Регулирующим стержнем управлял Д. Вейль. Момент пуска первого реактора жена Э. Ферми описывает так:

"Ферми продолжал свои объяснения, и руки его указывали "а те предметы, которые он называл: "Перо, которое вы видите здесь, чертит кривую, показывающую интенсивность реакции. Когда в котле (так называли раньше реактор) начнется цепная реакция, перо станет чертить кривую, которая будет подниматься все выше и выше и уже не будет снижаться... Итак, мы приступаем к нашему опыту.

Вейль сначала остановит стержень на пометке тринадцать футов. Другими словами, тринадцать футов длины стержня все еще будут находиться внутри котла.

Счетчики наши заработают быстрее, а перо проведет кривую вверх вот до этой точки, а затем пойдет по горизонтальной прямой. Начинайте, Джордж!"

Все глаза приковались к самопишущему прибору.

Все следили за ним затаив дыхание... Счетчики защелкали чаще, перо двинулось вверх и остановилось на той самой точке, которую показал Ферми... И так повторялось несколько раз...

Трудно сказать, как велика была опасность, которую нельзя было предвидеть, и что, собственно, могло произойти. И все-таки люди на этом корте столкнулись с чем-то неведомым! Они не решились бы с уверенностью сказать, что могут ответить на все вопросы, которые приходят им в голову. Осторожность здесь поощрялась. Осторожность лежала в основе всего. Пренебрегать ею было просто безрассудно...

Ферми снова сказал Вейлю: "Выдвиньте еще на фут,.." Счетчики защелкали чаще, пер.о поползло вверх, и кривая уже больше не стремилась выровняться по горизонтали - в котле шла цепная реакция.

Под потолком засуетилась "бригада самоубийц" с жидким кадмием в руках (жидкий кадмий - раствор в воде соли кадмия, вещества, чрезвычайно сильно поглощающего нейтроны. Заливая реактор таким раствором, можно погасить цепную реакцию). Но ничего не случилось. В течение двадцати восьми минут все смотрели на контрольные приборы. Котел вел себя, как ему и полагалось, то есть так, как надеялись физики, несмотря на все опасения".

Это произошло 2 декабря 1942 года. В те годы наша страна переживала тяжелые дни Великой Отечественной войны. Но работы по созданию реактора под руководством И. Курчатова уже начались...

Весной 1946 года в нескольких сотнях метров от домика И. Курчатова на территории лаборатории № 2 (прежнее название Института атомной энергии) закончилось строительство и отделка здания, которое тогда называли монтажными мастерскими. В бетонированном котловане десятиметровой ширины, длины и высоты выложили метровый слой графита и на нем стали складывать первый шар из уран-графитовых блоков. В графитовых кирпичах, из которых выкладывали реактор, имелись отверстия для урановых блоков, похожих на гирьки. Пока не было всего необходимого урана и графита, в здании собирали различные модели, с помощью которых можно было определить многие нужные физические параметры установки. И вот в декабре 1946 года прибыли последние партии урана и графита. На слое графита стали размещать графитовые кирпичи с вставленными в них блоками урана. Кирпичи клали так, чтобы реактор по форме как можно точнее напоминал шар - тогда меньше нужно графита и урана.

Наконец выложено шестьдесят два слоя графитовых кирпичей. Измерения показывают, что реактор почти критический. Надо еще немного улучшить размножение нейтронов - и цепная реакция начнется. И. Курчатов отпустил на отдых всех, непосредственно не связанных с пуском, а сам начал поднимать регулирующий стержень. Чем выше тот поднимался, тем осторожнее становились движения ученого. Вот стержень выдвинут еще немного. Зайчик гальванометра, а он должен был показывать поток нейтронов, чуть сдвинулся с места и остановился. Реактор заработал, но мощность его не растет, значит, еще нет цепной реакции. "Отдохнем", - говорит Игорь Васильевич. Потом еще поднял стержень на десять сантиметров. Зайчик гальванометра тронулся и начал двигаться по шкале не останавливаясь. Вот он ушел за шкалу; переключается масштаб измерений.

Мощность растет. Звонко щелкают динамики - это электрические импульсы, создаваемые нейтронами в счетчиках, с помощью усилителей превращаются в звук.

Щелчки динамиков учащаются: барабанная дробь сменяется пулеметной очередью, а затем и вовсе нельзя различить отдельные щелчки - все сливается в сплошной гул. Реактор стал надкритическим. И. Курчатов тут же оценил мощность: "Вот они, первые сто ватт от цепной реакции делений!"

Потом каждому пожал руку и поздравил с победой.

Реактор был пущен в 18 часов 25 декабря 1946 года.

Пока задачу приходится сводить к предыдущей

До сих пор мы еще не говорили, в каком виде выделяется энергия при делении атомного ядра. Очевидно, что часть ее связана с нейтронами, вылетающими при делении. Обладая огромной скоростью в 20 тысяч километров в секунду, они несут энергию в 5 Мэв на деление, что составляет 2,5 процента всей энергии разделившегося ядра. На гамма-излучение и на электроды приходится 10 процентов. Около 6 процентов уносит с собой нейтрино, причем уносит безвозвратно. И, наконец, 81,5 процента (или 88, если не учитывать всепроникающее нейтрино) приходится на осколки, те новые ядра, которые образуются при делении урана-235. Если ядро разделится точно пополам, отдав одинаковое количество энергии каждой половинке, то новое ядро-осколок будет лететь со скоростью двух тысяч метров в секунду. Обладая такой скоростью и массой, более чем в сто раз превышающей массу нейтрона, летящие осколки и уносят основную долю энергии, выделяющейся при делении.

Сталкиваясь с окружающими молекулами, они передают им свою энергию, и те начинают двигаться быстрее, интенсивнее. А увеличение скорости движения молекул вещества есть не что иное, как повышение его температуры. Так энергия деления ядра переходит в тепловую энергию движения молекул урана.

В реакторах уран находится в виде стерженьков или таблеток, выполненных из двуокиси урана и заключенных в металлическую оболочку. Из какого металла надо делать оболочки? Конечно, прочнее они были бы из нержавеющей стали. Но она очень сильно поглощает нейтроны и замедляет процесс деления. Поэтому идут: на компромисс, используя материал менее прочный и температуростойкий, но зато слабо поглощающий нейтроны. Обычно берут цирконий или сплавы этого металла.

Стержень из двуокиси урана, помещенный в герметичную циркониевую трубку, называют тепловыделяющим элементом - сокращенно "твэл". Если тепло от твэла не отводить, то температура его будет непрерывно повышаться, в конце концов он раскалится, затем размягчится - реактор "сгорит".

Каждый тепловыделяющий элемент реактора можно было бы сравнить с вытянутой в линию спиралью электрической плитки. Из нескольких тысяч таких "спиралек" составлена центральная часть реактора. Эту его часть называют активной зоной. Каждая "твэл-спиралька" отдает энергию куда большую, чем спираль электроплитки.

Напряженность работы поверхности тепловыделяющего тела, через которую передается тепло, теплотехники определяют по количеству тепла, отдаваемого единицей поверхности в единицу времени. Так, спираль электроплитки работает в довольно напряженных условиях - через каждый квадратный сантиметр ее поверхности в час проходит 4 килокалории тепла. Уже при такой тепловой нагрузке спираль накаляется докрасна.

В 25 раз больший тепловой поток идет через поверхность твэла активной зоны энергетического реактора.

Он составляет в час 100 килокалорий на один квадратный сантиметр, и тем не менее оболочка твэла докрасна не раскаляется, да до этого цирконий и нельзя допустить - он расплавится.

Как же удается снижать температуру оболочки? Конечно, хорошим отводом от твэла тепла. Наверное, многие замечали, что, если подуть на спираль электроплитки, она потемнеет, значит, температура ее понизилась, хотя количество тепла при этом выделяется то же самое. А температура понижается потому, что стало лучше отводиться тепло; и чем с большей скоростью будет отводиться тепло, тем меньшей будет температура спирали.

В большей части существующих сейчас энергетических реакторов энергия деления отводится от тепловыделяющих элементов примерно так же, но не с помощью воздуха, а воды. Охлаждающая вода поступает по трубе в нижнюю часть корпуса реактора, а затем попадает в каналы с тепловыделяющими элементами. В каждом канале может быть собрано 100-200 тепловыделяющих элементов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Протекая с большой скоростью мимо твэлов, вода охлаждает их и, нагреваясь, выходит через трубы, расположенные сбоку в верхней части корпуса реактора. Путем такого интенсивного охлаждения и удается снизить температуру оболочки твэлов. Такова общая схема отвода тепла из активной зоны реактора.

Конечно, она ненова. Так же с помощью воды, только текущей по трубкам, отбирается тепло раскаленных газов в топках паровых котлов электростанций, работающих еа органическом топливе.

Есть- у математиков такой метод решения: новую сложную задачу упрощают, разбивая ее на части до тех пор, пока она не станет похожей на какую-нибудь другую задачу, которая уже была решена раньше. Говорятг задача сведена к предыдущей. В этой связи следует заметить такой шутливый рассказ, бытующий среди учащихся. Двум студентам - математику и механику предложили почти без всяких инструментов вытащить из стены забитые по шляпку гвозди. После долгих усилий эту задачу решили оба. Затем гвозди забили в стену только наполовину. Студент-механик сразу же вытащил гвоздь, а математик сначала свел задачу к предыдущей - забил гвоздь по шляпку, а потом уж испытанным способом вытащил его. Конечно, это шутка. Рассказана же она потому, что создатели атомных энергетических установок во многих случаях поступают подобно студенту- м атем атику.

Как очевидно, задача большой части энергетических установок - это получение электричества: наиболее удобной и гибкой формы энергии. Проследим цепочку получения электрической энергии на тепловых станциях.

В топках паровых котлов электростанций сгорают уголь, нефть или газ. Тепло, выделяемое при горении, передается другому веществу, например воде. Вода разогревается и превращается в пар. Пар, выходя из котла, направляется в турбину. В ней энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения турбины. И наконец, последняя ступень - турбина вращает генератор, вырабатывающий электрический ток.

Таков долгий, но пока почти единственно возможный путь масштабного получения электрической энергии из топлива. Теперь на смену химическому топливу приходит энергия ядра. В самом факте освобождения внутриядерной энергии заложены совершенно новые большие потенциальные возможности. Во-первых, выделяющуюся энергию можно сконцентрировать в очень" небольшом объеме. Другими словами, может быть достигнута громадная плотность энерговыделения. Во-вторых, для осуществления процесса выделения ядерной энергии не нужно непрерывно вводить в установку какие-то иные, кроме топлива, вещества, без которых энерговыделение невозможно (имеется в виду кислород в топке обычных котлов). Кроме того, и само топливо вводится крайне редко. В-третьих, почти отпадает необходимость в обязательном удалении новых продуктов, возникающих в процессе энерговыделения: золы, шлаков, газов - непременных спутников процесса горения угля, сланцев, торфа, нефти. В-четвертых, количество ядерного горючего, нужного для работы реактора, в миллионы раз меньше количества химического топлива, обеспечивающего такую же выработку энергии. И наконец, в-пятых, в отличие от химических реакций (если не говорить о взрывных процессах) при выделении внутриядерной энергии могут быть получены любые необходимые температуры источника тепла.

Да, возможности громадные! Но пока... задачу получения электроэнергии приходится сводить к предыдущей, то есть превращать энергию атома в энергию пара и направлять его в турбину. Почему пока?

В кабинетах физиков-теоретиков, в конструкторских бюро, на экспериментальных установках и реакторах - везде ведутся поиски и разрабатываются новые, более совершенные пути использования энергии атома. Здесь и прямые газотурбинные ц-иклы, и магнитогидродинамические установки, и прямое преобразование тепла в электроэнергию. Трудно сказать, когда все эти новые методы войдут в жизнь. Поэтому посмотрим, как же решается эта задача сейчас.

Вода, нагретая в активной зоне, выходит из реактора и по трубопроводу поступает в парогенератор - сосуд с очень большим количеством трубочек, по которым и течет нагретая вода. Из парогенератора вода перекачивается насосом снова в активную зону. Получается замкнутый контур, из которого вода никуда не уходит:

реактор - парогенератор - насос - реактор.

Вода, циркулируя в этом замкнутом контуре, забирает тепло в активной зоне и отдает его в парогенераторе воде второго контура.

Вода второго контура, поступая в парогенератор и омывая снаружи трубочки, внутри которых протекает вода первого контура, нагревается, начинает кипеть и превращается в пар.

Энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины. После турбины отработанный пар направляется в конденсатор. Здесь он охлаждается наружной водой или воздухом, конденсируется и насосами снова перекачивается в парогенератор.

Вращение турбины передается генератору, вырабатывающему электрический ток.

Такова эта длинная цепочка превращения ядерной энергии в электроэнергию. Есть и другие схемы. Но о них мы расскажем позже.

СТЕПЕНЬ ОПАСНОСТИ

...Вещи невиданные, скрытые и непознанные порождают в нас и больше веры, и больше страха.

Гай Юлий Цезарь

Любое производство - будь то текстильная фабрика с ее машинами и шумами, металлургический комбинат с повышенной загазованностью воздуха, трактор на пашне - приносит человеку определенную пользу и определенный вред. То же самое можно сказать и по поводу энергетической станции. Если теплоэлектростанция вынуждает нас вдыхать двуокись серы, окислы азота, углекислый газ, аэрозоли и так далее, то на атомной станции вред может приносить облучение, которым сопровождается как процесс деления ядер, так и некоторые продукты, связанные с работой установки.

В каждой отрасли промышленности защите человека от вредного воздействия шумов, газов и т. д. уделяется серьезное внимание. Огромна роль профилактики - предупреждения возможных тяжелых заболеваний и травм. В атомной энергетике защите тоже уделяется большое внимание, точнее сказать, не просто большое, а по сравнению с другими производствами громадное внимание, и тем не менее к атомной энергетике у многих людей особенно настороженное отношение.

Подумайте сами. Самые различные группы населения - научные сотрудники и производственники, пенсионеры и школьники, артисты и педагоги, колхозники и служащие одинаково опасаются атомной энергии. Эта боязнь доходит порою до комизма. Бывает, что мои собеседники, узнав, что я живу невдалеке от Института атомной энергии, спрашивают с опаской: "И... ничего?"

Приходится отвечать, что я проработал там четверть века и уверен, что еще долго буду трудиться в тех стенах, где действуют реакторы и вырабатывается атомнал энергия. Кстати, этот московский район по уровню излучений один из самых благополучных.

Лекарства от радиации

Безусловно, основная причина необоснованной тревоги - чистая неосведомленность. Но объяснять только этим было бы большим упрощением. Очень важен и психологический фактор. Излучение - это нечто отличное от того, к чему привык человек. Пламя, например, явление привычное. Пожарные в робе из минерального волокна бесстрашно борются с ним. Сталевары, которых предохраняет от ожогов специальная одежда и обувь, спокойно обслуживают домны, вагранки. А химики, занятые производством вещества, способного взрываться, проникать в легкие, в кровь? Разве не они постоянно рискуют здоровьем? Но все дело в том, что металлурги, химики, строители, врачи и прочие специалисты научились обращаться с явлениями, таящими в себе опасность, и хорошо знают, чего можно от них ожидать.

А вот атомная энергия, излучение - его не видно. Оно не пахнет. Его не почувствуешь. В такой ситуации человек чувствует себя беззащитным.

Первое знакомство людей с атомной энергией было чудовищным знакомством. Ужасы Хиросимы и Нагасаки надолго останутся в человеческой памяти. К сожалению, такое знакомство привело и к тому, что выражения "атомная энергия", "атомный реактор" у многих стало отождествляться с понятием "атомная бомба", хотя из ранее сказанного читатель уже сам может сделать вывод, что это разные вещи. Но "ведь источник энергии, - скажут мне, идентичен! Что может помешать использовать атомную энергию не в мирных, а в военных целях?"

Лучше поставить вопрос так: кто может этому помешать? Ответ последует простой: это совершат народы, готовые сопротивляться всеми силами повторению Хиросимы и Нагасаки. Люди всего мира знают, чго Советское государство всячески препятствует применению адского оружия, и это их воодушевляет на борьбу против атомного кошмара.

Конечно, в атомной энергии есть опасность, И бороться против ее вредного воздействия необходимо. Но стоит ли отказываться от колоссального достижения человеческого разума? Не закрываются же химические производства, хотя на некоторых из них готовят взрывчатые и ядовитые вещества.

Не запрещаются же автомобили, самолеты, газовые плиты и электричество. А ведь они тоже могут приводить к гибели человека.

Атомная энергетика родилась в эпоху, когда развитие техники, включая и энергетику, достигло небывалых успехов и масштабов.

Она стала активно влиять на природу и облагораживающе и разрушительно, улучшая и ухудшая ее.

Пришла пора по-настоящему серьезно относиться к проблеме влияния техники и энергетики на природу и человека. Нужно сказать, что атомной энергетике явно повезло в том смысле, что с самого ее зарождения начались тщательные исследования, в частности, по созданию научно обоснованных пределов облучения. Не ошибусь, если скажу, что такого уровня эти исследования не достигли еще ни в одной из других отраслей промышленности.

Тут-то и возникает парадокс. Получилось так, что особое внимание к защите от излучений было воспринято многими как признак особой опасности, а не как показатель действительно научного и государственного подхода к здоровью человека.

За всем сказанным вовсе не скрывается намерение показать, что атомная энергия совершенно безопасна и безвредна. Как и любой вид энергии, этот также имеет свои отрицательные стороны. Важно лишь принять нужные меры защиты.

С точки зрения ученых, действительная специфика опасности атомной энергетики в ее излучениях, и они сильнее каких-либо других явлений вызывают генетические изменения в организме. Правда, эти изменения могут быть и следствием действия некоторых химических веществ и других излучений. Небезопасны, скажем, и рентгеновские лучи. Однако отрицательный эффект от воздействия ядерного излучения может быть большим.

Есть и другая особенность: часть отходов, неизбежных при производстве ядерной энергии, остается опасной иногда на протяжении нескольких тысяч лет.

Исправлю не совсем верное утверждение, сделанное мною выше о том, что для человека радиация - явление совершенно новое и непривычное. На самом деле с момента своего возникновения человечество жило, правда, не зная об этом, в потоках разнообразных лучей. Более 80 лет назад были открыты излучения ядер и началось их изучение. Но, конечно, 80 лет - малый срок для того, чтобы человечество привыкло к ним. К тому же 80 лет назад об этом знали одни лишь ученые. Подавляющее число людей заинтересовалось излучениями совсем недавно, вслед за появлением ядерного оружия и атомной энергии.

Первым ученым, "увидевшим" необыкновенные лучи, еще неизвестные науке, был немецкий физик К. Рентген.

В 1896 году весь научный мир был взбудоражен его открытием. Лучи свободно проходили через непрозрачные предметы. Этим явлением тотчас воспользовались медики. По сей день врачи ставят диагноз, направляя пучок рентгеновских лучей на человеческий организм. Исследователей же в первую очередь интересовала природа излучения. Надо было узнать, что они собой представляют и откуда берутся?

Наряду с исследованиями велся поиск излучающих веществ. В том же году французский ученый А. Беккерель, изучая те вещества, в состав которых входил уран, обнаружил, что они также источники какого-то излучения, проникающего сквозь непрозрачные тела. За открытием А. Беккереля последовали обширные исследования супругов Кюри.

Но вот что выглядело загадочным: излучение урана, делающее воздух электропроводным и зачерняющее эмульсию фотопластинок, невозможно было изменить никаким воздействием. Мария Кюри нагревала и охлаждала его соли, держала их в темноте, направляла на них пучки света. И никакого влияния. Вне зависимости от физического состояния урана, находился или не находился он в магнитном поле, излучение сохраняло прежнюю величину. Значит, шло оно из глубины элемента - из атома. Это новое свойство Мария Кюри предложила назвать радиоактивностью, исходя из латинского слова "радиус" - луч.

Явление радиоактивности, представляющее собой своего рода извержение, было первым сигналом о том, что внутри ядра есть энергия.

Последующие исследования вскрыли природу радиоактивного излучения и позволили определить его состав.

В него входят альфа-лучи, представляющие собой ядра гелия; затем бета-лучи - это электроны; и, наконец, гамма-лучи - это электромагнитное излучение. С электромагнитным излучением мы встречаемся постоянно.

Радиоволны, тепловое излучение, свет, лучи Рентгена, гамма-излучение все это электромагнитное излучение, отличающееся только длиной волны.

Электромагнитное излучение распространяется подобно волнам на воде. Расстояние между двумя близлежащими гребешками называют длиной волны. У радиоволн длина волны лежит примерно в интервале от 10 сантиметров до нескольких десятков километров. Человек их не видит и не ощущает. Но вот волны становятся короче, скажем, их длина уменьшается до одного миллиметра. И они уже ощутимы, ибо человека греет тепло, волнами идущее от солнца и батарей отопления. Если длина волны еще короче - это уже область видимого светового излучения. При длине волны Ю-7-Ю-9 сантиметра излучение носит название рентгеновского. Его человек также не видит и не ощущает. Невидимы и неощутимы и самые короткие волны около 10^-11 сантиметра. Это уже гамма-лучи.

Стоит напомнить еще об одном известном факте - о прерывистости потока излучения, о квантовании лучистой энергии. По мере изучения радиоактивности становилось очевидным, что она имеет прерывистый характер и состоит как бы из порций, из пакетов волн электромагнитного излучения. Становилось ясно, что и энергия излучения передается только небольшими порциями, которые назвали квантами. Величина квантов, то- есть количество содержащейся в них энергии, зависит от длины составляющей их волны. Чем она короче, тем больше энергии в кванте.

По-видимому, первейшими исследованиями, посвященными действию рентгеновского облучения на живые организмы, была работа русского академика И. Тарханова. Статья, опубликованная в 1896 году "В известиях Санкт-Петербургской биологической лаборатории", называлась "Опыт под действием рентгеновых Х-лучей на животный организм". Выходит, прошло лишь несколько месяцев после того, как К. Рентген впервые сообщил о своем открытии, а И. Тарханов за это время уже обнаружил, что у облученных лягушек изменяются некоторые физиологические реакции.

Наступил период, когда сами исследователи убедились во вредном действии рентгеновского излучения.

Очень многие пионеры исследования рентгеновских лучей и излучения радиоактивных ядер стали жертвами науки. Одни из них заболевали, а другие погибали.

В 1936 году в Гамбурге был установлен обелиск в память ученых, погибших при исследованиях неизвестных лучей. В момент открытия памятника на нем уже были высечены имена ста десяти ученых.

Долгое время люди не могли понять, чем вызвано губительное действие радиации. "Что тут непонятного? - удивленно воскликнет современный читатель.-Все знают, что энергия рентгеновских и гамма-лучей-наивысшая".

Все это так, но тут есть некоторые тонкости, с которыми полезно ознакомиться. Да, энергия квантов такого излучения максимальна, но даже смертельная доза в тысячу рентген (рентген - единица измерения радиации), принятая организмом, вызовет повышение его температуры лишь на три тысячные градуса, так как это только 20 калорий тепла. Под солнечными лучами мы получаем то же самое за полсекунды-секунду. А ведь многие из нас, хотя это не так уж безопасно для здоровья, лежат на пляже часами. Чаще всего с нами ничего особенного не случается. В чем же тут дело?

В разнице между видами лучей. Световые лучи и радиоволны не могут ионизировать атом - оторвать от него электрон. Для этого недостаточно той порции энергии, которую несут их кванты. А квантов гамма-излучения хватает. Они ионизируют элементы, из которых состоит наш организм. А ионизированное вещество весьма неустойчиво, его атомы легко вступают в химические реакции. Это приводит к изменению химического состава вещества нашего живого организма.

Такое же действие могут оказать и нейтроны. В организме при облучении потоками этих частиц также могут возникнуть необратимые изменения. Правда, сами нейтроны не могут ионизировать атомы. Но они могут поглотиться атомом водорода, в ядре его возникает избыточная энергия, которая и высвечивается в виде гамма-излучения, обладающего не только высокой энергией, но и большой ионизирующей способностью.

Все это так. Однако мы еще не пришли к объяснению биологического эффекта. -Ведь и такого воздействия излучения, при котором возникает ионизация атомов, для него еще недостаточно. Представим себе, что при указанном выше облучении из строя будет выведено несколько молекул белков. Исследования покажут, что это настолько незначительное количество, что такая потеря никак не может привести к тяжелым нарушениям в организме. Клетка не станет смертельно поврежденной, если окажется пораженной молекула воды, какой-либо соли или фермент. Ну исчезнет одна-другая молекула из многих тысяч, что из этого? Другое дело, если будут выведены из строя гены, ответственные за наследственные свойства клетки. Последствием их гибели окажутся мутации - изменения наследственной информации, возникающие под воздействием радиации.

Распространено мнение, что наследственная информация - это передача признаков и свойств от родителей к детям. На самом деле это и передача сведений от одних клеток к другим. Хотя они делятся и гибнут, их свойства наследуются другими клетками. Если нарушить этот механизм передачи информации, то клетки перестанут обновляться. Бывает и так, что начинают нарождаться и размножаться другие клетки, неполноценные, функционирующие не так, как нужно.

Нарушение наследственной информации во многих клетках при воздействии радиации и есть причина некоторых болезней. Правда, не надо думать, что нарушение наследственной информации вызывается только ядерным излучением, в чем до недавнего времени были убеждены многие. Наследственные изменения могут вызываться и химическими веществами. Открыт целый ряд лекарственных препаратов, усиливающих или ослабляющих воздействие излучения на клетки. Одни из них помогают излучению разрушать ненормальные, больные клетки, другие восстанавливают их жизнеспособность.

Восстанавливать клетки - это понятно. Но зачем разрушать? Оказывается, при лечении некоторых раковых опухолей такие препараты как бы помогают организму избавляться от клеток, ставших вредными, концентрируют на них усилия излучения.

Уничтожение раковых опухолей не единственное полезное применение проникающей радиации. Искусственные мутации, например, позволяют во много раз ускорить селекционную работу по созданию новых высокопроизводительных сортов растений и пород животных.

Упрочение материалов, создание температуростойких веществ, использование в различных измерительных системах промышленности, стерилизация медикаментов и продуктов питания, атомные батареи для космических спутников - все это показывает, что излучение проникает буквально во все области нашей жизни: в медицину, в сельское хозяйство, промышленность и науку.

Никто сейчас не станет отрицать пользу излучений.

Нужно только научиться держать их в узде, научиться правильно управлять этой энергией, применять надежную защиту.

Пять барьеров

Атомная энергетика - это не только атомные электростанции, но и комплекс предприятий, потребных для обеспечения их топливом. Это рудники, где добывают урановую руду; заводы по ее переработке и выделению окислов урана; предприятия, в которых разделяют изотопы урана и изготовляют тепловыделяющие элементы. После того как тепловыделяющие элементы с ураном отработают на атомной электростанции положенное время, их транспортируют на завод, где из этого отработанного горючего выделяют осколки деления и невыгоревшее топливо. Этот цикл завершает захоронение отходов - осколков деления и других радиоактивных элементов.

На всех перечисленных этапах, хотя речь идет всего лишь о топливном цикле, также предусматривается защита людей от излучения. Его носители вездесущие радиоактивные элементы. Их можно встретить в воздухе, в шахтах, где добывают уран, в воде; они содержатся в различных растворах, используемых в технологических процессах. Но, где бы с ними ни столкнулся человек, всюду его ограждает надежная защита.

Лучше всего познакомиться с нею на-примере атомной электростанции, где мощность излучения наибольшая. Там она предусмотрена непосредственно у самого источника излучения - тепловыделяющих элементов, внешне представляющих собой, как мы говорили раньше, таблетки из двуокиси урана. Они помещены в герметичные трубочки из циркония, поэтому радиоактивные продукты, образующиеся при делении, никак не могут попасть в воду первого контура, охлаждающую активную зону реактора. Таков первый барьер, стоящий на пути излучения.

За ним следует второй. Дело в том, что у части тепловыделяющих элементов все же может отказать герметичность. В таком случае радиоактивные элементы попадут, правда, в небольшом количестве, в воду. Кроме того, в ней содержатся еще радиоактивные продукты коррозии, А с течением времени накапливаются еще и вещества, образовавшиеся в результате химических реакций водорода и кислорода с материалами, из которых сделан первый контур. Попадая вместе с водой .в активную зону, они облучаются нейтронами и превращаются в различные радиоактивные элементы. Так же при облучении нейтронами может активироваться и кислород воды. На пути этой радиоактивности в первом контуре реактора и предусматривается второй барьер - специальный фильтр, постепенно пропускающий через себя всю воду.

Он резко, но не до конца уменьшает количество содержащихся в ней радиоактивных продуктов. Чтобы свести их к минимуму, контур делают совершенно герметичным. Ни одна капля циркулирующей в нем воды не должна проникнуть в помещения с людьми. Это и есть третий барьер.

Если иметь в виду, что давление воды в первом контуре достигает 160 атмосфер и что при этих условиях необходимо приводить во вращение насосы и перемещать стержни, управляющие в активной зоне цепной реакцией, то станет ясно, насколько трудна задача создания полной герметизации.

Сложность представляют насосы, обычно соединенные с электромоторами, которые нельзя погрузить в воду, да еще горячую, ибо нарушится изоляция проводников. Если же поместить насосы внутри, а электромотор вне контура, то связывающий их вал должен будет пройти через стенку первого контура. А при высоком давлении невозможно уплотнить место выхода вала так, чтобы полностью исключить утечку воды и содержащихся в ней газов радиоактивных веществ. Все же инженеры и конструкторы нашли решение. В первый контур вошел не весь электромотор, а только его ротор вместе с валом и подшипниками. Неподвижная же часть электромотора - статор, где находятся проводники, по которым течет ток, остался снаружи. А часть стенки контура, находящуюся под статором, сделали из тонкого нихрома, не представляющего большого препятствия для электромагнитного поля, которое обеспечивает вращение ротора.

Теперь, после принятых мер, радиоактивность, содержащаяся в воде, не будет опасна, так как она не может выйти из контура, и тем не менее на пути воды поставлен еще один - четвертый - барьер. Для этого все оборудование первого контура - реактор, парогенераторы, насосы, трубопроводы, фильтры и т. д. -помещено в герметичные боксы, и даже воздух оттуда не может попадать в помещения, где работают люди. Иногда проектировщики станции размещают оборудование не по отдельным боксам, а окружают его одной большой герметичной железобетонной оболочкой. Специальная служба регистрации ведет непрерывное наблюдение за уровнем излучений вблизи первого контура и в соседних помещениях, где находятся люди. Во всех наиболее опасных местах имеются счетчики гамма-излучения, электронов и нейтронов. Их сигналы позволяют быстро принимать меры к уменьшению активности излучений.

Для этого включают резервные фильтры и отключают парогенераторы, а то и останавливают реактор.

Все же в помещениях, где работают люди, могут в первую очередь появиться газообразные радиоактивные вещества. Это может произойти из-за протечек через уплотнения различных коммуникаций, связывающих герметичную оболочку с другими помещениями станции, иногда радиоактивность появляется по другим разным причинам. Чтобы не допустить ее накапливания, действует непрерывная вентиляция. Аппараты выбрасывают воздух в трубу, высота которой в зависимости от мощности станции достигает 100-200 метров. Это дополнительно уменьшает облучение персонала.

Пока что речь шла о защите работников станции.

Но вот воздух выбрасывается наружу, и радиоактивные элементы, содержащиеся в нем, выпускаются на волю.

Теперь они могут переноситься ветрами за многие сотни километров. Конечно, чем они окажутся дальше от станции, тем ниже будет их концентрация потому, что они сильно разбавятся атмосферой. Если ими и будет облучено население, то в такой слабой степени, что никак не отзовется на здоровье людей.

Мы уже говорили, что любая производственная и другая деятельность человека приносит то неощутимый, а то и заметный вред. В худшем, если можно так выразиться, положении находятся профессиональные работники, обслуживающие атомную станцию. Никуда не деться от того, что они получают существенно большую дозу облучения, чем окружающее население.

Но ведь то же самое имеет место и во многих других отраслях народного хозяйства. Скажем, шахтеры, металлурги, операторы некоторых химических производств, медики-рентгенологи тоже постоянно подвергаются различным вредным воздействиям. Однако то, что допустимо для профессиональных работников вредных производств, не может быть принято для всего остального населения. Ведь профессиональные работники находятся под специальным медицинским контролем, имеют укороченный рабочий день, дополнительные отпуска, особое питание и другие льготы.

Допустимые уровни излучений для работников АЭС, выбранные на основе тщательного изучения степени воздействия их на человека, обеспечиваются описанными четырьмя барьерами защиты. Нужно отметить, что эти барьеры служат эффективным средством защиты не только при нормальной работе атомной установки, но и в случае возникновения различных аварийных ситуаций. Чтобы опасность выброса радиоактивности свести на нет, на пути ее распространения поставлен еще один - пятый - барьер. В чем он выражается?

Если уровень радиоактивности воздуха, направляемого в вентиляционную трубу, превышает допустимый, его пропускают через дополнительные фильтры или выдерживают в специальных газгольдерах. Перечисленные меры являются надежной защитой для всего населения страны.

До сих пор речь шла о защите от вредных излучений, обусловленных радиоактивными элементами, образующимися при делении и затем распространяющимися по атомной станции и вне ее Наиболее мощная часть этого излучения - это нейтроны и гамма-кванты, которые освобождаются непосредственно в процессе деления. Потоки этих частиц колосса тъны. С одного квадратного сантиметра поверхности активной зоны мощного реактора каждую секунду вылетает 20 триллионов нейтронов и около 10 триллионов гамма-квантов. Их проникающая способность настолько велика, что прочные стенки первого контура не могут их сдержать. Нейтроны, вылетая из активной зоны, обладают самыми различными энергиями1 среди них есть как тепловые (медленные), так и быстрые. С тепловыми бороться довольно легко: достаточно поставить на их пути слой вещества с большим сечением поглощения, и эта преграда для них непреодолима. А как быть с быстрыми? Ведь в любых материалах ядерные сечения поглощения для таких нейтронов малы. Значит, нужно быстрые нейтроны сделать тепловыми и затем уже защищаться от них. Лучше всего нейтроны замедляются элементами с малым массовым числом. Поэтому на пути этих частиц размещают воду, графит, бетон - вещества, содержащие большое количество легких атомов.

Если для защиты от нейтронов используют легкие элементы, то от гамма-излучения надо обороняться материалами, содержащими элементы с большим массовым числом. В этом случае ослабление гамма-квантов происходит как за счет их взаимодействия с электронами атомов преграды, так и с ядрами. Возникает противоречивая ситуация: для ослабления потока нейтронов нужно делать защиту из веществ, содержащих легкие элементы, а для уменьшения потока гамма-квантов - тяжелые. Как тут быть?

Приходится идти на компромисс. Чтобы ослабить суммарное излучение и довести его до допустимой величины, реактор окружают достаточно толстым слоем комбинированной защиты из легких и тяжелых элементов.

За ним человек может находиться совершенно безбоязненно.

