Мы можем сжечь эти специально выращенные культуры прямо или все же лучше вырастить определенные разновидности, из которых можно выделить горючее масло или из которых мы сможем получить спирт. Такие естественно произведенные виды топлива могут помочь нашим будущим автомобилям и фабрикам.
Большим преимуществом топлива, произведенного из растений, является то, что оно не добавляет двуокиси углерода в воздух. Топливо это включает в себя двуокись углерода, которая поглощалась месяцами или годами до этого и которая возвращается в атмосферу, откуда недавно поступила.
Опять же ветряные мельницы или их эквивалент могли бы быть построены гораздо более эффективно, чем их средневековые предшественники, и могли бы извлекать гораздо больше энергии, используя силу ветра.
В прежние времена приливы и отливы использовали для того, чтобы просто выводить корабли из гаваней. Теперь они могут быть использованы для того, чтобы при высоком приливе наполнять резервуары и при низком отливе за счет падения воды вращать турбины и производить электричество. Были предложения и о том, чтобы для получения электричества использовать разницу температур в глубине и на поверхности океана в тропиках, использовать непрекращающееся движение океанских волн.
Все эти виды энергии, вообще говоря, безопасны и вечны. Они не дают опасного загрязнения и всегда будут возобновляться, пока существуют Земля и Солнце.
Однако все эти источники энергии маломощны. Вот в том-то и дело, что они ни по отдельности, ни даже все вместе не могут обеспечить потребности человечества в энергии, как последние два столетия делают уголь и нефть. Это не означает, что они не важны. С одной стороны, каждый из этих видов энергии в каком-то одном определенном месте и по какой-то определенной причине может быть наиболее удобным видом энергии. А все они вместе могут служить для продления времени использования ископаемых видов топлива. При всех этих других видах доступной энергии сжигание ископаемых видов топлива может продолжаться в темпе, достаточно невысоком, чтобы не подвергать опасности климат, и поддерживать этот темп надо в течение длительного времени. В течение этого времени, возможно, найдется какой-нибудь источник энергии – безопасный, вечный и обильный.
И первый вопрос тут: существует ли вид энергии с подобными характеристиками?
Ответ: да, существует.
Энергия обильная
Прошло лишь пять лет после открытия в 1896 году французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852–1908) радиоактивного излучения, как Пьер Кюри измерил тепло, испущенное радием при расщеплении. Это было первым свидетельством того, что где-то внутри атома есть огромная энергия, о которой до тех пор никто не подозревал.
Почти сразу же люди стали размышлять о возможности освоить эту энергию. Почти сразу после открытия Кюри английский писатель-фантаст Г. Д. Уэллс даже писал о возможности существования, как он назвал, «атомной бомбы».
Однако стало очевидно, что для того, чтобы высвободить эту атомную энергию (или, говоря точнее, «ядерную энергию», потому что это энергия, которая удерживает атом как целое и не включает внешние электроны, являющиеся базой химических реакций), сначала нужно было внести энергию в атом. Атом нужно было бомбардировать энергетичными субатомными частицами, которые были бы положительно заряженными. Не многие из них ударили бы в ядро, и из тех, которые ударили, не многие смогли бы преодолеть отталкивание положительно заряженного ядра и достаточно зарядили бы его, достаточно потревожили его содержание, чтобы вызвать высвобождение энергии. В результате оказалось, что нужно затратить гораздо больше энергии, чем удается извлечь. Казалось, овладеть ядерной энергией – несбыточная мечта.
Однако в 1932 году Джеймс Чедвик (1891–1974) открыл новую субатомную частицу. Из-за того, что она не имеет электрического заряда, он назвал ее «нейтроном». А из-за того, что у нее нет электрического заряда, она может подойти к несущему электрический заряд ядру, не претерпевая отталкивания. Поэтому здесь уже не понадобилось много энергии для того, чтобы нейтрон вошел в атомное ядро.
