Расщепление урана было открыто в 1938 году немецкими химиками Отто
Ганом и Штрассманом. Как и многие другие открытия, оно было сделано
отчасти случайно. Какие перспективы открыла реакция деления урана и
как устроена атомная электростанция, рассказывает радиохимик Рамиз
Алиев.Реакция деления ядер уранаНезадолго до того, как стало
известно, что ядро урана может распадаться, Энрико Ферми, физик
итальянского происхождения, работал, облучая нейтронами тяжелые
ядра, в том числе ядра урана. У него была цель получить новые
химические элементы тяжелее урана, которые к тому моменту были
неизвестны. Он логично предположил, что, если облучить нейтронами
уран, ядро урана захватит нейтрон, дальше распадется, испустив
бета-частицу, и превратится в следующий более тяжелый элемент.
Ферми облучил уран нейтронами и получил неизвестные субстанции,
испускающие разного рода излучение с разными периодами полураспада.
Он предположил, что это и есть новый химический элемент.Однако для
химиков это было не столь убедительным доказательством. Чтобы
подтвердить открытие нового элемента, надо было выделить вещество,
определить его характеристики, в частности атомную массу.
Повторением этих экспериментов занялся немецкий химик Отто Ган. Он
пытался найти в смеси образовавшихся продуктов изотопы радия,
считая, что радиоактивный распад будет идти через этот элемент.К
тому моменту была хорошо известна методика выделения радия из
урановых материалов. Сначала Ган осаждал предполагаемый радий с
барием в надежде потом разделить их химически, как это делала Мария
Кюри в конце XIX века. Но отделить предполагаемый радий от бария не
удалось никакими процедурами. Тогда ничего другого не оставалось,
кроме как решить, что собственно барий и получился. При этом ядро
урана разделилось на две неравные по массе, но сопоставимые части.
Поначалу это казалось чем-то абсолютно невероятным, а потом
возникла мысль, что ядро разделилось подобно тому, как делится
клетка в живом организме.Стало ясно, что в процессе деления ядра
выделяется огромная энергия, около 200 мегаэлектронвольт, в виде
кинетической энергии разлетающихся осколков (для сравнения: при
химических реакциях обычно выделяется энергия порядка
электронвольта, при радиоактивном распаде это могут быть единицы
мегаэлектронвольт; здесь же речь шла о сотнях мегаэлектронвольт).
Потом Фредериком Жолио-Кюри было показано, что при этом также
испускается два-три нейтрона. Пришло понимание, что деление урана
может проходить по цепному механизму: одно ядро может разделиться,
и при этом вылетают два-три нейтрона, которые могут вызвать
дальнейшее деление урана.Открылась перспектива использовать процесс
деления урана для получения энергии в первую очередь для военных
целей. Очень быстро был реализован Манхэттенский проект,
завершением которого стали бомбардировки Хиросимы и Нагасаки. Но
когда война кончилась, знания и навыки, которые к тому моменту были
освоены, начали больше применяться в мирном деле.Первый атомный
реактор, который продемонстрировал возможность контролировать
реакцию деления, был построен еще в 1942 году в Чикаго Энрико
Ферми. В Советском Союзе в 1946 году под руководством Игоря
Василевича Курчатова был запущен первый атомный реактор Ф-1,
который сейчас находится на территории Курчатовского института. Но
эти проекты не имели целью получение электрической энергии
реализация разного рода энергетических проектов началась
значительно позже. Поначалу использовалось множество разных типов
реакторов, шли долгие годы поисковой работы. Происходило
становление атомной энергии как самостоятельной отрасли, и со
временем она превратилась в серьезную отрасль экономики.Как
устроена атомная электростанция? Ее сердцем является атомный
реактор, где и происходит деление урана. Это деление
поддерживается, чтобы оно не приводило к неконтролируемым
последствиям. Тепло, которое образуется при делении урана,
снимается разными способами в разных реакторах. В большинстве
современных реакторов в качестве теплоносителя используется обычная
вода: через теплоноситель она передает свою энергию второму
контуру, если он есть (все-таки существуют разные схемы атомных
электростанций), а после превращается в пар, который дальше крутит
турбину. Около 30% той энергии, которую мы получаем в результате
деления урана, превращается в электричество. Это не самый высокий
коэффициент полезного действия, но в то же время вполне
приемлемый.Достоинства и недостатки атомной энергетикиПрежде всего,
атомная энергетика это надежный источник энергии. Технологии
разработанные, надежные, в течение многих лет проверенные. Что еще
важно, можно получить большую энергию с достаточно небольшой
площади. Мощность обычного атомного энергоблока составляет около
одного электрического гигаватта. На станции может быть установлено
несколько таких блоков, и энергия вырабатывается на относительно
небольших площадях, если сравнивать с возобновляемыми источниками
энергии, такими как солнечные батареи или ветровые генераторы.Еще
одно преимущество атомной энергетики заключается в том, что не
происходит выброса углекислого газа. Современное общество
обеспокоено вопросами глобального потепления и тем, как быстро у
нас меняется состав газовой атмосферы, и атомная энергия является
хорошим способом избежать парникового эффекта.Кроме того, цены на
энергоносители меняются в мире достаточно регулярно и
непредсказуемо. В этом смысле атомная энергетика более надежная,
поскольку цены на уран, даже если они меняются, практически не
влияют на общую стоимость киловатта вырабатываемой
электроэнергии.Что касается недостатков атомной энергии, здесь тоже
можно отметить несколько важных моментов. В первую очередь это
предубеждение, которое зародилось достаточно давно, еще в 1960-х
годах, когда были сильны антиядерные настроения, вызванные
политическими кризисами, ядерными испытаниями, авариями на
предприятиях и загрязнением окружающей среды. Радиофобия до сих пор
существует в обществе.Второй критический момент, который заставляет
общество настороженно относиться к атомной энергетике, это вопросы
безопасности самой энергетики и потенциальные аварии на станциях.