Большая толщина и вес защиты - основное принципиальное препятствие в деле создания атомных двигателей для малых транспортных установок типа, допустим, автомобиль. Одна энергетическая установка с защитой весила бы около ста тонн. Это был бы автомобиль-гигант, вряд ли для чего-нибудь полезный. О создании самолета или ракеты можно говорить уже смелее. Морские же транспортные суда с атомными двигателями уже созданы; в нашей стране верно служат народному хозяйству три ледокола с атомными двигателями - "Ленин", "Арктика" и "Сибирь".

Конференция по природным реакторам

В декабре 1977 года в Париже состоялось необычное совещание Технического комитета международного агентства по атомной энергии. Ученые, собравшиеся из разных стран, обсуждали результаты научно-исследовательских работ по природным ядерным реакторам. Природным? Не созданным руками человека?

Да, речь шла именно о таких реакторах. О них люди узнали совсем недавно. Изучая состав урановых руд одного из месторождений Африки, в Габоне, близ Окло, исследователи обнаружили ряд фактов, не поддававшихся простому объяснению. Соотношение изотопов урана в этой руде сильно отличалось от существующих в мире соотношений. Обнаружился ряд аномалий, касающихся содержания в руде редкоземельных элементов.

В этой связи было высказано несколько гипотез. Но ни одна из них не могла полностью объяснить все замеченные отклонения. Тогда и родилась достаточно смелая идея: а не встретились ли исследователи с природным ядерным реактором?

Дальнейшие исследования подтвердили этот необычайный вывод. Оказалось, что около двух миллиардов лет назад в этом урановом месторождении самопроизвольно возникла цепная ядерная реакция. В те давние времена в песчаных урановых рудах случайно создались условия, при которых образовалась критическая масса.

Нельзя не заметить, что содержание урана-235 в природном уране тогда было гораздо выше, нежели сейчас.

Возможно, в месторождение попала вода и стала естественным замедлителем. И пошла цепная реакция.

В глубинах земли заработал природный ядерный реактор и работал в течение миллионов лет. Затем в этом месторождении было обнаружено целое семейство реакторов.

Позже следы еще одного природного ядерного реактора были найдены в Австралии.

Много интереснейших тем возникло у ученых в связи с этим открытием. В нем еще не все объяснено до конца, но исследования позволили вывести одно важное следствие: по результатам измерения аномалий на разных расстояниях от центра природного реактора можно судить о том, как далеко распространились от реактора при миграции в почве продукты деления. Почему это важно?

Ответим на этот вопрос в связи со следующей проблемой атомной энергетики, о которой мы почти не говорили. Ее суть в следующем: методы защиты от ядерных излучений в рудниках, на заводах по переработке топлива, на атомных электростанциях достаточно тщательно отработаны и обеспечивают нормальные и безопасные условия труда работников в атомной промышленности и населения страны. Об1 этих методах говорилось выше. Что же происходит с ядерным топливом после того, как оно отработает в реакторе? Позволю еще раз напомнить читателю о заводах по переработке этих отходов, от которых отделяют невыгоревшие уран-238 и уран-235. Эти радиоактивные продукты деления и вновь образовавшиеся элементы, более тяжелые, чем уран, также источники вредного излучения и многие из них - долгоживущие.

Пока таких отходов немного, но с ростом масштабов атомной энергетики количество их будет расти: отходы станут накапливаться в заводских хранилищах, и проблема надежной изоляции их станет все громче и громче заявлять о себе.

Вы, наверное, заметили, что, говоря о радиоактивных отходах, мы употребили новый эпитет - долгоживущие. Что он означает?

Радиоактивные элементы - это атомы, ядра которых неустойчивы, или, как говорят чаще, нестабильны. Они могут распадаться, переходя в другие элементы. Их распад, то есть переход в стабильное состояние, сопровождается вылетом электрона, ядра гелия (альфа-частицы) или гамма-кванта. Искусственные радиоактивные элементы получаются не только как осколки деления, но и при поглощении стабильными атомами нейтронов. Существуют и определенные закономерности распада во времени радиоактивных элементов.

Радиоактивный распад - процесс вероятностный.

Одно ядро может распасться сейчас, а другое через сугки или через тысячу лет. Однако в среднем для большого количества атомов каждый радиоактивный изотоп характеризуется одной вполне определенной величиной вероятности распада. В качестве ее характеристики выбран период полураспада. Это время, за которое распадается половина атомов образца, весьма различно для разных радиоактивных ядер. Для осколков деления оно колеблется от секунд и минут до нескольких лет. А вот для искусственных радиоактивных элементов, которые образуются за счет захвата нейтронов ураном и плутонием, оно может быть очень продолжительным. Например, количество ядер америция-241 в результате радиоактивного распада уменьшится вдвое лишь через семье лишним тысяч лет. Сегодняшний, скажем, 1 грамм радия в процессе полураспада через 1,4 тысячи лет оставит на память о себе всего лишь половину.

Для захоронения радиоактивных продуктов прибегают к самым различным ухищрениям - закачивают в глубины земли, бетонируют, заключают в многослойные сосуды и хранят их в шахтах, остекловывают. Предлагаются и такие способы, как захоронение во льдах Антарктиды или удаление с помощью ракет за пределы Земли.

Можно уничтожить радиоактивные элементы тем, что переводить их в стабильные изотопы, облучая нейтронами в самих реакторах.

Способов вроде много, но проблема пока что остается нерешенной, и только потому, что еще не выбран один из предлагаемых способов. Имея в виду время полураспада, исследователи отыскивают способ" наиболее оптимальный. Особенно важно надежно захоронить долгоживущие трансурановые (располагающиеся в таблице Менделеева после урана) элементы. Ведь даже через десятки тысяч лет их активность будет оставаться высокой. Контейнеры или стеклоблоки, в которых их захоронят, могут разрушиться и прокорродировать. Тогда радиоактивные отходы начнут распространяться в глубоких слоях земли. Далеко ли? Именно такой вопрос ставили перед собой исследователи по природным ядерным реакторам. Осколки деления этих реакторов как будто бы не ушли далеко от места рождения, говорят первые результаты исследований.

Что же в результате?

После всего плохого и хорошего, что было сказано о ядерных излучениях, стоит подвести итог. Что же нового, необычного вносят ядерные излучения атомной энергетики в человеческий организм, в человеческую жизнь? И еще один вопрос: сколько дополнительного вредного излучения получит человек в результате расширения масштабов использования атомной энергии?

Сначала ответим на первый вопрос. Нет и нельзя ожидать ничего нового и необычного. Известно, что со времени своего образования Земля подвергается воздействию космического излучения. Не только в атмосфере, воде, растениях, но и в человеке есть радиоактивные элементы, например, радиоактивный калий-40 и углерод-14. Они образуются в нашем организме под влиянием космического излучения. Ежеминутно в человеческом теле происходит около полумиллиона распадов этих радиоактивных изотопов. При этих распадах все внутренние органы и, конечно, мозг человека облучаются гамма-квантами и электронами.

Источниками внешнего облучения являются как космическое излучение, так и гамма-лучи естественных радиоактивных веществ, присутствующих в почве, горных породах и строительных материалах.

Облучение, исходящее из естественных источников, не только продолжается на протяжении нашей жизни, но и существовало на протяжении всей предыдущей эволюции 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, обусловленное деятельностью человека, или, как сейчас говорят, техногенное излучение.

Какое же соотношение между тем и другим? Передо мной статья "Уровни естественного и техногенного облучения человека", написанная немецким ученым И. Мель. В качестве единицы измерения автор пользуется одной тысячной долей рентгена, точнее, его биологическим эквивалентом миллибэром. В среднем каждый житель ФРГ ежегодно получает за счет естественного облучения 115 миллибэр. Техногенное облучение за счет рентгено- и радиоизотопной диагностики, радиоактивности строительных материалов, радона и т. п. составляет 225 миллибэр.

Значит, уже сейчас за счет техногенного облучения житель ФРГ получает почти в два раза больше излучения, чем от естественного. А от обоих в сумме 340 миллибэр в год.

Несколько слов относительно того, насколько опасно такое существенное повышение уровня облучения.

Вполне очевидно, что для человека такое повышение не безразлично. Но известно, например, что уровни естественного радиационного облучения в разных районах Земли существенно различны. Так, в Индии около 100 тысяч жителей постоянно проживают на месторождениях монацитовых песков, где максимальная доза почти в десять раз больше, чем в ФРГ. Доза облучения от космического излучения при подъеме на высоту трех тысяч метров возрастает на 100 миллибэр, то есть почти на одну треть по сравнению с облучением на равнине.

Тем не менее ничего катастрофического с горными жителями не происходит. Эти и другие многочисленные факты говорят о том, что колебание уровня излучения в определенных пределах по сравнению со средним уровнем излучения на Земле не оказывает пагубного влияния на жизнь людей.

А, скажем, за счет излучения, инициируемого атомными электрическими станциями ФРГ, если их мощность достигнет 20 миллионов киловатт, каждый житель получит всего 0,25 миллибара. Видно, что по сравнению стой дозой излучения, которую человек уже получает, эта добавка невелика - не более одной десятой процента. Даже полеты на реактивном самолете или просмотры передачи телевизора могут дать большую дозу.

Вклад атомных электростанций в облучение человека незначителен.

Конечно, собственно атомные электростанции или другие атомные энергетические установки, скажем, атомные реакторы на ледоколах или атомные реакторы, вырабатывающие тепло для коммунальных нужд, не единственные источники радиоактивного излучения в атомной энергетике. Ведь это только одно, хотя и самое главное, звено всего топливного цикла атомной энергетики.

Для того чтобы работали ядерные реакторы, в шахтах должна быть добыта руда, содержащая уран. Ее наобходимо переработать, выделив из нее окислы урана.

В этих рудах за миллиарды лет существования в результате радиоактивного распада ядер накопились различные радиоактивные элементы. По этой причине все работы по добыче и переработке организованы таким образом, чтобы минимальным было облучение как профессиональных работников, так и окружающего населения.

Еще одно звено топливного цикла атомной энергетики - заводы по переработке ядерного топлива после выгрузки из реактора. Разработанные и осуществленные системы защиты предотвращают попадание освобождающихся при переработке топлива радиоактивных элементов в окружающую среду.

Наконец, завершающий этап топливного цикла - захоронение радиоактивных отходов. О нем мы уже говорили.

Итак, вклад атомных электростанций и других предприятий топливного цикла в облучение человека пренебрежимо мал. Важно, чтобы он остался таким же малым я в будущем.

Многочисленные исследования и разработки в области топливного цикла атомной энергетики и совершенствования атомных энергегических установок направлены именно на то, чтобы при еще более масштабном развитии атомной энергетики облучение людей существенно не возрастало.

ТОПЛИВО РОЖДАЕТСЯ В ТОПКЕ

В неистовстве все знать,

все взвесить, все измерить

Проходит человек по лесу

естества

Сквозь тернии кустов, все дальше.

Время

верить,

Что он найдет свои всемирные

права.

Э. Верхарн

Современные ядерные реакторы, например с водяным теплоносителем и замедлителем, слишком неразумно расходуют ядерное топливо. Из каждых ста килограммов урана рационально используется лишь один, то есть один процент. А нельзя ли заставить и остальные 99 килограммов отдать скрытую в них энергию, загрузив их снова в реактор?

Практически это невозможно. Если перегоревшее топливо очистить от осколков, извлечь из него новый образовавшийся, также делящийся элемент плутоний и вновь загрузить в реактор, то количество полезно использованного топлива можно довести не более чем до полутора килограммов. В тепловых реакторах другого типа количество это может быть увеличено, но ненамного. Разрабатываются методы повышения эффективности использования урана в 4-5 раз. Однако и этого мало, очень мало. И невольно возникает вопрос: надолго ли хватит человечеству уже разведанного ядерного топлива и того, о котором мы еще ничего не знаем?

Более тридцати лет назад над этой проблемой задумался А. Лейпунский, известный ученый, работавший р физико-энергетическом институте города Обнинска.

В ту пору он занимался реакторами на быстрых нейтронах. Вот что вспоминает А. Блохинцев, тогдашний директор этого института. "Как-то, рассказывает он,,- когда мы ехали в Обнинск, Лейпунский сказал: кажется, мне становится ясным, почему могут быть полезными реакторы на быстрых нейтронах. Именно тогда у Александра Ильича родилась идея о расширенном воспроизводстве ядерного горючего - создании новых делящихся элементов в активной зоне реактора".

Чудо Каспия

В 1973 году на берегу Каспийского моря - в крае, богатом минеральными ресурсами, но бедном электроэнергией и пресной водой, заработала атомная энергетическая установка необычного типа: она могла производить два продукта, имеющих огромное значение для жителей города Шевченко, расположенного в пустынной местности полуострова Мангышлак, электроэнергию и пресную воду. Ноне менее ценным продуктом, который может производиться этой установкой, названной БН-350, является плутоний. БН-350 расшифровывается так: Б - быстрый, то есть работающий на быстрых нейтронах; Н - натрий (в качестве теплоносителя здесь служит натрий), а 350 - условный показатель электрической мощности, которую можно было бы получить, если бы вся мощность установки превращалась в электроэнергию. На самом деле на установке вырабатывается только Г50 мВт электроэнергии. Остальная энергия тратится на производство 120 тысяч тонн пресной воды в сутки.

Во всех отношениях ввод в действие реактора на быстрых нейтронах был большим достижением советской атомной энергетики и вызвал значительный интерес у зарубежных энергетиков-атомников.

Откровенно говоря, мы в этом успехе не видели никакой сенсации по той простой причине, что работы по реактору на быстрых нейтронах велись давно в нашей стране. Ранее была собрана и исследована целая серия таких экспериментальных установок. Прежде чем приступили к сооружению БН-350 на Мангышлаке, в физико-энергетическом институте под руководством А. Лейпунского были построены реакторы малой мощности, а пятью годами ранее в научно-исследовательском институте атомных реакторов Димитровграда был пущен реактор БОР-60, тепловая мощность которого составляет 60 тысяч киловатт.

Несколько реакторов на быстрых нейтронах исследовалисьво Франции, в США и в ФРГ. И все же ввод в строй промышленного реактора был большим достижением ученых СССР, за успехами и неудачами в его работе внимательно следили не только наши конструкторы и физики, но и многие специалисты за рубежом.

Да это и понятно, ведь конструкция существенно отличалась от привычных схем. Чем именно? А тем, что главной задачей БН-350 было не только производство электроэнергии и пресной воды, что само по себе чрезвычайно важно, а и создание нового вида топлива.

Представьте себе такую картину: в реакторе сжигается ядерное горючее и одновременно создается новое в количестве, превышающем прежнее. Топливо размножается! Разве это не удивительно? Сгорев, оно возникает вновь! Поэтому реактор БН-350 стал называться размножителем на быстрых нейтронах. Как и в других реакторах на тепловых нейтронах, новое делящееся вещество плутоний-239 образуется при поглощении нейтронов ураном-238. Но здесь процесс образования нового делящегося элемента идет значительно интенсивнее. Так, если при делении плутония в тепловых реакторах вылетает 2,5 свободных нейтрона, то иная картина наблюдается в реакторе-размножителе, где образуется уже 3 свободных нейтрона.

Казалось бы, разница настолько незначительная, что о ней не стоит и говорить, тем более что половинок нейтрона нет. Это только средняя величина, принятая для большого количества делений.

Из рожденных трех нейтронов один нужен для того, чтобы вновь произвести деление ядра, ведь реакция цепная и не должна затухать. Если один из двух оставшихся нейтронов поглотится ядром урана-238, то будет образовано ядро плутония и таким образом осуществится воспроизводство горючего, так как на каждое сгоревшее ядро будет произведено одно новое, делящееся. При таком условии реактор может работать бесконечно долго, потребляя только уран-238. Но такое воспроизводство еще простое, а перед нами стоит задача добиться воспроизводства расширенного, значит, нужно добыть дополнительно еще одно ядро плутония, чтобы можно было запускать в работу новые реакторы. У нас в запасе есть еще один неиспользованный нейтрон. Вот с его помощью из урана-238 и можно получить дополнительный плутоний.

К сожалению, часть таких нейтронов либо улетает из реактора, либо поглощается в различных конструкционных материалах. На это в зависимости от устройства реактора уходит от 0,3 до 0,6 нейтрона. Зато оставшиеся 0,4-0,7 поглощаются ураном-238, производя плутоний. Вот и получается, что каждое сгоревшее в реакторе ядро плутония оборачивается 1,4-1,7 НОВЕЛИ, делящимися ядрами. Так выглядит расширенное воспроизводство ядерного горючего.

Делящийся элемент создается из урана-238, а его в природе по сравнению с ураном-235 в 140 раз больше.

Да и получение последнего связано с огромными затратами.

Принципиальная схема расширенного воспроизводства теперь нам, наверное, понятна. Вопрос в том, каким образом наиболее эффективно осуществить его в реакторе.

Первое решение было неожиданным: активную зону реактора стали охлаждать натрием. Несмотря на то, что натрий сильно окисляется на воздухе и настолько активно взаимодействует с водой, что такая реакция протекает на грани взрыва, все же именно этот теплоноситель выбрали для охлаждения реакторов вначале в СССР, а затем и во всех зарубежных установках. Уж очень привлекательными оказались его свойства. Высокая теплоемкость позволяла сократить его расход и снизить скорость потока, прокачиваемого через активную зону. Высокая теплопроводность его обеспечивала хороший отвод тепла от тепловыделяющих элементов. Его температура кипения и плавления при атмосферном давлении находилась в подходящем диапазоне. Но самым главным и определяющим достоинством, сыгравшим решающую роль при выборе его в качестве охладителя, был достаточно большой его атомный вес 23. Ведь для реактора-размножителя, работающего на быстрых нейтронах, важно отсутствие в его составе вещества с легкими ядрами, эффективно замедляющего нейтроны, иначе часть их будет производить деление плутония уже тепловыми нейтронами, а это весьма нежелательно, так как ухудшает воспроизводство топлива. Нельзя проходить мимо другого факта: при замедлении нейтрона существенно увеличивается и их вредное поглощение.

Как раз те избыточные нейтроны, которые могли быть использованы для получения плутония, исчезают, не принося пользы. Конечно, полностью исключить замедление нейтронов невозможно. Но с увеличением атомного веса элементов, используемых в активной зоне, оно существенно уменьшается.

Для снижения потерь нейтронов используется ряд приемов. Активная зона реактора состоит из 200 так называемых топливных сборок. В каждой сборке находится 170 тепловыделяющих элементов, охлаждаемых потоком натрия. Сборки шестигранной формы. Установлены они впритык одна к другой так, что диаметр активной зоны оказывается равным полутора метрам, а его высота метру. При таком небольшом размере активной зоны из нее вылетает очень большое количество нейтронов, которые могут бесполезно теряться. Чтобы их сохранить, активную зону реактора окружают еще двумя-тремя рядами "кассет" с тепловыделяющими элементами. В -них, правда, нет делящегося топлива, а есть только уран-238, представляющий собой сырье для получения делящихся элементов. В нем и поглощаются нейтроны, вылетающие из активной зоны. При этом создается плутоний. Экраны из того же урана размещены и на торцевых поверхностях цилиндрической активной зоны. Их назначение - также улавливать нейтроны, вылетающие из активной зоны.

Реактор БН-350 при работе в режиме размножения может взамен каждого сожженного в нем килограмма плутония производить из урана-238 полтора килограмма нового плутония. Это достаточно хороший показатель воспроизводства топлива, но пока, к сожалению, только расчетный. На самом деле ь активную зону реактора вместе с ураном-238 пока загружается не плутоний (работа с ним связана с некоторыми сложностями, о которых расскажем несколько позже), а дорогостоящий уран-235. Но поскольку главная задача теперешнего этапа развития реакторов на быстрых нейтронах - это создание атомной станции, конструктивно надежной и работоспособной, эти вопросы могут быть отработаны и с активной зоной, в которую загружен не плутоний, а уран-235. В этом случае воспроизводство топлива, конечно, ухудшается, так как при делении из него вылетает нейтронов меньше, чем при делении плутония. Однако условия работы всего оборудования практически остаются такими, словно в активной зоне вместе с ураном-238 загружен плутоний.

Есть еще одна характеристика реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, сильно влияющая на его конструкцию. Создать атомный реактор, в котором каждый сгоревший килограмм загруженного горючего оборачивался бы, скажем, полутора килограммами нового искусственного элемента, дело, кажется, совсем нехитрое. Можно добиться и большего: не полутора, а почти двух килограммов. Это будет очень простой реактор.

Весь вопрос в том, когда мы потребуем от него отдачи, через какое время будут необходимы эти новые полтора килограмма топлива взамен ранее заложенного килограмма. От этого зависит и конструкция реактора, и сложности, которые предстоит преодолевать при его создании и эксплуатации. Понятно, что темпы наработки нового горючего будут определяться и тем, как должна развиваться вся энергетика вообще и атомная энергетика в частности.

Это один из немногих случаев, когда конструкция установки, требования к ней самым прямым образом определяются темпами развития и стоуктурой энергетики.

Темпы. Темпы, Темпы

Если обратиться к прогнозируемым темпам развития мировой энергетики на ближайшие 40-50 лет, то мы увидим, что и тут существуют самые различные мнения.

Одни считают, что в этом периоде и в будущие десятилетия прирост энергетических мощностей станет очень небольшим, а, возможно, к концу этого периода вообще затормозится. Другие вообще предполагают слабое изменение темпов развития. Ориентируясь на средний прирост экономики и национального дохода в 3-4 процента, большинство считает, что примерно такими темпами и начнет развиваться энергетика. При ежегодном ее росте в 3 процента каждые 25 лет энерговыработка будет удваиваться.

Но нас сейчас интересует атомная энергетика, так как именно темпы ее развития будут определять требования, предъявляемые к ядерным реакторам-размножителям на быстрых нейтронах. При заданном росте всей энергетики развитие атомной будет зависеть от того, какая ей отведена в будущем роль, от того, какую долю займет она через несколько десятков лет. Однако эта доля зависит от столь многих факторов, что трудно ее определить. Действительно, нужно, например, знать, как будет развиваться солнечная энергетика или какие успехи будут достигнуты в переработке нефти, сланцев, угля и других полезных ископаемых в новые высококачественные виды топлива. Не менее важно, наконец, предвидеть, насколько успешно будет решена топливная проблема самой атомной энергетики. С учетом этих и ряда других факторов считают, что через 40-50 лет ее доля в общем энергетическом балансе страны может составить от 30 до 50 процентов. Чтобы развиться до такого масштаба, ежегодный прирост мощностей атомной энергетики должен составлять в среднем около 10 процентов. Это очень большая величина (вспомните: темп развития всей энергетики - 3 процента). А время, на протяжении которого мощности атомно-энергетических станций должны удваиваться, составит около 7 лет.

Представляется, что в первый период развития темпы должны быть еще более высокими - доходить до 15 процентов. Это означает, что через 20-25 лет развитие атомной энергетики может несколько замедляться и время удвоения мощностей увеличится примерно на 3 года, то есть составит около

10 лет.

Именно эта величина и нужна для того, чтобы определить требования к темпам расширенного воспроизводства в реакторах-размножителях ядерного топлива. Если сегодня в него заложена, например, тысяча килограммов, то через 10 лет он должен будет наработать дополнительно еще тысячу килограммов. Этого нового горючего как раз хватит для того, чтобы запустить через 10 лет еще один реактор, чем и удвоится мощность. Если исходить из сказанного, время удвоения загрузки быстрого реактора должно составлять 10 лет. В действительности требования, предъявляемые к реакторам, по скорости размножения горючего более жесткие и время удвоения загрузки делящегося ядерного горючего должно быть существенно менее 10 лет. Чем это вызвано?

Сейчас около 20 процентов всего добываемого топлива идет на выработку электроэнергии. Треть его уходит на производство коммунального тепла и пара, используемого в различных отраслях промышленности. Несколько менее четвертой части топлива расходуется в металлургии, химии, нефтепереработке и других отраслях промышленности. Транспорт - авиация, автомобили, тепловозы, речные и морские суда - потребляет почти столько же. Через несколько десятков лет эти пропорции, конечно, изменятся. Насколько?

Наиболее очевиден рост электроэнергетики, которая в прошедшие годы развивалась вдвое быстрее, чем вся энергетика. В настоящее время этот процесс несколько замедлился, но тем не менее доля электроэнергии в общем энергетическом балансе неуклонно растет. Можно ожидать, что через несколько десятков лет ее доля достигнет, скажем, 40 процентов.

Подавляющее большинство работающих и строящихся атомных энергетических установок предназначено для выработки именно электроэнергии. Не являются исключением и реакторы-размножители на быстрых нейтронах: их также создают с той же целью. Если АЭС с реакторами-размножителями заняли бы всю электроэнергетику, то есть вытеснили бы из нее электростанции, пользующиеся другими видами топлива, это было бы уже довольно удовлетворительным решением энергетической проблемы. Около 40 процентов энергетики обеспечивалось бы атомной. Впрочем, это невозможно. Вопервых, и через 30, и через 40 лет еще будут существо вать гидростанции, а в районах залегания углей продол жат свою работу теплоэлектростанции на этом топливе. Во-втооы\, ЛЭС с реакторами-размножителями могут быть испоц ованы только в базисном режиме работы. Вот что это означает.

Потребление электроэнергии в промышленности и быту очень неолрномерно. Зимой она расходуется в большем объеме, нежели в тепчое время года. Эта неравномерность характерна и для недельного периода: в субботу и воскресенье потребность в электроэнергии резко падает. Даже в течение суток происходит сильное колебание потребления, отражающееся и на производстве электроэнергии. Существуют так называемые утренние и вечерние пики потребления, как и ночные провалы, когда электроэнергии нужно очень мало. Значит, электростанции в соответствии с приведенными фактами вынуждены вырабатывать электроэнергию неравномерно, а часть из них в периоды малого потребления и вообще останавливаться. Если провести анализ баланса рабочего времени всех электростанций, то окажется, что в среднем они простаивают за год около полугода.

Исходя из этого, разумно строить станции различных типов так, чтобы одни из них работали весь год на постоянной, максимально допустимой для них мощности, - про такие электростанции говорят, что они работают в базисном режиме; другим рекомендовать регулярный режим, при котором мощность то поднимается, то снижается; а третьи в основном простаивают, лишь изредка (утром и вечером) поднимается до максимальной их мощность.

Конечно, бессмысленно заставлять работать в таком режиме АЭС с реактором-размножителем, созданным для быстрейшего создания нового ядерного горючего.

Разве можно ему простаивать! Несколько лучше работа в регулируемом режиме. Но самое идеальное - базисный режим. Постоянная работа реактора на предельной мощности позволит создать максимальное количество горючего за минимально возможное время.

Очевидны и минусы такого подхода. Не более половины вырабатываемой электроэнергии могут производить АЭС с реакторами-размножителями. Это означает, что с их помощью возможно обеспечить примерно одну пятую всей потребности в энергии. Но этого мало.

Надо найти и другие пути, которые привели бы к увеличению доли атомной энергетики. Такие пути есть. Скажем, в очень многих отраслях промышленности и в коммунальном хозяйстве в качестве источника энергии могут служить реакторы не на быстрых, а на тепловых нейтронах. Такие реакторы более дешевы, гибки и неприхотливы в работе. Они, правда, не вырабатывают избыточного горючего, а потребляют поступающее извне. Но горючее это можно взять от реакторов-размножителей.

Конечно, при этом возрастет нагрузка на эти реакторы:

им придется нарабатывать ядерного горючего не только

Для себе подобных, но и для реакторов, работающих на Тепловых нейтронах. Но если каждый реактор-размножитель на быстрых нейтронах обеспечит своей продукцией реактор такой же мощности на тепловых нейтронах, то вклад атомной энергетики в энергетику нашей страны сможет в перспективе подняться до 50 процентов или около того. Однако тогда время удвоения загрузки в реакторах-размножителях придется сократить с 10 лет до 7, а то и до 5 лет. А для этого надо интенсифицировать процесс размножения горючего.

Кто же прав?

Подведем итог. Итак, чтобы решить топливную проблему страны, самой атомной энергетике необходимы реакторы-размножители с малым- временем удвоения загрузки ядерного горючего. Казалось бы, ясная и актуальная задача. По крайней мере такой она видится, исходя из сказанного выше.

Однако не все зарубежные и даже советские атомники разделяют такую точку зрения. В 1968 году в Минске состоялась международная конференция специалистов по реакторам-размножителям на быстрых нейтронах. Ученые рассказывали о результатах экспериментальных и расчетных работ по теплофизике, нейтронной физике реакторов, об идеях и новых проектах. Все они отлично понимали друг друга, пока не встал вопрос о том, какое время удвоения загрузки должно быть в реакторах-размножителях?

- Вполне очевидно, что оно должно быть примерно 15-20 лет, - говорили немецкие и американские физики.

- Если не удастся уменьшить время удвоения до 5-7 лет, то атомная энергетика не сможет оправдать возложенных на нее надежд, - заявляли советские специалисты.

- Но ведь создание реактора с таким малым временем удвоения сложнейшая техническая задача.

Кроме того, если такой реактор и удастся создать, то он будет очень дорого стоить, - парировали зарубежные ученые.

Конечно, это так, - отвечали ученые Советского Союза, - но ведь реактор с большим временем удвое

ния загрузки не может решить топливной проблемы самой ядерной энергетики.

- Возможно, но зато он будет более дешевым и экономичным, чем реакторы на тепловых нейтронах, - стояли на своем зарубежные ученые.

Примерно в таком духе шла дискуссия о путях развития быстрых реакторов. Ее корни в проблемах, которые нужно решить, чтобы существенным образом интенсифицировать процесс наработки нового горючего.

Одно только перечисление этих проблем заняло бы много времени. Поэтому лучше остановиться на некоторых из них.

Для быстрейшего получения из каждого килограмма загруженного в реактор топлива, скажем, полутора килограммов нового, очевидно, нужно, чтобы этот килограмм как можно скорее сгорел. А это означает, что должна быть увеличена мощность каждого тепловыделяющего элемента, в котором и заключено горючее.

С увеличением же мощности повышается и его температура. А это уже проблема. Ведь нужны материалы, способные длительное время работать при высокой температуре в 700-800 градусов в условиях нейтронного облучения и больших механических нагрузок (давление газов внутри твэла будет достигать нескольких десятков атмосфер).

Для отвода такого большого количества энергии нужно увеличить количество натрия, охлаждающего твэлы.

Самое простое решение - раздвинуть их и увеличить проходное сечение для натрия. Однако делать этого нельзя, так как нейтроны так замедлятся, что понизится воспроизводство горючего.

Можно идти и другим путем: поднять скорость течения натрия, не увеличивая проходного сечения. Но тогда возникает новая проблема усиливается эрозия поверхностей тепловыделяющих элементов и их вибрация.

Вдобавок при быстром выгорании ядерного горючего нужно очень часто менять топливные кассеты, заменяя их другими со свежим топливом. А каждая замена - это остановка реактора и потеря драгоценного времени.

Так возникает новая задача - необходимость создать устройства, позволяющие без задержек производить замену топлива.

Нужно сказать, что трудности не кончаются его извлечением из реактора. Топливный цикл может быть завершен, как уже говорилось раньше, очисткой извлеченного топлива от осколков деления, выделения из него плутония, изготовления новых тепловыделяющих элементов. Только после всех этих процессов вторичное топливо разрешается загрузить в тот же самый или во вновь построенный реактор. Только после этого можно сказать, что создано дополнительное топливо. Задача, следовательно, состоит еще и в том, чтобы сократить время, затрачиваемое на переработку извлеченных твэлов и изготовление новых. А сделать это тоже непросто уже потому, что топливо, извлеченное из реактора, нельзя сразу направить на завод по переработке, так как в тепловыделяющих элементах из осколков продолжает выделяться много энергии. Вот и приходится выжидать несколько месяцев - срок, необходимый для того, чтобы ослабло их излучение и их можно было транспортировать. Да и на заводе по переработке сильное излучение твэлов также очень затрудняет проведение процесса отделения плутония.

По-видимому, этого перечисления уже достаточно, чтобы дать себе отчет в том, что проблема создания реактора с малым временем удвоения загрузки горючего требует много времени, сил и средств. Кроме того, созданный реактор будет стоить дороже того, к которому не предъявлялись специальные требования по времени удвоения загрузки.

Вокруг этих сложностей и дискутировали советские и зарубежные ученые, решая вопрос, на чем следует остановиться? Либо делать реактор для сегодняшнего дня с малоинтенсивной наработкой горючего, но зато более дешевый, чем реактор на быстрых нейтронах, и, конечно, неспособный коренным образом решить топливную проблему самой ядерной энергетики, хотя в ближайшее десятилетие он сможет успешно конкурировать по дешевизне энергии с тепловыми реакторами. Либо стать на другой путь, более тяжелый и более долгий.

В его конце реактор значительно совершеннее и дороже других, но с интенсивной наработкой горючего (малым временем удвоения загрузки), пригодный для более успешного решения топливной проблемы самой ядерной энергетики будущего.

Мы намеренно несколько поляризовали точки зрения специалистов на проблему определения времени удвоения загрузки и на вопрос, о чем нужно больше заботиться - о сегодняшнем дне или о завтрашнем.

Нужно сказать, что спустя всего пять лет часть американских специалистов несколько поменяла свою точку зрения. Если ранее они считали необходимой величиной времени удвоения 15-20 лет, то в 1973 году специальная комиссия ученых США под руководством физика Г. Бете заявила: чтобы реакторы-размножители могли действительно сыграть свою роль в атомной энергетике будущего, время удвоения должно бить меньше 10 лет.

Это уже значительный шаг вперед навстречу позиции советских специалистов, считавших необходимым временем удвоения 5-6 лет.

Конечно, на пути создания таких реакторов-размножителей придется пройти несколько этапов. Реактор БН-350, с которого был начат рассказ, только первый этап. Время удвоения в нем, если был бы загружен плутоний, составило бы 15-20 лет. Но уже следующий реактор этого типа БН-600 имеет меньшее время удвоения - 12 лет, а у проектируемого еще большего реактора БН-1600 эта величина будет равна 8-9 годам.

И у нас и за рубежом разработаны проекты реакторов-размножителей с еще большей интенсификацией процесса воспроизводства горючего. Это реакторы-размножители на быстрых нейтронах с гелиевым охлаждением. Своим преимуществом они обязаны гелию.

В отличие от натрия гелий практически не поглощает нейтроны. А ведь в реакторе-размножителе каждый нейтрон на счету. Отвоеванный у вредных поглотителей, он в конце концов поглощается в делящихся ядрах с выделением энергии или, попав в ядро урана-238, производит ядро нового горючего плутония.

Реактор с гелиевым теплоносителем обеспечивает лучшее расширенное воспроизводство еще и потому, что в объеме активной зоны такого реактора меньше атомов теплоносителя, замедляющих нейтроны. А это очень важно. Ведь реакторы-размножители потому и обеспечивают хорошее расширенное воспроизводство ядерного горючего, что работают они на быстрых нейтронах. Значит, чем меньше в активной зоне ядер теплоносителя, рассеивающих и замедляющих нейтроны, тем более быстрыми будут нейтроны, тем больше будет получаться в реакторе дополнительного ядерного горючего - плутония. С помощью таких реакторов специалисты надеются довести время удвоения загрузки до 5-6 лет.

