|
Г.А. Иванов, д.ф.м.н., лауреат Госпремии
Об альтернативных источниках энергии говорится сегодня много. На
конференциях, семинарах, выставках… “Энергетическая стратегия
России на период до 2020 года” тоже содержит много приятных слов
о необходимости развития нетрадиционных видов энергетики. Потому сегодня
мы хотели бы представить читателю “Экономики России” разработку
ученых Российского федерального ядерного центра ВНИИТФ (г. Снежинск).
Проект создания термоядерной электростанции был разработан группой ученых
этого Центра под руководством доктора физико-математических наук Геннадия
Алексеевича Иванова.
Предложения об использовании ядерных взрывов для энергетики известны
с конца 40-х годов. Автор этой статьи узнал о них лет на 12 — 15 позже
и воспринял их как нечто громоздкое на фоне “грядущих успехов” как в
управляемом термоядерном синтезе (УТС), так и в бридерной энергетике,
основанной на делении ядер (читатель, не знакомый с терминологией, может
обратиться за разъяснениями в раздел “ликбез”, печатающийся параллельно).
Еще через десяток лет под руководством Е.И. Забабахина и Е.Н. Аврорина
были созданы “чистые” дейтериевые заряды, а трудности с
УТС и бридерами стали очевидны. Уже “с карандашом в руках”
мы обратились к возможности использования дейтериевых зарядов в энергетике.
Мы обнаружили, что стоимость заряда слабо входит в стоимость энергии.
Важно было сделать энергоустановку дешевой и найти для нее “адрес”.
Ясно, что она потребуется в XXII веке, считали мы. Кому понадобится
это огромное сооружение в XXI веке, если нефти “много”,
а урана “очень много”? После Чернобыля мы обратили внимание
на большую, чем у АЭС, безопасность взрывной дейтериевой энергетики
(ВДЭ) и, сравнивая разные виды энергетики, поняли, что нефть иссякнет
уже в первой четверти XXI века. “Адрес” обозначился —
глобальная энергетика.
Нужно отметить, что такие расчеты проводили не мы одни. В 1977 году
в Нью-Йорке была опубликована статья А.Д. Сахарова “Ядерная энергетика
и свобода Запада”, в которой предлагалось реализовать взрывную установку,
похожую на КВС, чтобы “не впасть в унизительную зависимость от химического
топлива СССР” (в России статью напечатали в 1995 году). В 1984 году
в Мюнхене вышла книга В. Зейфрица “Ядерные боеприпасы — бедствие или
благоденствие человечества”. В Минске в 1994 году вышла книга В.М. Белого
“Войти в распахнутую дверь (концепция энергетики на основе мощного термоядерного
взрыва)”.
Почему же мы — физики Российского федерального ядерного центра ВНИИТФ
— как бы повторяем “то, что пройдено”? Во-первых, все соавторы ВДЭ отдали
не один десяток лет проведению ядерных взрывов и пока еще помнят “детали,
в которых дьявол”. Во-вторых, мы разделяем точку зрения, что мир (и
Россия тоже) уже начал впадать в слишком разрушительную зависимость
от энергетики. В-третьих, нам известен закон сохранения энергии.
“Правила игры” или законы сохранения?
Перерабатывая статью для экономического издания, не зная даже терминологии,
готов согласиться с “Радио Свобода”, что сегодняшняя экономика —
это “правила игры, неизменные для стран с рыночной экономикой”.
Добавим: правила, не желающие считаться даже с законами физики. Естествоиспытатели это видят, да и экономисты в частных беседах признают.
В целом же “правила экономической игры” правят миром в сторону
дестабилизации. Вывод не нов, Римский Клуб еще 30 лет тому назад смоделировал
в общих чертах ситуацию, которую “озвучил” и член Правительства
В.И. Данилов-Данильян: “конец света придет около 2030 года”
(АиФ №39, 96 г.).
