Деление ядер - это расщепление ядра атома с образованием двух (или более) лёгких элементов. Хотя в изотопах некоторых тяжёлых элементов, таких как торий и уран, оно может происходить спонтанно, обычно оно запускается нейтроном с нужной энергией, ударяющим по ядру.
Внезапная «переполненность» ядра делает сгусток протонов и нейтронов неустойчивым и склонным к разрыву, в результате которого не только образуются ядра меньшего размера, или делящиеся продукты, но и выбрасывается ещё больше свободных нейтронов, а также происходит всплеск высокоэнергетических фотонов в виде гамма-излучения.
Энергия, выделяемая при разделении ядерных частиц, используется в качестве источника энергии с середины XX века. Хотя при производстве энергии не выделяются такие же опасные парниковые газы, как при сжигании ископаемого топлива, опасения по поводу риска расплавления, опасных отходов долговременного хранения и стоимости строительства означают, что атомное будущее, о котором многие мечтали в прошлом, может оказаться недостижимым.
Как деление ядер используется для получения атомной энергии?
Проведённые в 1930-х годах эксперименты по бомбардировке атомов ядерными частицами привели к созданию моделей деления, которые обещали, что из нужных изотопов тяжёлых элементов, таких как уран, может высвобождаться значительное количество энергии.
Теория предсказывала, что уран-235 с гораздо большей вероятностью подвергнется делению, чем другие изотопы, особенно если нейтроны, ударяющие в его ядро, движутся с относительно низкой скоростью.
Выделение дополнительных нейтронов в процессе деления может привести к тому, что другие близлежащие атомы урана-235 также начнут распадаться. Для возникновения такой цепной реакции необходима относительно высокая плотность атомов урана-235, которую называют «критической массой» материала.
К концу 1930-х годов физики разработали методы замедления нейтронов, достаточные для захвата и обогащения смесей изотопов урана из природных ресурсов с образованием критической массы урана-235. Они также придумали, как контролировать цепную реакцию, чтобы экспоненциальное производство нейтронов не вышло из-под контроля, в случае чего процесс мог бы стать взрывоопасным.
В течение последующего десятилетия технологические достижения в области деления ядер использовались для создания новых классов супероружия. Только после Второй мировой войны инженеры вновь обратили внимание на возможность использования процесса деления ядер для устойчивого производства тепла, пригодного для выработки электроэнергии.
Подобно тому, как пар, получаемый при сжигании ископаемого топлива в котле, вращает турбину, соединённую с электрогенератором, пар из «ядерного котла» также можно использовать для выработки электроэнергии.
Градирни атомной электростанции во Франции
С течением времени совершенствование технологий позволило повысить эффективность и безопасность, в некоторых случаях отказаться от замедления нейтронов, чтобы расщепляющийся материал мог захватывать более быстрые частицы. Сегодня в мире эксплуатируется около 440 атомных электростанций, из них только в США - около 100. В совокупности эти станции производят около 10% электроэнергии в мире, что на 7% меньше, чем в 1993 году.
В эпоху, когда при производстве около 60% электроэнергии в мире выделяются парниковые газы, угрожающие катастрофическим глобальным потеплением, атомная энергетика представляет собой сравнительно чистую альтернативу.
Однако существуют издержки, которые могут ограничить возможности использования атомной энергии для спасения от климатического кризиса.
В чём проблема ядерной энергетики?
Когда речь идёт о поиске экономически эффективных альтернатив ископаемому топливу с низким выбросом парниковых газов, есть варианты и похуже, чем атомная энергетика. Важно отметить, что есть варианты и получше - современные технологии возобновляемой энергетики, такие как солнечная и ветровая, которые с каждым годом становятся все дешевле.
Проблемы атомной энергетики делятся на три категории - отходы, риск и стоимость. Приведём примеры каждой из них.
Отходы
Одна из самых больших озабоченностей общественности по поводу атомной энергетики в последние десятилетия связана с тем, что делать с урановым топливом после того, как оно настолько насытится делящимися продуктами, что перестанет быть эффективным для производства энергии.
Высокоактивные отходы содержат изотопы, радиоактивность которых может снизиться за тысячи лет до уровня, примерно соответствующего уровню радиоактивности руды, из которой они были получены. В настоящее время в мире хранится более четверти миллиона тонн высокорадиоактивных отходов, ожидающих захоронения или переработки.
Так ли это плохо? Хотя хранящиеся ядерные отходы не представляют непосредственной угрозы, если они хорошо изолированы, вопросы долгосрочного обращения с ними, а также возможность неправильного обращения и несчастных случаев делают хранение растущего количества ядерных отходов неоднозначной проблемой.
