Чтение онлайн

Будем считать, что в 2000 г. человечество израсходует только органического топлива 20 млрд, т у.т. Мы, вероятно, скорее завысили, нем занизили, эту цифру. Считая эту цифру стабильной на последующий за 2000 г. период, получим, что человечеству хватит органического топлива на

5·1012/20·109 = 250 лет.

Конечно, по многим причинам, и прежде всего потому, что очень трудно (и, скорее всего, невозможно) представить себе, как будет выглядеть техника после 2000 г. (вспомним, что в 1940 г. никто не представлял себе возможности освобождения и использования ядерной энергии, создания ЭВМ с огромным быстродействием или создания и использования лазерного луча), приведенные расчеты являются сугубо ориентировочными.

Коротко о ресурсах ядерного топлива. Поскольку торий не нашел пока практического применения в ядерной энергетике, мы будем говорить только о ресурсах урана, хотя многие специалисты считают, что тория на Земле гораздо больше.

Уран широко распространен на Земле. Но концентрация, в которой он встречается в граните и других породах, а также в морской воде, очень невелика. Чем меньше содержание добываемою вещества в руде, тем, конечно, дороже получать это вещество. Поэтому, рассматривая вопрос о ресурсах урана, обычно выбирают допустимую цену за 1 кг природного металлического урана, имеющего обычный состав 235U 0,7 % и 238U 99,3 %. Расчеты (также, конечно, весьма ориентировочные) показывают: если используются АЭС с реакторами на тепловых нейтронах, то по энергетическому эквиваленту запасы приемлемого по затратам на добычу урана приблизительно равны запасам всех видов органического топлива, вместе взятых. Если же используются реакторы на быстрых нейтронах, то запасы урана можно считать практически неограниченными.

Так обстоит дело с перспективными извлекаемыми органическими и ядерными энергетическими ресурсами.

Однако экономия энергоресурсов и электрической энергии является вопросом первостепенной важности. Следует помнить, что двигатели морских и речных судов, автомобилей, тепловозов и самолетов пока что не могут обойтись без жидкого моторного топлива (бензина, керосина, дизельного и газотурбинного топлива), которое является продуктом переработки нефти. Меры по экономии топлива в первую очередь относятся к природному газу и особенно нефти. За последнее время все более близким к экономически приемлемому решению как будто бы становится вопрос получения жидких моторных топлив из угля.

Об энергетике, ее сегодняшнем дне и дне завтрашнем, можно было бы сказать еще очень много, в частности о линиях электропередачи на переменном и постоянном токе, о вопросах экологии, связанных с энергетикой, об использовании восполняемых источников энергии, к которым, кроме энергии рек, относятся солнечная и геотермальная энергия, энергия ветра, морских волн и морских приливов. Можно было бы также рассказать о новых методах преобразования энергии, в частности о магнитогидродинамическом методе (МГД-методе), который, можно предполагать, уже до 2000 г. получит относительно широкое распространение. Но обо всем в этой книге рассказать нет возможности. В заключение раздела мы только кратко остановимся на управляемой термоядерной реакции и создании термоядерного реактора.

Принцип действия термоядерного реактора, над созданием которого работают физики многих стран мира, имеет кое-что общее с принципом действия обычного атомного реактора. В обоих случаях основой являются ядерные реакции, обладающие огромным энерговыделением. 1 кг исходного для термоядерной реакции вещества энергетически эквивалентен 10 тыс. т у. т. Или: 1 г этого вещества энергетически эквивалентен 10 т у. т. Таким образом, энерговыделение в термоядерной реакции, отнесенное к единице массы исходного вещества, примерно в 3,5 раза больше по сравнению с ядерной реакцией деления 235U.

Отличие заключается в том; что термоядерная реакция есть реакция соединения (синтеза) ядер, а не их деления. Реакции деления ядер, сопровождаемые огромным энерговыделением, свойственны тяжелым элементам, обладающим большой атомной массой. Ядерные же реакции с большим выделением энергии, участниками которых являются легкие элементы с малой атомной массой, — это реакции синтеза ядер.