Жизненно важные ресурсы планеты иссякают. Заменить или
регенерировать ресурсы может только энергия. Ее на планете очень много, но в доступной форме осталось очень мало, и по “правилам
игры” эти остатки России принадлежать не должны. Придумывались
“правила” в интересах стран, “развитых” за счет
захвата чужих ресурсов в “зонах жизненно важных национальных интересов”.
Что могут предложить “знатоки неизменных правил”? Передел
традиционных источников энергии да блеф, что энергия, “добытая”
из долларов, стабилизирует мир.
На сегодняшний день термоядерная разработка снежинских
ученых — котел взрывного сгорания — подпадает под действие
“Договора о всеобщем запрещении ядерных испытаний”. Этот документ
предусматривает, что государство, желая провести соответствующие испытания,
должно заявить, что они, во-первых, носят мирный характер, а во-вторых, соответствуют
его национальным интересам. Таким образом, чтобы возвести опытный образец КВС,
необходимо прежде всего политическое решение высшего руководства страны.
Для устойчивого развития человечеству (и России с ее холодным климатом —
в первую очередь) необходим источник энергии, обладающий неограниченными
запасами топлива и малой физической “безразмерной”
ценой. Мы считаем, что такой источник может быть создан еще до
истощения ресурсов нефти на основе взрывной дейтериевой энергетики. Ни одно из других известных нам предложений этого сделать не успеет:
слишком мало времени — четверть века.
Основные тезисы
Дейтерий — экологически чистый источник энергии, неисчерпаемые
ресурсы которого потребуются уже в первые десятилетия XXI века. Единственный
способ выделить эту энергию, проверенный в земных условиях, —
ядерный взрыв. Для “обуздания” взрыва предлагаются
подземные “котлы взрывного сгорания” (КВС). Россия
обладает знаниями и ресурсами, необходимыми для их создания.
Цикл работы КВС включает формирование защитной стенки из жидкого
натрия, взрыв дейтерия, инициируемый делением урана-233, “гашение”
механической части энергии взрыва за счет разрушения и частичного испарения
ЗС, нагрев натрия и сброс его в аккумулятор тепла. Перекачка теплоносителя
первого и второго контуров, нагрев рабочего тела турбин, выработка электроэнергии,
теплоснабжение потребителей, выделение ядерных материалов из теплоносителя
и изготовление узлов энергозарядов идут непрерывно.
Высокая плотность потока нейтронов в энергозаряде позволяет производить
гораздо больше урана-233, чем требуется для инициаторов. Избыточный
уран используется в обычных реакторах вторичной ядерной энергетики
(ВЯЭ). Другой вид вторичной энергетики — химическое
аккумулирование в синтетические углеводороды, водород, магний и
т.п.
Безразмерная цена энергии КВС
Тонна стали, вложенная в КВС, может ежегодно давать около 25 тонн нефтяного
эквивалента (ТНЭ) первичной энергии. Энергетическая цена стали около
1ТНЭ/т. Значит, можно ожидать, что такое вложение окажется очень эффективным.
Если при монтаже стальных конструкций их цена возрастет в 5 раз (5 ТНЭ/т)
и КВС проработает 50 лет, то доля корпуса в безразмерной цене энергии
составит 5/(25х50)=0,004. В “ВДЭ” аналогично оценены и другие
составляющие с результатом: полная безразмерная цена энергии КВС:
So=0,01-0,02.
Безразмерная цена ближневосточной нефти (с доставкой), скорее всего,
около 0,1, сибирского газа — около 0,2, сибирской нефти — около 0, 25,
угля — около 0,3, (без возмещения экологического ущерба), энергии бридера
— около 0,4. Цифры эти получены из работ В.В. Алексеева (МГУ), относящихся
к СССР, с помощью экстраполяций и небольших поправок. Они не могут претендовать
на большую точность, но ошибки более 25% маловероятны.
Замена нефти на энергию КВС обещает стабилизацию: гипотетическая семья
может скомпенсировать 100 тонн нефти, отдав в переплавку для котла “мерседес”,
сжигавший ее. Замена на дорогие источники ведет к “ресурсным войнам”.