Массивные контейнеры хранят отработанное ядерное топливо в надёжных и безопасных сухих хранилищах
Одним из видов отходов можно считать и выбросы углерода. Хотя процесс деления и преобразования ядерной энергии в электричество относительно свободен от выбросов углерода, общий бюджет углерода, связанный с добычей и переработкой руды, необходимой для деления, и строительством конкретной электростанции, не равен нулю.
В течение всего срока службы новая атомная электростанция может выбрасывать в атмосферу примерно 4 г CO2 на каждый киловатт*час произведённой электроэнергии. По некоторым оценкам, этот показатель значительно выше - от 10 до 130 граммов CO2 в отдельных случаях.
Таким образом, замена угольных электростанций на атомные позволит ежегодно сберегать в атмосфере несколько миллионов тонн CO2, не говоря уже о твёрдых частицах и других загрязняющих веществах. По тем же причинам экологически чистые возобновляемые источники энергии, такие как ветряные турбины и солнечные батареи, также не имеют нулевых выбросов в силу их производства и установки [и проблем с захоронением / прим. перев.]. Углеродный след солнечных и ветряных электростанций более или менее сопоставим с нижним пределом для атомной энергетики.
В целом, атомная энергия (в лучшем случае) не содержит столько же углерода, сколько солнечная и ветровая, хотя и связана с непопулярной проблемой отходов, которую мало кто хочет иметь у себя под боком.
Риски
Прошло более трёх десятилетий с тех пор, как советская Украина дала миру представление о том, как может выглядеть наихудший сценарий ядерной аварии. Чернобыльская АЭС, расплавившаяся во время технических испытаний в 1986 году, превратилась в радиоактивные руины на фоне отравленного радиоактивными осадками ландшафта.
Саркофаг над остатками четвёртого блока Чернобыльской АЭС
В 2011 году после землетрясения в Японии произошла авария на атомной станции "Фукусима".
Подобные разрушительные события достаточно редки, чтобы о них можно было писать в шокирующих заголовках. Однако, по некоторым оценкам, такие аварии могут происходить раз в 10-20 лет, что в каждом случае чревато распространением радиоактивных веществ на сотни и даже тысячи километров.
Насколько это может быть опасно? Трудно сказать, это зависит от множества факторов, связанных с плотностью населения, степенью облучения и концентрацией изотопов. По данным Всемирной организации здравоохранения, «перемещённое население Фукусимы страдает от психосоциальных и психических последствий переезда, разрыва социальных связей людей, потерявших жильё и работу, разрыва семейных связей и стигматизации».
Иными словами, речь идёт не только о риске радиоактивности, о котором нам следует беспокоиться.
Тем не менее, привыкнув к воздействию сжигания ископаемого топлива на здоровье человека, мы мало задумываемся о влиянии на него твёрдых частиц, образующихся при сжигании угля. Который сам по себе тоже не совсем свободен от радиоактивных веществ.
Стоимость
Для сравнения затрат на производство электроэнергии исследователи используют так называемую нормированную стоимость энергии, или LCOE [levelized cost of energy]. Это показатель средней себестоимости выработки электроэнергии, рассчитанный на весь срок службы объекта.
Этот показатель зависит от множества факторов, связанных с местоположением и колебаниями поставок ресурсов. Тем не менее, можно получить общее представление о LCOE в мире для сравнения технологий.
Согласно докладу о состоянии атомной энергетики в мире на 2020 год, за десятилетие с 2009 по 2019 год LCOE для атомной энергетики выросла на 26% и составила $155 за мегаватт-час. В то же время угольная снизилась на 2%, до $109.
Солнечная фотоэлектрическая энергетика, напротив, упала почти на 90% и составила всего $41.
Могут ли атомные электростанции спасти мир?
Конечно, новые технологии всегда могут изменить ситуацию. Поиск лучших способов улавливания ядерных отходов может сделать их более безопасными или, по крайней мере, дать общественности уверенность в том, что в будущем они будут представлять меньшую угрозу. Альтернативы изотопам урана могут снять тревогу по поводу расплавов и возможности создания оружия в ядерных программах. Изменение технологий может повлиять на масштабы реакторов или даже полностью повысить их LCOE.
Но, скорее всего, для этого будет уже слишком поздно.
Анализ внедрения атомной и возобновляемой энергетики в более чем ста странах за последние 25 лет показал, что атомная энергетика не достигла таких же результатов по снижению выбросов углерода, как возобновляемая.
Более того, инвестиции в атомную энергетику - это невозвратные затраты, которые затрудняют последующий переход на возобновляемые источники энергии.
Всё это не означает, что ядерной энергетике нет места в будущем производстве энергии. Например, освоение космоса может выиграть от развития технологий ядерного деления. Помимо производства энергии, бесценной отраслью является производство особых изотопов для медицины и научных исследований с использованием деления.
Возможно, она не спасёт нас от климатического кризиса, но ядерная эра даёт другие технологические преимущества, которые останутся с нами надолго.