Создание эффективных реакторов-размножителей на быстрых нейтронах обеспечивает для атомной энергетики практически безграничные ресурсы ядерного топлива. Это происходит по двум причинам.

Во-первых, гораздо эффективнее (в 20-30 раз) начинает использоваться ядерное горючее в самом реакторе.

Во-вторых, и это особенно важно, в ядерный топливный цикл могут быть эффективно и экономично вовлечены громадные закасы урана, растворенного в морской воде. Эти запасы почти в миллион раз превышают залежи достаточно дешевого урана на суше, в рудных месторождениях.

Почему же уран, растворенный в морской воде, нельзя использовать в уже существующих реакторах на тепловых нейтронах? Дело в том, что при известных сейчас методах извлечения урана из морской воды, он стоит в несколько раз дороже урана, добываемого на суше из рудных месторождений. Тепловые реакторы не могут позволить себе использовать такой дорогой уран - они будут тогда неэкономичны.

Для хороших, быстрых реакторов-размножителей этой проблемы практически не возникает, поскольку они используют уран в 20-30 раз эффективнее и, значит, для них можно покупать его по повышенным ценам.

Следовательно, при создании эффективно работающих реакторов-размножителей на быстрых нейтронах атомная энергетика сможет обеспечить себя достаточным количеством ядерного горючего и сыграть главную роль в решении энергетической проблемы.

ЗЕМНОЕ СОЛНЦЕ

Он восемь лет вынашивал идею получения солнечной энергии из огурцов, для чего помещал их в банку и в прохладные летние дни извлекал для обогрева воздуха.

Джонатан Свифт

Люди издавна поклонялись Солнцу, обожествляли его - источник жизни на Земле. Один из фараонов Древнего Египта, гораздо менее известный, чем его жена красавица Нефертити, через четыре года после вступления на престол принял имя Эхнатон, что означает "Поклоняющийся Атону" - солнечному диску. Если пользоваться терминами современной физики, то Эхнатон поклонялся естественному термоядерному реактору.

Не все согласны с тем, что источник энергии на Солнце - термоядерные реакции; есть и сомневающиеся. И все же наиболее удовлетворительное объяснение солнечного излучения - это соединение четырех атомов водорода в один атом гелия. Термоядерная реакция протекает внутри Солнца при довольно высокой температуре - около 20 миллионов градусов, поддерживая тем самым солнечное излучение. Значит, именно термоядерная энергия является первоисточником практически всех энергетических ресурсов на Земле угля, нефти, газа, гидроэнергии, энергии ветра и океанов.

Великий синтез

В одной из статей, посвященной термоядерным исследованиям, я прочитал такую фразу: "Овладев термоядерным синтезом, человечество получит возможность использовать в земных условиях огромные запасы ядерной энергии легких элементов прямым путем, а не косвенно через радиацию Солнца".

Не слышится ли вам, читатель, в этой фразе зависть физиков и "обида", что вот, мол, Солнце, а не мы - люди - осуществляем термоядерный синтез, что мы не можем обеспечивать себя неограниченным количеством энергии? Я прочитал эту фразу именно с такой интонацией. Но главное в ней, конечно, мечта людей об овладении энергией, подобной солнечной, - энергией термоядерного синтеза.

В начале 50-х годов нашего века человечеству показалось, что эта мечта осуществилась. Тогда были взорваны первые термоядерные бомбы. Над Землей зажглись солнца, созданные человеком.

По масштабам земной энергетики ядерные взрывы - это действительно маленькие солнца. Трудно сопоставить их энергию с энергией обыденных источников, к каким мы привыкли. Выделяемая при взрывах термоядерных, или, как их часто называют, водородных, бомб она достигает десятков миллиардов киловатт-часов. Такая электростанция, как, скажем, Братская, мощностью в 3,6 миллиона киловатт, может выработать эквивалентную энергию только за несколько месяцев. В термоядерной же бомбе она выделяется за стотысячную миллионную долю секунды. Следовательно, ее мощность в сотни миллионов раз превышает мощность всех электростанций мира.

Если взять одну из самых "маленьких" бомб, то все равно ее мощность равна сотням миллионов киловатт.

Человек еще не научился управлять и целенаправленно и полезно использовать эту могучую силу. Впрочем, если быть более точным, он еще не может управлять такой энергией в том смысле, что еще не научился менять скорость процесса горения термоядерного топлива, то есть осуществлять его медленное течение.

Пришло ли время?

Несмотря на эффективность и привлекательность ядерных и термоядерных взрывов для преобразования планеты, обратим взор на тех исследователей, которые пытаются обуздать стихию термоядерного взрыва - создать управляемый термоядерный синтез.

Сначала о небольшом парадоксе: физическая модель ядерного реактора деления, продемонстрировавшая возможность осуществления цепной реакции, была создана за несколько лет до первой атомной бомбы, а еще через восемь лет под Москвой заработал первый опытный реактор, вырабатывающий электроэнергию.

В термоядерном синтезе все наоборот. Сначала термоядерная бомба, а потом... "Потом", к сожалению, не наступило, хотя со времени взрыва первого термоядерного устройства прошло почти три десятилетия.

Пока нет даже лабораторной модели, которая продемонстрировала бы осуществимость управляемого термоядерного синтеза. В чем тут дело? Может быть, у человечества еще не появилась потребность в таком хотя и сложном, но совершенном источнике энергии? Может быть, термоядерный реактор "установка еще не для нашей эпохи, и поэтому работа над ним идет еле-еле, чуть теплится?

Вопрос - нужно ли сейчас интенсивно работать над термоядерной энергетикой, вкладывая в ее развитие большие средства, - совсем не праздный. Это серьезная научно-техническая проблема, связанная с планированием развития производственного потенциала общества.

Многие мои коллеги обсуждали и сейчас активно ее обсуждают. Не всегда удается прийти к единой точке зрения. Ведь в технике (а это относится и к термоядерной энергетике) действительно очень важно правильно оценить своевременность того или иного изобретения, установить необходимость развития работ и планирования затрат на его осуществление. Нужно ли вкладывать средства сейчас или подождать еще 20-30 лет, когда у общества появятся большие возможности и большие потребности?

В истории развития техники сколько угодно примеров слишком раннего появления изобретений. Вспомним один из наиболее разительных. Паровая машина и паровая турбина вошли в жизнь в XVIII веке, а их прообраз был создан и продемонстрирован римским математиком Героном еще в начале нашей эры. Его турбина - металлический шар - вращалась в опорах за счет реактивных сил пара, выбрасываемого из трубок, впаянных в шар. Полторы тысячи лет слишком большой срок!

Не ожидает ли то же самое термоядерную энергетику?

Нет, причина ее относительно медленного развития вовсе не в том, что для нее еще не пришло время. Энергетика нуждается в системах и установках, надежно обеспеченных топливом. Она ждет их сейчас и тем более через 20-30 лет. Нужны и новые, более совершенные и мощные источники энергии. Так, может быть, мощность будущих реакторов термоядерного синтеза слишком велика? Называют, например, мощность одного реактора для выработки электроэнергии, равную 5 миллионам киловатт! Много ли это? Да, по сегодняшним масштабам это много и сравнимо с мощностью отдельных энергосистем даже в СССР. Но лет через 20-30 она уже будет впору.

Еще одно важное и необходимое качество энергетических установок - их экономичность. По сегодняшним меркам тот термоядерный реактор, каким его сегодня представляют себе инженеры и проектанты, дороговат и убыточен. Но ведь это совсем не означает, что он не окажется выгодным через несколько десятилетий!

Не всегда в технике должно приниматься на вооружение только то, что дешево сейчас. Академик Н. Жаворонков приводил занятный пример. В 20-х годах на одном солидном ученом совещании обсуждался такой вопрос: стоит ли использовать для перевозок грузов автомобильный транспорт? Выступавшие отмечали большую грузоподъемность и скорость автомобилей, восхищались их комфортабельностью. Вывод же, сделанный совещанием, был по теперешним меркам анекдотичным: "Автомобиль не имеет широкой перспективы развития, поскольку он... менее экономичен, чем гужевой транспорт..." К таким абсурдным итогам можно прийти, если фетишизировать экономические критерии или неправильно их выбирать и применять.

Но вернемся к вопросу, который мы поставили раньше. Почему через три десятилетия после взрыва термоядерного устройства еще нет установок, в которых можно получать энергию за счет управляемого термоядерного синтеза?

Конечно, известную роль в темпах исследований могли сыграть и причины, о которых мы только что говорили выше. Но основными среди них следует признать значительные теоретические и технические трудности, которые встали перед теоретиками, экспериментаторами и инженерами на пути овладения термоядерной энергией. Преодоление этих трудностей и последующее широкое внедрение термоядерных реакторов в энергетику потребовало и еще потребует несколько десятилетий.

Американский ученый-химик Айзек Азимов, больше известный у нас как писатель-фантаст, на основании проведенного им самим анализа внедрения в промышленность ряда крупных изобретений пришел к выводу, что период времени от рождения научной идеи до ее масштабного внедрения в промышленность составляет около 50-60 лет. Конечно, эта закономерность во многом условна, а может быть, и просто случайна. Но тем не менее в энергетике действительно смена одних источников энергии другими, то есть занятие ими более половины энергетического баланса (дрова - уголь - нефть - газ), происходила через 50-100 лет, хотя в разных странах это было по-разному.

Эти рассуждения приведены лишь для того, чтобы показать: в задержке освоения термоядерного синтеза нет уж слишком специфичных причин. К сожалению, понимание и разработка теоретических основ термоядерных реакторов оказались процессом более сложным, нежели для реакторов деления ядерного горючего.

Но еще более впечатляет разница между физическими моделями этих реакторов, которые демонстрируют осуществимость обеих технологий. Вспомните о простейшем ядерном реакторе деления. Это кастрюля с водным раствором уранилнитрата, обогащенного ураном235. В ней за счет деления ядер урана может выделяться тепловая энергия.

Физическая модель термоядерного реактора гораздо сложней. Еще не ясно, как будут выглядеть ее отдельные узлы и системы, каковы будут ее параметры.

Для создания этого агрегата нужно преодолеть значительные трудности. Чтобы понять ее природу, обратимся к физике плазмы.

Проблема УТС

Физики, привыкшие экономно выражать с.,оп мысли о физической природе вещей и событий и изображать их закономерности в виде формул и графиков, называют проблему овладения управляемым термоядерным синтезом коротко: проблема УТС.

В центре этой проблемы - плазма, наиболее распространенная форма вещества в природе. Мы уже знаем, что для слияния ядер легких элементов, скажем водорода и дейтерия, и получения энергии за счет этой реакции нужно сначала сильно нагреть оба элемента и перевести их в состояние плазмы смеси из электронов, оторвавшихся от атомов, и ионов-атомов, потерявших электроны и получивших в результате этого положительный заряд. При дальнейшем разогреве плазмы ядра в ней начинают сливаться с выделением энергии.

Величина ее будет зависеть как от температуры плазмы, так и от ее плотности, то есть от количества ионизированных атомов в единице объема.

Не при каждом соударении ионов происходит их слияние и выделение энергии. К сожалению, чаще всего столкновение будет происходить так, что ионы, упруго соударившись, разлетятся в разные стороны, как бильярдные шары. И только в некоторых отдельных случаях столкновение приведет к слиянию ионов, к синтезу их ядер с выделением энергии. Осуществление такого события тем вероятнее, чем выше скорости соударяющихся ионов, то есть чем выше температура плазмы. Не вызывает сомнения, что чем больше ионов в единице объема, тем вероятнее их столкновение, тем чаще станут сливаться ядра, следовательно, тем больше выделится термоядерной энергии. Каковы же величина и скорость ее освобождения?

Пусть в кубическом сантиметре плазмы находится тысяча триллионов (1015) атомов дейтерия. Тогда при температуре около 40 миллионов градусов мощность, выделяемая в одном кубическом сантиметре плазмы, будет равна всего 0,05 ватта. Это не очень много. Если для сравнения мощность обычной, включенной в сеть электрической лампочки отнести ко всему ее объему, то на один кубический сантиметр придется около одного ватта мощности, то есть в двадцать раз больше. Как же можно повысить мощность, выделяющуюся в плазме?

Конечно, увеличивая ее температуру. Например, если нагреть плазму до 400 миллионов градусов, то мощность увеличится до 7 ватт на кубический сантиметр.

Но ведь нужно еще как-то получить такую колоссальную температуру! Может быть, попробовать другие элементы? Очень заманчиво было бы использовать для синтеза водород, наиболее доступный и распространенный в природе элемент. Увы! Оказывается, соударения ионов водорода очень редко заканчиваются слиянием их ядер с выходом энергии. Поэтому мощность, выделяемая в единице объема водородной плазмы, очень мала.

Однако в недрах Солнца реакция взаимодействия ядер водорода протекает с заметной скоростью даже при меньшей температуре, равной всего 20 миллионам градусов. В чем же здесь дело? Оказывается, в том, что наСолнце плотность плазмы в значительной степени выше.

Кроме того, и это особенно важно, относительно малая величина мощности, выделяемой в единице его объема, не имеет особого значения, так как масса светила огромна и во всем его объеме происходит громадное количество реакций, обеспечивающих его "горение".

Но для земных условий нужно искать более интенсивные процессы. К счастью, один такой есть: это реакция двух изотопов водорода - тяжелого и сверхтяжелого, дейтерия и трития. При 40 миллионах градусов и плотности 10^15 ядер в кубическом сантиметре мощность, выделяемая в такой плазме (Д-Т), составляет около 2 ватт в кубическом сантиметре, а при температуре 100 миллионов градусов уже около 50 ватт.

Как мы увидим дальше, нагреть плазму до такой высокой температуры очень сложно. Поэтому возникает вопрос: а нужно ли стараться так ее поднимать? Ведь и при меньшей температуре энергия все равно будет выделяться!

Стараться, к сожалению, нужно. И вот почему: мы хотим получить такой источник энергии, в котором происходила бы самоподдерживающаяся реакция синтеза.

Другими словами, нам нужно создать установку, в которой энергия, затраченная на создание плазмы с высокой температурой, то есть на получение термоядерной реакции, была бы существенно меньше выделяющейся.

Картина здесь подобна зажиганию костра. Мы знаем, что получим от него тепловой энергии больше, нежели от зажженной спички, сыгравшей роль поджигателя.

По мере повышения температуры плазмы потери тепла, то есть потери энергии, увеличиваются. Происходят они в виде тормозного рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии электрона с электрическими полями ионов. При наличии в плазме магнитных полей возникает еще так называемое синхротронное (циклотронное) излучение, обусловленное центростремительным ускорением частиц, вращающихся в магнитном поле.

Итак, по мере увеличения температуры величина энергии, выделяющейся при синтезе в единицу времени, возрастает. Но с ростом температуры увеличиваются и потери тепла из плазмы. Казалось бы, это плохо. Однако в рассматриваемой области температур (50- 150 миллионов градусов) выделение энергии с повышением температуры растет быстрее потерь. А это означает, что существует какая-то температура, при которой величина выделяемой энергии сравняется с ее потерями. Она будет для данного процесса минимальной, или, как аттестуют ее физики, критической. Для реакции дейтерия с тритием она равна примерно 40 миллионам градусов. На самом же деле необходимая температура должна быть более высокой. Ведь еле теплящийся костер может быстро погаснуть из-за потерь тепла, вызванных ветром или дождем. А если он хорошо разгорается, температура его высока и пламя пышет, то он будет гореть даже в непогоду, то есть при больших потерях энергии.

Что еще нужно предпринять, чтобы осуществить в плазме самоподдерживающуюся реакцию синтеза?

Мы пока почти ничего не говорили о ее плотности.

Для примера была взята величина 1015 атомов в кубическом сантиметре, что приблизительно соответствует одной десятитысячной плотности земной атмосферы, то есть практически - это вакуум. Если ее еще понизить, то скорость выделения энергии - мощность - окажется слишком малой, чтобы представлять практический интерес. Ну а если повысить, приравнять, например, к плотности воздуха при атмосферном давлении? Тут мы столкнемся с другой неприятностью: по мере роста температуры такой плазмы начнется стремительный рост давления, которое достигнет сотен тысяч атмосфер. Никакие стенки сосудов не смогут удержать такой напор!

Вот почему в различных проектах термоядерных установок плотность плазмы выбирают в диапазоне Ю16 частиц в кубическом сантиметре.

Как это часто бывает, решение одной проблемы вызывает другую, которую также нужно решать. При таких низких плотностях в плазме, несмотря на очень высокие температуры, при которых естественны большие скорости движения, ядра элементов проходят гро мадный путь (до ста тысяч километров!) прежде, чем вступают в реакцию синтеза. (Конечно, соударяться между собой они будут гораздо чаще, однако эти соударения будут упругими, что не приводит к синтезу.)

Но если ядра совершают такой большой путь, значит, они будут налетать и на стенки сосуда и, отражаясь от них, терять энергию. Этого как раз и нельзя допускать.

Интересно, что основной проблемой здесь оказалось не испарение стенок камеры, в которую заключена плазма. При указанной выше и даже большей плотности и температуре в десятки миллионов градусов стенки сосуда, сдерживающего плазму, не только не расплавляются, а даже не повреждаются. Проблема состоит в том, чтобы в результате контакта с ними плазма не охлаждалась и термоядерная реакция не затухала. Значит, нужно освоить такой метод удержания ее частиц, который исключал бы соприкосновение их со стенками.

На Солнце и в других звездных телах удержание частиц происходит за счет сил гравитации, являющихся эффективным барьером на пути их движения. Однако на Земле эти частицы так не удержать, слишком мала здесь сила гравитации. И вот тут-то н наступил один из критических поворотов в проблеме УТС. Казалось, что плазму при температуре в несколько десятков миллионов градусов невозможно "запереть" ни в какой лабораторной, а тем более в промышленной энергетической установке.

В 1949 году американские теоретики-ядерщики Г. Гамов и У. Критчфилд высказали мнение, что управляемый термоядерный синтез вообще проблема технически не осуществима. Но прошло чуть более года, и ученые предложили использовать для удержания плазмы - магнитное поле. Оно оказалось очень эффективным барьером на пути частиц плазмы.

Несмотря на то что в целом плазма нейтральна, она состоит из положительно заряженных ионов и отрицательных частиц - электронов. В сильном магнитном поле их беспорядочное движение переходит в движение по спиралям вдоль магнитных силовых линий. Оказывая давление на заряженные частицы, это поле будет сдавливать их в шнур и таким образом изолировать от стенок сосуда.

Мы пока ни слова не сказали еще об одной важной проблеме: как разогреть плазму до нескольких десятков миллионов градусов. А она совсем не проста.

Обычные химические методы нагрева, какими мы привыкли пользоваться в нашей повседневной практике или в промышленных условиях, здесь не подходят: ведь нет химического источника нагрева, способного развить миллионоградусные температуры. Еще задолго до того, как будут достигнуты миллионы градусов, атомы такого топлива лишатся своих электронов, и, следовательно, будут нарушены все законы химического взаимодействия вещества. Да если бы и был такой химический источник, то еще неизвестно, каким путем можно передать его тепло плазме. Лучеиспусканием? Но она прозрачна и не воспримет тепловое излучение. Конвекцией?

Но где стенки, через которые можно передавать тепло?

Они еще не существуют. Смешать плазму с более горячим газом? Но где его взять?

Каким же образом мгновенно подводить громадное количество тепла к газу, чтобы превратить его в плазму и разогреть?

В водородной бомбе термоядерное топливо зажигают взрывом атомной бомбы, в которой источник энергии - деление ядер. Но ведь мы должны получить не взрыв, а управляемый синтез? А что, если воспользоваться электрическим током?

Эта мысль у физиков возникла одной из первых.

Ведь нагреваем же мы таким образом спирали электроплиток и лампочек! А в некоторых экспериментах при пропускании тока через очень тонкие металлические проволочки температура достигает десятков тысяч градусов.

Известно, что если к электродам, между которыми находится газ, приложить напряжение, то произойдет пробой, газ ионизируется, затем превратится в плазму, через которую потечет электрический ток (пробой), и из-за электрического сопротивления в ней будет выделяться тепло. С помощью такого так называемого омического нагрева можно достичь высокой температуры.

Первые шаги

Проведенный физиками первоначальный анализ условий осуществления УТС, с которым мы познакомились в общих чертах, привел к довольно оптимистичному выводу. Вот краткое его изложение.

Нужно использовать в качестве топлива смесь дейтерия с тритием и с помощью вакуумных насосов создать в камере термоядерного реактора вакуум, плотность частиц в котором была бы равна 10^14-10^15 единиц на кубический сантиметр. Окружить этот объем магнитным полем, которое удерживало бы в нем плазму.

Затем пропустить через плазму электрический ток, который и нагреет ее до 40 миллионов градусов.

При этой температуре ядра дейтерия и трития станут соударяться и сливаться, образуя атомы гелия и выделяя термоядерную энергию.

Кажется, все достаточно просто. В самом деле, ведь и магнитное поле не нужно создавать специально. Оно возникнет само по себе, когда через плазму потечет ток, точно так же, как оно возникает вокруг любого проводника с током. Это же поле, взаимодействуя с плазмой, и будет удерживать ее в зоне горения и не допускать к стенкам камеры.

На самом деле все оказалось гораздо труднее!

Будем справедливы, эта кажущаяся простота была настолько заманчивой, что могла обмануть не только людей, впервые знакомящихся с этой проблемой, она смутила и физиков-теоретиков, и инженеров, рассчитывавших условия проведения процесса, и физиков-экспериментаторов, начавших срочно сооружать установки для осуществления термоядерной реакции в лабораторных условиях.

Вот как выглядели эти установки. Камеру, в которой должна идти термоядерная реакция, выполнили из изоляционного материала в виде полого цилиндра с электродами в торцах. На них и подавалось напряжение.

Для получения сильного электрического тока применили большую батарею конденсаторов. При быстром ее разряде можно получать ток очень большой силы.

Скажем, если накопить всего 0,1 киловатт-часа и разрядить в несколько миллионных долей секунды, то потечет ток такой силы, что разовьет мощность в разряде, равную примерно 100 миллионам киловатт.

Итак, есть камера-цилиндр и источник электроэнергии. Можно начинать эксперимент. Создается вакуум, и цилиндр заполняется азотом. Почему этим элементом?

Это вызвано соображением осторожности. Хотя теория и предсказывает, что при заполнении камеры дейтерием ничего страшного не должно произойти, все же, поскольку речь идет о термоядерной реакции, лучше сначала сделать пробу на азоте.

Электрическая энергия накоплена. Разряд! Вспышка света! Взрыв! Нет, цилиндр не разорвался, только разряд был эффектным, подобным взрыву. Все произошло так, как и предполагали теоретики. При протекании тока образовалась плазма. Магнитное поле сжало ее в плазменный сверкающий шнур.

Опыт повторяется. Затем проводится третий, четвертый... и каждый раз меняются условия проведения эксперимента. Наконец можно ввести в камеру и термоядерное сырье - дейтерий. Реакция может пойти и при взаимодействии одних его ядер. Вводить радиоактивный элемент тритий пока нежелательно: обеспечение безопасности слишком усложнит эксперимент.

Снова разряд, вспышка, оглушительный выстрел, опять плазменный шнур. И что же? Была ли термоядерная реакция? Как определить это простейшим образом?

Высвободилась ли в результате реакции энергия?

Мы еще не говорили, в каком виде она в такой реакции выделяется; очевидно, что в форме кинетической энергии новых элементов, образующихся при синтезе. Например, в случае реакции дейтерия с тритием - это должен быть атом гелия с энергией 3,5 Мэв (1,7 * 10^-19 кВт-ч). Об этой энергии, которую несут продукты синтеза, шла речь выше, когда мы говорили о мощности, выделяемой в объеме плазмы. За счет ее и должна поддерживаться температура. Однако в первых лабораторных опытах она могла быть (в действительности так и было) очень малой, настолько малой, что ее невозможно было обнаружить на фоне той энергии, которая вводилась в плазму электрическим разрядом. Но, кроме новых ядер, при синтезе дейтерия и трития освобождается еще и нейтрон с гораздо большей энергией, равной 14 Мэв (6,8 * 10^-19 кВт ч).

В реакции синтеза дейтерий - дейтерий (Д - Д) также освобождаются нейтроны. Наличие этих частиц при разряде говорит о протекании в камере термоядерной реакции, и остается лишь их обнаружить. Задача эта не такая уж сложная, поскольку для определения этих частиц существуют специальные приборы высокой чувствительности.

Итак, в очередной раз в камере с дейтерием производится электрический разряд, и приборы регистрируют нейтронный импульс!

Неужели все так просто? Обычный газовый разряд - и термоядерная реакция синтеза в наших руках!

Физикам, воодушевленным этой удачей, казалось, что они на пороге овладения термоядерной реакцией. Да и действительно трудно не воодушевиться в такой ситуации. "Вперед, к еще более мощным приборам и установкам", - стали дружно призывать физики-оптимисты.

"Не слишком ли просто и легко дается решение такой сложной проблемы? Нет ли здесь незамеченной ошибки?" - осторожно возражали более осмотрительные их коллеги. Постепенно разгорались дебаты. Попробуем вникнуть в их суть. Но условимся не считать тех и других хорошими или плохими. Дело в том, что в науке возникает так много тупиковых проблем и идей и так много исследований дают отрицательные результаты, что сказать сразу, что лучше - оптимизм или пессимизм, почти невозможно. А теперь послушаем, о чем же идет разговор.

П. (пессимист). У меня нет никакой уверенности, что эти нейтроны возникли действительно в результате термоядерной реакции.

О. (оптимист). Почему?

П. Потому что нейтроны могут образоваться и в результате какого-либо другого процесса.

О. Какого именно?

П. Сами ионы дейтерия могли быть ускорены под действием приложенной разницы потенциалов и соударяться с ионами дейтерия, прилипшими к стенкам камеры или к электродам. Тогда нейтроны не результат термоядерной реакции, то есть общего разогрева плазмы, а следствие процесса ускорения.

О. Да, но тогда источники нейтронов располагались бы вблизи электродов, как это бывает в обычном процессе ускорения, а не оказались бы равномерно распределенными по всему объему.

П. Это правильно, но давайте еще раз проверим на опыте.

Ставился очередной опыт, и он снова показывал, что источники нейтронов распределены по всему объему плазмы и часто вылетают из ее центра. Но пессимист не успокаивался.

П. Но ведь количество нейтронов, наблюдаемое нами, чересчур велико для тех температур, которые возникают в таком разряде!

О. Так это просто замечательно! Значит, будет проще осуществить термоядерный реактор!

П. А как быть с теорией, устанавливающей строгую зависимость образования нейтронов от температуры плазмы?

О. Теорию придется подправить. Ведь мы обнаружили, что ускорительного процесса нет!

Под "давлением" пессимистов вновь один за другим ставились опыты. Оказалось, что победили сомнения пессимиста. Нейтроны возникали действительно в результате ускорительного процесса, но не совсем обычного.

Чем же было вызвано появление большого количества нейтронов при сравнительно низких температурах плазмы?

Обнаружилось, что плазменный шнур во время разряда подвержен целому ряду различных неустойчивостей. К примеру, он как будто внезапно перетягивался поперек сечения, являя собой очень тонкую нить. В момент появления такой перетяжки именно здесь возникал огромный осевой электрический потенциал, во много раз превышавший напряжение, приложенное к электродам цилиндра. Под действием этого потенциала и происходило ускорение отдельных ионов дейтерия и рождение нейтронов, которые, конечно же, не были термоядерными. Впоследствии их назвали нейтронами неустойчивости, или ложными.

Так, или приблизительно так, были сделаны первые шаги в освоении УТС на установках Института атомной энергии, где в 1952 году были зарегистрированы эти первые лженейтроны.

В тот же период подобные опыты по самосжатому разряду проводились в Англии.

В США для экспериментов в Лос-Аламосской лаборатории У. Так создал камеру в виде бублика-тора, заполненного газом. При разряде конденсаторной батареи через катушку, надетую на этот тор, внутри его индуцировался ток в десятки тысяч ампер.

Один из скептиков, услышавший, каких результатов хотят добиться с помощью этого устройства, назвал его в шутку "импоссиблитроном" (Impossiblytron), то есть невозможнотроном. Тогда У. Так, отвечая ему и желая отразить свой оптимизм в названии, нарек первую экспериментальную модель "перхэпсатроном"

(Perhapsatron), то есть возможнотроном. С таким названием эта установка и вошла в историю борьбы за управляемый термоядерный синтез.

Так первые идеи, первые эксперименты, первые радости и разочарования породили первые неожиданности.

Главной была неустойчивость - этот бич плазмы. Первая атака на нее оказалась неудачной. Но, как разведка боем, она вскрыла много уязвимых мест плазмы, прояснила много ранее туманных вопросов, стала трамплином для дальнейшего развития теории...

Как видите, всего несколько страничек заняло описание экспериментов по самосжатому разряду. На чтение этих живых воспоминаний читатель потратил минуты.

В жизни на это ушли годы раздумий теоретиков, дни и ночи работы экспериментаторов, инженеров, техников, рабочих. Академик Л. Арцимович, руководивший тогда исследованиями УТС, и его сотрудники за эти работы были удостоены Ленинской премии.

Начался новый этап борьбы за управляемый термоядерный синтез.

МЕДЛЕННО? НЕТ, БЫСТРО!

Самое прекрасное, что мы можем испытать, - эта ощущение тайны.

Она есть источник всякого подлинного искусства и всей науки.

Альберт Эйнштейн

Взорвав водородную бомбу, человек осуществил термоядерный синтез. Оставалось выполнять главную задачу в термоядерной проблеме - научиться управлять этим процессом, контролировать скорость термоядерного взрыва.

Чтобы взять его под контроль, можно идти двумя путями. С одним мы уже познакомились. Его идея - замедлить течение реакции, растянуть ее во времени.

По этому принципу и создаются устройства с магнитным удержанием плазмы. Такова наша установка Токамак. По замыслу его создателей в термоядерный реактор загружается топливо. С помощью внешних источников энергии оно разогревается и горит несколько минут, чтобы уступить место следующей порции топлива.

На протяжении всего времени горения плазма удерживается с помощью магнитных полей.

Но возможен и другой способ управления этим процессом. Суть его в том, что в реакторе осуществляются термоядерные взрывы гораздо меньшей мощности, нежели в водородной бомбе. В сущности, это микровзрывы. Важно, чтобы устройство, в котором они имеют место, во-первых, выдерживало эти микровзрывы, а во-вторых, "успевало" переводить их энергию в полезную энергию. Отсюда задача - найти способ мгновенного разогрева топлива до термоядерной температуры, и тогда оно взорвется. Затем, непрерывно осуществляя эти микровзрывы, переводить выделяющуюся энергию в удобные для нас формы.

Спрессованный свет

Для управления термоядерным процессом советские физики Н. Басов и О. Крохин в 1964 году предложили для разогрева плазмы использовать лазер.

Чтобы разобраться в сути их предложения, придется сначала ознакомиться с тем, как работает и какими свойствами обладает устройство, названное лазером.

Интересно, что о его прообразе писатели-фантасты заговорили несколько десятков лет назад. Вспомним хотя бы роман А. Толстого "Гиперболоид инженера Гарина".

Не предвидя, конечно, создания известного современному человечеству удивительного прибора, имеющего совершенно иное назначение, автор романа писал: "Первый удар луча гиперболоида пришелся по заводской трубе - она заколебалась, надломилась посередине и упала... Был виден завод, раскинувшийся на много километров. Половина зданий его пылала, как карточные домики. Луч бешено плясал среди этого разрушения".

Лазер называют еще квантовым генератором света.

Родился он в конце 50-х годов нашего века. Главная роль в создании этого источника светового излучения принадлежит советским ученым - Н. Басову, А. Прохорову и американцу Таунсу.

Чем же интересен этот источник света и каковы его особенности?

Одно из присущих ему замечательных качеств - мощность. Чтобы читатель получил о ней представление, воспользуемся таким примером нить обычной лампы накаливания станет испускать такой же яркости свет, как небольшой квантовый генератор, если ее температуру довести до 10 миллиардов градусов, то есть сделать в миллион раз горячее поверхности Солнца.

Несмотря на то что количество энергии, которое лазер "выстреливает" в импульсе, невелико, скажем 0,03- 0,05 ватт-часа, удельная мощность импульса может быть очень высокой - до 1017-1020 ватт в кубическом сантиметре. Для сравнения напомним, что в ядерных реакторах деления удельная мощность колеблется в пределах ог 10 до 1000 ватт в кубическом сантиметре, а в термоядерном - 100 ватт.

Другое замечательное качество лазера, или, точнее, светового излучения, создаваемого им, - это способность концентрировать энергию в фантастически малых объемах. Используя в лабораторных условиях относительно небольшую энергию, скажем равную одной килокалории, можно получить плотность энергии в кубическом сантиметре десять миллионов килокалорий, то есть в миллион раз больше той, какую можно достичь с применением самых эффективных современных взрывчатых веществ.

За счет чего достигается такая концентрация энергии?

Солнце, электрическая лампочка и другие источники излучают свет в виде независимых друг от друга разных по длине волн. Получается это потому, что испускающие свет атомы и электроны при нагревании движутся хаотически. Эти независимые, беспорядочно колеблющиеся волны света невозможно объединить в один узкий пучок. Этим объясняется расширение луча прожектора с расстоянием.

Если же создать устройство, которое заставляло бы атомы излучать световую волну определенной одинаковой длины и не беспорядочно, а согласованно во времени, оно обеспечило бы мощный, нерасходящийся, как говорят, когерентный луч света. Именно таким устройством и является лазер.

Как он работает?

В его рабочее (активное) вещество, которым может быть стекло, газ, жадность, с помощью специальных импульсных электроламп вводится энергия. Молекулы активного вещества тотчас переводятся в возбужденное состояние и излучают свет. Само активное вещество является резонатором - оптической системой из двух параллельных зеркал, обращенных друг к другу отражающими поверхностями. Это может быть рубиновый стержень размером с карандаш с зеркальными торцами. Для вывода излучения из резонатора в намеченном направлении одно из зеркал делается отражающим полностью, а другое частично. Через него и может пройти излучение.

Эта система представляет собой усилитель, который действует так.

Первоначально слабое излучение, вызванное импульсной лампой, проходит через активную среду и вызывает дополнительное высвечивание молекул, находящихся в возбужденном состоянии. Это уже немного усиленное теперь излучение, отражаясь от зеркал и вновь проходя через среду, вызывает излучение следующих молекул и так далее. В результате происходит лавинообразная цепная реакция, приводящая к вспышке лазера.

Перемещая зеркала, можно нарушать условия отражения света, то есть как бы выводить из строя резонатор. Это делается для того, чтобы можно было возбуждать молекулы активной среды до максимально допустимой величины и лишь затем снова "вводить резонатор в строй", заставляя его молекулы в импульсе отдавать энергию.

И еще несколько слов о необыкновенных свойствах лазеров. Эти источники света, несмотря на мощные импульсы, не раскаляются, и их можно считать холодными.

Расходимость лазерных пучков световых волн в конечном счете зависит от точности изготовления и размеров этих приборов. При колоссальныхмощностях потоки излучения подчиняются в пространстве законам геометрической оптики. Поэтому, используя обычные линзы, их можно концентрировать на очень малых мишенях, сравнимых с длиной волны излучения. При этом плотность мощности может достигать 1014-1016 ватт на квадратный сантиметр.