Они уже идут, но об этом позже.
Оценки в долларах
Пример ожидаемых затрат и выгод от строительства и последовательного
ввода в эксплуатацию четырех КВС10 в долларах 1996 года, взятый из книжки
“Взрывная дейтериевая энергетика”, приведен на рисунке 2. Стоимость
корпуса КВС оценивалась как пятикратная стоимость основных материалов,
стоимость грунтовых работ по расценкам в России, энергоагрегатов — по мировым, зарплата персонала — втрое больше российской в 1996 году. Суммарные
затраты (около 2 млрд. долл.) окупаются через год-другой после ввода
первого КВС в эксплуатацию. Далее начинается быстрый рост доходов, часть
которых идет на строительство следующих КВС.
Результат слабо зависит от ошибок в оценке затрат: увеличение их вдвое
(до 4 млрд. долл.) отодвигает момент превышения доходов над затратами
всего на год. Не сильно изменят экономичность и возможные ошибки проектировщиков
или строителей. Так, если в конкретном КВС обнаружатся ненадежные узлы,
можно использовать взрывы вдвое меньшей мощности, а превышение доходов
над расходами “сдвинется” всего на год.
Мы пытались уменьшить “оптимизм” этих оценок. Обсуждения в конце 1990-х
показали, что для обеспечения запаса прочности в 10 раз придется усложнить
конструкцию корпуса КВС, с ростом трудозатрат на его изготовление. Однако
с 1996 г. средняя заработная плата в России (в долларах) значительно
снизилась, упала и стоимость электроэнергии, но возросла стоимость тепла. Поэтому рисунок 2 можно считать правдоподобным и в 2001 году.
Рассматривая различные варианты, можно получать себестоимость тонны
нефтяного эквивалента энергии КВС от 4 до 10 долларов. Это в 20–50 раз
ниже современной цены энергии нефти. Значит, можно ожидать, что прибыль
от продажи энергии КВС будет практически равна ее продажной стоимости.
Если даже часть прибыли достанется России, долги ее уже на первом этапе
покажутся “смешными”. В первой четверти века можно зарабатывать
и триллион долларов ежегодно. Хотя “полезность” такой
прибыли для стабилизации мира не очевидна.
Динамика безразмерной стоимости при замене энергетики
При переходе с нефти и газа на КВС, уголь или АЭС возникают формально
одинаковые проблемы: до того, как полезная энергия энергоустановки
будет использована, необходимо произвести значительные затраты. В случае КВС это затраты на сооружение корпуса, в случае бридеров —
на получение плутония, в случае угля — на строительство шахт,
железных дорог, вагонов и т.п. Принят одинаковый срок эксплуатации и
КВС, и бридеров, и шахт (50 лет), совпадающий с временем ввода новых
мощностей. Начало ввода в 2010 году, время строительства установки —
5 лет. Капитальная и эксплуатационная составляющие цены считались равными
и постоянными.
При замене нефти и газа на уголь, даже без дополнительных затрат на
экологию, неизбежен “провал”, когда затраты на ввод новых
источников превышают отдачу от них. Энергии нефти просто-напросто не
хватает, чтобы покрыть эти затраты до ее исчерпания. Наступает “период
вымерзания”, длящийся тем дольше, чем дороже замещающий источник.
Избежать этой катастрофы можно переходом на КВС. Для всех других
известных источников времени уже нет.
Экспериментальный КВС
Экспериментальный КВС, по нашему мнению, должен проверить правильность
всех технических решений и в течение нескольких лет производить коммерчески
выгодную энергию. Минимальная энергия взрыва для такого КВСЭ, скорее
всего, 1 — 2 кт ТЭ. Стоимость будет меняться от 100 до 600 млн. долларов
в зависимости от доли производимой электроэнергии, срока службы, запаса
прочности и т.п. Вариант сооружения котла для теплоснабжения Челябинска
и Екатеринбурга (по 1,5 — 2 ГВт тепла каждому), скорее всего, не будет
дороже 300 млн.
