Анатолий Кислицын: Ядерные отходы — клад для наших потомков

В минувшую субботу Свободный университет подарил жителям города возможность посетить публичную лекцию, на которой доктор физико-математических наук, профессор ТюмГУ, специалист в области ядерной энергетики Анатолий Кислицын в доступной даже заядлому гуманитарию форме рассказал об этой отрасли промышленности.

О физических принципах получения атомной энергии, о сложностях и особенностях этого процесса узнали из уст специалиста несколько десятков тюменцев, посетивших Губернаторский зал информационно-библиотечного центра ТюмГУ.

Реакторы на медленных нейтронах — основа атомной энергетики

Ядерные реакции могут быть неуправляемыми и управляемыми. В первом случае получается атомная бомба, во втором — мирный, полезный ядерный реактор. Последних в мире насчитывается сейчас около 500 штук. После войны разные страны начали разрабатывать их независимо друг от друга. И потому, несмотря на то, что в их основе лежит один и тот же физический принцип, их конструктивные особенности сильно различаются. В нашей стране основой ядерной энергетики является водо-водяной энергетический реактор (ВВЭР), его аналоги распространены в США, и реакторов такого типа в мире — более 80% от общего числа.

«Вода здесь играет двойную роль: является, во-первых, теплоносителем, во-вторых, выполняет роль замедлителя нейтронов. Дело в том, что легко нейтроны поглощаются делящимися ядрами в том случае, если у них маленькая энергия движения — чем меньше, тем лучше. Поэтому, если мы работаем с реактором, на котором используется замедление нейтронов, то обогащение активной зоны не нужно делать слишком большим. (Если взять природный уран и загрузить в реактор, он не заработает. Надо его обогатить ураном-235, который в природе встречается очень редко, или добавить плутоний-239). В таком реакторе тепловыделяющие элементы (твэлы) обогащены до 5%. Большой опасности взрыва он не представляет».

Итак, ВВЭР считают на сегодняшний день самым безопасным реактором, однако у этого устройства есть и минусы.

«Энергетические характеристики не очень хорошие. Потому что воду нагреть до очень высокой температуры невозможно. Вот в этом реакторе температура на выходе примерно 200 градусов Цельсия. Вообще для энергетики температуры нужны как можно большие: чем больше температура, тем больше КПД».

Реакторы на быстрых нейтронах: опасные, но необходимые

Проблема в том, что урана на Земле не так уж много. Запасы необходимого для атомной энергетики урана-235 сравнимы с запасами газа. Ну а доля России в его добыче, как рассказал профессор, составляет 5%.

«Есть два варианта, которые на сегодняшний день выглядят очень перспективно. Первый — переработка урана-238, которого в сто раз больше, чем урана-235, и его довольно легко переработать в плутоний, который сейчас и является основным горючим для большинства реакторов и атомного оружия. И еще более перспективная реакция: есть в природе вещество, которое называется торий. Его еще примерно в 100 раз больше, чем урана-238. И его можно перерабатывать в уран-233».

Такие важные нейтронноядерные реакции осуществляют с помощью реакторов на быстрых нейтронах. «Общеизвестных реакторов на быстрых нейтронах во всем мире — 6. В настоящее время работает только один из них, и он находится в России. Остальные реакторы по разным причинам, в том числе по требованиям общественности, были закрыты из-за того, что они не удовлетворяют тем требованиям безопасности, которые предъявляет современное общество».

Действительно, реакторы на быстрых нейтронах гораздо менее безопасны, чем на медленных. Так, в них используется натрий. И 2000 тонн этого очень активного расплавленного металла необходимо удерживать от соприкосновения с окружающей средой.

«Вторая неприятность, связанная с реактором, состоит в том, что здесь замедление нейтронов не используется. Здесь реакция деления происходит на быстрых нейтронах — тех, что сразу выделяются в процессе деления. Маленькую вероятность того, что такой быстрый нейтрон захватится ядром приходится компенсировать, во-первых, более компактной активной зоной, и, самое главное, твэлы нужно обогащать до гораздо более высокой степени — до 25–30%. поэтому здесь при стечении неблагоприятных условий возможно, теоретически, возникновение настоящего ядерного взрыва».

Зачем же создавать такие опасные реакторы? У них есть два преимущества с точки зрения экономики. Во-первых, за счет использования натрия вместо воды КПД такого реактора гораздо выше. Но главное — в нем можно создавать плутоний-239.