Выше приводилось выражение: "потоки излучения лазера"; а это не совсем верно. На самом деле, лазерный луч представляет собой сгусток энергии, длина которого может быть, скажем, 30 сантиметров, а иногда и меньше.

Оторвавшись от лазера, этот спрессованный сгусток света распространяется по законам оптики. Свет идет в виде сгустка, потому что длительность отдельной вспышки в лазере очень мала: 10^-9-10^-11 секунды.

Пожалуй, вот и все, что необходимо для понимания связи квантового оптического генератора и термоядерной реакции.

Вторая жизнь открытия

Теперь можно вернуться к уже упомянутому предложению Н. Басова и О. Крохина об использовании лазера для получения термоядерной реакции.

В принципе физическая сх.ема осуществления лазерного термоядерного синтеза достаточно проста. На яебольшой шарик (теперь это мишень) замороженной дейтериево-тритиевой смеси направляют этот луч. Шарик мгновенно разогревается. Вскоре его температура достигает нескольких десятков миллионов градусов, то есть того предела, за которым начинается интенсивная термоядерная реакция. Увы, начавшись, она тут же прекратится, так как взрыв термоядерного топлива - ядер дейтерия и трития, превратившихся в плазму, - разбросает это топливо в разные стороны.

Удержать вещество шарика, доведенного до четвертого состояния, невозможно. При плотности вещества в кубическом сантиметре этого шарика 1022-1023 ядер давление плазмы в тысячи раз превысит те силы, которые сегодня можно создавать с помощью магнитных полей для удержания вещества мишеней от преждевременного разлета.

Но, оказывается, для осуществления реакции в такой плотной плазме вовсе не обязательно магнитное удержание. Ведь в ней все произойдет так быстро, что большинство пар дейтерий - тритий успеет прореагировать, образовав ядра гелия за очень короткое время, еще до того, как шарик прекратит свое существование. Какое же это время?

Скорость разлета плазмы при температуре, например, в сто миллионов градусов, равная скорости звука в плазме при этой температуре, составляет около тысячи километров в секунду. Значит, путь, равный размеру шарика, скажем, в несколько миллиметров, плазма пройдет за миллиардные доли секунды. За это время от центра шарика, где в первую очередь и начинается термоядерная реакция, волна разрежения вещества дойдет до верхних наружных слоев, плотность ядер топлива в единице объема станет малой и реакция затухнет.

Характер протекания этого взрыва показывает, что всю энергию лазерного луча, необходимую для возбуждения термоядерной реакции, надо успеть внести за время, по крайней мере не большее, чем время разлета плазмы, образовавшейся из первоначальной прореагировавшей части шарика-мишени. Возможно ли это?

Да, мы об этом уже говорили. Лазер как раз такое устройство, которое позволяет создавать очень короткие импульсы энергии длительностью в 10^-9-10^-11 секунды.

Стоит сказать еще об одном условии, необходимом для осуществления термоядерной реакции. Какое количество энергии, которую должен внести лазерный импульс в шарик за этот короткий миг, чтобы разогреть его до необходимой температуры? Эта энергия, по нашим житейским представлениям, невелика: для шарика весом в один грамм (такой вес и нужен для того, чтобы реакция прошла успешно) эта величина колеблется в пределах от 30 до 300 киловатт-часов.

Действительно, не очень-то много. Однако, если вспомнить, что энергия, выстреливаемая лазером в импульсе, составляет всего несколько сотых долей ваттчаса, то ясно, что одним лазером ничего поделать нельзя. Значит, для получения импульса с минимальной для начала реакции величиной энергии, хотя бы в 30 киловатт-часов, придется "взять в упряжку" миллионы лазеров! Практически такая задача совершенно невыполнима. Перед этой фантастикой отступили даже наиболее оптимистично настроенные ученые. И казалось, что работа зашла в тупик. Это был один из самых трудных переломных моментов в исследованиях по лазерному термоядерному синтезу. Но тут группа ученых "выдала" довольно простую идею. Вот ее смысл: до нагревания шарика необходимо сильно увеличить его плотность с помощью энергии того же лазера. Это позволит тогда существенно уменьшить необходимую для зажигания реакции энергию лазера.

Сама идея безударного адиабатического сжатия, безусловно, не только хорошо известна и применяется специалистами, но и изложена во множестве учебников и монографий. Тем не менее в применении к проблеме лазерного термоядерного синтеза она оказалась принципиально новым техническим решением.

Чтобы сжать шарик из термоядерного топлива и увеличить его плотность в десятки тысяч раз, нужно создать на его поверхности давление, равное, например, давлению в центре Солнца. Полагают, что за счет сил гравитации оно гам равно ста миллиардам атмосфер.

Сто миллиардов атмосфер! Сопоставим эту величину с привычными мерками. Всяческими механическими ухищрениями или детонацией взрывчатых веществ достигают только около миллиона атмосфер. За счет сферического взрывного обжатия можно это давление увеличить еще примерно в 10 раз.

Собственно лазерное излучение создает на поверхности шарика огромное давление в 100 миллионов атмосфер! Но этого еще мало! Нужно больше. Необходимое давление получается "автоматически": при взаимодействии луча лазера с поверхностью шарика вещество поверхности шарика взрывается и начинает разлетаться, создавая импульс давления, направленный внутрь шарика, то есть сжимает шарик. Этот импульс гораздо больше того, что создается самим лучом. Те, кто интересовался работой реактивных двигателей, знают, что при равной мощности двигатель с материальным рабочим телом, например водородом, создает большую тягу (то есть давление), чем фотонный (световой). Значит, сжатие шарика, создаваемое реактивным действием плазменной струи испаряющегося вещества, больше, чем действие лазерного луча. Вследствие этого эффекта давление светового луча на поверхности шарика увеличивается еще в 100 раз. Наконец оно может возрасти почти на столько же за счет применения взрывного обжатия шарика.

В конечном счете лазер может создать в шарике из топлива давление, сравнимое с давлением в центре Солнца.

Существует, однако, на этом пути серьезное препятствие. Если пытаться брать данную крепость, что называется, "в лоб", одним ударом лазерного луча, то почти ничего не получится, так как плотность шарика увеличится всего в несколько десятков раз. Ее возрастанию помешает быстрый нагрев шарика, а с ростом его температуры станет расти его внутреннее давление (или упругость). А это будет препятствовать дальнейшему сжатию, и разогретый шарик, не успев как следует сжаться, начнет расширяться. В противовес этому было предложено не простое, а "безударное адиабатическое"

сжатие.

Приближенно его можно осуществить, если, меняя во времени мощность лазерного луча, произвести вначале обжатие шарика медленное, чтобы скорость сжатия на начальном этапе была меньше скорости звука в шарике и в нем не создавались бы ударные волны. Отсюда "безударное" сжатие, то есть отсутствие ударных волн, которые в противном случае, уходя вперед от фронта сжатия, разогревали бы шарик. Так как они не возникают почти до конца сжатия, то шарик не разогревается, поскольку в него не вносится тепло (адиабатическое сжатие). Затем на последнем этапе можно сильно увеличить мощность луча и разогреть шарик. При таком сжатии плотность в нем ядер возрастет в несколько тысяч раз и сможет достичь 1000-2000 граммов на кубический сантиметр.

Такая плотность в шарике из дейтериево-тритиевой смеси существенно меняет характер протекания термоядерной реакции. Поскольку количество ядер в единице объема возрастет, они начнут сталкиваться, как говорится, на каждом шагу. При увеличении плотности вещества в десять тысяч раз, в сто миллионов раз возрастет скорость термоядерной реакции, которая зависит от квадрата плотности вещества. А это означает, что за то время, пока шарик удерживается инерциальными силами, успевает сгореть большое количество термоядерного топлива даже при меньшей температуре разогрева. Выделившаяся при этом энергия во много раз превысит энергию лазерного луча, затраченную на разогрев и сжатие шарика.

Так, используя очень небольшую часть энергии лазера на уплотнение шарика, можно создать гораздо лучшие условия для осуществления термоядерной реакции, то есть значительно снизить требования к величине энергии, которую должен дать лазер для возбуждения термоядерной реакции.

Вспомните, если ранее в случае чисто теплового нагрева (без сверхсжатия) энергия, передаваемая лазером в импульсе, должна была находиться в интервале 30-300 киловатт-часов, то, воспользовавшись сверхсжатием, можно уменьшить ее в тысячу раз.

Задача существенно упростилась. Передача в концентрированном виде такой энергии с помощью системы лазерных устройств - это уже технически разрешимая проблема.

Есть термоядерные нейтроны!

В начале 60-х годов после создания лазеров и проведения первых теоретических исследований по их применению для термоядерного синтеза была начата подготовка к проведению экспериментов.

Многие формулы, схемы, чертежи требовали проверки на реальных физических моделях. Однако целесообразность развертывания работ по термоядерному синтезу, даже экспериментальных, вызывала сомнения и различное отношение. Скажем, специалисты Ливерморской лаборатории (США) считали, что полученные теоретические результаты по сжатию мишеней обнадеживающи, работы по ним следует продолжать Ученые же Лос-Аламосской лаборатории (США) утверждали, что лазерная техника не соответствует еще уровню, при котором было бы целесообразно положение работ и постановка экспериментов по лазерному термоядерному синтезу.

Расчеты Н. Басова и О. Крохина (Физический институт АН СССР - ФИАН) таковы, что будто бы подтверждают принципиальную возможность нагрева плазмы до термоядерных температур при облучении твердой мишени лазером.

Эти точки зрения разных физических коллективов сейчас мы можем сопоставить, а тогда они не были вза имоизвестны. Только опубликование в 1964 году статьи Н. Басова и О. Крохина о возможности достижения термоядерных температур с помощью лазеров положило начало программе работ в этом направлении во многие странах и дало им мощный толчок.

К этому времени на территории ФИАНа в двухэтажном кирпичном здании, получившем название лазерного павильона, был подготовлен к работе в те годы самый мощный в мире лазер с энергией около 0,01 ватт-часа (40 джоулей) и длительностью импульса 2,5 -10^-9 секунды.

Группа молодых физиков института надеялась, применив его для облучения газообразного дейтерия, получить термоядерные нейтроны - доказательство осуществления термоядерной реакции. Уж очень велико было их желание первыми получить термоядерные нейтроны. И это желание понятно. Ведь в основном поело статьи Н. Басова и О. Крохина в эксперименты по проблеме начали включаться многие исследовательские лаборатории США, Франции, ФРГ, Японии. И было бы очень отрадно, если бы и первые успешные результаты были бы получены самими авторами предложенного эксперимента.

Из работ академика А. Прохорова и профессора П. Пашинина было известно, что при искровом пробое газа лазерным лучом и его ионизации можно нагреть электроны плазмы примерно до 10 миллионов градусов.

Во многом история этого первого эксперимента напоминает историю с ложными нейтронами в опытах по самосжатому разряду.

Вот схема эксперимента в ФИАНе. Рядом с камерой с газообразным дейтерием, в которую направлялся луч лазера, размещался счетчик нейтронов. В случае возникновения в камере термоядерной реакции рождался пучок нейтронов. Он и заставил бы счетчик срабатывать и зажигать лампочку на панели прибора.

При первом же опыте лампочка засветилась. Неужели появились нейтроны? Слишком легкой казалась эта победа. Начались проверочные опыты. Линзу лазера закрыли непрозрачным экраном так, чтобы после вспышки луч вообще не попадал в камеру с дейтерием. Эксперимент повторили, и лампочка снова зажглась. Все стало ясно: она включалась вовсе не потому, что появлялись термоядерные нейтроны, а в результате электромагнитных наводок. С ними пришлось вести упорную борьбу. Но они были ликвидированы. Физики вступили в длительный этап повторяющихся экспериментов. Вот как участник этих опытов описывает случай, имевший место во время исследований.

В одном из экспериментов лампочка сработала. Невзирая на позднее время сразу позвонили академику Л. Арцимовичу. Он и его сотрудник В. Коган проявляли неослабевающий интерес к попыткам лазерщиков освоить новую специальность и всячески помогали дружескими советами. Академик тотчас приехал, сел на стул и приковал свой взгляд к заветной лампочке.

Вспышки лазера следовали одна за другой, но аппаратура не проявляла признаков активности. Время перевалило уже за полночь. Но в павильоне горит свет, работают насосы, на стеклянных деталях вспыхивают отблески лазерного света. Лев Андреевич, уставший после напряженного двенадцатичасового рабочего дня, слегка задремал, сидя на с гуле. Потом, очнувшись, оценил обстановку и сказал: "Знаете, ребята, я пойду домой, а как только у вас что-нибудь получится, сразу звоните!

Обязательно звоните, в любое время ночи!"

Ему не позвонили ни в эту ночь, ни в следующую. Ожидаемый звонок прозвучал лишь через три года.

Уже в 1968 году в ФИАНе были зарегистрированы первые настоящие термоядерные нейтроны на мишени из дейтерида лития. Летом 1969 года в Лимейле (Франция) было получено от 100 до 1000 термоядерных нейтронов на импульс. В 1970 году подобные эксперименты были проведены в одной из лабораторий США, в Сандия. За последние годы в СССР и США были проведены эксперименты, в которых на один импульс получали от 107 до 109 нейтронов.

Этими опытами была экспериментально подтверждена плодотворность идеи сверхсжатия мишени.

Еще многое неясно, но...

Сейчас уже можно представить себе, как мог бы выглядеть энергетический термоядерный реактор с лазерным зажиганием. Конечно, только в самых общих чертах, потому что для того, чтобы этот реактор заработал, нужно решить еще очень много сложных задач и проблем. Еще неясно, как будут они решены и вообще произойдет ли это. Вдруг придется обратиться к другим идеям. А от этого зависит устройство реактора.

Заглянем вперед и предположим, что все трудности остались позади и мы стоим перед реактором. Его сердце - сферическая камера; в ее центре - та самая мишень-льдинка из замороженных дейтерия - трития.

В стенках камеры - окна. Через них на мишень со всех сторон направят лучи лазеров. Чтобы они на пути к ней не ослаблялись, в камере создается вакуум.

Но вот подается команда. Установка вот-вот задействует. Вспыхивает лазер, и шарик-льдинка взрывается.

Взрыв только одного шарика эквивалентен взрыву 10-15 килограммов тринитротолуола, то есть 10- 50 киловатт-часов энергии. Но это еще не все. Чтобы такой реактор стал действительно энергетической, а не экспериментальной установкой, эти взрывы в течение одного даже часа должны повторяться десятки, а то и сотни тысяч раз. При этом тепловая мощность реактора будет составлять несколько миллионов киловатт.

Необходимо подчеркнуть, что энергия синтеза в реакторе выделяется в виде стремительно разлетающихся атомов гелия (альфа-частиц), рентгеновского излучения и нейтронов. Как и в случае термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы, взрывная камера окружена бланкетом - несколькими слоями различных веществ, в которых кинетическая энергия влетающих туда нейтронов превращается в тепловую.

Сам-и же нейтроны используются для получения трития из лития. Тепловая энергия отводится из бланкета и преобразуется в электрическую, часть которой направляется на лазерную установку, а остальная идет в энергосеть.

Конечно, это только один из многих возможных вариантов. Например, есть заманчивое предложение о непосредственном преобразовании кинетической энергии расширяющейся плазмы в электрическую при ее взаимодействии с магнитным полем, созданным внешними сверхпроводящими катушками.

Надо заметить, что создание почти любого блока установки, почти каждой из ее систем требует нового, нестандартного подхода. Здесь есть где развернуться и показать свои способности изобретателям, которые помогут создать совершенный реактор.

Возьмем, к примеру, систему подачи шарика-мишени, и мишени не простой, а движущейся. Она должна пройти свой путь так, чтобы лазерный луч не просто попал в нее, а вошел с большой точностью в самый центр.

В противном случае подача энергии будет неравномерной, значит, нарушится симметричность сжатия, не будет достигнута нужная плотность и температура шарика и окажется, что энергия лазерного выстрела затрачена вспустую. Шарик-мишень не взорвется, термоядерная энергия не выделится или ее выйдет меньше, чем затрачено на лазерный импульс.

Ввод мишени с большой точностью в область максимальной фокусировки лазерного излучения является большой самостоятельной проблемой. Нужно создать такую систему, которая обеспечивала бы размеренное появление в центре камеры одного за другим, скажем, десяти шариков в секунду. По-видимому, из многих рассмотренных способов наиболее многообещающим является баллистический метод выстреливания ими в точку схождения лазерных лучей с автоматической корректировкой их траектории. Специальный инжектор разгоняет шарики до скорости в несколько сот метров в секунду и выстреливает их в камеру. Система наведения мишеней в фокус автоматически отбирает только те из них, которые летят в нужную точку с необходимой точностью.

Лазер срабатывает только и только тогда, когда шарик-мишень выдерживает заданную точность траектории. В противном случае он не стреляет, мишень остается целой и вновь забирается в баллистическую систему ввода мишеней, и снова выстреливается в камеру.

Теперь о лазере. Его энергия в одном канале не может по разным причинам превышать 0,05-0,1 ватт-часа. В то же время энергия импульса должна быть не меньше 30 ватт-часов. Чтобы получить эту энергию, используют несколько лазеров, луч каждого из них расщепляют на несколько самостоятельных, усиливают до предельной величины и направляют на шарик-мишень.

Такая система позволяет существенно уменьшить разновременность попадания на его поверхность световых импульсов. Ведь эта разница должна быть намного меньше длительности самого импульса.

Понятно, что разновременность прихода световых вспышек может возникать не только из-за того, что первоначальные импульсы нескольких лазеров возбуждаются в разное время, но и просто из-за разной длины оптических путей всех лучей. При общей их длине в несколько десятков метров разница не должна превышать долей миллиметра.

Несмотря на большую сложность создания мощных лазерных систем, уже сейчас действуют установки с энергией импульса, равной 3-5 ватт-часам. Это система "Дельфин" в СССР и "Шива" в США.

Вернемся в нашем повествовании на шаг назад. Мы еще почти ничего не говорили о том, как выглядит самое термоядерное топливо: шарик-мишень. Если бы удалось осуществить режим сверхсжатия вещества согласно предложению американских физиков, то для шарика годилась бы однородная смесь дейтерия и трития.

Но предложенный режим требует очень резкого изменения во времени мощности лазерного импульса, Примерно за 10^-8 секунды она должна возрасти в миллион раз. При этом половина всей энергии импульса должна выделиться всего за 10^-11 секунды. Задача эта чрезвычайно трудная.

Так как же работает лазерный реактор?

Проследим за протекающими в нем потоками энергии. Для этого введем в лазерную систему 1 киловаттчас электроэнергии, девять десятых которой потеряется при накачке лазера и в процессе его вспышки. В импульсе полетит сгусток энергии всего в 0,1 киловатт-часа. На этом потери не кончаются. Около 90 процентов от 0,1 киловатт-часа рассеется на шарике-мишени и потеряется по пути к нему. Значит, на разогрев и сжатие шарика пойдет только 0,01 киловатт-часа.

Но дальше нас ожидает награда за ранее понесенные потери. За счет термоядерного синтеза выделятся 10 киловатт-часов. Преобразуя эту тепловую энергию в электрическую, мы получим 4 киловатт-часа. Отдав из них 1 киловатт-час на новую вспышку лазера, мы получим 3 киловатт-часа полезной электроэнергии.

Если ежесекундно проводить около ста таких вспышек, то мы получим термоядерную электростанцию с лазерным реактором мощностью в миллион киловатт!

Нет легких побед

По сравнению с термоядерным реактором с магнитным удержанием плазмы лазерный реактор имеет ряд неоспоримых преимуществ. Послушаем, что о них говорят энтузиасты этого направления.

В отличие от "баранки" Токамака лазерный реактор имеет простую сферическую геометрию, что важно при его эксплуатации и замене оборудования.

Отказ от магнитного удержания плазмы уменьшает затраты на его изготовление и весьма упрощает конструкцию реактора.

Вакуум, необходимый для процесса, может быть вполне умеренным.

В лазерном реакторе легко контролируется средняя выходная мощность.

Различные компоненты всей установки могут быть сконструированы и испытаны независимо от самого реактора.

Это говорит о том, что лазеры и система ввода шариков могут быть разработаны отдельно, а осуществимость самой реакции проверена с помощью одиночных вспышек в реакторе малой мощности.

Лазерные термоядерные установки - многообещающий источник энергии реактивных двигателей космических кораблей.

В будущем при повышении энергии лазеров можно надеяться на осуществление реакции дейтерий - дейтерий.

Тогда отпадет необходимость в тритии.

А где-то в очень далекой перспективе мыслится и такое завлекательное топливо, как бороводород, которое при сгорании дает только три атома гелия при полном отсутствии нейтронов. Правда, переход к такому горючему станет возможным только при повышении лазерного импульса в 100 раз по сравнению с еще недостигнутой величиной, которая нужна для реакции дейтерия с тритием.

Однако пора, по-видимому, прервать перечисление достоинств лазерного термоядерного синтеза, чтобы не впасть в сверхоптимистическое состояние. Настал момент вспомнить о том, что пока еще лазерный термоядерный синтез находится в самом начале развития и проблем, которые нужно решать, не меньше, чем уже решенных.

К сожалению, сейчас нет таких лазерных установок, которые удовлетворяли бы всем необходимым условиям.

Мала энергия импульса. Используемые при экспериментах лазеры с неодимовым стеклом имеют очень низкий коэффициент полезного действия, всего около 0,3 процента, а нужно 10-15. Предельная частота импульсов таких лазеров всего один в секунду, а нужно 10, еще лучше 100.

Лучшими характеристиками будут обладать лазеры с углекислым газом.

У них более высокая эффективность работы, и они чаще могут создавать импульсы. Однако не подходят их слишком длинные волны, из-за чего возникают значительные трудности при разработке оптических элементов и фокусировке.

Как и в любом другом усилителе, на выходе лазера всегда присутствуют шумы - излучение из-за самопроизвольного высвечивания атомов. Пока нет основного импульса, это излучение в течение одной десятой или сотой доли секунды действует на шарик-мишень. Чтобы под действием этого "фона" он не испарился, не дождавшись основного импульса, нужно, чтобы величина фона была слабее импульса в сотни миллиардов раз (!).

Еще неясно, каким путем достичь такой контрастности фона и основного импульса. А ведь нужно еще бороться с отраженным лучом лазера, с неоднородностью освещенности и обеспечивать синхронность импульсов всех каналов.

Обратимся теперь к камере реактора, на корпус которой при микровзрыве мишени обрушивается поток рентгеновского излучения, нейтронов и горячей плазмы.

Давление взрыва, эквивалентного энергии одного килограмма тринитротолуола, при радиусе камеры в полметра составляет около 100 атмосфер. Это, кажется, не очень страшно - ведь можно увеличить ее размер.

Но все же потоки нейтронов и рентгеновского излучения могут приводить к повреждению стенок. Только за год работы камера должна выдержать несколько миллиардов взрывов.

Обеспечить это довольно трудно. Однако можно защитить стенки жидким испаряющимся литием, который будет и поглотителем нейтронов, и поставщиком трития.

К сожалению, при этом возникает новая проблема.

Ведь в камере после каждого микровзрыва нужно очень быстро создавать вакуум. Это трудно сделать даже при сухих стенках, а если они влажные, то на откачку камеры после каждого микровзрыва потребуется около секунды. А нужно, чтобы каждую секунду происходил не один взрыв, а десять, сто! Есть из этого затруднения какой-либо выход? Пока есть не очень выгодный вариант: вспышки лазера направлять не в одну, а в десять или сто камер. В этом случае конструкция существенно усложняется, а реактор удорожается. Вопросы экономики для лазерного реактора также одно 1-3 слабых мест. Чтобы получаемая энергия была достаточно дешевой, на один импульс лазера и один шарикмишень можно истратить только несколько тысячных долей копейки. Сейчас они стоят в десятки тысяч раз дороже.

Теперь, пожалуй, пора прервать перечисление недостатков и требований, чтобы не впасть в черный пессимизм. Трудностей впереди еще много. Но давайте оглянемся, и мы увидим, сколько позади, казалось бы, таких непреодолимых трудностей! Сколько было моментов, когда казалось, что работу лучше прекратить. И все же исследование и поиск продолжались и находились нчвые, порой неожиданные решения этой труднейшей задачи.

ТОКАМАКИ ВПЕРЕДИ

Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной.

Н. Бор

После экспериментов, проведенных с импульсными разрядами, стало ясно, что получение термоядерной реакции в таких системах неперспективно. Проблему нельзя было взять прямой лобовой атакой. Мечту о быстром овладении термоядерной энергией пришлось отложить. Исследования по магнитному удержанию плазмы на многие годы перешли в русло физических исследований ее свойств в различных конфигурациях магнитного поля.

Несколько лет спустя академик Л. Арцимович так говорил об этом периоде: "И все же вряд ли могут быть какие-нибудь сомнения в том, что проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена. Неизвестно только, насколько затянется наше пребывание в "чистилище". Из него мы должны будем выйти... неся в руках спокойную, устойчивую высокотемпературную плазму, чистую как мысль физика-теоретика, когда она еще не запятнана соприкосновением с экспериментальными фактами".

Физики перешли к планомерной осаде термоядерной крепости. Как из рога изобилия посыпались различные предложения по новым методам решения проблемы, методам изучения физики плазмы. Изобилие требовало отсеять идеи малоперспективные и выбрать самые интересные.

С этой целью И.Курчатов в 1955 году собрал в Институте атомной энергии историческое для физиков-термоядерщиков совещание, на котором были оценены результаты четырехлетней работы и обсуждены перспективные направления.

Для очень многих участников этого совещания сообщения ученых о работах по управляемым термоядерным реакциям были подлинным сюрпризом. Мало кто ожидал, что исследования ведутся с такой широтой и размахом. И. Курчатов был одним из первых, сумевших оценить и понять объем и круг предстоящих исследований: он неоднократно подчеркивал необходимость широкого развертывания работ в других институтах и их открытых обсуждений. "Надо не засекречивать эти работы, - настаивал он, - а развивать международное сотрудничество".

Сенсация в Лондоне

В апреле 1956 года в газетах Англии, США и Франции запестрели заголовки: "Работы по термоядерному синтезу раскрыты!", "Русские впереди!", "Курчатов раскрыл секреты!"

На этот раз эти сенсационные газетные заявления не были беспочвенными. В английском атомном центре Харуэлле И. Курчатов сделал научный доклад о проведенных в СССР исследованиях импульсных разрядов в прямых трубах. Причем это было не тривиальное сообщение общего характера о том, что в СССР, мол, ведутся такие-то работы. Нет, это был действительно обстоятельный научный доклад с результатами экспериментальных исследований, их обсуждением и анализом.

Вернувшись тогда из Англии, И. Курчатов занялся налаживанием международных научно-технических связей. Были полностью рассекречены работы по термоядерному синтезу в возглавляемой им лаборатории № 2, которая с того времени получила современное название - Институт атомной энергии. Но ученые США и Англии отреагировали не сразу.

В том же 1956 году в американском городке Гетлинберге собрались на конференцию американские исследователи термоядерного синтеза. Перед участниками конференции лежал размноженный перевод доклада И. Курчатова в Харуэлле: "Термоядерные исследования в СССР". Нужно было дать ответ на эту инициативу.

Среди многих обсуждавшихся вопросов был и такой:

продолжать ли хранить свои исследования в секрете или опубликовать результаты работ, как это сделали русские?

Обсуждение было достаточно горячим. Несмотря на разумные доводы сторонников широкого международного сотрудничества, большинство склонилось к тому, чтобы не отвечать на обращение советских ученых, сделать вид, что доклад И. Курчатова не был замечен. Все же в конце концов инициатива СССР заставила ученых многих стран принять активное участие в исследованиях в области, которой был посвящен знаменитый доклад.

Начались работы во Франции. Более энергично стали проводиться исследования в Англии. В печати о них стала появляться информация. В 1957 году на конференции, состоявшейся в Венеции, о своих экспериментах доложили ученые США, Франции, Англии и ФРГ.

В начале 1958 года появилась статья английских ученых о результатах работ на установке ЗЭТА, а в сентябре в Женеве состоялась вторая международная конференция по мирному использованию атомной энергии.

Наряду с результатами работ по ядерным реакторам деления на ней было представлено много работ по термоядерным исследованиям.

Оживленная дискуссия происходила на нескольких языках, и впервые эта тема стала приобретать истинно международный характер. В последующем были опубликованы многие статьи и сообщения, а также обнародованы сведения по стеллараторам, ловушкам с магнитными зеркалами, устройствам с молекулярными пучками ионов, тороидальным камерам и другим различным установкам.

Я намеренно привел здесь несколько не очень понятных наименований исследований и устройств, чтобы можно было почувствовать атмосферу новых понятий и различных направлений развития, возникшую в результате шагов, предпринятых советскими учеными.

Хотя наметившийся широкий размах исследований радовал ученых, занимавшихся термоядерным синтезом, однако настораживал излишек всевозможных направлений. На каком из них следует сосредоточить внимание? Какое даст нужный результат, а не заведет в тупик?

Шорох орехов

Перед физиками-теоретиками и экспериментаторами стоял, казалось бы, бесконечный набор серьезных научных проблем и более простых, но также требующих экспериментального исследования. Как удержать плазму в термоядерной установке? Каким образом ее нагреть? Откуда брать тритий, необходимый для проведения реакции? Какие материалы наиболее пригодны для установок? Наконец, совсем будто бы простой вопрос: как измерить температуру плазмы?

Можно было утонуть в этом море проблем. За что взяться в первую очередь? И как взяться?

Поучительна история, происшедшая в те годы в Институте атомной энергии. И. Курчатов поручил коллективу одного из отделов составить развернутый план работ. После многодневных бурных дебатов молодые исследователи принесли результат своих трудов в "хижину лесника" - домик на территории института, где жил И. Курчатов. Это был лист ватмана, расчерченный на клетки с записанными в них десятками задач. Не забыли и последовательность их решения.

"Игорь Васильевич посмотрел на клетки, - пишет в своих воспоминаниях его соратник И. Головин, - весело взглянул на присмиревшую взволнованную молодежь, посвистел...

- Шорох орехов, шорох орехов, - сказал он нараспев, - а не план! Знаете, что такое шорох орехов? Нет?

Молодой грузин торгует орехами на базаре и продает их за ту же цену, что платил при покупке. "Зачем так делаешь, что ты от этого имеешь?" спрашивают его. "Люблю шорох орехов", - отвечает незадачливый бизнесмен. Так и вы. Десятки задач, видимость большой работы. А где цель? Где этапы пути к горячей плотной плазме?

- Что вы, Игорь Васильевич, все это нужно, здесь нет ничего лишнего.

- В том и беда этого плана, что в нем все есть.

А в любом деле, как и в жизни, надо выбирать только самое главное. Иначе второстепенное, хотя и нужное, отнимет все силы и не даст дойти до главного. Какой сейчас самый важный этап?.. Вы считаете, что это решение проблемы устойчивости плазмы. Так и исследуйте ее! И не вообще, а в тех условиях, которые, как вы предполагаете, необходимы для достижения цели... Идите, подумайте еще над планом. Встретимся завтра, и я посмотрю, поняли ли вы, что такое шорох орехов".

Удержание плазмы было самым главным. Этому мешала ее неустойчивость, почему и большинство предложений, рожденных в те далекие годы, было направлено на решение этой основной проблемы. Поясним, что это такое.

Чтобы в плазме, разогретой посредством электрического тока, поддерживалась температура, необходимая для протекания термоядерной реакции, нужно исключить ее растекание и контакты со стенками камеры. Пытаться нагреть плазму, соприкасающуюся с ними, все равно что стараться вскипятить воду в сосуде из льда.

Одной идеи сжатия плазмы в шнур магнитным полем, возникающим при течении тока, как это делалось в первых опытах, оказалась недостаточно. Плазма утекала через торцы такого устройства, а неустойчивости приводили к тому, что плазменный шнур распадался. Что же такое неустойчивости и отчего они зависят?

Перетяжка плазменного шнура и сжимание его з нить в одном из мест явление, с которым столкнулись физики-экспериментаторы, - это лишь один пример неустойчивости. Причиной его является неустойчивое равновесие плазмы. Обычно события развиваются так. Из-за случайного малого возмущения в плазме толщина шнура в каком-либо месте становится чутьчуть меньше. Сразу же в этом месте кольцевые магнитные силовые линии, охватывающие шнур, сгущаются, сила их сжатия возрастает, шнур, снова несколько утончается, сила магнитного поля в этом месте снова возрастает и т. д. В конце концов шнур перетягивается полностью и плазма рвется на отдельные "сосиски"

(эта неустойчивость иногда и именуется "сосисочной"), отбрасывается к стенкам и гаснет. Как же упрочнить плазменный шнур и продлить жизнь плазмы?

Теоретики предложили ввести внутрь плазмы продольное магнитное поле. По их замыслу, оно создаст жесткий каркас - стержень, противостоящий кольцевому магнитному полю, охватывающему плазму. В такой системе кольцевые магнитные линии, сжимающие плазменный шнур, встретят на своем пути не только собственно плазму, но и пружинящие продольные магнитные силовые линии, препятствующие перетяжкам.

Получить продольное магнитное поле просто. На камеру наматывают витки проводника и пропускают через него ток, который и создает магнитное поле вдоль плазменного шнура. Применение этого несложного способа резко повысило устойчивость плазмы. Оказалось, что осевое магнитное поле эффективно противостоит и другому виду неустойчивости - изгибу плазменного шнура. А ведь было так, что небольшой его изгиб увеличивался до тех пор, пока шнур не соприкасался со стенкой, что и служило причиной его уничтожения.

Предложенное продольное осевое поле изменило картину: действуя как стержень, вставленный в плазму, оно не допускает ее изгиба.

Мы привели только два примера неустойчивости плазмы и рассказали о некоторых способах повышения ее устойчивости. Неустойчивостей же много, очень много, и они сдаются, уступая настойчивости и изобретательности теоретиков и экспериментаторов.

К сожалению, управление термоядерной реакцией связано не только с устойчивостью плазменного шнура.

Заряженные частицы плазмы способны изменять свою траекторию и убегать из термоядерного реактора. Картина эта выглядит так. Заряженная частица плазмы, пытающаяся двигаться перпендикулярно магнитным силовым линиям, под действием поля изменяет свою траекторию на круговую. При достаточно сильном магнитном поле она начинает двигаться по спирали вдоль магнитной силовой линии. Но если поперек магнитных линий ей путь закрыт, то вдоль линии она может двигаться и через торцы объема покидать реактор. Как же удержать этих беглецов?

Для этого есть две возможности. Во-первых, можно буквально свернуть магнитные силовые линии и саму камеру в виде бублика, образовав тем самым тороидальную систему, у которой нет концов.

Второй путь - усиление на концах (торцах) камеры магнитного поля. Резкие всплески напряженности этого магнитного поля на торцах как магнитные пробки закроют концы камеры и не пустят или, если быть более точным, почти не выпустят беглецов. Эти магнитные пробки американские ученые назвали магнитными зеркалами.