Это оценки, хотя и правдоподобные, но все-таки сделанные без “опоры”
на конкретный, “привязанный к месту” проект. Такого проекта
сегодня нет, нет “государственных денег” на проектирование.
А для привлечения инвесторов нужно политическое решение, хотя
бы такого типа: “если докажете необходимость и безопасность —
пробную эксплуатацию проведем”. Первую часть мы пытаемся
доказать оценками, расчетами и эскизами. Но для второй требуется комплект
чертежей и других документов. А для этого нужны либо деньги, либо решение,
а лучше и то и другое.
Ликбез
Энергия на планете вся термоядерная и обязана своим происхождением
реакциям синтеза легких ядер на Солнце. Синтез идет с интенсивностью
менее милливатта на литр. Из-за огромных размеров Солнце может “гнить”
миллиарды лет, посылая на Землю около 170 000 ТВт в виде света —
источника жизни. Человечество вынуждено расходовать все больше энергии, аккумулированной в ископаемом топливе: около 14 тераватт (2,4 кВт/чел.).
Россия производит 1,4 ТВт первичной энергии (9 кВт/чел.), но потребляет
около 5,5 кВт/чел. США потребляют около 13 кВт/чел. — гораздо
больше, чем добывают.
Главный энергоноситель в мире — нефть. В 1940 г. средний
житель планеты за год сжигал 0,1% нефти, приходящейся на его долю, сегодня —
больше 3%. В США сжигают треть мировой добычи нефти, по 4 т/чел. в год.
Это 20% запасов “среднего” человека, сжигающего по 0,6 т/г.
Средние душевые запасы уменьшаются чуть быстрее — 0,8 т/г.
Как видим, численность населения уже достигла того уровня, когда нефть
сожгут быстрее, чем сменится поколение, — за 20-30 лет. В
России добыча ископаемого топлива: газ — 0,7 ТВт, нефть —
0,4 ТВт, уголь — 0,15 ТВт, на собственные нужды идет 0,7-0,8
ТВт.
Энергия угля имеет на порядок большие ресурсы, чем нефть и газ
вместе. Его могло бы хватить на сотню лет. Но уголь дорог и опасен загрязнением среды обитания. Возобновляемые источники дают мало, кроме ГЭС, но подходящие реки давно перегородили.
Энергия деления урана-235 (АЭС) — единственный не
термоядерный источник — дает около 0,7 ТВт. Это на 5 порядков
меньше, чем Солнце, в 20 раз меньше, чем нефть, уголь и газ, в 1,2 раза
меньше, чем ГЭС. Ресурсы урана-235 по энергии на порядок меньше нефтяных.
Энергия урана-238 имеет приблизительно такие же, как и уголь,
потенциальные ресурсы. Уран-238 сам делится плохо. АЭС могут его использовать
только после преобразования в плутоний. В бридерных реакторах при делении
ядра плутония в среднем образуется около 3,5 вторичных нейтронов. Из
них один идет на поддержание цепной реакции, а другой захватывается элементами, не участвующими в топливном цикле. Остальные 1,5 нейтрона
могут быть захвачены воспроизводящим материалом — ураном-238.
Образуются 1,5 ядра урана-239, которые после двух распадов дадут 1,5
ядра плутония. Таким образом можно нарабатывать в 1,5 раза больше плутония,
чем его сгорает.
Но это только схема. Реально коэффициенты воспроизводства в
бридерном процессе колеблются от 1,04 (широко обсуждаемые реакторы “БРЕСТ”)
до 1,3. Могут потребоваться десятки кампаний для удвоения количества
плутония, первоначально заложенного в бридерный реактор. Значит, “период
удвоения” может составить несколько десятков лет, по прошествии
которых появится топливо для двух реакторов вместо одного.
Ускорить наработку плутония можно, сжигая уран-235 в “открытом
цикле”. Но уран-235 дает меньше вторичных нейтронов, чем плутоний.
