Будем ли мы летать на атомобилях, носить в кармане АЭС и оставлять в наследство прапраправнукам работающие ядерные батарейки?
На атомной заправке остановился атомобиль. Робот быстро открыл технологический отсек для проверки двигателя. Энергии в реакторе почти не осталось, поэтому робот ловко вытащил его, взял с полки другой и вставил в машину. На всё ушло не более минуты. Водитель выбрал на планшете режим полёта — и машина оторвалась от земли. Опаздывать нельзя: к его атомолёту уже прикрепляют модуль с ядерным реактором. Проверил сумку — всё на месте: генератор на изотопах, который заменит устаревшую электростанцию в его родном посёлке, и новые пальчиковые батарейки с плутонием для холодильной установки. Радио передавало последние новости: атомный космический корабль совершил посадку на Марсе — дорога от Земли заняла всего месяц…
Что это — просто фантастика или наше реальное будущее, где все привычные нам предметы, от кофеварок и ноутбуков до машин и поездов, работают на атомном топливе? В этом «Луч» разбирался вместе с доктором физико-математических наук, профессором Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ «МИФИ» Владимиром Решетовым.
Урановая «Волга»
Автомобиль, который ездит на ядерной энергии, пробовали создать ещё в конце 1950-х годов, вдохновившись успехами с атомными подлодкой и ледоколом.
В США решили начать с уменьшенной копии ядерной установки первой в мире атомной подлодки «Наутилус». Однако авто, которое назвали Ford Nucleon, получалось огромным — помимо самого реактора, в него должны были помещаться турбины и парогенератор для охлаждения. Оставшегося места едва хватало для водителя и одного пассажира. В итоге проект закрыли на стадии макета. Через пять лет к нему попытались вернуться, но безуспешно.
Советским учёным удалось добиться большего. Автомобильное конструкторское бюро под руководством Александра Камнева смогло сконструировать небольшой двигатель: в цилиндрах, заполненных гелием, разместили шайбы из урана-235 и поглотители, чтобы гасить цепную реакцию. При ходе сжатия массы урана сближались, нейроны начинали быстро размножаться, выделяющееся тепло разогревало гелий — газ расширялся и толкал поршень, за счёт этого машина двигалась. В 1965-м «Волгу-Атом» успешно испытали на полигоне. Но через год власть в стране сменилась, зелёный свет дали другим проектам, а про атомобиль благополучно забыли.
Потерпела неудачу и первая попытка создать в СССР передвижную АЭС — энергосамоход — для доставки электричества в самые отдалённые районы Севера и Сибири «своим ходом». На удлинённую платформу танка Т-10 прикрепили реактор, погружённый в воду. Вода, превращаясь в пар, раскручивала турбину. Однако передвигалась мобильная АЭС очень плохо — только на разворот требовалось несколько часов. На ходу она не работала. Применение ей не нашли и об идее забыли.
В 2009 году американский дизайнер Лорен Кулесус представил 24-колёсный концепт-кар Cadillac World Thorium Fuel с двигателями на слаборадиоактивном тории, но после презентации о нём больше ничего не слышно. Тем не менее учёные считают, что открытие всё новых и новых технологий в итоге позволит создать машины с атомным двигателем, и продолжают вести разработки в этом направлении.
Но зачем нам это нужно, если на других видах топлива и так всё хорошо работает? Ответ: ради колоссальной энергоотдачи. «Во времена Дарвина физики не понимали, как Солнце может гореть миллиарды лет. Оно же в основном состоит из чистого водорода, погорит 10 миллионов лет максимум и погаснет, — говорит Владимир Решетов. — В том числе поэтому теорию происхождения человека не признавали — откуда взять миллиард лет, нужный эволюции, чтобы получился человек? В обычной химической реакции в среднем выделяется один электронвольт энергии на один атом, а в ядерных — 200 мегаэлектронвольт, то есть в десятки миллионов раз больше энергии. Для сравнения: вы можете зажечь один миллион костров — или же только один, который будет гореть как этот миллион. В атомах заложен такой кладезь энергии, что маленькая таблетка урана эквивалентна целому вагону угля».
СПРАВКА
Как «добывается» ядерная энергия? Вспомним школьные уроки физики: в ядре атома находятся протоны и нейтроны, на орбиталях вокруг ядра — электроны. Протоны заряжены положительно, электроны — отрицательно, а нейтроны вообще не имеют заряда. Количество электронов определяет конфигурацию электронных оболочек, а вместе с ней и химические свойства атомов. Протонов в атоме столько же, сколько и электронов — атом электрически нейтрален. А вот количество нейтронов в атомах одного и того же элемента может быть разным. Атомы с одинаковым зарядом ядра, но разным количеством нейтронов называются изотопами.