Так был преодолен еще один рубеж, позади осталась еще одна трудность. Но, как это часто бывает, сразу же появилась новая Оказывается, частицы плазмы могут все же перемещаться не только вдоль линий магнитного поля, но и, к сожалению, поперек их.

Хотя они в основном и "привязаны" к магнитным силовым линиям, тем не менее могут переходить от одной из них к другой, перемещаясь постепенно к границе плазмы - к стенкам камеры. А происходит это по разным причинам: при столкновении частиц одна из них может перескочить со своей спирали на соседнюю и передвинуться так поближе к стенке камеры. Есть и еще одна причина: в неоднородном магнитном поле (а в тороидальной установке магнитные силовые линии гуще с внутренней стороны баранки и реже с внешней)

происходит разделение электрических зарядов. Под действием возникающего электрического поля плазма медленко движется (дрейфует) в направлении, перпендикуляр! ом магнитному полю и в конце концов соприкасагтся со стенками камеры. Найдены эффективные методы борьбы и против такого явления.

Для проверки теоретических представлений о поведении плазмы в магнитных полях в СССР, США, ФРГ, Англии, Франции и Италии создана целая серия различных экспериментальных установок. Невозможно даже бегло рассмотреть их все. Но с отдельными познакомиться полезно.

Токамаки, стеллараторы и другие

Больше всего собралось различных установок по изучению УТС в Институте атомной энергии. Если с площади И. Курчатова посетитель пройдет на территорию института, то окажется в большом сосновом бору.

Одна из дорог приведет к домику И. Курчатова - "хижине лесника", а в 200 метрах он увидит здание первого в Европе реактора Ф-1, пущенного в 1946 году.

О нем и шла раньше речь. Если пройти еще 200- 300 метров, взору откроется постройка, на фронтоне которой эмблема - рука, держащая солнце. В ней и расположена одна из первых, наиболее крупных термоядерных установок с магнитными зеркалами - ОГРА, разработанная коллективом под руководством советского физика И. Головина. Каков же принцип ее устройства?

В прямой трубе (ее диаметр полтора метра, а длина около 10) создано продольное -постоянное во времени магнитное поле. Для разогрева плазмы в трубу-камеру с помощью специального устройства впрыскиваются ионы молекулярного водорода с энергией, которой соответствовала бы температура в камере около 900 миллионов градусов. Казалось бы, температура более чем достаточная! Однако плотность частиц в камере оказывается очень низкой - в 10 миллионов раз меньше, чем нужно, и столкновения частиц здесь происходят очень редко - термоядерная реакция не развивается.

Многое в этой установке, да и в ее модификации ОГРА-П не удовлетворяло ученых. Тем не менее они шаг за шагом двигались к пониманию тайн плазмы.

Создатели ОГРА, самой крупной в те времена установки, наперед знали, что на полный успех им рассчитывать не стоит. Но жизнь требовала строить и испытывать подобные установки, изучать свои ошибки и идти вперед. "Не делая этого, - писал И. Курчатов, - мы напоминали бы, пользуясь образным сравнением Гегеля, того софиста, который утверждал, что он не войдет в воду, пока не научится плавать".

Примерно таким же путем двигались американские и английские ученые, создавшие несколько установок с магнитными зеркалами - ДСХ, Алиса, Феникс. Несмотря на то, что до сих пор введено и исследовано несколько десятков установок подобного типа, еще не удается достигнуть нужных параметров плазмы. Сейчас ближе других к цели продвинулись установки типа Токамак.

Первые их успехи и международное признание пришли, пожалуй, в 1969 году. Тогда в Институт атомной энергии для совместной работы на советской установке Токамак-3 приехали английские ученые. Вот что писала о результатах этой работы парижская газета "Интернэйшнл геральд трибюн":

"Английские ученые с помощью доставленного в Москву оборудования, весящего пять тонн, проверили сообщение советских специалистов, встреченное на Западе с недоверием, и установили, что русские недооценили свой успех в попытке обуздать "энергию водородной бомбы". Они наглядно доказали, что советская установка, известная под названием "Токамак-3", вырабатывает "нагретый газ", или плазму, которая даже больше отвечает необходимым условиям, чем об этом сообщали русские..."

Чтобы познакомиться с такой установкой, пройдем дальше по территории института. Через несколько минут остановимся у здания с надписью: "Отделение физики плазмы". Рядом с ним большая электрическая подетанция, способная снабжать энергией солидное промышленное предприятие. Здесь она для Токамака.

Да! Сегодняшний физический (заметьте, только физический, а не промышленный и даже не опытно-промышленный) эксперимент по термоядерному синтезу требует для своего проведения больших и сложных установок и огромного количества энергии. Эксперименты стали масштабными и, к сожалению, дорогими.

Откроем дверь в зал: здесь расположена одна из самых современных мощных термоядерных установок - Токамак-10. С галереи зала хорошо видна ее основная часть: внушительный "бублик" диаметром 3 метра является вторичной обмоткой огромного трансформатора.

При пропускании тока через первичную обмотку трансформатора внутри бублика начинается разогрев плазмы. Кроме того, и бублик имеет свои обмотки, создающие в нем продольное магнитное поле.

Под Токамаком еще один зал, невидимый с галереи.

В нем различные вспомогательные системы и оборудование для регулирования и управления токами обмоток, а также вакуумные насосы... В соседнем зале пульты управления экспериментаторов и измерительные приборы. Сейчас основные эксперименты на Т-10, так в ИАЭ называют эту установку, закончены. Взамен нее на том же месте должна быть создана новая - Т-15, с более высокими параметрами плазмы.

Чего же достигли экспериментаторы и теоретики на установке Т-10? Насколько близко подошли они к заветной цели - управляемой термоядерной реакции?

Чем измерить степень этого приближения? Да и существует ли такой критерий, пользуясь которым можно было бы оценить, сколько еще осталось пройти до момента, когда будет продемонстрирована термоядерная реакция, дающая полезную энергию?

Конечно, в общем случае такого критерия, определяющего, насколько та или иная экспериментальная установка близка к промышленному реактору, в котором идет реакция синтеза, не существует, хотя критерий, носящий частный характер, есть. Он определяет, насколько параметры физических процессов, происходящих в установке, близки к тем, которых нужно достигнуть.

Вот как он формулируется: "Для того чтобы энергия, выделяемая в процессе термоядерной реакции, была больше, чем энергия, затраченная на инициирование этой реакции, необходимо, чтобы произведение плотности плазмы на время ее удержания было не меньшим, 1014".

Смысл его, как видите, достаточно ясен. Чем больше плотность плазмы, тем больше актов слияния ядер дейтерия и трития происходит в единице объема плазмы и тем больше выделяется энергии. Если плотность частиц в плазме очень большая, то выделяемая энергия с избытком покроет затраты на осуществление реакции даже в том случае, если утечка энергии из объема плазмы будет велика, то есть если время удержания плазмы малое.

Другой сомножитель характеризует степень совершенства методов и устройств, использованных для удержания энергии плазмы в объеме. Численно он равен времени, в течение которого вся энергия, запасенная в плазме (конечно, без учета энергии нейтронов), уйдет из ее объема. Если этот показатель велик и энергия из объема плазмы почти не теряется, то даже при малой величине энерговыделения, то есть малой плотности плазмы, этой энергии будет достаточно для поддержани необходимой температуры плазмы в 100-150 миллионов градусов. Очевидно, чтобы термоядерная установка служила для производства полезной энергии, в объеме ее плазмы должно "вырабатываться" энергии в 4-5 раз больше потерь и затрат. В этом случае критерий Лоусона должен быть равен, скажем, 5*10^14. Так чего же достигли термоядерщики в своих установках?

За годы, прошедшие с дней первых экспериментов, почти в каждой новой установке типа Токамак удавалось повысить температуру плазмы. Сейчас она уже около 60 миллионов градусов.

Каждая новая установка была и новым шагом в познании тайн плазмы, и шагом по пути достижения критерия Лоусона. Сначала 10^10, затем рост в 10 раз, затем еще в 10, и вот уже получена величина 2*10^13.

Ученые все ближе и ближе подбираются к желанной цели, к величине 10^14, хотя каждый последующий шаг становится все труднее и труднее.

Когда же придет победа?

Директор отделения физики плазмы академик Б. Кадомцев считает, что в начале 80-х годов на установках типа Токамак будет достигнута минимально необходимая величина критерия Лоусона и мы получим плазму с необходимыми параметрами. К этому времени в Принстонском университете в США будет запущена система ТФТР - установка типа Токамак. В Японии надеются получить желаемое на "Джи-ти-60". В организации Евратом будет запущен Токамак "Джет".

Все эти установки похожи друг на друга и в то же время различны, и задачи на них будут выполняться разные. На японской, например, будут проводиться в основном физические исследования плазмы; у американцев главная цель - получить интенсивную термоядерную реакцию. "У нас в ИАЭ, говорит Б. Кадомцев, - плазма с необходимыми параметрами будет получена на следующей физической модели, Т-15".

Кстати, для нее будет использована система энергоснабжения от Т-10. Чтобы на установке Т-15 получить магнитные поля необходимой величины, будут использованы катушки со сверхпроводниками, охлаждаемыми жидким гелием. Такая система уже проверена в ИАЭ на модели Т-7 меньшего объема. Значит, следующий шаг ясен. Через несколько лет будет осуществлена физическая демонстрация управляемой термоядерной реакции.

Но это еще не все. Впереди основная цель - первый энергетический термоядерный реактор. Когда он будет создан?

Не будем спешить с ответом. Сначала посмотрим, как он может выглядеть.

UWMAK-II

К нынешним дням разработано несколько проектов реакторов, проектов, во многом основанных на еще не проверенных идеях. Им придумано даже специальное название: "концептуальные проекты". Действительно, пока еще невозможно с достаточной точностью определить, при каких условиях будет осуществлена даже их физическая демонстрация. Между тем для правильного выбора пути в дальнейших исследованиях, оценки проблем, которые возникнут впереди, и, конечно, экономики, необходимо понять, как будут выглядеть будущие станции. Именно поэтому такие проекты-схемы, во многом основанные на еще не проверенных идеях и предположениях, и получили название концептуальных.

Вот передо мной один из таких проектов: UWMAK-II. Выполнен он в отделении энергетики Висконсинского университета. Начальные буквы его названия из названия университета; МАК - это конец слова "Токамак", дань советскому проекту. Римская цифра "два" означает, что это вторая версия.

Перевернем несколько страниц этого солидного тома и ознакомимся с основными параметрами установки.

Сердце ее, электрической мощностью 1700 мВт, - камера-бублик, в которой находится плазма. Внешний диаметр камеры - 35 метров, высота - 12. Только при таких размерах получается необходимая мощность термоядерной реакции и существенно возрастает время удержания энергии.

При термоядерной реакции в плазме, состоящей из дейтерия и трития, развивается температура 100- 120 миллионов градусов и выделяется энергия термоядерного синтеза в виде кинетической энергии ядер гелия и нейтронов. В последних - основная ее часть. Чтобы удержать нейтроны, камера-бублик окружена бланкетом - слоями графита, бериллия, лигия. Пролетая через стенку камеры, нейтроны соударяются с ядрами вещества бланкета и отдают им свою энергию, которая переходит в тепловую форму. Гелий, циркулирующий между слоями бланкета, переносит тепло в парогенератор, затем энергия пара в турбогенераторе преобразуется в электроэнергию.

Перевернув еще несколько страниц проекта, увидим главу, посвященную режимам пуска и работы реактора.

При пуске в камеру вводят почти в равном соотношении дейтерий и тритий. Для их разогрева используется омический нагрев. При подаче напряжения во вторичную обмотку трансформатора в первичной, роль которой выполняет плазма бублика, возникает ток, разогревающий эту плазму. Хотя на этот способ разогрева возлагались большие надежды, необходимую температуру получить оказалось невозможно: выше 10-15 миллионов градусов она не поднималась. При дальнейшем разогреве омическое сопротивление плазмы падало настолько, что никакое увеличение тока не помогало: температура плазмы не увеличивалась.

Множество идей и исследований было посвящено проблеме догрева плазмы до термоядерной температуры. По-видимому, наиболее удобным и эффективным способом является впрыскивание в плазму потока ускоренных нейтральных атомов дейтерия. Именно на нем остановились проектанты UWMAK-II. Вот принцип его работы.

На ускорителе-инжекторе мощностью 100 тысяч киловатт ионы дейтерия разгоняются до энергии в 750 тысяч электронвольт, затем в специальном устройстве инжектора они нейтрализуются и в течение 10 секунд впрыскиваются в камеру-бублик. При этом плазма в бублике разогревается до 80 миллионов градусов. Дальнейший ее разогрев до 100-120 миллионов градусов идет за счет термоядерной реакции, и реактор развивает полную тепловую мощность 5 тысяч мВт. В таком режиме его работа продолжается около 90 минут, за которые выгорают атомы дейтерия и трития. Вследствие появившихся в камере атомов гелия, а также частично атомов других элементов, выбитых из стенок камеры, реакция затухает, реактор останавчивается, и начинается пятиминутный цикл перегрузки топлива и очистки камеры. В течение этих пяти минут парогенератор продолжает работать, а турбогенератор вырабатывать электроэнергию. Происходит это потому, что в течение 90 минут работы установки часть энергии не превращали в электричество, а накапливали в виде тепла в специальных натриевых аккумуляторах. В пятиминутный перерыв разогретый в аккумуляторах теплоноситель натрий отдает свою энергию паровому контуру.

Итак, за пять минут нужно очистить камеру реактора от загрязняющих плазму веществ, заполнить ее свежей смесью дейтерия и трития и вновь его запустить.

Делается это так.

В действие включаются все 96 вакуумных насосов и создают в камере нужной степени вакуум. Теперь нужно ввести смесь горючего. В отношении дейтерия проблем особых нет. Его запасы практически безграничны.

В составе обычной воды имеется 0,016 процента тяжелой, а в ней и содержится дейтерий. Трития же в природе не существует. Его нужно всякий раз производить.

Наиболее удобный способ - облучение лития нейтронами. В этой реакции образуются гелий и тритий.

На первый взгляд кажется, что в термоядерном реакторе сделать это очень просто, использовав высвобождающиеся при синтезе нейтроны. Но проделать это очень не легко. Ведь на каждый нейтрон обязательно нужно получить не менее одного атома трития, а с учетом потерь- даже несколько больше одного. Однако беда в том, что не все нейтроны поглотятся литием, ибо он располагается за стенкой камеры, значит, часть нейтронов поглотится самой стенкой, часть, кроме того, в различных других конструкциях, а часть вообще вылетит из реактора. Короче, нужного количества трития в самом реакторе не получить. Как же быть?

Выход все же был найден. В бланкете реактора, кроме лития, поместили бериллий. Он и помог размножать нейтроны. Ведь если нейтрон, обладающий большой энергией, попадает в ядро бериллия, то в нем возможен и такой ход реакции, при которой из ядра вылетают два нейтрона; два - вместо одного! А это то, что и надо.

Так удается получать в реакторе достаточное количество трития. Дальше дело проще.

Из бланкета тритий поступает на очистку. А затем вместе с дейтерием направляется в камеру. На этом завершается полный цикл работы реактора. Для разогрева плазмы вновь подается ток, и цикл повторяется.

Мы с вами благополучно завершили мысленное путешествие по рабочему циклу. Но чтобы реактор действительно заработал и задействовал описанный здесь цикл, необходимо осуществить большую и длительную программу научных исследований, провести комплекс работ по созданию и изучению различных систем и устройств. Среди них специальные камеры с вакуумной откачкой диверторы. С помощью особым образом сформированных магнитных полей этими устройствами улавливают гелий, а также атомы с большим зарядом, которые глушат термоядерную реакцию. Это и системы с жидким гелием, охлаждающим катушки из сверхпроводящих материалов. Это и устройства, защищающие стенки камеры от постепенно разрушающего их потока нейтронов. Это и... Но, наверное, довольно. Путешествие по проекту может стать слишком долгим. Прервем его на этом месте, чтобы задаться вопросом: когда же можно создать такой реактор?

Вопрос этот не из легких. Разные ученые называют и различные сроки: одни называют 15 лет, другие - 20, третьи - 25. И трудно сейчас назвать более точную дату.

По мнению научного руководителя по проблеме управляемого термоядерного синтеза вице-президента Академии наук СССР Е. Велихова, создания первого опытно-промышленного термоядерного реактора можно ожидать в конце 90-х годов или в начале следующего века.

Промежуточный этап на этом пути - создание энергетического реактора. В нем можно будет не только осуществить научную демонстрацию термоядерной реакции, как в упомянутых здесь проектах Т-15, ТФТР или Джет-60, но и проверить работу отдельных важных систем реактора.

Ученые Советского Союза предложили разрабатывать и строить такой реактор совместными усилиями нескольких стран. При международном агентстве по атомной энергии сейчас создана рабочая группа, в которую вошли представители ряда стран Западной Европы, США, СССР, Англии, Японии.

Для этого международного проекта уже есть название - ИНТОР интернациональный Токамак реактор.

Задача группы - выработка предложений по целям, срокам и основным параметрам нового реактора. Группа должна в конце 80-х - начале 90-х годов дать рекомендации по научно-технической осуществимости ИНТОРа. Как видите, дело не такое уж далекое.

Попробуем подытожить все прогнозы. Начнем с демонстрационного физического реактора. Его намечено создать в начале 80-х годов.

Демонстрационный энергетический реактор - начало 90-х годов.

Первый опытно-промышленный согласно предположению ученых начнет "жить" в конце текущего - начале следующего века.

Что же касается ощутимого вклада в энергетику, то термоядерные реакторы смогут внести его лишь в 20- 30-е годы следующего столетия!

Не слишком ли долго ждать? Пожалуй, да! Нельзя ли побыстрей?

Такой вопрос задаем не только мы с вами, дорогой читатель.

Нельзя ли быстрей?

По-видимому, не будет преувеличением сказать, что, начав работы, связанные с осуществлением термоядерного синтеза, человек приступил к реализации одной из наиболее важных и смелых программ научного исследования, которые никогда еще не предпринимались. Эта программа во многих разделах превосходит даже гран диозную программу космических исследований.

По этому пути ученые идут уже почти три десятилетия. Срок не такой уж большой, но эта целая эпоха За этот период много понято, открыто, изобретено, создано. И все же... цель еще не близка.

Чем же привлекательна эта цель? Что обещает термоядерный реактор? Среди его многочисленных достоинств перечислим некоторые, чтобы читателю передалась хотя бы малая доля уверенности исследователей и инженеров, занимающихся этой проблемой.

Прежде всего термоядерный синтез открывает доступ к новому, практически неисчерпаемому источнику энергии - ядерной энергии легких элементов. Дейтерий широко распространен в природе: его всего в 6 тысяч раз меньше водорода. Общее количество дейтерия в океанских водах достигает 5 * 10^-16 килограммов.

Для первых термоядерных реакторов, основанных на слиянии дейтерия с тритием, нужен литий. Этот элемент присутствует в доступной для нас части земной коры с концентрацией около 0,002 процента. Общее же его количество - около 100 миллионов тонн (вспемните:

всего 0,1 грамма термоядерного топлива дает энергию, эквивалентную 500 литрам бензина).

Важным свойством установки управляемого термоядерного синтеза является ее безопасность. Это очень большое достоинство. И еще: поскольку в реакторе всегда будет находиться небольшое количество топлива, невозможна самопроизвольно разгоняющаяся ядерная реакция. По сравнению с реакторами деления термоядерные производят меньше радиоактивных отходов.

Другое интересное свойство, имеющее большое значение, - это возможность, по крайней мере в принципе, реализовать в установке прямое генерирование электроэнергии. Слово "в принципе" употреблено не случайно, поскольку пока неясно, как технически воплотить его в жизнь. Но основная идея процесса может выглядеть так: если в качестве горючего использовать только дейтерий, а не дейтерий и тритий, то при существенном увеличении температуры реакции только около одной трети освобождаемой энергии будут уносить нейтроны, а остальные две трети останутся в заряженных продуктах реакции. Кинетическая энергия этих заряженных частиц может быть преобразована непосредственно в электрическую. Например, если слегка увеличить напряженность магнитного поля, то увеличится плотность плазмы, это приведет к увеличению выработки в ней энергии, следовательно, возрастут температура и давление плазмы, вызывая ее расширение, преодолевающее магнитное поле. Изменение же магнитного поля, которое происходит при этом, в свою очередь, может вызвать появление наведенного напряжения в электрических цепях. Таким может быть процесс прямого получения электрической энергии. Однако не надо забывать, что это только идея, правда, очень привлекательная в принципе, но на деле может оказаться очень трудной и невыгодной.

Задача овладения управляемым термоядерным синтезом настолько заманчива, что породила очень много различных вариантов соответствующих установок.

Мы познакомились только с двумя из них.

Одно из увлекательных занятий в области термоядерных реакций придумывание новых подходов к проблеме. Но специалисты подтвердят, что и это нелегкая- задача. Из числа предложений, выдвинутых за многие годы, одни были красивыми и остроумными, другие хотя и многообещающими, но трудными и неспособными удовлетворить основным требованиям, предъявляемым к термоядерному реактору. В своей книге по управляемому термоядерному синтезу американский ученый А. Бишоп ввел специальное приложение № 4, которое озаглавил "Бесперспективные методы".

Среди идей, заслуживающих внимания и получивших дальнейшее развитие, в первую очередь стоит упомянуть предложение физиков Е. Завойского и Л. Рудакова об использовании для возбуждения термоядерных реакций мощных пучков релятивистских (сверхскоростных) электронов (Институт атомной энергии).

Основные идеи, касающиеся мишени и ее взаимодействия с электронным пучком, не отличаются от применения лазеров. Правда, здесь проще решается проблема затраты энергии. Ведь получить электронный пучок значительно проще и экономнее, нежели лазерный импульс такой же мощности. Имеющиеся здесь трудности связаны в основном с необходимостью создания системы очень точной фокусировки.пучка: расталкивание одноименно заряженных электронов этому очень мешает...

Что же дают обширные программы проводящихся и уже завершенных исследований? Как и в случае с программой космических исследований (она также имела своих критиков), она позволила повысить уровень ряда разделов науки не только собственно о плазме, но и в смежных с нею областях.

К примеру, очень важной проблемой для науки и человечества является понимание процессов, происходящих на Солнце, и прогнозирование поведения солнечной активности. Решение этой проблемы важно не только как еще один шаг в понимании деталей картины мира, ведь изменение активности Солнца сказывается на растительности, животном мире, погоде, жизнедеятельности человека.

Какое сверхтопливо обеспечивает долгое горение Солнца, каковы закономерности его горения? Две с половиной тысячи лет назад появилось первое физическое объяснение: древнегреческий философ Анаксагор утверждал, что Солнце - это не бог Аполлон, а просто большой раскаленный камень. Потом появились другие гипотезы: падение метеоритов на поверхность Солнца, сжимание его гравитационными силами...

Однако только после того, как было достигнуто достаточное знание о ядерных реакциях и их энергетическом балансе, пришло время главной гипотезы сегодняшнего времени: источник энергии на Солнце - термоядерные реакции.

Проведенные в последние десятилетия исследования по условиям протекания термоядерных реакций помогли несколько прояснить этот вопрос. Изучение состава Солнца показало, что солнечное вещество - это практически только водород и гелий. Отсюда как будто бы автоматически напрашивался вывод: водород превращается в гелий. Однако четыре ядра водорода не могут сразу слиться в одно ядро гелия.

Значит, возможно, это осуществляется не непосредственно, а через промежуточные реакции. Сейчас наиболее вероятными считаются два таких цикла: углеродно-азотно-кислородный и водородный, развивающийся через литиевую, борную, бериллиевую ветви.

Какие реакции и в какой пропорции действительно осуществляются в недрах Солнца, сказать трудно.

Не хватает многих данных об условиях и скорости их протекания Но часть этих данных как раз и появляется при изучении плазмы в процессе осуществления управляемого термоядерного синтеза.

К сожалению, очень многое в тайнах термоядерного синтеза на Солнце понять еще не удается, хотя для объяснения тех или иных несоответствий предложено достаточно много гипотез. Вот, например, одно из таких несоответствий. Сейчас роль главного источника энергии отводится водородному циклу. Он начинается в реакции слияния двух ядер водорода и образования ядра дейтерия с выделением при реакции позитрона и нейтрино.

Нейтрино! Всепроникающие частицы, потоки которых мы должны обнаружить на Земле! Вот мы и столкнулись с первым противоречием. Дело в том, что пока в проведенных экспериментах солнечные нейтрино не обнаружены. Есть ряд объяснений, которые, в свою очередь, требуют дополнительных исследований. И эги исследования ведутся наряду с продолжающимися работали по управляемому термоядерному синтезу.

Мы привели лишь один пример влияния программы УТС на исследования в других отраслях знаний. Осуществление программы оказало влияние и на другие области человеческой деятельности.

Термоядерный реактор еще не работает, но проведенные для него исследования и разработки позволили создать ионные двигатели на космических кораблях, используемые для систем ориентации. Внедряется технология магнитно-импульсной сварки. Изучение плазмы двинуло вперед проблему создания магнитогидродинамических генераторов электроэнергии. Мощные импульсные МГД-генераторы уже используются геологами для разведки природных ископаемых.

Проблема УТС еще не решена, однако наука и промышленность уже начинают ощущать отдачу от приложенных к ней усилий.

ГРОЗИТ ЛИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ГОЛОД?

Хорошо поставить вопрос - значит уже наполовину решить его.

Д.Менделеев

В начале 70-х годов страницы газет запестрели заголовками: "Энергетический кризис!", "Надолго ли хватит органического топлива?", "Конец нефтяного века!", "Энергетический хаос". Этой теме до сих пор большое внимание уделяют все средства массовой информации - печать, радио, телевидение. Есть ли какие-либо основания для такой тревоги? Да, они есть, ибо человечество вступает в сложный и достаточно долгий период коренного преобразования и мощного развития своей энергетической базы.

Сложность и трудность этого периода осознана большинством ученых, энергетиков, правительств. Что же делать? Надо решительно расширять масштабы современной энергетики, отыскивать новые источники энергии я развивать новые способы ее преобразования.

Сколько энергии нужно человеку?

Пожалуй, с самого начала нужно признаться, что ответить на этот очень трудный и очень актуальный и нужный вопрос однозначно невозможно. Очень нужный он потому, что от ответа на него зависит планирование и развитие энергетики, а следовательно, всей промышленности и народного хозяйства. От ответа на вопрос об актуальности развития атомной энергетики сейчас или чуть позже зависят порою принимаемые специалистами технические решения. Как мы убедились, необходимые характеристики и конструкция атомных реакторов-размножителей самым прямым образом связаны с темпами развития всей энергетики.

Вопрос этот и очень трудный. В книге академика Л. Мелентьева "Оптимизация развития и управления больших систем энергетики" есть такие строки: "Для общеэнергетической системы СССР последней четверти XX века главными неопределенными факторами, которые влияют на ее развитие и проявляются через неполноту исходной информации, являются: данные о необходимых потребностях в энергии..." Вы, конечно, заметили, что "главным неопределенным фактором" является вопрос - сколько же энергии нужно человеку? Попробуем хотя бы охарактеризовать пути подхода к этому вопросу и привести примерные величины потребности людей в энергии в ближайший период времени.

Чтобы человек мыслил, точнее, чтобы работал его мозг, нужно 10 ватт энергии. Мало? Да, немного. Этой подчеркивает совершенство мозга, ибо самые современные компьютеры, потребляющие те же ватты, ни по отдаче, ни по объему не могут сравниться с ним.

Мощность, развиваемая человеком в обыденной жизни (без тяжелой физической работы), 40-60 ватт. А поскольку "коэффициент полезного действия" нашего организма около 20 процентов, то затратить надо не 40- 60 ватт, а в пять раз больше, то есть уже около 250 ватт.

Эта дополнительная мощность выделяется в виде тепла.

Значит, за 12 часов активного бодрствования расходуемая энергия составит 3 киловатт-часа. В переводе на тепловые единицы это составит 2500 килокалорий. Такие аккуратные измерения баланса энергии в человеческом организме были проведены в связи с созданием различных систем жизнеобеспечения в космических кораблях для космонавтов.

Итак, 2500 килокалорий в виде жиров, углеводов и белков должен ежедневно получать организм человека.

Что еще? И для чего?

Проследим, как и для чего человек начал привлекать необходимую для существования дополнительную энергию. Обратимся вновь к истории и начнем с первобытнообщинного строя.

Сорок-пятьдесят тысяч лет назад первыми орудиями труда человека были камень, топор, копье. Все блага, добываемые им, были следствием разума и применения мускульной энергии. Долго не покорялась ему магическая сила огня. Наконец он научился добывать и сохранять его, обогревать и освещать свое жилище, приготовлять пищу. Ф. Энгельс писал: "Добывание огня трением впервые доставило человеку господство над определенной силой природы и тем окончательно отделило человека от животного царства".

Человек делает еще несколько шагов вперед!

Пять-десять тысяч лет до нашей эры им совершенствуются каменные орудия и... появляется лук. В ямахловушках, в которые попадают звери, царь природы использует силу тяжести, в других ловушках упругую силу отогнутой ветви. Позже начинается приручение животных, способных развивать мощность 200-400 ватт.

По современным понятиям, это очень немного, однако власть человека возрастает.

В жилищах появляется глиняная посуда, так как огонь получает "новую профессию": его уже применяют для гончарного производства. Бег человечества ускоряется. Наступил рабовладельческий строй.

В пятом веке до нашей эры народы овладевают искусством обработки изделий из меди, затем бронзы и, наконец, железа. Природная энергия огонь - используется при получении металла и его превращении в изделие. Совершенствуются и разнообразятся орудия труда. Изобретено колесо и колесные повозки. На лодках появился парус - это уже использование энергии ветра. Получают распространение такие механизмы, как рычаг, ворот, блок, умножающие мускульную силу человека Архимед вооружил людей катапультой, стрелометом и множеством других изобретений. Появляется и водяное колесо, мощность которого 1-4 киловатта.

До этого периода, просуществовав сотни тысяч лет, человек еще не притронулся к гигантским энергетическим кладовым невозобновляемой энергии - углю, нефти, газу И тем не менее по сию пору нас изумляют уникальные инженерные сооружения Пирамида Хеопса в Египте высотой 147 метров сложена из 2,3 миллиона блоков, каждый весом в среднем две тонны Строительство этих сооружений потребовало огромных затрат энергии До сих пор выясняются возможные технические приемы, которые могли быть использованы для возведения этих гигантских построек с изумительной точностью При длине сторон основания, равной 233 метрам, расхождение составляет ничтожную величину, всего два сантиметра Некоторые специалисты, сознающие невозможность найти объяснение, прибегают даже к "творчеству гостей из космоса"

Между тем человечество успело уже перейти в эпоху феодализма

Прошло всего несколько веков (с V по XVII век), и появляются промышленность и горное дело с еще очень простыми машинами. Уже созданы сукновальные станки и развилось кузнечное дело. Энергия ветра и воды используется в мельницах мощностью от 3 до 20 киловатт.

Усовершенствованные водяные колеса по своей мощности стали эквивалентны мускульной энергии трех-четырех тысяч человек.

Наконец, в XVII-XVIII веках, в период зарождения и становления капиталистических отношений, свершился переход к принципиально новому виду энергетики - теплоэнергетике. Был создан целый ряд паровых двигателей сначала это машины Дени Папена, Ньюкомена, а потом универсальные паровые двигатели Ползунова и Уатта. Затем появились двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины стали использоваться нефть и газ.

Стремительное насыщение промышленности энергетическими машинами, начатое в XIX веке, продолжается в наше время. Воздвигнуты десятки тысяч электростанций, питающих миллиарды электродвигателей. Добыча нефти и производство бензина открыли дорогу сотням миллионов автомобилей и тепловозов. В небо взлетают тысячи самолетов, стартуют космические ракеты Наконец, заработали атомные электростанции.

Человечество прошло бесконечно длинный путь в своем развитии. И каждый очередной этап сопровождался увеличением потребляемой человеком энергии.

В 1860 году ее расход на каждого человека в пересчете на условный уголь (килограмм которого дает 7000 килокалорий тепла) составлял полтонны. В 1940 году они переросли в полторы тонны А в 1980 году две с половиной три тонны Таковы средние цифры.

В технически же развитых государствах в 1980 году расход составил 6-15 тонн, а в развивающихся странах всего 0,5-1 тонну, то есть в десять раз меньше!

Что же это означает? Значит, целые государства могут существовать и при очень малом потреблении энергии по сравнению с потреблением ее в технически развитых странах? Конечно, могут. Вопрос в том, как развиты в этих государствах промышленность и сельское хозяйство, как устроен быт.

Когда данные по величине валового национального продукта в различных странах были проанализированы, то оказалось, что эта величина прямо пропорциональна энерговооруженности человека в этой стране. Если она в одном государстве в пять раз больше, чем в другом, то и количество валового национального продукта в нем оказывается в пять раз больше, чем в другом. Конечно, это усредненные данные. В отдельных случаях такая пропорциональность не наблюдается. Отклонения объясняются разнообразием путей исторического развития, различными природными условиями. Но в среднем приведенная закономерность справедлива.

Значит, для дальнейшего повышения материального благосостояния людей необходимо повышать их энерговооруженность. К сожалению, в будущем рост энерговооруженности не будет приводить к прямо пропорциональному увеличению валового национального продукта.

Значительную часть энергии люди вынуждены отдавать на другие нужды. Вот примеры из разных областей.

Постоянно ухудшающееся плодородие почвы требует все большего количества удобрений, на производство которых затрачивается дополнительная энергия. Освоение одного гектара орошаемой земли также связано с энергетическими затратами, равными примерно тонне условного топлива.

Дороже становится и добыча рыбы. Улов и переработка одной тонны ее требуют затраты энергии, эквивалентной полутора тоннам условного топлива.

При нынешних темпах добычи запасы некоторых руд, богатых металлом, иссякнут уже через несколько десятилетий. В этой связи начнут осваиваться даже такие месторождения, которые не разрабатывались из-за низкого их качества. Значит, затраты энергии на получение того же количества металла заметно возрастут.

Огромное внимание, которое уделяется утилизации не используемых ныне всевозможных промышленных и прочих отходов, организации замкнутых циклов, созданию безотходной технологии, также связано с повышенным потреблением энергии.

Запасы воды истощаются. Постоянно растет доля безвозвратного водопотребления. Сейчас на земном шаре есть места, где стремятся потратить с пользой каждую каплю воды. Возможно, что в отдаленной перспективе огромную роль сыграет опреснение морской воды.

Академик М. Стырикович приводит такой пример, характеризующий возможный объем потребления энергии для опреснения морской воды. Для выращивания урожая ценностью в 2500 килокалорий в день на одного человека требуется одна тонна воды. Но чтобы ее получить, необходимо израсходовать 6-7 килограммов условного топлива. А это 2-2,5 тонны условного топлива в год на одного человека! В пять раз больше, чем приходится на все нужды на человека многих стран.

Примеры можно множить и множить. Но я думаю, что все и так уже ясно. Человеку необходимо все больше и больше энергии. И уже можно перечислять статьи будущих ее расходов и оценивать, сколько же потребуется ее для каждой статьи расхода. Можно эти статьи складывать и планировать будущие потребности в энергии.

Прогнозы, прогнозы...