В реакции деления ядер делящееся вещество (уран, плутоний) является, как часто говорят физики, мишенью. Активная же роль принадлежит нейтронам — инициаторам ядерной реакции. В реакции синтеза ядер дело обстоит иначе. Ядерная реакция этого типа может осуществляться только в том случае, когда ядра атомов окажутся достаточно близко друг от друга, на расстоянии около одной миллиардной доли микрометра.

Сближению ядер атомов противостоят электростатические силы отталкивания (ядра атомов имеют одинаковый положительный заряд), и, чтобы оно произошло, необходимо, чтобы взаимодействующие частицы обладали большой кинетической энергией. Другими словами, вещество должно иметь в отличие от реакции деления ядер очень высокую температуру, измеряемую многими десятками миллионов градусов. Именно по этой причине реакция синтеза ядер названа термоядерной. При такой высокой температуре вещество пребывает в так называемом плазменном состоянии. Плазма отличается от обычного газа тем, что ее составляют не молекулы и атомы, а ядра и оторванные от них свободные электроны.

Заметим, что в настоящее время большое внимание уделяется исследованиям низкотемпературной плазмы — смеси нейтральных атомов, свободных электронов и ионов, образовавшейся из атомов, потерявших один, редко два электрона. Температура такой плазмы составляет несколько тысяч или десятков тысяч градусов.

Низкотемпературная плазма может возникнуть в электрических дугах, газоразрядных источниках света или просто при нагревании газа до достаточно высокой температуры. Она находит все более широкое применение для различных технологических целей (плазменная резка металлов, сварка и др.), а также в качестве рабочего тела в установках прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Для термоядерного реактора требуется, конечно, высокотемпературная плазма.

Напомним, что водород имеет три изотопа: протий (Н) — обычный водород, ядром атома которого является протон; дейтерий — (D) — более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из протона и нейтрона; тритий (T) — еще более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Атомные массы трех названных изотопов водорода соответственно: 1, 2, 3.

По современным представлениям, как уже говорилось выше, источником энергии звезд, в том числе нашего Солнца, служит термоядерная реакция, в результате которой водород превращается в гелий и выделяется огромное количество энергии. Такая реакция протекает в недрах звезд, но осуществить ее в земных условиях, по-видимому, невозможно. Значительно проще, оказывается, осуществить реакцию между ядрами дейтерия и трития. При этом образуются ядра гелия, нейтроны, а также происходит огромное энерговыделение.

Возможность осуществления в земных условиях термоядерной реакции, исходными веществами для которой служат тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий, доказана. Именно такая реакция протекает в термоядерной (водородной) бомбе, где она носит характер неуправляемого кратковременного мощного взрыва, результатом которого является разрушение. Для того чтобы использовать термоядерную реакцию в мирных целях, нужно научиться ее регулировать.

Следует заметить, что тяжелый изотоп водорода — тритий — вещество радиоактивное, период его полураспада небольшой, около 12 лет. Поэтому тритий на Земле практически не встречается. Но это не создает безвыходного положения. Вспомним, что плутония (239Pu) тоже не было на Земле. Однако теперь 239Pu является одним из самых распространенных ядерных топлив для атомных реакторов. Оказывается, тритий можно получить из щелочного металла лития (Li) путем бомбардировки его атомных ядер быстрыми нейтронами, образующимися, в частности, в термоядерной реакции слияния ядер D и Т. Можно даже вместо трития помещать в термоядерный реактор «тритиевое сырье» — литий. В процессе работы реактора тритий в нужном количестве будет производиться из лития.

Что касается ресурса ядерного топлива для термоядерной дейтерий-тритиевой реакции (или, как иногда ее именуют, D + Т-реакции), то в конце концов дело сводится к запасам лития. Действительно, ресурс дейтерия на Земле очень велик. Запасы дейтерия, содержащегося в воде морей и океанов (а получение дейтерия из воды рассматривается как дело несложное и экономически вполне оправданное), по энергетическому эквиваленту во много миллионов раз превышают ресурсы всех видов органического топлива, вместе взятых.