Введение: ядерный век
Атомная электростанция в Оскарсхамне, Смаланд, Швеция
Земля взорвалась ядерным веком 16 июля 1945 года. В этот день США испытали совершенно новый вид оружия в пустыне Нью-Мексико.Изготовленная из плутониевой сферы размером с теннисный мяч, бомба Тринити произвела взрыв, эквивалентный 20 000 тонн тротила.
Шестьдесят лет спустя были произведены десятки тысяч тонн плутония и обогащенного урана. Мировой ядерный арсенал насчитывает около 27 000 бомб. Вполне вероятно, что девять стран обладают ядерным оружием, а еще 40 имеют доступ к материалам и технологиям для его производства.
Но ядерные технологии использовались и в мирных целях. Первый ядерный реактор, обеспечивающий электроэнергией национальную сеть, открылся в Англии в 1956 году. Сейчас 442 реактора в 32 странах производят 16% электроэнергии в мире.
Рекламное объявление
Атомная энергетика позиционируется как источник дешевой энергии. Но это было подорвано в конце 20 века громкими авариями на реакторах, проблемами захоронения радиоактивных отходов, конкуренцией со стороны более эффективных источников электроэнергии и неизбежными связями с распространением ядерного оружия. Тем не менее, растущее количество свидетельств глобального потепления заставило некоторых утверждать, что ядерная энергетика — единственный способ вырабатывать энергию без выбросов парниковых газов.
Расщепление атомов
Первые шаги к высвобождению энергии внутри атомного ядра начались в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн установил, что даже крошечные количества массы эквивалентны огромному количеству энергии, с помощью своего уравнения E=mc 2 . В 1938 году немцы Отто Ган и Фриц Штрассман расщепили изначально нестабильные атомы урана, бомбардировав их нейтронами. В следующем году Лиза Мейтнер и Отто Фриш объяснили этот процесс ядерного деления, при котором атомные ядра расщепляются для создания ядер более легких элементов с нейтронами и энергией в качестве побочных продуктов.
В 1941 году США приступили к сверхсекретному Манхэттенскому проекту, в рамках которого разрабатывались бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки в конце Второй мировой войны. Это единственные случаи применения ядерного оружия в бою, хотя было испытано около 2000 случаев.Манхэттенский проект стоил 2 миллиарда долларов, в нем участвовало 175 000 человек, восемь из которых были лауреатами Нобелевской премии по физике. В список входят Роберт Оппенгеймер, Энрико Ферми, Ричард Фейнман, Нильс Бор и Лео Силард.
Уран — самый тяжелый элемент, встречающийся в природе в количествах, превышающих следовые количества, а природные руды содержат два изотопа: U-238 и U-235. Только U-235, который составляет всего 0,7% руды, является делящимся. Таким образом, уран должен быть «обогащен» для удаления U-238 — высокообогащенный оружейный уран может содержать до 90% U-235.
При бомбардировке нейтронами атомы U-235 поглощают их и становятся нестабильными. Они расщепляются, образуя два меньших ядра других элементов и нейтронов. Часть массы преобразуется в энергию в виде гамма-излучения и тепла. Поскольку для запуска деления необходим только один нейтрон, а высвобождаются два или три, может возникнуть цепная реакция. Эта реакция неконтролируема в атомной бомбе, но строго контролируется в ядерном реакторе.
Сбрасывание бомбы
Бомба Хиросимы была сделана из обогащенного урана, спрессованного путем детонации взрывчатых веществ до сверхкритической массы. Бомба Нагасаки была сделана из плутония, который также является делящимся веществом. Плутоний производится в отработанном топливе ядерного реактора путем облучения урана-238. Его можно извлечь для создания оружия.
После 1945 года США разработали мощные разрушительные водородные бомбы. Некоторые из них эквивалентны многим миллионам тонн тротила и производят огромное количество энергии за счет ядерного синтеза. При ядерном синтезе атомные ядра сливаются, образуя более тяжелые элементы. Водородные бомбы используют небольшие взрывы деления для создания огромных температур, необходимых для плавления тяжелых изотопов водорода.