До сих пор мы рассуждали лишь качественно. Обсуждали и доказывали, что человек нуждается в энергии.

Но ведь важна и количественная сторона, то есть надо знать, сколько ее понадобится каждому человеку и всему человечеству в целом через год, через десять, сто, тысячу лет. Так мы попадаем в область прогностики - науки о прогнозировании, назначение которой - обобщение научной информации, имеющейся у общества, и на ее основе надежное предсказывание будущих событий. Разработка долгосрочных прогнозов в энергетике особенно важна потому, что цикл подготовки - освоение новых первичных энергоресурсов, создание средств для их транспортировки, преобразования и использования, продолжается десятки лет. Высокая капиталоемкость, широкая взаимозаменяемость энергоресурсов и видов энергии делают особенно важным заблаговременную разработку оптимальной структуры энергохозяйства. Долгосрочный прогноз должен оказывать ускоряющее влияние на темпы научно-технического прогресса. Установление принципиальной возможности создания новых эффективных энергетических источников и их роли в будущей энергетике содействует формированию благоприятного климата для научно-технических исследований и стимулирует их.

Прогнозы многое могут, многое должны, но, к сожалению, не всегда это делают. Разброс в прогнозах о развитии энергетики очень велик. Одни говорят о сверхбыстром развитии энергетики, другие о ее нулевом росте. Этому есть, конечно, свои причины. Для долгосрочных энергетических прогнозов характерна достаточно большая неопределенность, зависящая от неполноты исходной информации, то есть от наших знаний закономерностей развития, а также параметров и возможностей различных процессов и энергетических систем.

Разные подходы к развитию энергетики и разные оценки ее теперешнего и будущего состояния проистекают также и из разных принципиальных взглядов на развитие больших систем энергетики. Так, одна из концепций исходит из того, что в основе развития природы и общества лежит неопределенность и случайность - ничего, мол, определенного нельзя сказать заранее. Сторонники таких взглядов рассматривают большие системы энергетики как чисто вероятностные - "го ли будет, то ли нет", ибо, с их точки зрения, человек не может активно воздействовать на развитие таких систем в прогрессивных направлениях. Его удел лишь пассивно прогнозировать. Именно такой философией вооружены упоминавшиеся ранее фаталисты, экзистенциалисты и многие футурологи.

Существует и другое крайнее и тоже неправильное восприятие действительности. Его апологеты в технике и энергетике считают, что в мире существуют лишь однозначно определенные связи - все известно заранее, в плановом хозяйстве случайные тенденции отсутствуют или их влияние ограниченно, поэтому, мол, можно на 20-30 лет вперед без ошибок определять развитие всех звеньев промышленности и энергетики.

Наши специалисты в области экономики, техники и энергетики в своих прогнозах и планировании руководствуются объективными законами развития производительных сил, определяющими основные направления развития энергетики. В то же время они признают существование многих неопределенных факторов, которые могут ускорять или замедлять прогрессивные тенденции.

Важным фактором, свидетельствующим об устойчивости долгосрочных экономических и энергетических прогнозов, является наличие генеральной цели развития нашего общества. Важнейшие социально-экономические задачи, решаемые во имя этой цели, имеют детерминированный характер. И все же определенность, надежность прогноза сильно зависит от степени научной разработанности и сходной для него технико-экономической информации, и главное - от срока, на который ведется прогнозирование.

Так, скажем, прогноз по всей энергетике на 1990 год допускает ошибку в 10-15 процентов, а по отдельным видам энергии в 20-30 процентов. На 2000 год ошибка прогноза может дойти и до 20-40 процентов.

Если же заглянуть в 2030-2050 годы, то можно ошибиться и в два раза. Поэтому, как правило, при прогнозировании на длительные сроки рассматривают несколько возможных вариантов развития.

Прогнозов о развитии энергетики сейчас очень много. Это и не удивительно, энергетика сегодня - больное место. Но мы начнем со старого, сделанного замечательным русским физиком Н. Умовым. В 1912 году он опубликовал статью "Задачи техники в связи с истощением запасов энергии на Земле". Это серьезный труд, в котором действительно разработаны все факторы, которые можно было учесть тогда, почти 70 лет назад. Выводы, сделанные его автором, интересны нам потому, что на этом примере отчетливо видно, где и как можно ошибиться в прогнозировании.

Приняв темп роста потребностей в энергии 6 процентов годовых и известные тогда запасы угля, нефги и гидроэнергии, Н. Умов счел необходимым принять в расчет и другие источники энергии: солнце, приливы в океане. Как мы увидим далее, ныне для дальнейших прогнозов принимается величина темпа не 6 процентов, а около 3. В балансе потребляемой энергии Н. Умов отвел слишком малую роль электроэнергии - всего 3 процента. При расчете КПД двигателей он ориентировался на паровые машины, КПД которых 25 процентов. Сейчас поршневые машины почти повсеместно вытеснены турбинами и двигателями внутреннего сгорания. В прогнозе Н. Умова незначительная роль была отведена нефти и газу, что же касается внутриядерной энергии, то о ней, конечно, не было и речи.

Этот экскурс в прошлое, по-моему, убедительно показывает, что, несмотря на улучшившуюся методику прогнозирования, специалисты, занимающиеся прогнозами, не застрахованы от просчетов, допущенных Н. Умовым, и не имеют достаточных оснований говорить о большой точности своих прогнозов для такого временного интервала, каким являются 40-50 лет. Что говорят современные прогнозы?

Наша отправная точка - энергопотребление в мире сегодня. Мы уже говорили: в среднем в 1980 году на каждого жителя Земли расходовалось 2,5-3 тонны условного топлива. Значит, четырех с половиной миллиардное население Земли потребляло только 11 миллиардов тонн условного топлива. Из чего они складывались? Из 2,5 миллиарда тонн угля, 4,1 - нефти, 2,9 природного газа, 0,6 - гидроэнергии (так же, как и атомная, она пересчитана на условное топливо), 0,3 - атомной энергии и 0,6 миллиарда тонн - прочие энергетические ресурсы.

Много это или мало по сравнению с существующими на Земле ресурсами, мы увидим далее, а сейчас сравним энергию, производимую человеком, с солнечной энергией, достигающей поверхности Земли. Поскольку речь пойдет об очень больших величинах, будем пользоваться энергетической единицей, введенной индийским физиком Хоми Баба (она обозначается символом Q), равной 37 миллиардам тонн условного топлива.

Итак, в 1980 году на Земле было потреблено примерно 0,3 Q. Ежегодно на поверхность Земли солнечные лучи приносят 1500 Q, то есть почти впять тысяч раз больше. По-различному подходят к оценке потребностей в будущем. В одном из подходов оценивается величина энергии, которую нужно потратить на каждого жителя Земли с учетом многочисленных факторов (увеличение валового национального продукта, опреснение воды, затрудненная добыча сырья и т д.), о которых шла речь выше. Считается, что в 2040-2050 годах в технически развитых странах каждый человек будет ежегодно потреблять 15-20 тонн условного топлива, а в среднем в мире 5-10 тонн.

Сейчас население Земли растет со скоростью 3 человека в секунду. Демографы полагают, что в дальнейшем рост населения несколько замедлится и к 2050 году достигнет лишь 12--14 миллиардов. В этом случае человечество будет потреблять около 2-3 Q.

При другом подходе прогнозисты-энергетики исходят из темпов развития экономики. Например, в материалах Мирового энергетического конгресса, состоявшегося в сентябре 1977 года в Стамбуле, приведены следующие величины в единицах Q:

______________________________________________________________ .

Энергия\ Годы ____ 1990 _________ 2000 ______ 2020 ____ 2050 _ .

Всего энергии ___ 0,4-0,45 ____ 0,5-0,75 ____ 0-1,5 ____ 2-3 _ .

Атомная энергия _0,01-0,015 _ 0,035-0,04 _ 0,15-0,25 _ 0,3-0,7 .

______________________________________________________________ .

Видно, что с течением времени в энергетическом балансе мира доля атомной энергетики возрастает. Если в 2000 году ее вклад составит всего 5-7 процентов, то уже в 2020 году можно ожидать увеличения до 15- 20 процентов, а для технически развитых стран эта доля может доходить и до 40-50 процентов.

Итак, в 2050 году, то есть через 70 лет, общее ежегодное количество потребляемой энергии может достичь 2 3 Q, то есть 0,1-0,2 процента от солнечной энергии, падающей на Землю.

Ну а что будет после 2050-го? Есть ли пределы развития энергетики? Если рост энергетики будет продолжаться со скоростью всего 2 процента, через 100- 150 лет искусственное энерговыделение на Земле составит 30 Q, то есть 2 процента от солнечной. При темпе роста 0;7 процента в год через 1000 лет величина энергии, добываемой человеком, сравняется с энергией, приносимой Солнцем. Предел ли это? Нужна ли человечеству еще большая энергия?

Некоторые ученые дают утвердительный ответ. Членкорреспондент АН СССР Н. Кардашев делит цивилизации на три типа. Первый - это цивилизация, обладающая энергией, близкой к той, что сейчас потребляет человечество, 0,1 Q. Второй тип обладает энергией, близкой к излучаемой близлежащей к ней звездой.

В этом случае энергопотребление примерно равно 10^13 Q.

Третий тип цивилизации должен обладать энергией в масштабах своей галактики. Это 10^24 Q.

Как можно овладеть энергией масштаба солнечной?

Идеи, предложенные еще К. Циолковским, развиты в наше время Дайсоном, профессором Принстонского университета. Для использования энергии Солнца им предлагается соорудить вокруг нашего светила сферу радиусом около 150 миллионов километров с обитаемой оболочкой, для строительства которой нужно переработать всю массу одной из планет Солнечной системы. Население этой оболочки сможет использовать всю энергию, излучаемую Солнцем.

Конечно, эти проекты и масштабы потребления энергии относятся к области далекой фантастики. Ну а как быть с предполагаемой величиной, необходимой энергии на 2050 год, равной 2-3Q, или, скажем, с величиной в десять раз больше - 30 Q? Достижимы ли они, и если да, то насколько легко или трудно этот прогноз осуществить?

Достичь такой выработки энергии нелегко, но возможно. Сейчас весь вопрос в темпах развития. Для человечества наступают трудные времена. Энергия дорожает, и энергетику невозможно развивать такими темпами, как это было ранее. Даже атомная энергетика не может помочь в этом случае. Она не так дорога, как энергетика на органическом топливе, но все же дорогая.

Очень много трудовых и материальных затрат требует сооружение установок, вырабатывающих энергию, и других предприятий топливного цикла, обеспечивающих их работу.

Означает ли замедление темпов фактический отказ от интенсивного развития энергетики?

Нет, и еще раз нет! Ясно одно: человек всегда будет стремиться обладать возможно большим количеством энергии, расширяющим его власть над природой и обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника дадут ему возможность получать энергию во всевозрастающих объемах. Иногда периоды "застоя" - замедленного поступательного движения - могут возникать и длиться долго, может быть, десятки лет. Но обязательно будут появляться новые открытия и изобретения, которые помогут человечеству сделать очередной качественный скачок и пойти к новым достижениям еще более быстрыми шагами.

Дело не в голоде

Прогнозисты считают, что количество энергии, которую должен будет потреблять человек в предстоящее столетие, равно: 0,5-OJ5Q уже в 2000 году и 2- 3Q в 2050 году. Много ли это по сравнению с ресурсами, которыми обладает Земля? Давайте к ним и обратимся.

Все они делятся на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относятся солнечная энергия, тепло Земли, приливы океанов. Они не прекратят существования, пока будут Солнце и Земля. Невозобновляемые ресурсы не восполняются природой или восполняются очень медленно, гораздо медленнее, чем их расходуют люди. Скорость образования новых горючих ископаемых в недрах Земли определить довольно трудно. В связи с этим оценки специалистов резко различны: от 0,00001Q до 0,0005Q в год. Если даже принять самое большое это число, то все равно скорость накопления топлива в недpax Земли в тысячу раз меньше скорости его потребления. Поэтому такие ресурсы и называют невозобновляемыми. С них мы и начнем, для удобства сведя все данные в таблицу, в которой для сравнения приведем ожидаемое потребление в 2000 году. Все величины приведены в единицах Q.

Виды ________________Потребление_.

топлива __ Ресурсы __в 2000 году_.

Уголь ___ 200-400 ____ 0,1-0,15 _.

Нефть ____ 15-20 _____ 0,2-0,25 _.

Газ ______ 12-18 ______ 01-0.15 _.

Что же вытекает из этих данных? Во-первых, запасы органического топлива при уровне потребления двухтысячного года в 0,5-0,6Q могут быть исчерпаны через 400-800 лет. Но это может случиться и раньше! В таблице приведены потенциальные ресурсы. При теперешних методах добычи из них можно извлечь около половины, а другую половину просто "не угрызешь". Кроме того, и энергопотребление не останется на уровне 2000 года, а будет расти. Поэтому, если принять ежегодное энергопотребление равным 2Q, запасов хватит на 120-160 лет.

Большую тревогу вызывает намечающееся истощение нефти и газа. Через несколько десятков лет известные залежи их могут оказаться исчерпанными. Так что же, кризис? Да. Но только не всеобщий энергетический, а нефтяной и газовый. Однако тут нужно быть осмотрительным. Подобные оценки по нефти, сделанные в 1952 году, показывали, что запасов "черного золота" хватит всего на 25 лет. Но уже в 1966 году разведанные запасы возросли настолько, что срок обеспеченности нефтью возрос до 33 лет. Сейчас мы говорим уже о 40- 60 годах.

Существует также битуминозная нефть. Ее столько же, сколько и обычной, но ее добыча пока считается неэкономичной. А ведь, кроме освоенных и разведанных нефтегазовых месторождений, возможно открытие и освоение совершенно новых глубинных ресурсов. Так, по мнению американского ученого Т. Гоулда, в нижних слоях земной коры, возможно, находятся громадные запасы метана, энергетический эквивалент которых даст около 1000Q!

Как бы то ни было, но сейчас мы должны ориентироваться на выявленные фактические ресурсы органического топлива, так как стратегия развития энергетики должна быть беспроигрышной. Да и не только энергетики. Нефть и газ - ценнейшее химическое сырье.

Из нефти научились делать кормовые белки для живот-- ных. Газ нужен металлургической промышленности. Надо беречь эти дары природы, нельзя истратить все их запасы только на энергетику.

А что же уголь? Ведь его одного хватило бы на 100-150 лет! С углем свои проблемы. Во-первых, его транспортировка - дело весьма трудоемкое. В нашей стране, как уже говорилось, основные запасы угля сосредоточены на востоке, а основное потребление - в европейской части. Во-вторых, широкое использование угля связано с серьезным загрязнением атмосферы, засорением поверхности земли и ухудшением почвы.

Но даже, если можно было бы пренебречь отрицательными последствиями сжигания угля, к сожалению, его нельзя использовать во многих отраслях промышленности ,и народного хозяйства. Чтобы расширить область применения, разрабатываются методы переработки его в газообразное и жидкое топливо. Однако еще нет экономичных для этого способов.

В разных странах все перечисленные проблемы выглядят различно, но решение их почти везде одно - всемерное внедрение атомной энергетики. Какими же запасами топлива она обладает?

В атомной энергетике их величина в большой мере зависит от эффективности его использования. Реакторы существующих типов потребляют около 1,5 процента природного урана. Если ориентироваться только на такие установки, то мировые запасы ядерного топлива эквивалентны всего 2-3Q. На уровне потребления 2000 года его хватит лишь на 50-70 лет, а 2020 года и того меньше - лет на 8-10.

Если применять тепловые реакторы усовершенствованного типа, то энергоемкость существующих запасов топлива возрастет до 8-12Q. Для реакторов-размножителей на быстрых нейтронах видится уже 50-100Q.

В случае их развития положение изменится коренным образом, ибо в таких реакторах-размножителях ядерное топливо используется в 25-35 раз более эффективно, чем в реакторах и тепловых нейтронах. Тогда можно пойти и на добычу урана из морской воды, где запасы урана практически безграничны (50-100 тысяч Q).

Такими же возможностями обладает и разрабатываемая термоядерная энергетика.

Так почему же люди заговорили об энергетическом кризисе, если запасов только органического топлива хватит на сотни лет? А в резерве еще ядерное!

Запасов топлива на планете еще вполне достаточно для жизни многих поколений. Весь вопрос в том, сколько оно стоит. И именно с этой стороны нужно рассматривать сейчас энергетическую проблему. Нефти, газа в недрах земли еще много, но их добыча стоит все дороже и дороже, так как эту энергию приходится добывать из более бедных и глубоко залегающих пластов, из небогатых месторождений, открытых в необжитых, труднодоступных районах. Гораздо больше приходится и придется вкладывать средств для того, чтобы свести к минимуму экологические последствия использования органического топлива. Так что суть проблемы во все увеличивающихся затратах на производство энергии.

Атомная энергия внедряется сейчас не потому, что она обеспечена топливом на столетия и тысячелетия, а из-за ее дешевизны по сравнению с энергетикой на органическом топливе. Атомная энергетика должна расширяться для экономии и сохранения на будущее нефти и газа.

В условиях удорожания топлива особую остроту приобретает проблема повышения эффективности его использования. Ныне в среднем это только 10-15 процентов. Скажем, коэффициент полезного использования топлива в легковом автомобиле всего 10 процентов, а при обогреве помещений и того меньше - не превышает 6-8 процентов. Резервы здесь громадные, и успехи могут быть достигнуты немалые. Именно поэтому эффективности использования энергии, ее экономии и в нашей стране и за рубежом уделяется все большее внимание.

Сэкономить в большом и малом - в настоящее время задача не менее важная, нежели открыть новое месторождение или добыть лишнюю тонну топлива. Правда, борьба за экономию принимает за рубежом порой анекдотичную форму. Так, в Англии, сообщает лондонский еженедельник "Фармез уикли", владельцы молочных ферм, уплатив 300-500 фунтов стерлингов, могут приобрести оборудование для утилизации тепла, содержащегося в парном молоке. При охлаждении литра такого молока с 30 до 4 градусов выделяется около 0,03 киловатт-часа энергии. Добытое тепло передается газообразному теплоносителю, температура которого повышается до 55 градусов при прохождении через компрессор. Это тепло используется для нагревания воды или обогрева в зимнее время.

Не заманчив этот способ. Им не погасить надвигающийся энергетический кризис. Не о таком удешевлении энергии идет речь. В поисках более дешевой энергии в последнее время специалисты все чаще обращают свой взгляд на возобновляемые источники: Солнце, тепло Земли, энергию приливов океана.

Многие считают, что будущее принадлежит дарам Солнца. Действительно, ежегодное количество солнечной энергии, падающей на верхние слои атмосферы, эквивалентно 10000Q. Этого громадного количества, несомненно, хватило бы на тысячи лет. Важно только уметь пользоваться этой энергией. Хотя до поверхности Земли доходит ее небольшая часть - 1500Q, а все равно ее очень много. Основное препятствие к экономичному использованию солнечной энергии - ее малая концентрация - всего 150-200 ватт на квадратный метр поверхности. Скажем для сравнения: плотность энергии, поступающей в домашний чайник, когда он стоит на газовой плите, больше в тысячу раз. Поэтому главные усилия в освоении солнечной энергии направляются на методы ее концентрации. Другой путь использования солнечной энергии- Преобразование ее в один из видов, более удобных для использования.

Обратите внимание на табличку, в которой приведена энергоемкость различных возобновляемых источников в единицах Q.

.___________________________________________.

.Солнце на поверхности Земли ______ 1500____.

.в том числе: ______________________________.

.- гидроэнергия ___________________ 0,1 ___.

.- ветер с плотностью, большей ____________.

.500 киловатт_______________________________.

.на квадратный километр площади ___ 1-2 ____.

.- фотосинтез, ____________________ 3 _____.

.в том числе дрова: ________________ 0,5 ___.

.Термальная энергия, _______________ 1,0 ___.

.в том числе термальные воды _______ 0,003 _.

.Приливы в океанах _________________ 0,1 ___.

.___________________________________________.

Как видно из этой таблички, запасы гидроэнергии относительно невелики. Но она не что иное, как концентрированная солнечная энергия, которая успешно используется человеком. В СССР и США уже приносят пользу 20-30 процентов всех гидроэнергоресурсов.

Около двух процентов солнечной энергии переходит в энергию движения воздушных масс. Это в год около 30Q. К сожалению, на поверхности Земли плотность энергии ветра невелика. Существенным недостатком является и непостоянство его силы. Даже при плотности энергии ветра, равной 500 киловаттам на квадратный километр, ветряные установки очень громоздки. Диаметр ротора ветряного электрогенератора мощностью всего 1000 киловатт должен быть около 50-60 метров.

Низкая эффективность вызывается зависимостью коэффициента полезного действия таких установок от скорости ветра. При изменении его скорости всего на 20 процентов коэффициент полезного действия таких двигателей падает сразу на 70 процентов. Поэтому, хотя человек начал осваивать энергию ветра тысячи лет назад и имеет в этом деле громадный опыт, трудно ожидать, что этим источником будет внесен большой вклад в энергообеспечение человека.

Широко используется солнечная энергия, заключенная в растениях. Ежегодно леса дают около 0,5Q. Это почти в два раза больше всех видов энергии, которые человек потреблял в 1980 году. Сейчас по разным причинам используется незначительная часть годового прироста древесины. Тут играет роль неуниверсальный вид этого топлива, относительно невысокая его калорийность, трудности огранизации равномерной добычи по всем лесным массивам, транспортировки и экономические соображения.

Большая часть растений полезно использует только один процент солнечной энергии, хотя есть такие виды, у которых этот коэффициент приближается к 5 процентам.

Разрабатываются различные планы использования фотосинтеза для энергетики. Так, американский ученый Т. Уилкокс предлагает использовать в качестве топлива морские водоросли. Отдельные их виды, из которых можно получать метан, могут, по его утверждению, давать с гектара несколько тонн массы. Самым серьезным препятствием для выращивания биомассы как источника энергии является необходимость в больших площадях. Так, чтобы покрыть за счет биомассы только нынешнюю потребность США в газе, нужно занять растениями 6 процентов территории страны. Сторонники этого направления в энергетике стремятся с помощью генной инженерии повысить эффективность фотосинтеза.

Примерно по таким же причинам пока не видно экономичных путей преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую с помощью фотоэлементов или, концентрируя излучение, с помощью зеркал. Пока стоимость получения электроэнергии с применением современных солнечных фотоэлектрических элементов в 100 раз выше, чем на обычных электростанциях. Однако специалисты, занимающиеся фотоэлементами, полны оптимизма, и считают, что им удастся существенно снизить их стоимость. Сейчас уже разрабатываются проекты солнечных электростанций на орбите. Для них уже есть и название: ССЭС - спутниковые солнечные электростанции. В их создании - свои трудности: при мощности 10 миллионов киловатт такая станция будет весить около 70 тысяч тонн. Энергия на Землю будет передаваться в виде микроволнового излучения на наземную антенну площадью 100 квадратных километров.

Можно привести еще очень много проектов использования различных источников энергии. Здесь и использование тепла океана, и геотермальная энергия, и водород, получаемый при закачке воды в магму, и приливы океанов, и океанские течения.

Точки зрения специалистов на перспективы использования возобновляемых источников энергии очень различаются. Комитет по науке и технике в Англии, проанализировав перспективы освоения перечисленных источников энергии, пришел к выводу, что их использование на базе современных технологий окажется в двачетыре раза дороже строительства АЭС. Другие специалисты в различных прогнозах этим источникам энергии уже в 2000 году отводят значительное место: от 5 до 10 процентов.

По-видимому, источники возобновляемой энергии будут применяться в отдельных районах мира, благоприятных для их эффективного и экономичного использования, но в крайне ограниченных масштабах. Основную долю энергетических потребностей человечества должны обеспечить уголь и атомная энергетика. Правда, пока нет настолько дешевого источника, который позволил бы развивать энергетику такими быстрыми темпами, как бы этого хотелось.

Сейчас и на предстоящие десятилетия наиболее дешевым источником энергии представляются ядерные, а затем, возможно, и термоядерные редакторы. С их помощью человек и будет двигаться по ступеням технического прогресса. Будет двигаться до тех пор, пока не откроет и не освоит какой-либо другой, более дешевый источник энергии.

ШАГИ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Значение ядерной энергетики не исчерпывается только тем, что она практически навсегда снимает угрозу недостатка топлива.

Ядерная энергетика будет иметь и важное социальное значение.

А. П. Александров

В XXI веке, а может быть, и далее, пока не будет открыт какой-либо другой, более совершенный и дешевый ядерный источник энергии, основу энергетики наряду с углем должны составить ядерные реакторы деления, а затем и термоядерные реакторы синтеза. Сейчас это ясно большинству энергетиков и специалистов других отраслей промышленности, ученых, занимающихся проблемами экономики.

В опубликованной в журнале "Проблемы мира и социализма" статье "Научно-технический прогресс и атомная энергетика" президент АН СССР А.Александров пишет: "Широкое и разнообразное применение энергии атома экономическая политика дальнего прицела... Поэтому освоение огромных ресурсов энергии ядерных превращений - важнейший долг ученых перед человечеством... Смягчение остроты топливной проблемы, несомненно, приведет и к снижению ее значения как фактора политической напряженности. Районы и страны, обделенные природой и не имеющие традиционных топливных ресурсов, смогут получать относительно недорогие ядерные энергоресурсы, что будет способствовать их более быстрому техническому прогрессу. Благодаря исключительно высокой энергоемкости ядерного горючего стоимость его транспортировки в любые места земного шара относительно низка.

Чрезвычайно важным следствием широкого применения ядерной энергии явится и существенное уменьшение загрязнения окружающей среды продуктами сгорания".

Сегодня преимущества атомной энергетики и необходимость ее ускоренного развития очевидны, но... всего лишь три десятилетия назад сама возможность и целесоооразность мирного использования энергии атома у многих вызывали страх и большие сомнения.

Первую брешь в этих переживаниях в 1954 году пробила сооруженная под Москвой в городе Обнинске атомная электростанция. Маленькая по мощности (всего 5 тысяч киловатт), она была первой на земном шаре, где использовалась энергия атома.

1 июля 1954 года "Правда" и другие газеты поместили на первых полосах такое сообщение: "В настоящее время в Советском Союзе усилиями советских ученых и инженеров успешно завершены работы по проектированию и строительству первой промышленной электростанции на атомной энергии полезной мощностью 5000 киловатт.

27 июня 1954 года атомная электростанция была пущена в эксплуатацию и дала электрический ток для промышленности и сельского хозяйства прилежащих районов".

Это известие облетело весь мир. Вот сообщения корреспондентов из-за рубежа.

"Лондон, 1 ИЮЛЯ (ТАСС)- Сообщение о пуске в СССР первой промышленной электростанции на атомной энергии широко отмечается английской печатью, Московский корреспондент "Дейли уоркер" пишет, что это историческое событие "имеет неизмеримо большее значение, чем сброс первой атомной бомбы на Хиросиму".

"Париж, 1 июля (ТАСС). Лондонский корреспондент агентства Франс Пресс передает, что сообщение о пуске в СССР первой в мире промышленной электростанции, работающей на атомной энергии, встречено в лондонских кругах специалистов-атомников с большим интересом. Англия, продолжает корреспондент, строит атомную электростанцию в Колдерхолле. Полагают, что она сможет вступить в строй не ранее чем через 2,5 года".

Успешное создание и работа первой АЭС в мире было важным событием по многим причинам. Прежде всего в какой-то мере был сломан психологический барьер - предубеждение людей вообще против атомной энергии. Было показано, что она может успешно служить делу мира и способствовать росту благосостояния человечества. Это событие имело и политическое значение: Советский Союз своим примером показывал, куда должны быть направлены усилия ученых, специалистов - не на создание еще более совершенных видов атомного оружия, а на развитие мирной атомной энергетики. И конечно, в первую очередь создание АЭС имело научно-техническое значение. По пути, проложенному ею, пошли десятки других станций, сооруженных в последующие годы в разных странах мира.

Решения приняты

В 1955 году в Женеве, впервые после второй мировой войны, собрались ученые разных стран на первую международную конференцию по атомной энергетике.

Советские специалисты сделали вызвавшее общий интерес сообщение об итогах годичной работы АЭС в Обнинске, о технических характеристиках и конструкциях атомного реактора и другого оборудования станции.

Это был первый опыт, позволивший сделать правильный вывод о надежности работы ядерного реактора подобного типа и его безопасности для обслуживающего персонала и населения, проживающего в районе ее р-асположения.

В настоящее время есть множество действующих реакторов, которые существенно различны. Если же учесть еще те, что задуманы и даже спроектированы, но не построены, то число модификаций составит несколько десятков.

Так, реактор первой АЭС, как мы уже говорили, уранграфитовый канального типа. То есть в качестве вещества, замедляющего нейтроны, в нем применен графит, а топливом является уран. Слова "канального типа" означают, что урановые тепловыделяющие элементы (стерженьки из урана) находятся в трубах, проходящих через графитовые блоки. В этих трубах и протекает вода, которая, отбирая энергию от урановых твэлов, кипит и испаряется.

Такая схема реактора, конечно, не единственно возможная. На упоминавшейся международной конференции по мирному использованию атомной энергии нашими и зарубежными специалистами были представлены проекты и других реакторов. Чем они отличались друг от друга и для чего понадобилось такое разнообразие, мы сейчас и увидим.

Первое, что вносит многообразие, - это замедлитель нейтронов. Кроме графита, можно использовать обычную и тяжелую воду. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки.

Обычная вода, в молекуле которой два атома самого легкого элемента водорода, отлично замедляющего нейтроны, наиболее дешевый и очень эффективный замедлитель. Но есть у нее и недостатки: водород и кислород бесполезно поглощают нейтроны и тем ухудшают цепную реакцию. Чтобы она не затухала, приходится добавлять горючее - уран.

Почти совсем не поглощает нейтроны тяжелая вода - дорогой и дефицитный продукт. В ее молекуле не водород, а два атома дейтерия, о которых речь шла впереди.

Чтобы вода, используемая в качестве замедлителя, не кипела при довольно высокой температуре в 300 градусов, в системе нужно создавать давление в 100 атмосфер. Это, конечно, приводит к существенному усложнению реактора.

В качестве замедлителя пригодны и органические вещества, например газойль - даутерм, в состав которого входят углерод, водород и кислород. Даутерм относительно неплохо замедляет нейтроны, не очень сильно их поглощает и самое главное - не требует создания в реакторе больших давлений. Как будто бы всем он хорош.

Почти не вызывает коррозии, недорого стоит. Но, как и у каждого замедлителя, у него есть свои недостатки.

Во-первых, это соединение очень нестойкое. Нейтроны, обладающие большой энергией, разбивают молекулу даутерма, образуя при этом ненужные газообразные продукты. Во-вторых, под действием высокой температуры и облучения из этих частиц начинают образовываться тяжелые полимеры, которые как нагар осаждаются на поверхности тепловыделяющих элементов и, перекрывая проходное сечение для теплоносителя, затрудняют отвод тепла. Кстати, о теплоносителе.

Для отвода тепла от реактора можно использовать различные вещества, которые также влияют на конструкцию реакторов. Здесь обычная и тяжелая вода в кипящем и некипящем состоянии и те же самые, используемые в качестве замедлителя, органические вещества.

Применяются также и газообразные теплоносители: углекислый газ, азот, гелий. В реакторах-размножителях ча быстрых нейтронах удобным теплоносителем оказался натрий. Различным типам теплоносителей, как и многим замедлителям, свойственны определенные преимущества и недостатки.

Мы коснулись только двух составляющих реактора:

замедлителя и теплоносителя, определяющих тип реактора. А ведь нужно самым оптимальным образом выбрать еще и тепловыделяющий элемент! В каком виде удобнее использовать в нем ядерное горючее - уран?

В виде металла или его двуокиси? А может быть, лучше применить карбид урана или какой-либо его сплав?

Имеют значение форма и размеры тепловыделяющих элементов (оболочки), в которых заключается ядерное горючее. Надежнее всего были бы твэлы из стали, но она сильно поглощает нейтроны. Пришлось уран заключать в циркониевые либо алюминиевые оболочки, слабо поглощающие нейтроны.

Как видите, если составить сочетания из предлагавшихся типов замедлителя, теплоносителя, топлива, форм и размеров твэлов и конструктивных способов их оформления и других элементов оборудования реактора, то можно было бы получить несколько сот вариантов.

Правда, среди них попались бы и такие, которые учеными не рассматривались, а сразу отбрасывались прочь как неразумные. Нецелесообразность применения других вариантов вытекала из расчетов или пробных конструкторских проработок. И все же после такого предварительного отбора оставалось несколько десятков возможных для создания типов реакторов, с которыми нужно было разбираться более серьезно и подробно. Что же делать в такой ситуации? Создавать одновременно все мыслимые типы опытно-промышленных реакторов, эксплуатировать их по 10-15 лет и потом решать, какие из них использовать для промышленной атомной энергетики? Конечно, нет. При такой стратегии ее масштабное развитие могло бы задержаться на многие десятилетия. Да, одновременное развитие многих направлений потребовало бы и огромных материальных затрат, так как на исследования, опытно-конструкторские работы и проектирование пришлось бы перевести большое количество институтов, конструкторских и проектных организаций! Ясно, что разумнее ограничиться несколькими типами установок и развивать атомную энергетику поэтапно, переходя по мере накопления опыта от более простых установок к более сложным Наиболее подходящей областью начального использования атомной энергии стала электроэнергетика.

В электроэнергетических установках даже при не очень больших температурах (около 300 градусов Цельсия)

коэффициент преобразования атомной энергии в электричество относительно высок - 30-33 процента. Важно и другое: в электроэнергетике имеются хорошие возможности для работы реакторов в базисной нагрузке, то есть практически при постоянной максимально допустимой мощности. Почему это важно? По двум причинам.

Работа в переменных режимах: с изменением мощности, температур, расходов теплоносителя - предъявляет к установкам более строгие требования; надо создавать более надежные их конструкции, а это связано с большой затратой времени и большим объемом научно-исследовательских работ. Кстати, в настоящее время исследования возможности использования АЭС в переменных или маневренных режимах уже ведутся.

Вторая причина целесообразности на первых порах работы АЭС в базисном режиме объясняется их большей по сравнению с установками на органическом топливе капиталоемкостью. Если в теплоэлектростанциях (ТЭС) стоимость вырабатываемой энергии на 70 процентов определяется стоимостью топлива и только на 30 процентов затратами на сооружение самой ТЭС, то в АЭС картина обратная: топливная составляющая стоимости электроэнергии всего 25-30 процентов. Это означает, что для АЭС чрезвычайно невыгодны простои и работа на пониженной мощности. Неработающая АЭС - это омертвленный капитал. В таких режимах работы стоимость электроэнергии на АЭС может превысить стоимость электроэнергии на ТЭС.

Вернемся к описанию типов реакторов.

Помимо электроэнергетики, которая облегчила решение ряда технических задач и уменьшила количество вариантов реакторов, существуют и другие причины, почему в различных странах начали разрабатывать атомные электростанции разного типа. В Канаде преимущественное развитие получили реакторы на тяжелой воде; в Англии - газоохлаждаемые; в США и ФРГ водоводяные (в качестве замедлителя и теплоносителя в них используется вода) и реакторы с кипящей водой; в СССР - водоводяные и реакторы канального типа, подобные реактору на Обнинской АЭС, а также было опробовано несколько реакторов другого типа - с органическим замедлителем и теплоносителем, с тяжеловодным замедлителем и газовым охлаждением, - не получивших пока широкого распространения.