Нейтрон быстро стал излюбленной субатомной «пулей», и в 1934 году итальянский физик Энрико Ферми (1901–1954) бомбардировал атомы нейтронами таким образом, чтобы превратить эти атомы в атомы элемента, следующего за ним по порядку. Уран был элементом с порядковым номером 92, он был самым последним в таблице. Никакого элемента под номером 93 еще не было, и Ферми бомбардировал уран также и в надежде получить новый неизвестный элемент.
Результат привел в замешательство. Другие физики стали повторять эксперимент, пытаясь сделать из него какие-то выводы, особенно много уделили этому внимания немецкий физик Отто Хан (1879–1968) и его австрийская коллега Лиз Майтнер (1878–1968). Именно Майтнер в конце 1938 года поняла, что атом урана, будучи ударен нейтроном, расщепляется на два («распад урана»).
В то время она была в изгнании в Швеции, потому что как еврейке ей пришлось оставить нацистскую Германию. Она изложила свои идеи датскому физику Нильсу Бору (1885–1962), и тот в начале 1939 года привез их в Соединенные Штаты.
Американский физик венгерского происхождения Лео Сциллард (1898–1964) понял значение этого факта. Атом урана, подвергаясь расщеплению, выделяет большое количество энергии, один-единственный атом – гораздо большее, чем то малое количество энергии медленно двигающегося нейтрона, который его ударил. Более того, атом урана, когда он расщепляется, выделяет два или три нейтрона, каждый из которых мог бы ударить другой атом урана, и так далее.
Получающаяся в результате «цепная реакция» в считанные доли секунды могла бы произвести огромный взрыв, и все за счет одного первоначального нейтрона, который блуждал бы сам по себе, если бы никто не направил его сюда.
Сциллард убедил американских ученых сохранить исследование в тайне (потому что Германия готова была начать войну против цивилизованного мира), он также, поручив Альберту Эйнштейну подготовить записку по этому предмету, убедил президента Рузвельта поддержать эту работу. До окончания Второй мировой войны были созданы три бомбы на основе расщепления урана. Одна была испытана в Аламогордо, штат Нью-Мексико, 16 июля 1945 года. Две другие были сброшены на Японию.
Между тем ученые разработали и способ управлять расщеплением урана. Темп расщепления доводился до определенного безопасного уровня и мог продолжаться на этом уровне нескончаемо. При этом вырабатывалось достаточно тепла, чтобы заменить сжигание угля или нефти для выработки электричества.
В 50-е годы электростанции, работающие на расщеплении урана, были построены в Соединенных Штатах, Великобритании и Советском Союзе. С тех пор такие реакторы «расщепления ядра» распространились по многим странам и вносят значительный вклад в удовлетворение потребностей мира в энергии.
Подобные реакторы имеют ряд преимуществ. Во-первых – вес: по сравнению со своим весом уран производит гораздо больше энергии, чем уголь или нефть. Собственно, хотя уран и не очень распространенный металл, считают, что мировой запас его таков, что может произвести в десять или даже в сто раз больше энергии, чем все запасы ископаемого топлива.
Один из недостатков тут в том, что существуют два вида урана, и только один из них подвержен расщеплению ядра. Есть уран-235 и уран-238, и только уран-235 претерпевает расщепление при его бомбардировке медленными нейтронами. И случилось так, что уран-235 составляет только 0,7 процента от урана, находящегося в природе.
Однако возможно сконструировать реактор таким образом, что расщепляющийся сердечник окружается обычным ураном-238 или похожим металлом – тори-ем-232. Нейтроны, утекающие из сердечника, ударяя в атомы урана или тория, хотя и не заставят их расщепляться, но изменят в них атомы на другой тип, которые при соответствующих условиях станут расщепляться. Такой реактор создает «топливо» в виде расщепляющегося плутония-239 или урана-233, даже когда его первоначальное топливо уран-235 потребляется медленно. Собственно, он производит топлива больше, чем потребляет, и как следствие называется «реактором-размножителем».