«Для этого активная зона окружена так называемой зоной воспроизводства, в которой размещен обычный уран-238, или даже обедненный. И во время работы реактора постепенно тот уран, который нельзя было использовать в реакторах, превращается в плутоний. Причем можно сделать так, чтобы этого нового плутония образовалось больше, чем сгорит урана в активной зоне. Теоретически этот коэффициент воспроизводства — 1,7. На практике он достигает 1,2.

Поэтому, если мы хотим, чтобы ядерная энергетика жила в течение ближайших сотен лет, придется развивать эти реакторы на быстрых нейтронах».

Перспективы ядерной энергетики

«Жизнь очень сильно корректирует прогнозы. Хотя если на длительную перспективу посмотреть, то я не вижу альтернатив ядерной энергетике.

Уже через 400 лет нефть точно кончится, уголь закончится, газ. Ну, не совсем, останется немножко. Их нужно будет использовать для химии, цена на них вырастет очень сильно, их станет экономически невыгодно сжигать на электростанциях. Волей-неволей придется перейти на атомную энергетику. Но, может быть, к этому времени население вдруг уменьшится, эпидемия какая-то придет, и нас вместо 7 миллиардов останется 700 тысяч…»

Впрочем, в далекой перспективе альтернатива современной ядерной энергетике есть — управляемый термоядерный синтез. При соединении ядер выделяется еще больше энергии, чем при их расщеплении. Но, к сожалению, создать условия для таких реакций и сделать их управляемыми крайне сложно. Как рассказал профессор, проект термоядерного реактора международный коллектив ученых обсуждает довольно давно. На него планируют потратить не менее 10 миллардов долларов, а первые эксперименты начнутся только в 2027.

Ядерные отходы: радиоактивный клад

Много вопросов у слушателей лекции вызвала проблема утилизации отходов ядерной энергетики. Анатолий Кислицын не видит в них особенной опасности.

«Пока ядерных отходов немного по сравнению с теми отходами, которые дают, например, обычные угольные электростанции. Тем не менее, проблема, конечно, есть. Но на Земле есть довольно много мест, где можно безопасно эти отходы хранить. Это старые соляные шахты, которых накопилось на всех континентах довольно много. … Раз там была и остается соль, значит, там нет циркуляции воды».

Но перед тем, как захоронить отходы, необходимо надежно их «упаковать». Отработанные твэлы запаивают в цилиндры из нержавеющей стали, затем остекловывают, и после этого помещают в бетонные контейнеры. Радиация уже не может пробиться наружу, и такие контейнеры можно безопасно перевозить. Кроме высокой надежности метод захоронения в доступных местах обладает и еще одним плюсом.

«Там все время идут радиоактивные процессы, и постепенно нарабатываются чрезвычайно ценные для промышленности продукты, которых на Земле очень мало, либо их очень дорого добывать — редкие металлы. И вот потомки, которые будут жить через 100 тысяч лет — там уже радиоактивность упадет до безопасного минимума — смогут потом их распечатать и забрать себе продукт. Так что мы оставляем потомкам клад».

Поэтому спор между теми, кто выступает за захоронение ядерных отходов на территории своей страны и ярыми противниками таких действий разрешить сложно. С одной стороны, это — инвестиции в будущее, с другой стороны — нельзя гарантировать, что капсулы не разрушатся до срока в результате какой-либо катастрофы.

Россия, по словам ученого, сейчас не является заметным импортером ядерных отходов: рынок это монополизирован, и на него очень сложно попасть. Однако закон, разрешающий ввоз таких веществ, у нас уже принят.

Итак, ядерная энергетика, очевидно, очень перспективная отрасль. По данным, приведенным Анатолием Кислицыным, в некоторых странах она уже играет ведущую роль (во Франции, например, так получают 78% энергии). Других перспектив не видно: нефть и газ скоро закончатся, и возобновляемые источники энергии не могут обеспечить нас ею в достаточном количестве.

Свободный университет — образовательная площадка, идея которой родилась в рамках Совета инициативных групп и граждан Тюмени. Публичные научно-популярные лекции проходят около двух раз в месяц. Полную запись лекции Анатолия Кислицына «Атомная энергетика: состояние и перспективы», как и записи других лекций, можно найти на сайте Свободного университета.

Фото с сайта Utmn.ru