Так, стихийно возникшие международные кооперации и разделение труда по исследованию, разработке и накоплению опыта эксплуатации АЭС различного типа позволили в достаточно короткие сроки выявить наиболее перспективные виды атомных реакторов. Дальнейшее развитие получили сейчас четыре типа реакторовводоводяной, реактор с кипящей водой, тяжеловодный и реактор канального типа с графитовым замедлителем.

В СССР в апреле 1964 года была создана Белоярская промышленная АЭС электрической мощностью 100 тысяч киловатт с водо-графитовым канальным реактором.

В отверстия графитовых блоков вставлены металлические трубы с тепловыделяющими элементами. Вода, циркулирующая в них, нагревается, превращается в пар, и он, перегретый, подается в турбины. В 1967 году заработала вторая очередь этой электростанции мощностью 200 тысяч киловатт. А еще через семь лег к западу or Ленинграда, рядом с живописным современным городом Сосновый Бор, завершилось сооружение также канальной крупнейшей в СССР и Европе одноконтурной АЭС мощностью в два миллиона киловатт. Состоит она из двух блоков по миллиону киловатт, и в каждом блоке свой реактор. Насыщенный семидесятиатмосферный пар из каждого реактора подается к двум турбогенераторам по 500 тысяч киловатт.

В реакторах по 1693 канала с тепловыделяющими топливными элементами. Размещение ядерного топлива в отдельных каналах - одно из главных преимуществ реакторов данного типа: оно позволяет производить перегрузку топлива, не останавливая работающий реактор, с помощью специальной перегрузочной машины.

Ленинградская АЭС является головной станцией в целой серии, которая будет строиться в нашей стране.

Реакторы такого типа уже работают на Курской АЭС, а также строятся Чернобыльская, Игналинская, Калининская, Смоленская, Западно-Украинская и другие станции в европейской части СССР.

Невдалеке от Воронежа, в живописной излучине Дона, построена Ново-Воронежская АЭС. Первый ее блок электрической мощностью 210 тысяч киловатт был пущен в сентябре 1964 года. В 1980 году с пуском пятого блока полная мощность этой станции составит около двух с половиной миллионов киловатт. Реактор последнего блока этой АЭС, как и все ее предыдущие, корпусного типа, однако мощность его побольше, чем у предыдущих, и составляет миллион электрических киловатт. Эта мощность близка к предельно возможной для реакторов такого типа, ибо корпуса большего размера невозможно перевозить по железной дороге. В ново-воронежских реакторах в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя используется под давлением некипящая вода. Значит, это установки двухконтурного типа.

В первом контуре, его называют реакторным, циркулирует некипящая вода под давлением 160 атмосфер. Пар получают в парогенераторах уже второго контура. Таким образом, вода, прошедшая через активную зону, не попадает в турбогенераторы станции, а циркулирует в замкнутом контуре, в реакторном блоке.

Сейчас реакторы типа ново-воронежских работают на Кольской и Армянской АЭС. Несколько реакторов такого типа было построено при помощи-СССР в социалистических странах.

Быстрыми темпами создается атомная энергетика и в технически развитых буржуазных странах. Суммарная мощность действующих АЭС в 1980 году приблизится к 140-150 миллионам киловатт. Дальнейшее развитие атомной электроэнергетики вплоть до конца нашего века оценивается различными институтами, правительственными организациями и энергетическими объединениями весьма по-разному. Более того, за последние годы эти прогнозы претерпели существенные изменения. Так, например, если еще 5-6 лет назад прогнозная мощность АЭС в США на 2000 год составляла около 1000 миллионов киловатт, то сейчас все чаще говорят о 300- 400 миллионах киловатт. Такое же нестабильное положение с развитием атомной энергетики в ФРГ и Австрии.

В то же время достаточно целеустремленно развивается атомная энергетика во Франции, в Японии.

Причины подобных ситуаций весьма различны: тут и общественное мнение, иногда спровоцированное конкурирующими энергетическими фирмами, и различные результаты, достигнутые в борьбе за обеспеченность тем или иным видом топлива (ядерным, органическим), и возможности машиностроительной промышленности.

Большую роль играет и общее удорожание энергии: падают темпы роста энергетики, нужно выбирать, какую область ее в первую очередь надо развивать. Электроэнергетику? Да, электричество наиболее качественный вид энергии, но оно и один из самых дорогих. А может быть, выгоднее получать энергию в виде тепла?

В разных странах поэтому пути и темпы развития атомной энергетики различны.

Мир без бензина

Атомные электростанции - это только первый этап развития атомной энергетики. Чтобы атомная энергия сыграла решающую роль в энергетике страны, недостаточно одних только АЭС. Всего 20 процентов добываемого у нас топлива тратится на производство электроэнергии. Значит, если атомные электростанции заменят половину всех электростанций страны, то за их счет можно будет сэкономить только около десятой части всего топлива, добываемого в СССР. Может быть, эта величина будет несколько большей, но ненамного. Действительно, доля электроэнергетики в общем энергетическом балансе страны постепенно растет, и, наверное, к концу века на выработку электроэнергии пойдет около 30 процентов всего топлива; следовательно, и потенциальная доля атомной энергетики несколько увеличится.

Но также ясно, что еще долго будут работать и строиться электростанции на угле Сибири, как и гидроэлектростанции на реках в различных районах страны.

Невыгодно пока строить АЭС для полупиковых и тем более пиковых нагрузок. Значит, нужно научиться преобразовывать атомную энергию не только в электричество, но и в другие виды энергии. В какие же именно?

Давайте вспомним, на какие нужды расходуется добываемое в стране топливо. Мы уже говорили, что только пятая часть его уходит на производство электроэнергии. Столько же потребляет автомобильный, авиационный, морской и речной транспорт. Примерно столько же расходуется на различные высокотемпературные технологические процессы в металлургии, химии, нефтехимии, производстве строительных материалов. Самая большая доля топлива - около 30-35 процентов - приходится на производство горячей воды и пара. Наконец, около пяти-шести процентов топлива используется в виде химического сырья.

Итак, баланс ясен. Каков же следующий плацдарм в энергетике, который должна занять атомная энергия?

При его выборе должно быть учтено, что наиболее эффективно атомная энергия может быть использована там, где заменит собой дорогостоящие, становящиеся все более дефицитными нефть и газ. Следующий шаг - вероятно, использование энергии атома в теплоснабжении. Атомная энергетика уже подготовлена к тому, чтобы обеспечивать теплом жилища и коммунальные предприятия. Казалось бы, к чему тут ей готовиться? Она производит уже сейчас горячую воду и пар гораздо более высоких параметров, чем это необходимо для теплофикации! Все это так. Однако горячую воду, а тем более пар невозможно передавать на большое расстояние, так как будут велики потери тепла и дорого будут стоить теплотрассы. Значит, атомный источник тепла должен находиться вблизи от потребителей, жилых массивов и коммунальных предприятий. Правда, требования к безопасности такой станции существенно возрастают.

Но директор отделения ядерных реакторов Института атомной энергии, автор монографии, посвященной безопасности АЭС, В. Сидоренко говорит, что уже разработан проект подобной атомной станции теплоснабжения (ACT), которая удовлетворит самым придирчивым требованиям. Она не причинит вреда окружающему населению даже в случае такой практически невозможной аварии, как разрыв корпуса реактора. Вторичная оболочка, охватывающая корпус, предотвратит выброс вредных веществ. Сейчас первые ACT сооружаются в Горьком и Воронеже. В дальнейшем возможно сооружение и АТЭЦ, то есть атомных энергетических установок, одновременно вырабатывающих и электроэнергию, и бытовое и коммунальное тепло.

Применение ядерных реакторов для теплофикации позволит решить одну из основных задач сегодняшней и тем более будущей энергетики - экономия и постепенная замена нефти и газа другими источниками энергии.

К сожалению, по ряду причин еще ограничены масштабы использования атомных реакторов, производящих горячую воду и пар. Они экономичны лишь при довольно большой мощности, не меньшей, чем 400-500 тысяч киловатт. А такую нагрузку не всегда удается им подобрать. Во многих районах страны потребители тепла слабо сконцентрированы, и к ним нужно тянуть очень длинные теплотрассы. При этом атомные установки становятся невыгодными, особенно когда дело касается снабжения потребителей паром, транспорт которого на большие расстояния и вовсе затруднителен.

Конечно, сейчас очень много районов с такой концентрацией тепловых нагрузок, при которых ACT эффективны. Но тем не менее важна и задача обеспечения теплом рассредоточенных потребителей, например сельскохозяйственных. Задачу обеспечения промышленных предприятий паром от атомных реакторов хотелось бы видеть решенной уже сейчас. Какие пути ведут к этому?

Связаны они с развитием высокотемпературной атомной энергетики. Многочисленные предприятия металлургической, химической промышленности нуждаются в тепле при температуре 500-1000 градусов. Производство восстановительных газов, используемых при получении железа из руды, преобразование природного газа в аммиак, производство удобрений и многие другие процессы могут быть проведены, только если ядерные реакторы начнут вырабатывать тепло при температуре около 1000 градусов. Проекты таких реакторов уже есть. Более того: один из зарубежных экспериментальных реакторов в течение ряда лет работал при температуре теплоносителя на выходе из активной зоны, равной 950 градусам. Вот краткая характеристика одного из таких опытно-промышленньпх реакторов, разрабатываемых сейчас в нашей стране.

В качестве теплоносителя в нем используется гелий, инертность которого обеспечивает работу различных его конструкций при довольно высокой температуре. Пожалуй, самое оригинальное в этом реакторе - это тепловыделяющие элементы - шарики из графита, внутри которых размещено ядерное топливо в виде двуокиси урана. Такое использование графита и урана позволило достичь высоких температур гелия. В активную зону реактора, выполненного в виде цилиндра из графита, засыпаются, словно горох в банку, сферические тепловыделяющие элементы. Там они раскаляются до 1200- 1300 градусов и разогревают гелий до 1000 градусов.

Затем перекачиваемый газодувками гелий направляется в теплообменники, где и отдает свое тепло технологическому процессу.

Применительно к проектируемому в СССР реактору химиками разрабатывается процесс паровой конверсии природного газа для производства из него водорода, а затем аммиака. На существующих обычных заводах для проведения этого процесса энергию получают, сжигая тот же природный газ. Ядерный же реактор позволяет сэкономить почти половину этого ценного сырья.

На химическом комбинате с ядерным реактором природный газ будет использоваться только как химическое сырье, но не как топливо.

Кстати, именно совмещение процесса паровой конверсии с ядерным реактором может решить проблему обеспечения теплом и паром рассредоточенных потребителей энергии. Вот суть этого способа. Соединяя метан и водяной" пар, с затратой, конечно, тепла от ядерного реактора, получим смесь водорода и окиси углерода. В охлажденном виде эта смесь передается по газопроводу к потребителю. На месте, на специальном катализаторе при температуре 400-600 градусов, проводится обратная реакция - соединение окиси углерода и водорода. При этой реакции выделяется энергия и восстанавливаются исходные вещества, то есть метан и вода. Затем цикл повторяется. Так тепло от реактора в химически связанном виде может быть передано на любое необходимое расстояние без потерь ценных продуктов.

Мы затронули лишь некоторые отрасли народного хозяйства, где в тех или иных масштабах может быть использована энергия атома. А как быть с транспортом?

Ведь исчерпайся сейчас нефть, и мир останется без бензина. Как в таком случае воспользоваться энергией атома?

Очевидно, поможет лишь удобный вторичный энергоноситель. Ведь и сейчас энергия органического топлива в большей мере используется не непосредственно, а через вторичный энергоноситель: горячую воду, пар, электричество. Когда нефть, а затем и газ постепенно начнут исчезать с энергетического рынка, по мнению многих специалистов, наиболее удобным вторичным энергоносителем окажется водород. Он весьма универсален и может использоваться как топливо в авиации, в наземном транспорте, на судах. Водород может служить восстановителем в металлургии и химическим сырьем во многих отраслях промышленности. Возможно, что будет признано эффективным использование этого легкого газа и в качестве топлива в электроэнергетике. Водород почти так же легко транспортировать по газопроводам, как и природный газ. По сравнению с ним он менее взрывоопасен и наиболее удобен с точки зрения экологии.

В общем, всем хорош водород, нужно только найти и разработать высокоэффективный способ его получения.

Конечно, сырьем останется вода, а источником энергии - ядерная энергия и уголь.

Сейчас для получения водорода пользуются электролизом. Однако этот способ далеко не самый эффективный. Судите сами: коэффициент полезного действия современного электролизера, в котором с помощью электроэнергии разлагается вода, 60-65 процентов. При производстве электроэнергии с эффективностью 40 процентов, общий коэффициент преобразования первичной энергии в водород не превысит 25 процентов. Конечно, это слишком дорогая цена за продукт, каким бы ни был он прекрасным энергоносителем. Нужны другие пути его получения. И они есть. Во-первых, усовершенствуется сам электролиз. Если этот процесс проводить при температуре примерно 1000 градусов в ячейках с твердым электролитом, то появляется возможность получать водород путем прямого использования тепла от высокотемпературного ядерного реактора. В этом случае полная общая эффективность электролизного метода преобразования ядерной энергии в водород может возрасти до 65-70 процентов, что уже приемлемо.

Во-вторых, в последние годы усиленно разрабатываются термохимические способы, при которых вода разлагается под действием тепла без использования электричества. При температуре ядерного источника энергии для разложения воды, равной, скажем, 1000 градусам, можно ожидать достаточно высокого коэффициента преобразования ядерной энергии в энергию водорода, равного 50-60 процентам.

На этом закончим нашу краткую экскурсию в будущее атомной энергетики. Атомная энергия, используемая сегодня лишь для получения электроэнергии, в будущем станет основным поставщиком тепла, пара, искусственного топлива для двигателей. Залог этого - практически не ограниченные ресурсы ядерного топлива и почти полная ее безвредность для окружающей природы и людей.

Через несколько десятилетий атомная энергия будет такой же обыденной, какой в наши дни является энергия гидроэлектростанций или теплоэлектростанций. Возможно, тогда люди с удивлением будут узнавать, что когда-то использовались неядерные источники энергии.

Имея в виду именно такую ситуацию, Отто Фриш, физик-теоретик из Кембриджа, написал шуточную статью о далеком будущем. Выдержками из нее я хотел бы закончить эту главу.

"Недавно найденный сразу в нескольких местах уголь (черные, окаменевшие остатки древних растений)

открывает интересные возможности для создания неядерной энергетики.

Возможность использования угля в энергетике связана с тем фактором, что он окисляется, причем создается высокая температура с выделением удельной энергии, близкой к 0,0000001 мегаватт-суток на грамм.

Это, конечно, очень мало, но запасы угля, по-видимому, велики.

Главным преимуществом угля следует считать его маленькую по сравнению с делящимися материалами критическую массу. Атомные электростанции, как известно, становятся неэкономичными при мощности ниже 50 мегаватт, а угольные электростанции могут оказаться вполне эффективными в маленьких населенных пунктах с ограниченными энергетическими потребностями.

Главная трудность заключается в создании самоподдерживающейся и контролируемой реакции окисления топливных элементов. Кинетика этой реакции значительно сложнее, чем кинетика ядерного деления, и изучена еще слабо. Правда, дифференциальное уравнение, приближенно описывающее этот процесс, уже получено, но решение его возможно лишь в простейших частных случаях. Поэтому корпус угольного реактора предлагается изготовить в виде цилиндра с перфорированными стенками. Через эти отверстия будут удаляться продукты горения. Необходимость закрывать цилиндр на концах торцовыми плитами создает трудную, хотя и разрешимую математическую задачу.

Изготовление тепловыделяющих элементов, по-видимому, обойдется дешевле, чем в случае ядерных реакторов, так как нет необходимости заключать горючее в оболочку, которая при этом даже нежелательна, поскольку затрудняет доступ кислорода.

Были рассчитаны различные типы решеток, и уже самая простая из них шютноупакованные сферы, - по-видимому, вполне удовлетворительна. Расчеты оптимального размера этих сфер и соответствующих допусков находятся сейчас в стадии завершения. Уголь легко обрабатывается, и изготовление таких сфер, очевидно, не представит серьезных трудностей.

Чистый кислород идеально подходит для окисления, но он дорог, и самым дешевым заменителем является воздух. Однако воздух на 78 процентов состоит из азота. Если даже часть азота прореагирует с углеродом, образуя ядовитый газ циан, то он будет источником серьезной опасности для здоровья обслуживающего персонала.

Выделение ядовитых газов из угольного реактора представляет серьезную угрозу. В их состав, помимо исключительно токсичных окиси углерода и двуокиси серы, входят некоторые канцерогенные соединения. Их выбрасывание непосредственно в атмосферу недопустимо, поскольку приведет к заражению воздуха в радиусе нескольких миль. Эти газы необходимо собирать в контейнеры и подвергать химической детоксификации.

При обращении как с газообразными, так и с твердыми продуктами реакции необходимо использовать стандартные методы дистанционного управления. После обеззараживания эти продукты лучше всего топить в море.

Существует возможность, хотя и весьма маловероятная, что подача окислителя выйдет из-под контроля.

Это приведет к расплавлению всего реактора и выделению огромного количества ядовитых газов. Последнее обстоятельство является главным аргументом против угля в пользу ядерных реакторов, которые за последние несколько тысяч лет доказали свою безопасность. Пройдут, возможно, десятилетия, прежде чем будут разработаны достаточно надежные методы управления угольными реакторами".

В этом шутливом рассказе хорошо показано, какую опасность может таить в себе привычная энергетика на органическом топливе. Велика ли она, эта опасность?

Об этом и пойдет дальше разговор.

В ПОИСКАХ ЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ

Слышу я

Природы голос,

Порывающийся крикнуть,

Как и с кем она боролась,

Чтоб из хаоса возникнуть?

Может, и не во имя

Обязательно нас с вами,

Но чтоб стали мы живыми

Мыслящими существами.

И твердит природы голос:

"В вашей власти, в вашей власти",

Чтобы все не раскололось

На бессмысленные части.

Л. Мартынов

Быстрое развитие энергетики ставит много глобальных проблем. Одну из них - не грозит ли человечеству энергетический голод - мы уже обсудили. Он невозможен уже потому, что на Земле достаточны запасы энергии. Атомная и термоядерная энергетика способна обеспечить ею человечество на многие тысячи лет.

Есть и другая проблема, которой мы коснулись в начале книги: можно ли допускать дальнейший рост энергетики? Получается парадокс! Сначала мы беспокоились о том, хватит ли топливных ресурсов для развития энергетики, а теперь волнуемся вроде бы о противоположном - можно ли вообще ее развивать. Но положение дел действительно таково, что нужно думать и о том и о другом. Взгляды различных специалистов на сам возрос "Энергия природа - человек" очень различны, а часто диаметрально противоположны.

"Римский клуб"

Возникшая в 1968 году упоминавшаяся нами в начале книги новая футурологическая частная, между прочим, международная организация, так называемый "Римский клуб", в своих докладах предупреждает; если не остановить рост производства или не упорядочить его, если не внести жесточайшую экономию энергии и всех других ресурсов и резко не сократить их массовое потребление, то, возможно, в самом начале третьего тысячелетия наступит гибель мировой цивилизации.

Последствия происходящей деградации планеты, заявляет председатель "Римского клуба" А. Печчеи, могут привести к окончательному исчезновению человека как вида. Времени для того, чтобы как-то исправить положение, продолжает он, практически нет. "Учитывая нынешние темпы развития, есть основания полагать, что не пройдет и десяти лет, как возможность некоторых мер, сегодня еще кажущихся реальными, исчезнет окончательно... Я хочу сказать, что мы не можем терять ни минуты".

Нужно заметить, что среди членов "Римского клуба"

и его докладчиков (сейчас докладов уже семь) немало известных и серьезных ученых. В материалах клуба, особенно в докладе "Энергия: обратный счет", было множество фактических данных по энергетике. Сделанные ими мрачные выводы основывались не на простых рассуждениях, а на результатах многочисленных расчетов, проведенных на вычислительных машинах. Для этого были созданы "глобальные математические модели развития общества", в которых были учтены экономика, промышленность, энергетика, ресурсы, демография, экология.

Сама попытка научного прогнозирования, как и накопленный материал, представляет значительную ценность. Однако выводы, сделанные докладчиками "Римского клуба", подвергаются серьезной и заслуживающей внимания критике многих ученых - энергетиков, экономистов, социологов, политологов. В нашу задачу не входит подробный анализ методов, предпосылок и всех выводов, предлагаемых "Римским клубом", так как эго увело бы нас в сторону. Обратимся к сути лишь энергетической проблемы.

Потенциальная опасность развития энергетики для природы и человека, или, если сказать мягче, отрицательные последствия ее развития, известна. Это недопустимое загрязнение атмосферы различными вредными газообразными веществами, аэрозолями, перегрев водоемов и рек, нарушение растительного покрова и ландшафта всей планеты. Более далекие, но и более глобальные изменения, обусловленные энергетикой, - это изменение климата в отдельных районах мира, общий перегрев земли, таяние ледников, подъем уровня воды в океанах. Последствия, существующие и проявляющиеся в разной мере уже в наше время, как видите, достаточно многочисленные и грозные. Но все же они только потенциальные, а не неизбежные, с ними можно бороться, их можно избежать, предотвратить. Как это сделать?

Мы уже говорили, что отказаться от масштабного применения энергии, уйти от эры развитой промышленности и сельского хозяйства к патриархальной жизни, пытаясь сохранить "естественное равновесие" природы, несомненно, худшее из всего, что можно придумать, ибо это приведет к физической гибели большей части человечества. Да и переход на неиндустриальные методы хозяйствования без масштабного применения энергии может закончиться еще большим оскудением природы.

Еще триста лет назад, когда людей на Земле было в 10 раз меньше, можно было выращивать растения, не заботясь об удобрении почвы. Сегодня это немыслимо.

Отказ от удобрений погубит не только пахотные земли, но и пастбища. А ирригация? Все перестанет плодоносить, если отказаться от нее.

Один из крупнейших современных натуралистов, В. Ульрих, директор зоопарка в Дрездене, рассказывает о тяжелых переживаниях индийского крестьянина.

В качестве топлива он использует сухой коровий навоз.

Этим нарушается естественный круговорот вещества:

травоядные животные потребляют растения, но люди не возвращают почве изъятые из нее вещества - их сжигают. При таком примитивном ведении хозяйства превращение громадных территорий в пустыню лишь вопрос времени. "Чертов круг", по выражению В. Ульриха, замкнулся. Где же выход? Он - в развитии энергетики и промышленности, производящей минеральные удобрения.

Несколько лет назад в экологической науке появился новый термин "дезертификация" - превращение земель в пустыни. Ежегодно она охватывает по разным причинам 50 тысяч квадратных километров. По утверждению большинства специалистов, главную ответственность за такое нарушение нормальных природных условий несет человек, ибо пустыни возникают из-за плохо контролируемой ирригации, а также нерационального использования пастбищ, слишком интенсивной обработки почвы и вырубки леса. Вот где скрывается зародыш дезертификации. Но есть много средств, способных ее предотвратить, и все они требуют применения энергии.

Серьезные проблемы возникают и с водообеспечением людей, земель, промышленности на юге европейской и азиатской частей нашей страны. Для их решения необходимо строительство могучих гидротехнических сооружений. И опять речь идет об энергии. Вот и чудится, что современный человек, подобно пассажирам мифологического судна, очутился между Сциллой и Харибдой.

Сможет ли атомная энергетика стать тем Одиссеем, который выведет человека в "чистые воды"? Пока атомная энергия - наилучший помощник человека, обещающий решение труднейших проблем, стоящих перед ним.

Рубикон энергетики

Каковы же пределы развития энергетики? Есть ли у нее свой Рубикон, который нельзя переходить?

Среди ее отрицательных последствий первым названо засорение воздушного бассейна. В атмосферу Земли ежегодно выбрасываются сотни миллионов тонн различных веществ. Вот сколько их: твердых веществ - 130 миллионов тонн; двуокиси серы - 180-200; окиси углерода - 350-400; окислов азота - 60-65; углеводородов - 80-90 миллионов тонн. Выходит, что вся наша атмосфера представляет собой аэрозоль, так как содержит массу взвешенных частиц.

Источники аэрозольных частиц, проникающих в атмосферу, разнообразны. Это и сажа от сжигания угля и мусора, и некоторые отходы черной металлургии.

В целом ежегодно воздух насыщается многими миллионами тонн различных веществ. Массу аэрозольных частиц поставляют химические предприятия в процессе превращения газов в твердые тела. Так, при образовании сульфатов из двуокиси серы в воздух за тот же срок уходят 150 миллионов тонн частиц. Всего из-за деятельности человека в год в атмосферу вносится 350- 400 миллионов тонн пыли. По сравнению с ее естественными источниками это еще не так много. Из-за различных природных процессов: землетрясений, деятельности вулканов, пыления почвы, попадания в атмосферу морской соли, пожаров и химических реакций - в атмосфере образуется в Ю раз больше пыли. Казалось бы, оснований для беспокойства пока еще нет. На самом деле оно имеет причины. Основные источники образования пыли расположены вблизи тех мест, где люди живут, отдыхают и работают. Там и повышена ее концентрация.

Исследователи установили, что в кубическом сантиметре парижского воздуха более 100 тысяч пылинок, а над Тихим океаном - всего 500. В две тысячи раз меньше! Это крайний случай. Тем не менее считается, что запыленность в сельской местности в среднем всего лишь в 10 раз меньше, чем в городе.

Энергетика является мощным источником ежегодного поступления в атмосферу 140-160 миллионов тонн очень вредного газа - двуокиси серы. Это следствие сжигания угля и нефти. Поступление двуокиси серы из природных источников эквивалентно 600 миллионам тонн. Значит, человеческая деятельность ответственна за четвертую часть серы, проникающей в биосферу.

Содержание в атмосфере окислов азота на 90 процентов определяется природными источниками. Но наибольшие возмущения в состав атмосферы вносит окись углерода, образующаяся в энергетических установках.

Основная часть этого вредного газа выделяется двигателями внутреннего сгорания. А это составляет около трех четвертых всего количества окиси углерода.

Вес атмосферы земного шара, состоящей в основном из азота и кислорода, равен 5 триллионам тонн (5*10^12 тонн). Поэтому поступление в нее всего каких-то сотен миллионов тонн в год различных газов, казалось бы, не может существенно изменить ее состав. И в самом деле, в результате различных физико-химических реакций, происходящих в атмосфере и при ее взаимодействии с поверхностью Земли и океанов, в ней поддерживается некоторая постоянная и небольшая концентрация вредных газов. Скажем, на миллиард частей воздуха приходится всего 1-4 части двуокиси азота или серы.

Но это только кажется, что данная величина маленькая.

В действительности она недалека от предельно допустимой для человека 30 частей серы на миллиард частей воздуха. Концентрация двуокиси серы в городах в среднем составляет уже около 15-20 частей, то есть в 20 раз больше средней по земному шару, что говорит о приближении к пределу допустимого. А во многих городах она, увы, еще выше. Так, в 1964 году в Чикаго она была уже равна 150 частям на миллиард, то есть в 5 раз превышала предельно допустимую.

Загрязнение атмосферы ведет к ухудшению здоровья, потере трудоспособности, гибели людей. Не всегда заметно, что причина заболеваний кроется в составе атмосферы. Но статистика и чрезвычайные ситуации рельефно отражают действительное положение дел. Вот одна из таких ситуаций. 5 декабря 1952 года перед взором жителей Лондона произошло нечто невероятное: солнце совершенно исчезло с небосвода. Необычайно плотный смог - смесь дыма, тумана и вредоносных газов - держался над английской столицей 3-4 дня. По официальным данным, за это время умерло более 4 тысяч человек. Английские специалисты определили, что воздух над столицей содержал несколько сот тонн дыма и двуокиси серы.

Автомобильный транспорт повышает концентрацию окиси углерода и азота до 10-20 частей на миллион частей воздуха. При определенных условиях под действием солнца в воздухе происходит длинная цепочка реакций и образуется фотохимический смог. Им в настоящее время "заражены" почти все крупные города многих зарубежных стран - Нью-Йорк, Чикаго, Бостон, Детройт, Милан. В Токио июльский смог 1970 года привел к отравлению 8 тысяч человек. Более 400 человек пострадало 24 мая 1974 года от отравления ядовитым смогом в Токио и прилегающих к нему районах. Там при наступлении жарких и безветренных дней уже несколько раз концентрация вредных для здоровья газов поднималась выше допустимых пределов. По токийскому радио и телевидению можно услышать такие сообщения:

"Внимание! Говорит токийский центр по контролю за загрязнением воздуха. Предупреждаем жителей квартала Кото, Эдогава и Котсусина. В воздухе повысилось количество вредных веществ. Внимание! Срочно прекратить школьные занятия на открытом воздухе, детей вернуть в классы. Как можно меньше находиться на улице. Пользуйтесь автомобилями только при крайней необходимости..." Только в 1972 году такие тревожные сообщения объявлялись 176 раз - смог угрожал жителям удушьем.

Население Советского Союза избавлено от смога; и все же есть еще города, в которых превышены предельно допустимые концентрации по некоторым газам.

Нужно сказать, что ситуация с двуокисью седы усложняется тем, что еще нет эффективных способов очистки лродуктов сгорания угля и нефти.

Увеличение содержания в воздухе серы вызывает не только заболевания и смертность, но и приводит к ряду других нежелательных последствий, таких, как повышенная коррозия металлических конструкций, приносящая миллиардные убытки, кислотность дождевой воды, замедляющая рост лесов и развитие культурных растений. Есть и менее печальные последствия. Ученые из Бирмингемского университета (Англия) заявили, например, что процент натуральных блондинок (наверное, и блондинов) с каждым годом снижается. Причина - увеличение в воздухе серы, которая вызывает потемнение волос.

Пожалуй, на этом примере стоит остановиться и сказать, что один Рубикон энергетика уже перешагнула или стоит на его берегу. Нельзя ей дать перейти его.

Среди отрицательных явлений, связанных с развитием энергетики, обращает на себя внимание повышение температуры окружающей среды. В первую очередь тепловые сбросы сказываются на температуре водоемов.

Нужно сказать, что воздействие энергетики (в общем случае всей промышленности) на природу изучено пока недостаточно. Незнание же, как известно, порождает полярные точки зрения на многие проблемы, по которым хотелось бы иметь более определенные суждения, Так, по поводу подогрева воды в водоемах одни специалисты говорят, что он вреден, и называют этот процесс тепловым загрязнением, вызывающим нарушение биологического равновесия. Но вот в конце сентября 1977 года в центре ядерных исследований Карлсруэ (ФРГ) собралось одно из самых представительных совещаний: свыше 100 специалистов из различных стран.

В конце концов они пришли к довольно неожиданному выводу, что нагревание вод не должно иметь вредных последствий, наоборот, одновременное, мол, повышение температуры и содержания кислорода в воде создает благоприятные условия для развития микроорганизмов, разлагающих вредные вещества.

Совещание в ядерном центре не было случайным. Дело в том, что атомные электростанции имеют более низкий КПД, чем электростанции на органическом топливе.

Это означает, что в АЭС для выработки одного и того же количества электроэнергии не только используется больше тепла, но и больше его сбрасывается в окружающую среду.

Вопреки выводам совещания в Карлсруэ многие специалисты считают, что, по-видимому, в некоторых случаях подогрев воды в водоемах вреден. В связи с этим конструкторы стремятся разрабатывать АЭС, потребляющие минимальное количество воды. Такие АЭС будут полезны и даже необходимы там, где вообще нет воды или ощущается ее большой недостаток. Так можно избежать повышения температуры водоемов.

В настоящее время неизбежно общее повышение и температуры атмосферы в местах нахождения электростанций, промышленных предприятий или крупных индустриальных районов. А это приводит к возникновению нежелательных воздушных потоков, изменению влажности воздуха и солнечной радиации - в общем, к изменению микроклимата. Правда, плотность искусственной энергии, обусловленной деятельностью человека, пока еще невелика: всего 0,02 ватта на квадратный метр поверхности Земли. Мощность же солнечного излучения почти в 10 тысяч раз больше. И конечно, такое искусственное энерговыделение не может вызвать возмущений атмосферы планеты. Но уже есть районы, где плотность искусственного энерговыделения существенно выше и вызывает опасение. Например, на территории Японии она равна 2 ваттам на квадратный метр поверхности, то есть почти один процент от солнечного, а в Рурском промышленном районе ФРГ она выше уже в 10 раз (20 процентов от солнечного). Ясно, что такие источники энергии могут серьезно влиять на микроклимат в прилегающих райрнах.

Метеорологи считают, что дальнейший рост искусственного энерговыделения в районах, подобных Руру, Бельгии, юго-востоку США, скажем, на один порядок может вызывать не только значительное изменение микроклимата, но и нарушения в генеральной циркуляции атмосферы всей планеты. Таков еще один рубеж для энергетики, при приближении к которому нужно задуматься, как же быть с климатом.

Очень широко, особенно в последние годы, обсуждается вопрос об общем перегреве Земли в результате деятельности человека. Часто пишущие об этой проблеме прибегают к чрезмерному упрощению. В результате появляются статьи под устрашающими заголовками:

"Энергетика - стоп!", "Время ледников приходит" или уже упоминавшаяся "Ожидается мезозой".

Действительно, расчеты, проведенные многочисленными учеными, показывают, что повышение доли искусственного тепла до 2-3 процентов от солнечного может вызвать изменение теплового баланса Земли и ее климата. Однако, как пишет академик Е. Федоров, доля искусственного тепла, равная 2-5 процентам, - это 30 - 75 единиц Q в год. Как мы видели ранее, такого уровня энергетика за счет известных сейчас источников энергии достигнет лишь через 200-500 лет. Но многие исследователи справедливо отмечают, что такое изменение теплового баланса в атмосфере Земли, какое вызывается при 2-5-процентной доле искусственных источников энергии, может возникнуть значительно раньше и произойдет оно за счет изменения прозрачности атмосферы.

Говорилось уже, что при сгорании органического топлива ежегодно в атмосферу поступает около 20 миллиардов тонн углекислого газа. Концентрация его в атмосфере возрастает со скоростью 9*10^-5 процента в год.

В 1960 году она равнялась 314 частям на миллион частей воздуха, а к 1980 году поднялась до 332. Такие концентрации углекислого газа не влияют на здоровье людей. Но хорошо известно и другое - он в атмосфере действует как стекло в парнике или оранжерее: пропуская солнечные лучи к поверхности Земли, он не выпускает обратно в космос "отраженное" тепловое инфракрасное излучение, имеющее другую длину волны. Этим и создается так называемый парниковый эффект, давший повод и основание многим говорить о перегреве Земли, таянии ледников и повышении уровня океанов.