До сих пор почти все использующиеся реакторы расщепления не являются реакторами-размножителями, но несколько реакторов-размножителей было построено еще в 1951 году и могут быть построены еще в любое время. При использовании реакторов-размножителей весь уран и торий в мире можно расщепить и заставить производить энергию. Таким образом, человечеству будет доступен источник энергии по крайней мере в 3000 раз больший, чем все запасы ископаемого топлива.
Используя обычные реакторы ядерного расщепления, человечество при существующем темпе потребления будет иметь запас энергии на века. При реакторахразмножителях запаса энергии хватит на сотни тысяч лет – огромное количество времени для того, чтобы выработать еще лучшую стратегию, прежде чем иссякнет этот запас. Более того, реакторы ядерного расщепления, будь это обычные реакторы или размножители, не вырабатывают двуокиси углерода или какого-либо другого химического загрязнителя воздуха.
При данных преимуществах какие могут быть недостатки? Прежде всего, уран и торий довольно сильно разбросаны по коре Земли, их трудно найти и сконцентрировать. Возможно, из всего существующего урана и тория может быть использована только небольшая доля. Во-вторых, реакторы ядерного расщепления – крупные и дорогостоящие устройства, за которыми нелегко следить и которые трудно ремонтировать. В-третьих, самое важное, реакторы ядерного расщепления вводят новый и особенно смертоносный вид загрязнения – проникающую радиацию.
Когда атомы урана расщепляются, они производят целые серии более мелких атомов, гораздо более интенсивных по радиоактивности, чем сам уран. Эта радиоактивность снижается очень медленно, у некоторых видов только спустя тысячи лет. Эти радиоактивные отходы чрезвычайно опасны, поскольку их радиация может убить так же верно, как и ядерная бомба, только более коварно. Если человеческие нужды будут покрываться исключительно реакторами расщепления, величина присутствующей радиации будет равна миллионам взрывов бомб расщепления.
Радиоактивные отходы необходимо сохранять в каком-либо безопасном месте таким образом, чтобы они тысячами лет не попадали в окружающую среду. Они могут храниться в нержавеющих стальных контейнерах или могут быть перемешаны с расплавленным стеклом, которому потом дают застыть. Контейнеры или стекло могут храниться в подземных солевых шахтах, в Антарктиде, в осадочных породах океанского дна и так далее. Пока что ни один из предложенных способов их размещения, каждый с какими-либо частными преимуществами, не был признан достаточно безопасным, удовлетворяющим всех.
Далее, всегда возможно, что ядерный реактор может выйти из-под контроля. Реактор устроен таким образом, что невозможно, чтобы он взорвался, но используются значительные количества расщепляющегося материала, и если реакция расщепления, к несчастью, ускорится, и температура окажется выше точки плавления, сердечник расплавится, прорвется сквозь защитные оболочки, и смертоносная радиация может распространиться по большому району (Убедительным примером справедливости этих опасений является происшедшая в Советском Союзе в 1986 году Чернобыльская трагедия, когда 26 апреля как раз и произошло разрушение активной зоны установки и выброс в атмосферу радиоактивных веществ).
Реакторы-размножители считаются некоторыми особенно смертоносными, потому что топливо, которое они используют, часто металлический плутоний, который более радиоактивен, чем уран, и сохраняет свою радиоактивность сотни тысяч лет. Он считается некоторыми самым смертоносным веществом на Земле, и есть опасения, что если плутоний станет слишком распространен, может произойти его утечка в окружающую среду, и он буквально отравит всю Землю, сделав ее непригодной для жизни.
Существует также опасение, что плутоний может послужить для нового витка усиления терроризма. Если бы террористы овладели запасом плутония, они могли бы использовать угрозу взрыва или отравления для шантажа мира. Это было бы намного более страшное оружие, чем то, которым они располагают сейчас.
Нет способа уверить людей, что подобные вещи никогда не случатся, и в результате возникает все больше возражений против строительства реакторов ядерного расщепления. Энергия ядерного расщепления распространяется намного медленнее, чем предполагалось в 50-е годы, когда этот процесс получил практическое применение, сопровождаемый блестящими предсказаниями века энергетического изобилия.