Однако в реальности современные атомные электростанции достаточно
надежны. Вряд ли сейчас возможно повторение того, что случилось в
Чернобыле или на Фукусиме, по каким бы то ни было техническим или
природным причинам.Еще один момент обращение с радиоактивными
отходами, но в принципе эта проблема технически решаема. Наибольшую
сложность представляют вопросы, связанные с экономическими
аспектами. Дело в том, что экономика атомной энергетики вещь очень
непростая и комплексная. Существует множество методик расчета цены
за киловатт энергии, вырабатываемой на атомных станциях. Проблема в
том, что большая часть стоимости киловатта приходится на
капитальные затраты, то есть на строительство самого объекта, и
цены на строительство с течением времени растут, тогда как
стоимость строительства солнечных и ветровых электростанций падает.
Поэтому сейчас доля атомной энергии составляет примерно 10% в мире.
По разным странам она разная, в России это около 18%. Сейчас
прослеживается тенденция на снижение доли атомных электростанций в
общем энергопроизводстве в основном за счет наращивания доли
возобновляемых источников энергии, в первую очередь это ветровые и
солнечные электростанции.Капитальные затраты велики, срок
строительства атомных станций относительно большой и может занимать
семь лет. Возникает вопрос кредитов: если кредиты достаточно
дорогие, то может случиться, что стоимость электроэнергии,
получаемой на атомных станциях, будет выше, чем на газовых и на
возобновляемых источниках. Если мы имеем свободный рынок
электроэнергии, то есть если не перекладывать на потребителей
затраты, в конкретной рыночной среде получается, что стоимость
киловатта возводимых атомных станций может оказаться значительно
выше, чем стоимость станций, работающих на возобновляемых
источниках.Существует также проблема, связанная с сырьевой базой.
Дело в том, что современные атомные электростанции в большинстве
случаев работают на обогащенном уране до 3% обогащения по
урану-235. Часть этого урана выгорает, а уран-238, который
составляет основную часть ядерного топлива, остается. С ним после
завершения процесса выработки электроэнергии ничего не происходит,
и получается, что большая часть урана (а доля урана-235 невелика)
не вовлекается в выработку электроэнергии. Если строить атомную
энергетику на слабообогащенном топливе с открытым ядерным топливным
циклом, то запасов урана хватило бы нам лишь на 40 лет, если бы все
электричество сейчас вырабатывалось на атомных станциях.Полностью
заменить другие источники электроэнергии атомной мы не можем, а
переходить на какие-то другие виды ядерного топливного цикла
например, на замкнутый ядерный топливный цикл или реакторы на
быстрых нейтронах экономически нецелесообразно, поскольку стоимость
исходного сырья относительно невысокая, а у производителей
электроэнергии нет мотивации вкладывать большие средства в
разработку новых типов атомных реакторов. Сейчас существует только
два коммерческих реактора, работающих на быстрых нейтронах, оба
находятся в России. Был реактор во Франции, но он выведен из
эксплуатации, и планируется запуск реактора в Индии.В принципе
атомная энергетика развивается. И мы надеемся, что в будущем мы
увидим увеличение доли реакторов на быстрых нейтронах, а значит,
произойдет вовлечение урана-238 в ядерный топливный цикл. Тогда мы
будем иметь практически неограниченную сырьевую базу для
безуглеродной энергетики.