В химических реакциях ядра атомов остаются неизменными — перестраиваются лишь электронные оболочки. В ядерных реакциях преобразуются атомные ядра, и это совершенно другой масштаб энергий. Ядра некоторых изотопов нестабильны — они-то и являются основой для атомного топлива. В одной из разновидностей ядерных реакций при делении ядра радиоактивного элемента (урана, плутония и т. д.) испускаются нейтроны, которые врезаются в другие ядра, раскалывая их на части и выбивая новые нейтроны. Так запускается цепная ядерная реакция, в ходе которой выделяется большое количество энергии. Научившись управлять этой реакцией, мы сумели создать атомные электростанции. И вот уже многие десятилетия специалисты пытаются поместить ядерные реакции в предметы малых размеров, чтобы мы могли использовать их в быту.
Помимо ядерных реакций деления, в которых крупное и тяжёлое ядро распадается на более мелкие осколки, есть ещё реакции синтеза, в которых лёгкие ядра сливаются в более крупные. Именно такая реакция происходит на Солнце, обеспечивая всю нашу планету энергией вот уже почти 5 миллиардов лет. Реакции этого типа мы пока не сумели поставить под контроль, но в этом направлении ведётся активная работа, итогом которой станет появление термоядерного реактора.
Что может проработать больше 1000 лет?
В июле 2023 года российские учёные из Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ «МИФИ» заявили о том, что создали прототип атомной батареи. Она занимает немного места, может работать без подзарядки 80 лет, а её мощность достигает 500 ватт. Мощности одной такой батарейки достаточно, чтобы все эти годы бесперебойно работали шесть ноутбуков или один холодильник. Или же вы сможете всю жизнь смотреть любимые фильмы на LCD-телевизоре с диагональю экрана 32 дюйма. Для сравнения: мощность реакторов современных атомных подлодок составляет 190 мегаватт (миллионов ватт), а авианосцев — около 700 мегаватт. В серийное производство батарею надеются запустить уже через пять-шесть лет.
Это не первая попытка такого рода: в 2020 году американский стартап Nano Diamond Battery представил прототип бета-гальванической батареи, способной вырабатывать энергию более тысячи лет. В корпус из синтетических алмазов помещается радиоактивная сердцевина — углерод-14 из ядерных отходов, бета-излучение которого преобразуется в электрический ток. Стартап обещает в скором времени представить батареи привычных нам размеров — АА, AAA, 18650, CR2032 и других.
Специалисты из Технологического института сверхтвёрдых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ), МФТИ, МИСиС и НПО «Луч» ещё в 2016 году разработали аналогичную батарейку на никеле-63. Период полураспада этого изотопа составляет 100 лет. Но производители пока не торопятся запускать новинку в производство: никель-63 стоит около 4000 долларов за грамм, так что батарейка выходит слишком дорогой.
«Неспециалисты часто думают, что в атомной батарейке размещается крошечный атомный реактор. Нет, сегодняшние технологии этого пока не позволяют, — поясняет Владимир Решетов. — Все источники атомной энергии делятся на два типа: в одном случае мы искусственно создаём реакцию деления радиоактивного вещества, в другом это происходит естественно».
Первый тип используется в ядерных установках. Мы искусственно заставляем уран делиться с нужной нам скоростью, в результате в атомном реакторе одна заправка ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов) горит год. Поскольку использование оружейного высокообогащённого урана запрещено Договором о нераспространении ядерного оружия о нераспространении ядерного оружия, в атомных реакторах находится низкообогащённый уран. А значит, для поддержания цепной реакции реактор физически не может быть меньше некоторого объёма. В батарейках используется второй тип: в них размещают вещество, которое самостоятельно делится и выделяет энергию. Зная, в течение какого срока будет распадаться это вещество, мы можем примерно спрогнозировать, как долго проработает элемент питания.
Сколько лет динозавру и планете Земля?
На самом деле энергия атомных ядер уже вовсю используется во многих отраслях экономики — и это не только АЭС, атомоходы и подлодки.
Например, для космоса делают радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), которые питают спутники и зонды. В 2022 году NASA заключило контракты с тремя компаниями на разработку проектов более мощных ядерных энергетических систем, которые можно будет использовать на Луне и на Марсе. Ядерная медицина помогает выявлять раковые опухоли и метастазы, а также избавляться от них. Радиоактивными препаратами лечат ряд кардиологических и неврологических заболеваний. С помощью радиоуглеродного анализа по содержанию углерода-14 можно определять возраст древних органических объектов — например, останков динозавров или мамонтов. А пропорции изотопов урана позволяют установить, сколько лет звезде или планете (оказывается, Земле 4,6 миллиарда лет).
Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединённых Наций совместно с МАГАТЭ разрабатывает проекты по увеличению продовольственных ресурсов, чтобы справиться с голодом на планете, и ядерные технологии вносят в это свой вклад. Некоторые изотопы помогают растениям извлекать максимум из удобрений — в результате урожаи растут, еды становится больше. А ионное излучение атомов используют при создании новых видов трансгенных продуктов.
Ядерная энергия борется с вредителями на сельскохозяйственных полях и даже используется для уничтожения бактерий, которые встречаются, например, на мясе или овощах, — так продлевают жизнь скоропортящихся продуктов. Тепло из ядерных реакторов позволяет справляться с недостатком пресной воды — с его помощью можно опреснять морскую воду.
Не теряет темпов и энергетика: три года назад в городе Певеке Чукотского АО ввели в эксплуатацию первую плавучую атомную теплоэлектростанцию (ПАТЭС) «Академик Ломоносов». Она стала самой северной атомной электростанцией в мире. «Академик Ломоносов» оснащён двумя реакторными установками КЛТ-40С, которые дают 70 мегаватт электроэнергии в час. Этого хватит, например, на город, в котором проживает около 100 000 человек. Похожие установки уже заказали для проекта по добыче меди на месторождении Песчанка Баимского ГОК на Чукотке.
Зелёный атом
В последние годы много говорилось о создании новых источников энергии, которые смогут заменить классические, но сейчас всё идёт к тому, что этим заменителем может стать «придуманная» ещё 60 лет назад атомная энергетика. И дело тут не только в том, что запасы угля, нефти и газа небезграничны. В мире повсеместно ужесточается экологическое законодательство, так что использование ресурсов с высоким углеродным следом, то есть наносящее вред природе, с каждым годом становится всё дороже. В этом отношении атомная энергия по праву может быть названа зелёной: она меньше загрязняет окружающую среду углеродом в сравнении с привычными источниками энергии и при этом с развитием технологий лишь дешевеет.
Экологичность ядерной энергии привлекает многие сферы экономики. Недавно Международная морская организация поставила задачу через 30 лет вдвое сократить выбросы парниковых газов от судоходства. И тогда исследователи из разных стран вернулись к разработке атомных торговых судов, хотя в 1950-х годах такие проекты были признаны «нецелесообразными». При этом корабли с ядерными двигателями могут быть в полтора раза быстрее обычных за счёт меньшей массы топлива и большей энергоотдачи!
Атомным технологиям по инерции ставят в вину ненадёжность, однако современные атомные реакторы безопасны. «Вероятность аварии, которая может привести к тяжёлым последствиям и потребовать выселения людей на безопасные территории, для современных российских АЭС составляет всего десять в минус пятой степени в год, — говорит Владимир Решетов. — Умножаем на тысячу реакторов, получаем десять в минус второй степени — то есть 1%. Умножаем на сто лет — примерно на такой срок рассчитана АЭС. Получается, что вероятность аварии на всех земных АЭС вместе взятых — один раз в 100 лет. Причём авария — это что угодно, включая падение метеорита, так что её, скорее всего, вообще не будет».
Сейчас на современных атомных предприятиях стремятся применять замкнутый ядерный топливный цикл (это весь производственный процесс от добычи топлива до переработки радиоактивных отходов) — ЗЯТЦ: отработанное топливо перерабатывают так, чтобы снова «отправить в дело». В результате радикально сокращается количество ядерных отходов, которые нужно захоронить. Специалисты надеются в скором времени сделать весь этот процесс вообще безотходным. Так, исследователи из российского проекта «Прорыв» спроектировали реактор БРЕСТ-ОД-300, который почти не расходует топливо и способен «подпитывать» сам себя ураном-238. И это можно назвать прорывом. Природный уран состоит в основном из трёх изотопов: 238, 235 и 234. Последнего в природе микроскопически мало. Первого много — чуть более 99%. Второго — около 0,7%. 238-й распадается медленнее остальных, поэтому их процентное соотношение всё время меняется в его пользу. До недавних пор в работе атомных реакторов использовали редкий и потому дорогостоящий уран-235 — он активнее распадается и поддерживает цепную реакцию. Комплекс с реактором на уране-238 строят в Северске и обещают запустить уже в 2026 году.
Скоро полетим на Юпитер
Что ещё ждёт нас в ближайшем будущем?
Летом 2024 года должны достроить проект ядерного буксира «Зевс» для «Роскосмоса», а его отправка на орбиту запланирована на 2030-й. На этом буксире будут доставлять на Юпитер или Марс грузы массой до 10 тонн. Сейчас на эти планеты можно забросить не более 2 тонн. Полёт до Юпитера займёт всего полтора года. «Зевс» будет работать на маршевых ионных двигателях, которые относятся к типу электрических ракетных двигателей. Им нужно большое количество электроэнергии — и её обеспечит установленный на буксире ядерный реактор мегаваттной мощности.