И все же расщепление не является единственным путем для развития ядерной энергетики. Во Вселенной в целом главный источник энергии – это водородный синтез.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67
Большим преимуществом топлива, произведенного из растений, является то, что оно не добавляет двуокиси углерода в воздух. Топливо это включает в себя двуокись углерода, которая поглощалась месяцами или годами до этого и которая возвращается в атмосферу, откуда недавно поступила.
Опять же ветряные мельницы или их эквивалент могли бы быть построены гораздо более эффективно, чем их средневековые предшественники, и могли бы извлекать гораздо больше энергии, используя силу ветра.
В прежние времена приливы и отливы использовали для того, чтобы просто выводить корабли из гаваней. Теперь они могут быть использованы для того, чтобы при высоком приливе наполнять резервуары и при низком отливе за счет падения воды вращать турбины и производить электричество. Были предложения и о том, чтобы для получения электричества использовать разницу температур в глубине и на поверхности океана в тропиках, использовать непрекращающееся движение океанских волн.
Все эти виды энергии, вообще говоря, безопасны и вечны. Они не дают опасного загрязнения и всегда будут возобновляться, пока существуют Земля и Солнце.
Однако все эти источники энергии маломощны. Вот в том-то и дело, что они ни по отдельности, ни даже все вместе не могут обеспечить потребности человечества в энергии, как последние два столетия делают уголь и нефть. Это не означает, что они не важны. С одной стороны, каждый из этих видов энергии в каком-то одном определенном месте и по какой-то определенной причине может быть наиболее удобным видом энергии. А все они вместе могут служить для продления времени использования ископаемых видов топлива. При всех этих других видах доступной энергии сжигание ископаемых видов топлива может продолжаться в темпе, достаточно невысоком, чтобы не подвергать опасности климат, и поддерживать этот темп надо в течение длительного времени. В течение этого времени, возможно, найдется какой-нибудь источник энергии – безопасный, вечный и обильный.
И первый вопрос тут: существует ли вид энергии с подобными характеристиками?
Ответ: да, существует.
Энергия обильная
Прошло лишь пять лет после открытия в 1896 году французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852–1908) радиоактивного излучения, как Пьер Кюри измерил тепло, испущенное радием при расщеплении. Это было первым свидетельством того, что где-то внутри атома есть огромная энергия, о которой до тех пор никто не подозревал.
Почти сразу же люди стали размышлять о возможности освоить эту энергию. Почти сразу после открытия Кюри английский писатель-фантаст Г. Д. Уэллс даже писал о возможности существования, как он назвал, «атомной бомбы».
Однако стало очевидно, что для того, чтобы высвободить эту атомную энергию (или, говоря точнее, «ядерную энергию», потому что это энергия, которая удерживает атом как целое и не включает внешние электроны, являющиеся базой химических реакций), сначала нужно было внести энергию в атом. Атом нужно было бомбардировать энергетичными субатомными частицами, которые были бы положительно заряженными. Не многие из них ударили бы в ядро, и из тех, которые ударили, не многие смогли бы преодолеть отталкивание положительно заряженного ядра и достаточно зарядили бы его, достаточно потревожили его содержание, чтобы вызвать высвобождение энергии. В результате оказалось, что нужно затратить гораздо больше энергии, чем удается извлечь. Казалось, овладеть ядерной энергией – несбыточная мечта.
Однако в 1932 году Джеймс Чедвик (1891–1974) открыл новую субатомную частицу. Из-за того, что она не имеет электрического заряда, он назвал ее «нейтроном». А из-за того, что у нее нет электрического заряда, она может подойти к несущему электрический заряд ядру, не претерпевая отталкивания. Поэтому здесь уже не понадобилось много энергии для того, чтобы нейтрон вошел в атомное ядро.
Нейтрон быстро стал излюбленной субатомной «пулей», и в 1934 году итальянский физик Энрико Ферми (1901–1954) бомбардировал атомы нейтронами таким образом, чтобы превратить эти атомы в атомы элемента, следующего за ним по порядку. Уран был элементом с порядковым номером 92, он был самым последним в таблице. Никакого элемента под номером 93 еще не было, и Ферми бомбардировал уран также и в надежде получить новый неизвестный элемент.