Поэтому взамен сгоревшему ядру урана можно получить только 0,5 —
0,7 ядра плутония. По приблизительно такой дорогостоящей схеме и наработан
весь имеющийся в мире плутоний. Его слишком мало даже для того, чтобы
обеспечить топливом мощность, равную мощности современных АЭС на уране-235.
Термоядерное горение, кроме Солнца, реализовано только в ядерных
взрывных устройствах. За счет энергии деления плутония или урана-233
термоядерное горючее доводится до температуры в десятки миллионов градусов.
Если при этом горючее будет достаточно “компактным”, то
горение всего миллиграмма его обеспечит мощность, равную мощности, посылаемой
Солнцем на Землю. Плотность выделения энергии в термоядерном взрыве
на 25 порядков выше, чем на Солнце. В “хороших” взрывных устройствах небольшое изменение “компактности” не должно
влиять на энергию взрыва.
Термоядерное горючее. Для земных условий наиболее подходит дейтерий. Это стабильный изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона.
Основной изотоп, “протий”, имеет ядро из одного протона.
Содержание дейтерия в земном водороде 0,015%. При сгорании в энергозаряде
7 ядер дейтерия дают 2 ядра гелия, 3 протона (протий), 3 нейтрона и
40,3 Мэв энергии. При сжигании дейтерия в КВС из тонны воды можно получить
250 ТНЭ энергии. Тритий — радиоактивный изотоп водорода —
состоит из одного протона и двух нейтронов. В природе не содержится,
нарабатывается в реакторах деления. Смесь трития с дейтерием “зажигается”
легче, чем дейтерий, поэтому УТС пытаются (пока безуспешно) “демонстрировать”
на этой смеси. Тритий на много порядков дороже дейтерия.
Управляемый термоядерный синтез (УТС) — мечта реализовать
некую среднюю между Солнцем и полномасштабным взрывом плотность выделения
энергии. Прогресс в УТС слишком медленный, чтобы успеть заменить органическое
топливо. А.Д. Сахаров, один из основоположников УТС, признал этот факт
четверть века назад, в упомянутой статье. Нет доказательства, что никто
и никогда не “заставит” гореть малые массы дейтерия, но
вероятность реализовать УТС за грядущие полвека мала.
Уран-233 — топливо для инициаторов. Нейтроны, образующиеся
при горении дейтерия, можно захватить торием. При этом образуется ядра
тория-233, которые после распадов преобразуются в ядра урана-233. Схема
аналогична наработке плутония в бридерном реакторе. По ядерно-физическим
свойствам уран-233 похож на плутоний. Так как нейтронов очень много,
во взрыве можно наработать урана в 1000 раз больше, чем сгорело (в бридерном реакторе — только в 1,3 раза). Это позволит нарабатывать
Уран-233 для вторичной ядерной энергетики (ВЯЭ) на реакторах
деления практически любой совокупной мощности.
Схема размещения урана в энергозаряде такова, что он подвергается облучению
быстрыми нейтронами. При этом нейтрон, попавший в ядро урана-233, с
некоторой вероятностью выбивает из него два, образуя ядро урана-232.
В каждом килограмме урана-233 будет содержаться около грамма урана-232.
Уран-232 имеет период полураспада 70 лет, поэтому активность даже грамма
высока. От излучения урана легко защититься. Но в продуктах цепочки
превращений урана-232 имеется таллий-208, обладающий “жестким” (2,7
Мэв) гамма-излучением. Сразу после выделения урана в нем еще нет таллия,
и персонал КВС может работать со “свежим” ураном без проблем. Постепенно
скорость наработки таллия растет, через смену материал “демаскирует” себя, через сутки создает проблемы с соблюдением “норм радиационной
безопасности”, через неделю становится опасен, а через месяц — смертельно
опасен для сборщика заряда и даже “подносчика” боеприпаса.
Журнал “Экономика России: XXI век”, № 3, 2001 г.
|