Технологии ядерного оружия были адаптированы для многих военных целей, таких как межконтинентальные ракеты, мощное ядерное оружие, противобункерные бомбы, мини-ядерное оружие, гамма-лучевое оружие, ядерные наземные мины и ракеты ядерной защиты.
Бомбардируя Японию, США начали всемирную гонку вооружений и холодную войну с Советским Союзом. Советы разработали и испытали свою собственную бомбу в 1949 году. Великобритания совершила подвиг в 1952 году, за ней последовала Франция в 1960 году, Китай в 1964 году и совсем недавно Индия и Пакистан в 1998 году.
Широко распространено мнение, что Израиль обладает ядерным оружием, и в 2005 году Северная Корея заявила, что у нее тоже есть ядерное оружие, хотя ни одна из них не проводила испытаний. Ирак и Ливия пытались разработать их в прошлом, а Иран обвиняют в наличии секретной программы создания ядерного оружия.
Остановка пролиферации
В то время как до девяти стран имеют ядерное оружие, 187 других обязались не производить его. В 20 странах, таких как Швейцария, Бразилия, Аргентина, Канада и Южная Африка, когда-то были программы; но как подписавшие Договор о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО) 1968 года впоследствии отказались от них.
ДНЯО был направлен на ограничение распространения атомного оружия и обязывал пять первоначальных ядерных держав делиться ядерными технологиями и материалами для мирных целей — в основном за счет разоружения США и России, договор добился вывода из эксплуатации 38 000 боеголовок с 1986 года.
Однако в 2005 году договор оказался под угрозой. Государства, обладающие ядерным оружием, обвиняются в том, что они не сокращают свои арсеналы и не рассматривают возможность создания новых вооружений, таких как ядерные мини-ядерные снаряды. Иран достиг соглашения с Европой о прекращении деятельности по обогащению урана, но может отказаться от этой сделки.
Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний 1996 года является попыткой ограничить испытательные взрывы и замедлить ядерное вооружение, но Сенат США отказался ратифицировать его в 1999 году.
Контроль над остатками огромного и плохо защищенного ядерного арсенала Советского Союза — еще одна серьезная проблема. «Большая восьмерка» неоднократно обещала миллиарды долларов, чтобы помочь сохранить огромные запасы.
Международное агентство по атомной энергии изо всех сил пытается отслеживать контрабанду и черный рынок ядерных материалов и технологий, и часто высказываются опасения, что террористы приобретут грязную бомбу. Продажа материалов и информации привлекла внимание в 2004 году, когда пакистанский ученый-ядерщик признался в продаже ядерных технологий Ливии, Северной Корее и Пакистану.
Атомы для мира
Производство ядерной энергии было связано с распространением ядерного оружия. На самом деле, первые реакторы промышленного масштаба, построенные в США в 1944 году, были предназначены для производства плутония для оружия, и вырабатываемая энергия тратилась впустую. Первый ядерный реактор, обеспечивающий электричеством национальную сеть, открылся в Колдер-холле в Англии в 1956 году. Сегодня такие страны, как Япония и Франция, используют ядерную энергию для производства до 75% своей энергии.
В отличие от атомного оружия, ядерные реакторы должны жестко контролировать цепную реакцию деления. Для предотвращения неуправляемой реакции стержни СУЗ перемежаются с твэлами из урана или плутония. Стержни управления поглощают нейтроны и могут быть опущены в активную зону реактора для регулирования выходной энергии. Замедляющее вещество, такое как вода или графит, окружает стержни, замедляя нейтроны, испускаемые в результате реакции, и отклоняя их обратно к центру.