Результат привел в замешательство. Другие физики стали повторять эксперимент, пытаясь сделать из него какие-то выводы, особенно много уделили этому внимания немецкий физик Отто Хан (1879–1968) и его австрийская коллега Лиз Майтнер (1878–1968). Именно Майтнер в конце 1938 года поняла, что атом урана, будучи ударен нейтроном, расщепляется на два («распад урана»).
В то время она была в изгнании в Швеции, потому что как еврейке ей пришлось оставить нацистскую Германию. Она изложила свои идеи датскому физику Нильсу Бору (1885–1962), и тот в начале 1939 года привез их в Соединенные Штаты.
Американский физик венгерского происхождения Лео Сциллард (1898–1964) понял значение этого факта. Атом урана, подвергаясь расщеплению, выделяет большое количество энергии, один-единственный атом – гораздо большее, чем то малое количество энергии медленно двигающегося нейтрона, который его ударил. Более того, атом урана, когда он расщепляется, выделяет два или три нейтрона, каждый из которых мог бы ударить другой атом урана, и так далее.
Получающаяся в результате «цепная реакция» в считанные доли секунды могла бы произвести огромный взрыв, и все за счет одного первоначального нейтрона, который блуждал бы сам по себе, если бы никто не направил его сюда.
Сциллард убедил американских ученых сохранить исследование в тайне (потому что Германия готова была начать войну против цивилизованного мира), он также, поручив Альберту Эйнштейну подготовить записку по этому предмету, убедил президента Рузвельта поддержать эту работу. До окончания Второй мировой войны были созданы три бомбы на основе расщепления урана. Одна была испытана в Аламогордо, штат Нью-Мексико, 16 июля 1945 года. Две другие были сброшены на Японию.
Между тем ученые разработали и способ управлять расщеплением урана. Темп расщепления доводился до определенного безопасного уровня и мог продолжаться на этом уровне нескончаемо. При этом вырабатывалось достаточно тепла, чтобы заменить сжигание угля или нефти для выработки электричества.
В 50-е годы электростанции, работающие на расщеплении урана, были построены в Соединенных Штатах, Великобритании и Советском Союзе. С тех пор такие реакторы «расщепления ядра» распространились по многим странам и вносят значительный вклад в удовлетворение потребностей мира в энергии.
Подобные реакторы имеют ряд преимуществ. Во-первых – вес: по сравнению со своим весом уран производит гораздо больше энергии, чем уголь или нефть. Собственно, хотя уран и не очень распространенный металл, считают, что мировой запас его таков, что может произвести в десять или даже в сто раз больше энергии, чем все запасы ископаемого топлива.
Один из недостатков тут в том, что существуют два вида урана, и только один из них подвержен расщеплению ядра. Есть уран-235 и уран-238, и только уран-235 претерпевает расщепление при его бомбардировке медленными нейтронами. И случилось так, что уран-235 составляет только 0,7 процента от урана, находящегося в природе.
Однако возможно сконструировать реактор таким образом, что расщепляющийся сердечник окружается обычным ураном-238 или похожим металлом – тори-ем-232. Нейтроны, утекающие из сердечника, ударяя в атомы урана или тория, хотя и не заставят их расщепляться, но изменят в них атомы на другой тип, которые при соответствующих условиях станут расщепляться. Такой реактор создает «топливо» в виде расщепляющегося плутония-239 или урана-233, даже когда его первоначальное топливо уран-235 потребляется медленно. Собственно, он производит топлива больше, чем потребляет, и как следствие называется «реактором-размножителем».
До сих пор почти все использующиеся реакторы расщепления не являются реакторами-размножителями, но несколько реакторов-размножителей было построено еще в 1951 году и могут быть построены еще в любое время. При использовании реакторов-размножителей весь уран и торий в мире можно расщепить и заставить производить энергию. Таким образом, человечеству будет доступен источник энергии по крайней мере в 3000 раз больший, чем все запасы ископаемого топлива.