На самом деле все не так просто. Действительно, многочисленные расчеты показывают, что, например, повышение концентрации углекислого газа вдвое, чего можно ожидать лет через 50, при неизменных других условиях в земной атмосфере может привести к повышению температуры на 1-3 градуса. С другой стороны, при запылении атмосферы за то же время ее температура может снизиться на те же 1-3 градуса. Кстати, на роль запыленности в тепловом балансе планеты также существуют различные точки зрения. Так, одни специалисты именно этим эффектом объясняют ледниковый период, вызванный попаданием Земли в плотное облако космической пыли. Другие считают, что влияние пыли на снижение температуры гораздо слабее, а ее отражательная способность меньше отражательной способности поверхности нашей планеты.

Пока за сорок лет, прошедшие с 1940 года, средняя температура нашей атмосферы не только не возросла, а, напротив, упала на полградуса.

Ответить на вопрос - до каких же пор можно развчвать энергетику, чтобы выделяемое антропогенное тепло не привело к общему разогреву атмосферы, сейчас нельзя. Называемые некоторыми специалистами 3- 5 процентов его от солнечной энергии, существующей на поверхности Земли, мало обоснованы. Однако их нельзя называть и безответственными. Ведь это первые оценки, скорее прикидки, и они полезны как предупреждающие о том, что над проблемой надо думать. Ведь 5 процентов - это 75 Q! Сравните: энергетика сейчас дает всего 0,3 Q. В связи с высказанным возникает и такой вопрос:

правомерно ли вообще утверждать, что поступление в атмосферу дополнительного антропогенного тепла обязательно приведет к общему равномерному потеплению атмосферы?

Нет, отвечает академик Е. Федоров.

"Отнюдь не следует считать, что поступление в атмосферу дополнительного антропогенного тепла обязательно приведет к общему равномерному потеплению атмосферы и соответственно таянию ледников, повышению уровня океанов и т. д. Конечные последствия могут быть иными". Кроме изменения баланса тепла, нужно учитывать множество других факторов, влияющих на температуру атмосферы: глобальные изменения циркуляции в атмосфере, облачности, течений в океане, распределение концентрации углекислого газа и т. п. Поэтому главная проблема, которая должна волновать человека,- это изменение климата Земли, а климат может меняться и частично уже меняется не только потому, что увеличивается количество тепла, вызванного деятельностью человека. Нарушение генеральной циркуляции атмосферы и другие явления, от которых может измениться климат, способны возникнуть и при нарушении мирового водного баланса. Например, при использова-нии для орошения большой части стока рек увеличится испарение воды на континентах и перераспределится энергетический баланс атмосферы. Играет роль и изменение отражательной способности больших участков земной поверхности при посадке на обширных площадях культурных растений или просто замене их вида.

Разнообразный род деятельности человека приводит, а в дальнейшем в еще большей степени будет приводить к изменению климата в различных районах Земли.

Именно это "непланируемое" изменение и вызывает наибольшую тревогу и опасность для людей.

Увеличение потоков тепла и солнечной радиации, уменьшение осадков в засушливых районах и обратная картина в местностях с достаточным количеством тепла и влаги могут привести к серьезным нарушениям в сельском хозяйстве. При изменении климата неизбежны перестройка жилищ, коммунального обеспечения, изменения характера производственной деятельности. Сам человек также достаточно чувствителен к перемене климатических условий.

Поскольку такое непреднамеренное воздействие на климат неизбежно, нужно научиться и планомерно изменять его в нужных направлениях. Задача чрезвычайно трудная, но небезнадежная.

Уже сделаны первые шаги в воздействии на развитие облачности и образование осадков. Рассеяние низких переохлажденных облаков и туманов, применение искусственной кристаллизации капель воды для предотвращения града используются уже в течение нескольких лет в СССР и ряде стран. Эксперименты по воздействию на ураганы проводятся сейчас учеными США. Есть достаточно и других способов воздействия на климат или предотвращения его изменения. О некоторых из них мы расскажем позже.

Конечно, такие разработки потребуют дополнительных, иногда значительных затрат материалов, труда и энергии. Но, обладая достаточным ее количеством, люди смогут справиться с нарушениями климата, происходящими в результате их жизнедеятельности. Нужно только, чтобы эта энергия была достаточно "чистой", не засоряющей землю химическими, аэрозольными и радиоактивными выбросами.

Чистая энергия

Если энергетика должна принять на себя основную долю ответственности за вызываемое ею нарушение теплового баланса водоемов, атмосферы, а в будущем и климата всей Земли и отдельных ее районов, то ответственность за химическое загрязнение атмосферы, за общее вредное воздействие на природу нужно возложить и на другие отрасли промышленности. Такое разделение вины необходимо не для того, чтобы ссылаться друг на друга, а чтобы решать эту проблему комплексно, принимая необходимые меры во всех звеньях народного хозяйства. Посильны ли эти меры для человека? Можно ли добиться чистоты атмосферы и как это сделать?

Сначала коснемся химического загрязнения. Основные его источники: сжигание угля и нефти на электростанциях, в котельных, в различных печах металлургической, химической промышленности и в двигателях внутреннего сгорания. Из защитных мер сейчас наиболее действенны установки на источниках загрязнения различных фильтров по улавливанию пыли и газов. С улавливанием пыли дело обстоит просто - есть относительно недорогие фильтры, позволяющие эффективно улавливать до 95-97 процентов этих частиц. Наблюдения последних лет показывают, что запыление атмосферы растет медленнее, чем развиваются энергетика и промышленность, медленнее, но все же растет. А при усовершенствовании фильтров, по-видимому, с этой проблемой справиться удастся легко, не особенно удорожая производство энергии.

Хуже обстоит дело с газами. Для улавливания многих из них еще не найдено удовлетворительных решений.

В принципе эта задача, конечно, решается, но практически она требует существенных затрат материальных ресурсов и опять-таки энергии.

При использовании в качестве топлива угля можно предварительно проводить его облагораживание - удалять примеси, порождающие выброс вредных газов. Другой путь - газификация угля или переработка его в синтетическое жидкое топливо, например метанол. Конечно, все это требует затраты энергии. Если ее получать, опять сжигая уголь, то снова неизбежны вредные выбросы.

Вот тут и может помочь атомная энергия. Количество этих выбросов существенно уменьшается, если при переработке угля в качестве источника тепла использовать именно ее. Кстати, в некоторых странах для газификации углей уже планируются и разрабатываются ядерные реакторы.

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания также приводит к постепенному уменьшению вредной загазованности воздуха. Однако это лишь полумеры, для транспорта нужно отыскивать и внедрять новые виды энергоносителей: электроаккумуляторы, водород. Использование в двигателях водорода резко понижает количество вредных выбросов из них, так как основной продукт при сжигании водорода в атмосфере - это вода. Но на добычу его также потребуется дополнительный расход энергии.

Итак, химическое загрязнение атмосферы можно предотвратить, только затратив дополнительное количество энергии. Выглядит это так, словно круг замкнулся:

чтобы уменьшить вредное воздействие энергетики, нужно затратить дополнительную энергию, а она сама является источником загрязнений.

На самом деле круг можно разорвать. Начну с того, что количество энергии, которую нужно затратить на уменьшение загрязнений, вызываемых энергетикой, относительно невелико. Кроме того, и это, пожалуй, главное, можно и нужно шире использовать более чистые виды энергоисточников. Какому же из них отдать предпочтение?

К сожалению, до сих пор такой обстоятельный сравнительный анализ еще не был сделан. Не потому, что им не считали нужным заняться, а потому, что провести его с учетом всех факторов чрезвычайно сложно. В чем эта сложность?

Приведу такой пример. Гидроэлектростанция, построенная на реке, безусловно, полезна: она вырабатывает электроэнергию и помогает регулировать сток рек.

В то же время ее появление наносит ущерб природе и в конечном счете человеку, ибо водохранилища ГЭС отнимают иногда большие луговые площади и пахотные земли. А это приводит к ухудшению обеспечения человека продуктами питания; часто погибает и большая часть рыбного населения; изменение водного режима отражается на климате. Можно назвать и другие факторы.

Чтобы оценить все здесь сказанное количественно, могут потребоваться годы. Только длительное наблюдение может помочь понять, в какую сторону и с какой скоростью будут развиваться те или иные явления.

Несмотря на сложность такого анализа, уже проведены первичные (их иногда называют поисковыми) исследования, учитывающие основные факторы, поддающиеся количественной оценке.

В одной из таких оценок, сделанной зарубежными специалистами, в качестве критерия сравнения было выбрано количество потерянных человеко-дней, приходящихся на выработанную единицу энергии.

Мы уже говорили, что практически любой вид деятельности человека наряду с пользой приносит и ущерб его здоровью, его трудоспособности. Электростанция, работающая на угольном топливе, безусловно, нужна и полезна. Но на каждый выработанный ею киловатт-час приходится большое количество выброшенных пыли и вредных газов, загрязняющих атмосферу, ухудшающих самочувствие человека, уменьшающих его трудоспособность, сокращающих срок его жизни. Все это и приводит к потере дней, которые могли бы быть отданы трудовой деятельности. Удобно выражать эти потери в человеко-днях. Для общества в целом важна именно эта характеристика.

Приведем сравнительные оценки, сделанные для нескольких видов энергоисточников. Если потери человеко-дней на единицу выработанной электроэнергии для электростанции, использующей в качестве топлива природный газ, принять за единицу, то для других они будут такими: для атомной электростанции-1; для электростанции на угле - 200-300; для электростанции на солнечной энергии - 2000-3000; для электростанции на энергии ветра - 3000.

Другие специалисты получают иные по сравнению с приведенными величины, иногда отличающиеся в 2- 5 раз. Поэтому хотелось бы еще раз сказать, что это первые приближенные оценки, которые никоим образом нельзя абсолютизировать. Безусловно, последующее уточнение методики расчета, более глубокий и широкий анализ приведут к изменению этих данных. Но ясно, что атомные электростанции с полным основанием могут претендовать на роль самого чистого источника энергии.

теперь некоторые разъяснения, поражает полученная величина вредности солнечной электростанции. Она в тысячи раз больше вредности станции на ядерном топливе, хотя на первый взгляд должна быть самой безвредной. Но только на первый.

Плотность солнечной энергии мала. Чтобы на солнечной электростанции выработать единицу энергии, нужно разместить на поверхности Земли большое количество приемных преобразующих устройств. Для их изготовления необходимо определенное количество различных металлических и неметаллических материалов.

А при работе шахт, рудников, химических, металлургических и других заводов, производящих и обрабатывающих эти материалы, в атмосферу будет выброшено немало вредных веществ. Значит, в конечном счете выработка электроэнергии на солнечной электростанции также оказывает вредное воздействие на человека.

В этом смысле не являются исключением и электростанции, использующие энергию ветра или океана. А вот в угольных электростанциях почти весь вредный эффект вызван их собственными выбросами.

Проведенное сравнение позволяет сделать два важных вывода. Во-первых, атомная энергетика наиболее чистая и безвредная среди перспективных масштабных источников энергии - угольных, солнечных, внутриядерных; во-вторых, даже при самом интенсивном развитии атомной энергетики нельзя обеспечить чистоту атмосферы, вод и поверхности Земли, если не будут разработаны меры по очистке сбросных газов и других видов отходов в остальных отраслях народного хозяйства.

Их необходимо предусмотреть на всех предприятиях.

Ведь ныне, учитывая все достижения технологии, в среднем 95-98 процентов исходного сырья у ходит в отходы, которые засоряют, захламляют местность, окружающую предприятия. Необходимо внедрить такой порядок, согласно которому все отходы одних предприятий стали бы полноценным сырьем для других. Только таким путем может быть восстановлен нормальный кругооборот веществ. Главная задача специалистов-технологов - создать технологические схемы и процессы, способные хорошо вписываться в кругооборот веществ, установившийся в биосфере.

Конечно, нельзя утверждать, что совершенствования производств полностью устранят воздействие на природную среду, как и доказывать, что изменение природной среды, ее отход от "естественного состояния" - обязательно ее ухудшение. Стоит привести слова, сказанные по этому поводу Д. Арманд: "На природу можно воздействовать так, что все вносимые в нее частные изменения приведут только к ее обогащению. Но для этого надо прекрасно знать ее механизм".

Мы уже не раз говорили, что дальнейшее развитие энергетики может приводить ко все большим неуправляемым изменениям в климате планеты. Все это так, но, используя различные методы управления стоками и источниками тепла, человек может благотворно воздействовать и на климат. Наверное, в будущем появится возможность размещать крупные ядерные источники энергии с учетом их влияния на циркуляцию в атмосфере.

Тепловой баланс планеты можно изменять, регулируя облачность. Реальным способом изменения климата является изменение отражающей способности поверхности Земли. Так, посадка некоторых видов растительности в тундре может сильно "поправить" тепловой баланс.

Сброс тепла в морские течения с преобразованием их траекторий - еще одно мощное средство управления потоками тепла. В принципе допускается внесение специальных веществ в верхние слои или создание затемняюще-отражающих слоев различного состава над земной атмосферой. Принципиально возможен еще один способ воздействия на потоки теплового излучения.

В атмосфере Земли для излучения с длиной волны от 8 до 13 микрон существует "окно". Такое излучение свободно проходит сквозь атмосферу и находящиеся в ней пары воды и углекислый газ. Можно подобрать такие материалы для труб, с помощью которых на электростанциях будет отводиться низкопотенциальное тепло, что длина волны этого тепла будет лежать как раз в "окне" атмосферы и оно свободно может уходить в космическое пространство.

Короче говоря, существует много способов управления потоками тепла, а значит, и климатом планеты. Бесспорно, такие способы потребуют больших затрат энергии. Но не нужно забывать, что нужда в них появится именно тогда, когда человек будет оперировать очень большими количествами энергии. Нельзя говорить о проблемах, связанных с изменением климата, при масштабном изменении энергетики в будущем и в то же время судить о возможностях целенаправленного воздействия на климат, исходя из возможностей энергетики сегодняшнего дня.

СКОРО ЛИ 2000 ГОД?

Не правда ли, вопрос в заглавии звучит почти риторически? И все же на него можно ответить по-разному: "через полтора десятка лет", "скоро", "не скоро".

Так скоро или не скоро? Психологи говорят, что люди ответят на вопрос этот неодинаково. Если у человека нет активного отношения к будущему, оно будет "очень не скоро". Это утверждение многократно проверено экспериментально.

Интересны в связи с этим результаты опросов, проведенных одним из сотрудников Международного института исследований проблем мира в Осло. Анализ ответов на вопрос "Далеким или близким кажется вам 2000 год?" показал, что для представителей социалистических и развивающихся стран он ближе, чем для представителей развитых капиталистических стран.

Активное отношение к будущему, борьба за осуществление идеалов общества приближает "далекое завтра". Человек с таким мировоззрением, несмотря на трезвое понимание того, что, может быть, еще десятилетия отделяют его от намеченной цели, от будущего, уверен, что оно наступит "скоро".

Перестройка энергетики, которая началась сейчас, в ближайшие 15-20 лет должна сделать главные шаги, и 2000 год - один из важнейших рубежей. Начальные этапы перестройки определены Энергетической программой СССР, о которой и пойдет разговор.

Сначала давайте отступим на несколько десятилетий назад, в 1920 год, и оттуда посмотрим на принятую Энергетическую программу СССР. Что же произошло в том далеком 1920 году? Была принята историческая программа ГОЭЛРО (Государственная комиссия по электроэнергии России) - вторая программа партии, как назвал ее Владимир Ильич Ленин. Интересно, как создавалась эта программа, какой она была?

В феврале 1920 года на Мясницкой улице, 24, в квартире 98 состоялось первое заседание мозгового центра комиссии. (Да, да! Именно в квартире размещался электроотдел ВСНХ. Сейчас в этом здании на улице Кирова редакция журнала "Наука и жизнь". Будете проходить мимо - взгляните: на здании мемориальная доска в память о плане ГОЭЛРО.) У только что разгоревшейся печки-времянки девятнадцать человек.

- Ну что? Кажется, нашей комиссии удалось расшуровать первую топку?.. произнес, улыбаясь, председатель комиссии Глеб Максимилианович Кржижановский, обладатель множества титулов: вице-президент АН СССР, председатель Госплана СССР, один из организаторов Петербургского "Союза борьбы за освобождение рабочего класса". Вокруг него единомышленники: М. Шателен, Л. Рамзин, Г. Графтио, К. Круг, Б. Угрюмов.

Всего в работе комиссии принимало участие около 200 крупных специалистов. По инициативе В. И. Ленина план ГОЭЛРО был доложен Всероссийскому съезду Советов. Три часа рассказывал Г. Кржижановский делегатам, собравшимся в Большом театре, о перспективах развития энергетики в России.

За 10-15 лет намечалось построить 30 электростанций (20 тепловых и 10 гидростанций) общей мощностью 1,5 миллиона киловатт. Тогда в Москве находился известный английский писатель-фантаст Герберт Уэллс.

Он так и не смог поверить в этот план и назвал В. И. Ленина "кремлевским мечтателем".

План ГОЭЛРО был выполнен досрочно. Уже в 1931 году мощность электростанций составила 2 миллиона киловатт против 170 тысяч киловатт, которыми обладала довоенная Россия. А в 1933 году мощность всех электростанций приблизилась к 4 миллионам киловатт!

Прошло 63 года. Стране понадобилась долгосрочная программа перевооружения энергетики, в которой были бы отражены перспектива и направления перевооружения энергетики. Такая программа была разработана и принята нашей партией и правительством в 1983 году.

Называется она "Энергетическая программа СССР".

Если над программой ГОЭЛРО трудились десятки специалистов, то Энергетическую программу создавали десятки исследовательских, конструкторских, проектных институтов ряда отраслей и Академии наук СССР.

Основные положения программы были оглашены в сентябре 1983 года, на 12-м Мировом энергетическом конгрессе в Индии министром энергетики и электрификации П. Непорожним. Его речь слушали с большим вниманием делегаты конгресса. "Топливно-энергетический комплекс СССР, - говорил он, - производит 20 процентов мировых энергоресурсов. Мы единственная большая индустриальная держава в мире, которая обеспечивает себя топливом и энергией из собственных источников".

Начало осуществления Энергетической программы - одиннадцатая пятилетка. За это пятилетие должно быть выработано 1550-1600 миллиардов киловатт-часов электроэнергии, причем 220-250 из них - за счет атомных электростанций, энерговыработка которых в электроэнергетике составит 15 процентов, а в европейской части страны даже 20 процентов.

Первый этап развития ядерной энергетики предусматривает создание атомных электростанций общей мощностью до 100 миллионов киловатт. А мощность каждой из них 5-7 миллионов киловатт. Вспомните:

по плану ГОЭЛРО средняя мощность электростанции составляла всего 50 тысяч киловатт, то есть в 100 paз меньше.

К 1990 году будет построена первая атомная теплоэлектроцентраль, производящая, кроме электроэнергии, еще и тепло. Близится к концу строительство атомных станций теплоснабжения под Воронежем и Горьким.

Дальнейшее развитие получат атомные электростанции с реакторами на быстрых нейтронах. Совсем недавно на Белоярской атомной станции сооружен энергоблок с реактором на быстрых нейтронах электрической мощностью 600 тысяч киловатт, разработаны проекты АЭС с такими реакторами мощностью 800 и 1600 тысяч киловатт. Это прототипы будущих серийных АЭС.

Программой планируется развитие трех гигантских топливно-энергетических комплексов.

Первый из них - Экибастуз. В изданной в начале века "Настольной и дорожной книге" для путешествующих говорится: "Плавание по Иртышу от Омска до Семипалатинска не обещает ничего интересного.

На расстоянии тысячи километров здесь расположен всего один небольшой уездный город и два десятка незначительных селений".

Это один взгляд на район Экибастузского и Майкубенского бассейнов, открытых в 1867 году.

А вот второй. В одном из разделов плана ГОЭЛРО, "Электростанции Западной Сибири", есть такие строки:

"Из других месторождений наибольшее значение имеют экибастузские копи вблизи Павлодара". Уже в 1922 году, после ухода колчаковцев, ВСНХ выделил специальные средства на восстановительные работы экибастузских копей.

И наконец, наше время. Этот промышленный район вырабатывает до 50 процентов электроэнергии Казахстана. Запасы энергетических углей в этом районе - около 14 миллиардов тонн. Крупнейший в мире угольный разрез "Богатырь" дает до 50 миллионов тонн угля в год! Воистину богатырь - ведь это около одной тридцатой доли всего угля, добываемого в стране.

Разрез "Богатырь" велик и по размерам: длина его около шести километров, ширина - почти два, глубина - 220 метров. Такая большая глубина карьеров ставит перед специалистами множество новых задач.

Например, как бороться с туманами, как проветривать карьеры, как не допускать оползней и т. д.

Для карьеров-гигантов требуется и соответствующая техника. Здесь работает более 100 экскаваторов с ковшами "до 100 кубических метров и впервые в мире в больших масштабах применяются роторные экскаваторы, использовавшиеся ранее только на мягких породах.

Ведется сооружение ряда других разрезов, в частности разреза "Восточный", где впервые в карьерных условиях для транспортировки угля будут применяться конвейерные системы.

В перспективе в Экибастузе ежегодная добыча угля будет доведена до 150 миллионов тонн, себестоимость будет всего несколько рублей за тонну, то есть самая низкая в стране.

Как будто бы все отлично. К чему ни прикоснешься - впервые в мире, на что ни посмотришь - самое дешевое.

Но есть и трудности. Основная - не очень хорошее качество самих углей. Если учесть их высокую зольность, то окажется, что возить их в большом количесгве в дальние края вовсе не выгодно. Как же поступить?

Нужно максимально использовать их на месте. Намечено построить теплоэлектростанции мощностью до 20 миллионов киловатт. А как передать такую энергию в центр европейской части СССР на расстояние почти 2500 километров?

И опять -- впервые в мире. Более 40 миллиардов киловатт-часов электроэнергии ежегодно будет передаваться по линии постоянного тока напряжением 1500 тысяч вольт. Такая линия электропередачи не имеет аналогов в мировой практике.

Все поражает в Экибастузе - и новые решения, и темпы, и масштабы.

Красноярский край. Крупнейшее месторождение угля в мире, открытое русскими инженерами в период изыскания Транссибирской железнодорожной магистрали. Геологические запасы здесь - 400 миллиардов тонн. Промышленные - 100 миллиардов. Более двадцати крупных месторождений располагаются по обе стороны железной дороги: Ирша-Бородинское, Итатское, Березовское, Назаровское. Их общее название Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс.

Аббревиатура - КАТЭК.

В последние годы об этом районе говорили не только в научных, проектных институтах, но и в министерствах, плановых органах, на страницах газет. Теперь о КАТЭКе можно прочесть в Энергетической программе.

Чем же он знаменит?

О масштабах мы уже говорили. Теперь о характере месторождений. Угли залегают неглубоко - всего несколько десятков метров пустой породы расположено над угольными слоями толщиной от 10 до 60 метров.

Чтобы добыть его открытым способом, нужно удалить эту породу. При этом может быть использована мощная экскаваторная техника производительностью 5-10 тысяч кубических метров в час. Но и в этом случае остается открытым такой важный вопрос: сколько этой бесполезной породы нужно убрать, чтобы добыть одну тонну топлива?

Эту величину называют коэффициентом вскрыши.

Для канско-ачинского месторождения она составляет от 1 до 3 кубических метров. Если отнести объем породы не просто к тонне угля, а к тонне условного топлива, то есть учесть калорийность угля, то получим результате 2 раза больший. (Ведь калорийность канско-ачинского угля мала: всего 3200-3800 килокалорий на килограмм.) Теперь сравните - в ФРГ сейчас считается рентабельной добыча при коэффициенте вскрыши до 50 кубических метров на тонну условного топлива, то есть в 10-25 раз больше, чем на КАТЭКе. Отсюда видно, как дешев этот уголь - как и в Экибастузе.

Вот некоторые числа. В количестве, эквивалентном тонне условного топлива, природный газ в центре европейской части страны стоит 25-35 рублей, нефть дороже в полтора раза, а канско-ачинский уголь на месте добычи стоит 3-4 рубля.

Но транспортировка газа и транспортировка угля в европейскую часть страны стоят очень дорого: для газа это больше половины его стоимости, а перевозка угля может в несколько раз превышать скорость его добычи. Канско-ачинские угли перевозить вообще почти невозможно: они сыпучие, очень влажные и предрасположены к самовозгоранию. Правда, разрабатывается метод транспортировки в трубопроводе водо-угольной суспензии. Есть предложение использовать вместо воды метанол - искусственное жидкое топливо, которое можно получать из угля. Однако еще необходимо исследовать и решить множество технических проблем, поскольку опыта транспортировки угля таким способом на дальние расстояния еще нет.

Кроме того, перевозить в европейскую часть гораздо выгоднее высококалорийные угли Кузнецкого бассейна, развитие которого также должно начаться в ближайшие годы. Неочевидны и экономические преимущества. Пока лучше не транспортировать уголь, а сжигать его на месте в теплоэлектростанциях и электроэнергию передавать потребителям.

На базе Канско-Ачинского бассейна можно построить тепловые электростанции мощностью 80-100 миллионов киловатт. Строительство первой из них - Березовской - мощностью 6,4 миллиона киловатт уже ведется. Такой комплекс станций не идет ни в какое сравнение с тем, что есть и планируется в других странах.

Стоит вспомнить, что, например, гордость американцев - знаменитый комплекс "Теннесси" - состоит из 31 станции суммарной мощностью всего лишь 13 миллионов киловатт.

На втором этапе в бассейне будет начато строительство первых промышленных предприятий по переработке углей и производству из них синтетических жидких топлив. При переработке можно получать высококалорийные твердые и жидкие продукты, такие, как термоуголь, коксик, топочное масло.

Различные способы переработки угля широко применялись в мире во время второй мировой войны. Затем в связи с бурным ростом добычи дешевых нефти и газа производство жидких топлив из угля было прекращено и технология его переработки не совершенствовалась долгие годы. Сейчас должна быть создана новая, более совершенная технология. Около 150 научных и конструкторских организаций СССР работают над этой проблемой.

Мы ознакомились, конечно в самых общих чертах, с двумя топливно-энергетическими комплексами.

Рассказ будет неполным, если ничего не будет сказано о третьем крупнейшем комплексе страны - Западно-Сибирском, или Тюменском, производящем нефть и газ. Хотя запасы нефти здесь достаточны, наращивать ее добычу в значительных объемах, как это было раньше, невыгодно, нецелесообразно как минимум по двум причинам.

Во-первых, мы обязаны заботиться о потомках, думать о перспективе, о том, чтобы сохранить запасы нефти для использования ее в качестве сырья для химической промышленности.

Во-вторых, производство эквивалентного по энергосодержанию газа обходится минимум в 2 раза дешевле.

Поэтому первостепенное значение в нашей стране придается форсированному развитию газовой промышленности. С использованием газа в нашей стране производится 96 процентов стали, 92 процента минеральных удобрений, 61 процент цемента. В быту газом пользуется 200 миллионов людей. Перевод котельных с твердого топлива и мазута на газ позволит сделать небо чистым над сотнями наших городов.

Чтобы обеспечить опережающее развитие газовой промышленности, предусмотренное Энергетической программой, в одиннадцатой пятилетке должно быть построено 44 тысячи километров газовых магистралей.

С севера Тюменской области в центр страны протянется шесть газопроводов. Четыре из них уже построены, в том числе известный всей стране и за рубежом газопровод Уренгой - Помары - Ужгород длиной почти 4,5 тысячи километров. Он был построен за год - почти втрое быстрее нормативного срока. В сходных климатических условиях американские фирмы смогли построить трансаляскинский нефтепровод длиной всего 1280 километров только за три года.

Прокладка таких газовых магистралей довольно дорогостоящее дело. На сооружение газопровода длиной в тысячу километров расходуется полмиллиона тонн металла, 1,5 миллиона тонн железобетона, и стоит такая линия свыше миллиарда рублей.

Запасы газа в месторождениях Западной Сибири достаточны. Энергетической программой планируется дальнейшее увеличение добычи и транспорта газа. Каким же путем идти?

Во-первых, можно многократно увеличивать количество газопроводов. Но мы видели, чего это стоит.

Есть и другой путь - повышение производительности газовой магистрали простым увеличением диаметра труб. Однако опыт и расчеты убеждают, что пока увеличивать диаметр нецелесообразно, так как это потребовало бы перевооружения практически всей строительно-монтажной техники.

Но есть еще третий путь - увеличение давления газа и понижение его температуры в магистрали. При повышении давления до 120 атмосфер (сейчас 75) и обеспечении температуры в 20 градусов Цельсия по газопроводу того же диаметра будет перекачано примерно в два раза больше газа. По-видимому, этот путь и станет основным.

Специальный раздел Энергетической программы посвящен возобновляемым источникам энергии. К концу века за счет нетрадиционных источников: солнечной, геотермальной, ветровой, приливной энергии - годовое производство таких энергоресурсов будет эквивалентно 20-40 миллионам тонн условного топлива.

Однако, как и прежде, из возобновляемых источников энергии наибольшее развитие получат гидростанции. Ведь резервы гидроэнергии в нашей стране еще велики: пока использовано только 20-30 процентов потенциальных гидроресурсов. Основная их часть находится на востоке нашей страны. Сейчас строятся и намечены к строительству Саяно-Шушенская, Рогунская на Вахше, Богучанская на Ангаре и одна из крупнейших гидроэлектростанций Средне-Енисейская, мощностью 6,6 миллиона киловатт.

Интересно, что многие идеи об использовании энергии рек и места, где сейчас строятся ГЭС, обсуждались еще при создании плана ГОЭЛРО. Скажем, геологические изыскания для Днепрогэса велись в то время в условиях непрерывных набегов петлюровцев, махновцев, белогвардейцев. Или вот строка из протокола заседания комиссии по ГОЭЛРО: "...заслушан докладе водных силах Ангары - участок реки выше Братского имеет все данные для развития".

Глеб Максимилианович Кржижановский вспоминал свою последнюю в Сибири встречу с Ильичем. Морозной ночью они шли по берегу Енисея, и Ильич мечтал вслух: "...под глухим льдом не сдается, протестует, борется, кипит... Эта силища будет использована. Люди научатся превращать ее в движение, свет, тепло. Какая полная, умная и смелая жизнь осветит со временем эти берега!"

Пожалуй, трудно найти другой район нашей страны, где преобразующая сила ленинских идей была бы видна так отчетливо, как в Шушенском. Этот когда-то забытый богом и людьми уголок, куда царское правительство ссылало "особо опасных политических преступников", стал" крупнейшим транспортным узлом, откуда расходятся дороги в глубь Сибири и Средней Азии, здесь центр промышленно-индустриального Саянского комплекса.

И как осуществление мечты Ильича стоит ныне на берегу Енисея, недалеко от Шушенского, Саяно-Шушенская ГЭС! Бронзой на скалах строители вывели: "Мечте Ильича сбыться!"

Шестьдесят пять лет отделяют нас от тех времен, когда создавался план ГОЭЛРО. И конечно, неудивительна разница между Энергетической программой и ГОЭЛРО. Во-первых, отличия в масштабах, которые очевидны. Кроме того, в плане ГОЭЛРО практически не рассматривается такое топливо, как газ, нет там, естественно, и атомной энергии, зато большое внимание уделяется торфу. Не охватывает план ГОЭЛРО, например, Западную Сибирь - в то время там были колчаковцы. Есть и много других отличий. Об одном из них стоит поговорить подробнее.

Сегодня ни одно достаточно масштабное энергетическое предприятие не проектируется без оценки его экологического воздействия и мер, сводящих это воздействие до допустимого минимума.

Во времена ГОЭЛРО такие меры не были столь важны, как сейчас. А кроме того, в те годы восстановления хозяйства после гражданской войны (а в дальнейшем и после Великой Отечественной) решались первоочередные проблемы удовлетворения жизненно важных потребностей людей. Природоохраняемые меры предусматривались и тогда, но масштабы их были ограниченны. Да и объемы производства, а значит, и нагрузка на природу, были гораздо меньшими, чем теперь.

Правда, и сейчас производительные силы природы сильнее производительных сил человека. 300 миллиардов тонн (в сухом виде) живого вещества планеты активнейших катализаторов, согласованных химических реакций - пока еще выполняют большую геохимическую и энергетическую работу, чем ее способно выполнить человечество. Но со временем силы человека становятся соизмеримыми с силами природы, ион уже сейчас способен нарушить согласованность реакций в биосфере.

Поэтому теперь в Энергетической программе придается большое значение мероприятиям, снижающим нагрузку на природу.

Подведем итоги. Сейчас и в ближайшие десятилетия дальнейшее развитие промышленности, движение по пути прогресса требуют проведения серьезной перестройки энергетической базы общества. Нужно освоить массу новых технологических процессов, внедрить новые методы газификации угля. Предстоит разработать и .построить ядерные реакторы новых типов, вырабатывающих горячую воду и пар для коммунальных, бытовых и промышленных нужд, производящих высокотемпературное тепло для химической, нефтехимической, металлургической, нефтяной промышленности. Должны быть созданы ядерные реакторы с соответствующими химическими или электрохимическими установками для получения из воды водорода. При широкомасштабном производстве водорода или каких-либо синтетических топлив потребуются разработка и создание систем их транспортировки, хранения и распределения.

Нужно сказать, что человечество не в первый раз должно перестраивать свою энергетическую базу. Когда Древний Рим столкнулся с нехваткой мускульной силы рабов, возник первый "энергетический кризис" в истории человечества. Но оно не вернулось в пещеры. Вместо этого люди стали использовать энергию воды.

Со временем в ряде стран были созданы паровые машины, работающие на дровах. Однако вскоре запасы дров в этих странах были исчерпаны и возник новый "энергетический кризис". И все же, несмотря на все предсказания конца света (они делались и в то время), общество не пришло в упадок. Люди стали добывать уголь. Впоследствии к углю прибавились нефть и газ.

И вот уже в наше время, несмотря на уголь, нефть, газ и уран, энергетика опять становится в обществе проблемой № 1.

Для ее перестройки нужно сделать очень многое.

Разработка и освоение перечисленных выше технологий и источников энергии потребуют громадных затрат. Посильны ли они человеку?

Приведу один пример. По оценкам некоторых специалистов США, на разработку и освоение новых методов газификации углей, устройств для преобразования солнечной энергии, новых типов ядерных реакторов и некоторых других технологий, входящих в их энергетическую программу, необходимо от 50 до 100 миллиардов долларов. Много ли это? Конечно, много. Реально ли , выполнение задуманного? Безусловно. Ведь только за один год американцы тратят на военные нужды около 150 миллиардов долларов.

Значит, у человечества есть возможности для успешного развития энергетики! Нужно сказать, что перестройка энергетики и дальнейшее ее масштабное развитие с одновременным обеспечением экологических требований должны осуществляться при тесном международном сотрудничестве. Чем далее, тем более это требование будет обязательным. Только скоординированными усилиями можно развивать энергетику и вообще крупномасштабную промышленность, сохраняя при этом чистоту атмосферы Земли и благоприятный климат.

Задачи эти хотя и громадные, но осуществимы при условии, что направлять свои усилия человечество будет именно на защиту жизни. Трудно определить сейчас, сколько на это потребуется времени, можно лишь сохранять уверенность, что люди смогут решить стоящие перед ними проблемы и будут смело идти по пути научно-технического прогресса.