Хладагент циркулирует вокруг активной зоны и перекачивается в теплообменник, где вода превращается в пар и приводит в действие турбины, вырабатывающие электроэнергию. Усовершенствованные реакторы с газовым охлаждением, такие как те, что используются в Великобритании, используют в качестве теплоносителя сжатый диоксид углерода. Легководные, тяжеловодные и водо-водяные реакторы используют воду в качестве замедлителя и теплоносителя.
Эти реакторы по своей природе неэффективны, поскольку используют только около 1% энергии, запасенной в урановом топливе. Чтобы преодолеть эту неэффективность и свести к минимуму ядерные отходы, некоторые страны перерабатывают ядерное топливо. Предприятие в Селлафилде в Великобритании является крупнейшим перерабатывающим предприятием в мире, но столкнулось со многими проблемами.
Более совершенные (но менее безопасные) реакторы-размножители используют жидкий металлический натрий в качестве теплоносителя и производят плутониевое топливо. Реакторы-размножители, такие как Superphénix во Франции, Dounreay в Великобритании, Monju в Японии и планируемые реакторы в Индии, могут использовать до 75% энергии, содержащейся в уране. Новые миниатюрные реакторы «Рапид-Л» однажды могут обеспечить электроэнергией даже подвалы многоквартирных домов, а переносные реакторы «на вынос» запланированы на будущее.
Ядерное топливо также использовалось для питания подводных лодок, таких как обреченная российская «Курск»; космические аппараты, такие как «Кассини», «Галилео» и неудавшийся «Марс-96»; и ледоколы, авианосцы и другие корабли. Пентагон даже ненадолго обдумывал идею реактивного самолета с ядерным двигателем.
Становится критическим
Однако несколько громких аварий подорвали доверие общественности к ядерной энергетике. Самая страшная ядерная авария в США произошла в 1979 году, когда вышла из строя система охлаждения на острове Три-Майл в Пенсильвании. Реактор упал, выбросив радиоактивный газ в окружающую среду. Сейчас есть опасения по поводу безопасности других стареющих американских реакторов.
Самая катастрофическая в мире ядерная авария произошла в 1986 году в Чернобыле на Украине. Стержни управления были извлечены из реактора в ходе ошибочных испытаний на безопасность, что привело к расплавлению и мощным взрывам. Высвобожденная радиация непосредственно убила 30 человек и распространилась по северной Европе.
Авария привела к радиационно-индуцированным состояниям, таким как рак щитовидной железы и лейкемия, врожденные дефекты, детская смертность и загрязнение озер и лесов. Три других реактора в Чернобыле снова заработали в 1988 году, но последний окончательно закрылся в 2000 году после того, как западные страны заплатили Украине за его закрытие. Подобные реакторы в Восточной Европе могут быть столь же опасны.
В 1999 году 70 человек подверглись радиационному облучению на японском заводе по переработке урана Токаймура после того, как рабочие добавили в отстойник количество урана, в семь раз превышающее безопасное. Это вызвало неконтролируемую цепную реакцию.На таких объектах, как Виндскейл, Селлафилд, Маяк, Мондзю, Цуруга и Михама, произошло много других опасных или смертельных аварий.
Еще одним серьезным недостатком отрасли являются радиоактивные ядерные отходы, которые остаются опасными на протяжении многих тысяч лет. Правительства рассматривали возможность утилизации его путем переработки; закопать его глубоко под землю, например, в гору Юкка в штате Невада в США; сжечь его; отправка в другие страны; уничтожая его гигантскими лазерами; заключая его в стеклянные блоки и храня на месте на ядерных объектах.
Но были высказаны опасения по поводу возможного затопления хранилищ, тайных мест захоронения и рисков при транспортировке отходов. Очистка выведенных из эксплуатации ядерных объектов также дорога и сложна.
Тем не менее, ядерная энергетика по-прежнему имеет одно преимущество, которое может привести к ее возвращению, — отсутствие выбросов парниковых газов. Некоторые теперь рекламируют это как хороший способ сократить выбросы, связанные с глобальным потеплением. Правительство США уже объявило о планах строительства множества новых атомных электростанций — первых с 1979 года.