Используя обычные реакторы ядерного расщепления, человечество при существующем темпе потребления будет иметь запас энергии на века. При реакторахразмножителях запаса энергии хватит на сотни тысяч лет – огромное количество времени для того, чтобы выработать еще лучшую стратегию, прежде чем иссякнет этот запас. Более того, реакторы ядерного расщепления, будь это обычные реакторы или размножители, не вырабатывают двуокиси углерода или какого-либо другого химического загрязнителя воздуха.
При данных преимуществах какие могут быть недостатки? Прежде всего, уран и торий довольно сильно разбросаны по коре Земли, их трудно найти и сконцентрировать. Возможно, из всего существующего урана и тория может быть использована только небольшая доля. Во-вторых, реакторы ядерного расщепления – крупные и дорогостоящие устройства, за которыми нелегко следить и которые трудно ремонтировать. В-третьих, самое важное, реакторы ядерного расщепления вводят новый и особенно смертоносный вид загрязнения – проникающую радиацию.
Когда атомы урана расщепляются, они производят целые серии более мелких атомов, гораздо более интенсивных по радиоактивности, чем сам уран. Эта радиоактивность снижается очень медленно, у некоторых видов только спустя тысячи лет. Эти радиоактивные отходы чрезвычайно опасны, поскольку их радиация может убить так же верно, как и ядерная бомба, только более коварно. Если человеческие нужды будут покрываться исключительно реакторами расщепления, величина присутствующей радиации будет равна миллионам взрывов бомб расщепления.
Радиоактивные отходы необходимо сохранять в каком-либо безопасном месте таким образом, чтобы они тысячами лет не попадали в окружающую среду. Они могут храниться в нержавеющих стальных контейнерах или могут быть перемешаны с расплавленным стеклом, которому потом дают застыть. Контейнеры или стекло могут храниться в подземных солевых шахтах, в Антарктиде, в осадочных породах океанского дна и так далее. Пока что ни один из предложенных способов их размещения, каждый с какими-либо частными преимуществами, не был признан достаточно безопасным, удовлетворяющим всех.
Далее, всегда возможно, что ядерный реактор может выйти из-под контроля. Реактор устроен таким образом, что невозможно, чтобы он взорвался, но используются значительные количества расщепляющегося материала, и если реакция расщепления, к несчастью, ускорится, и температура окажется выше точки плавления, сердечник расплавится, прорвется сквозь защитные оболочки, и смертоносная радиация может распространиться по большому району (Убедительным примером справедливости этих опасений является происшедшая в Советском Союзе в 1986 году Чернобыльская трагедия, когда 26 апреля как раз и произошло разрушение активной зоны установки и выброс в атмосферу радиоактивных веществ).
Реакторы-размножители считаются некоторыми особенно смертоносными, потому что топливо, которое они используют, часто металлический плутоний, который более радиоактивен, чем уран, и сохраняет свою радиоактивность сотни тысяч лет. Он считается некоторыми самым смертоносным веществом на Земле, и есть опасения, что если плутоний станет слишком распространен, может произойти его утечка в окружающую среду, и он буквально отравит всю Землю, сделав ее непригодной для жизни.
Существует также опасение, что плутоний может послужить для нового витка усиления терроризма. Если бы террористы овладели запасом плутония, они могли бы использовать угрозу взрыва или отравления для шантажа мира. Это было бы намного более страшное оружие, чем то, которым они располагают сейчас.
Нет способа уверить людей, что подобные вещи никогда не случатся, и в результате возникает все больше возражений против строительства реакторов ядерного расщепления. Энергия ядерного расщепления распространяется намного медленнее, чем предполагалось в 50-е годы, когда этот процесс получил практическое применение, сопровождаемый блестящими предсказаниями века энергетического изобилия.
И все же расщепление не является единственным путем для развития ядерной энергетики. Во Вселенной в целом главный источник энергии – это водородный синтез.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67