Небольшие плавучие АЭС разрабатываются в Южной Корее компанией Samsung Heavy Industries, которая вместе с датским разработчиком компактных реакторов на расплавах солей (CSMR) Seaborg начала строить надводную атомную электростанцию. Ожидается, что она будет значительно меньше нашей плавучей атомной станции «Академик Ломоносов».
Кстати, на основе реактора «Ломоносов» в нижегородском ОКБМ имени Африкантова придумали новое поколение реакторов для малой атомной энергетики. Это позволит создавать модульные АЭС, которые можно легко перевозить по миру, чтобы на месте быстро, как из конструктора, собирать атомную установку нужной мощности.
«Атомная энергетика малой мощности, о которой многие говорят в последнее время, пока что не такая уж маленькая по размерам, — делится Владимир Решетов. — Но технологии в этом направлении развиваются. Вполне вероятно, что уже в скором времени все корабли, электровозы, танкеры, самолёты будут работать на атомных реакторах».
Почему атомные технологии нельзя использовать в быту уже сегодня? На самом деле можно — просто пока нерентабельно. Даже небольшая установка выделяет порядка десяти мегаватт электрической энергии. Этого хватит, чтобы полностью закрыть потребности в тепле и электричестве поселения на тысячу домов. Да, им может пользоваться и меньшее количество людей — но куда девать выработанную энергию? Она просто будет уходить, что называется, в воздух. В результате КПД такой установки будет совсем низким, а энергия — дорогостоящей.
«Возьмём, к примеру, смартфон. Он потребляет один ватт в режиме передатчика, когда пользуешься интернетом, а в режиме сна и того меньше — милливатты, — объясняет Владимир Решетов. — Чисто теоретически в корпус телефона можно встроить атомную батарейку на алмазных полупроводниковых диодах и никеле, но тогда цена на этот смартфон взлетит в десятки тысяч раз».
Всё дело в том, что изотопов, которые нужны для источников атомной энергии, в природе не существует в готовом виде. Их нужно разрабатывать — выделять, очищать, обогащать. Их нельзя «отщипнуть» от большого атомного реактора — там замкнутая система, которая даёт только тепло. А производителей изотопов в мире пока ещё слишком мало. Один из них — российский Научно-исследовательский институт атомных реакторов в Димитровграде. Однако с ростом числа подобных предприятий топливо будет дешеветь, а технологии — развиваться всё активнее.
Мир станет другим
«За атомной энергией будущее. Посмотрите на Крайний Север и у нас, и в Канаде, где активно используются ядерные технологии, — рассказывает Владимир Решетов. — Там всё прекрасно работает, там уже снег белый, а не чёрный, каким был ещё совсем недавно. Если развивать это направление и дальше, то вся инфраструктура Севера изменится: в теплицах будут выращивать овощи и фрукты. АЭС в Обнинске остановили ещё в 2002 году, а она до недавних пор обогревала весь город — столько тепла выделяла даже отключённая станция».
Как же в отдалённом будущем может ещё измениться наш мир благодаря атомной энергии? Что можно ждать? О чём мечтать? Вот набросок крупными штрихами.
- Реакторы со временем станут достаточно миниатюрными — исследователи не прекращают работу над созданием маленьких атомных реакторов, которые можно использовать в обыденной жизни: в автомобилях и бытовой технике, на даче и на работе.
- Могут появиться модульные самолёты на атомных «батарейках»: пока одни пассажиры выходят, а другие заходят, от самолёта «отстёгивают» ядерный модуль, чтобы отправить его на «дозаправку», и заменяют другим, «заправленным».
- Будут созданы автомобили, работающие по такому же принципу. Но ещё раньше, вероятно, мы начнём ездить на электромобилях, которые будут за две-три минуты полностью заряжаться на атомной зарядной станции.
- Появятся огромные круизные дирижабли на атомном топливе — они будут совершать кругосветные путешествия, останавливаясь в определённых местах.
- На каждом шагу установят небольшие атомные зарядные станции, где можно будет почти мгновенно подзарядить самокат, велосипед, мотоцикл.
- Промышленные и бытовые печи благодаря ядерным реакторам будут разогреваться до нужной температуры за считанные секунды.
- Мы начнём летать на удалённые планеты Солнечной системы и строить там города.
«В теории можно ждать колоссального прорыва, когда мы разработаем новый тип реактора — термоядерный. В нашей стране этим занимается “Проектный центр ИТЭР”, — резюмирует Владимир Решетов. — Если у нас всё получится, то чисто теоретически термоядерные реакторы мы сможем сделать сколь угодно маленькими. Это позволит использовать их везде — хоть для обогрева огромного города, хоть для работы крохотного гаджета».
И тогда мир просто станет другим.
