Хрупкий мир. Гэйл Юнг. Новая сила

Хрупкий мир/One world or none, 1946 год

Гэйл Юнг. Новая сила

Возможно, мир и не был знаком с атомными бомбами до Хиросимы, но в течение многих лет он говорил о чем-то под названием "атомная энергия". Часто говорилось, что когда-нибудь человек "откроет энергию атома", и достижение этой цели часто описывалось в художественной литературе. "Освобождённый мир", написанный Гербертом Уэллсом в 1914 году, является именно такой книгой. Однако могут возникнуть некоторые сомнения в уместности его названия в настоящее время. Итак, атомная энергия наконец-то предстает перед миром, который более или менее ожидал ее в течение значительного периода времени. Действительно, как покажет просмотр файлов stunding Science Fiction или какого-либо подобного журнала, реальным ученым еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем они смогут надеяться на такие же подвиги, которые являются обычным делом для их вымышленных братьев-ученых. По сравнению с этими более причудливыми отчетами реальное развитие событий может показаться немного разочаровывающим. В области создания разрушительных бомб новая энергия, по-видимому, пользуется быстрым и безоговорочным успехом, но, будучи широко провозглашенной служанкой человечества, атомная энергетика все еще оставляет желать лучшего.

Цель этой главы - дать некоторое представление об атомной энергии как источнике полезной энергии, хотя на данный момент невозможно дать что-либо похожее на полное обсуждение. Во время войны было мало времени для рассмотрения мирного применения в этой области, и потребуется много работы, прежде чем мы достигнем надлежащих успехов.

Деление как источник энергии

Несколько видов тяжелых ядер, например, уран и плутоний, могут быть подвергнуты процессу деления. Расщепление 1 фунта любого из этих веществ дает энергию, равную той, которая получается при сжигании около 1400 тонн угля или 900 тонн бензина, или при взрыве 13 000 тонн тротила. Согласно правилу Эйнштейна о соотношении массы и энергии, фунт вещества эквивалентен энергии, полученной при сжигании 1,5 миллионов тонн угля. Таким образом, видно, что процесс деления превращает в энергию только 1/1,100 доступной массы; очевидно, что производство атомной энергии все еще является крайне несовершенным делом.

Как объяснялось ранее, при делении ядро атома распадается на две части сопоставимого размера, которые разлетаются с огромной скоростью. Большая часть высвобождаемой энергии переходит в кинетическую энергию этих движущихся фрагментов, и поскольку они замедляются материалом, через который они перемещаются, эта энергия превращается в тепло. Эти фрагменты несут электрический заряд, и если бы их можно было остановить электрическим полем, то энергия могла бы быть получена в электрической форме вместо тепла; это можно представить в теории, но, похоже, что на практике будет получено тепло.

Помимо двух только что рассмотренных крупных фрагментов, взрыв при делении также испускает гамма-лучи и быстрые нейтроны. Из-за отсутствия у них электрического заряда нейтроны могут проходить сквозь большие толщины твердого вещества; таким образом, они представляют собой еще один вид проникающего "излучения" в дополнение к гамма-лучам. Поскольку как нейтроны, так и гамма-лучи опасны для живых тканей, при работе с источником энергии деления необходимо защищать от них обоих. В этом отношении источник деления еще хуже, чем источник радия; каждый из них выделяет несколько процентов своей энергии в виде опасного проникающего излучения, но смешанный характер излучения деления затрудняет борьбу с ним и требует большей толщины экрана. Например, свинец эффективен против гамма-лучей, но нейтроны легко проникают сквозь него; вода хороша против нейтронов, поскольку она замедляет их и делает легко поглощаемыми, но у нее мало останавливающей способности для гамма-лучей. Тонкий легкий экран был бы одним из самых ценных изобретений в области атомной энергетики; к сожалению, этого, похоже, просто нет в планах.

После того, как два "осколка" деления замедляются, они собирают вокруг себя электроны и становятся ядрами двух новых атомов. Эти образующиеся ядра нестабильны и подвергаются последовательным радиоактивным превращениям, в ходе которых они испускают частицы и гамма-лучи так же, как радий; эта радиоактивность угасает очень медленно. Таким образом, хотя реактор деления может быть свободен от радиоактивности при первом запуске, как только он начинает работать, внутри него начинают накапливаться сильно активные остатки деления, что делает необходимым экранирование и охлаждение, даже когда реакция не продолжается.

Энергия атомных установок

Цепная реакция деления демонстрирует поразительный эффект критической массы. Маленький изолированный кусок материала не вступит в реакцию, что бы с ним ни делали. По мере увеличения размера куска он, при условии, что это подходящий материал, в конечном итоге начнет вступать в реакцию. Если добавить больше материала, реакция будет продолжать усиливаться; если материал удалить, реакция уменьшится и прекратится. Очевидно, что требуемый материал должен быть как раз подходящего размера; если он слишком мал, он вообще не будет работать, а если слишком велик, то имеет тенденцию реагировать. Реакцией можно управлять, перемещая небольшой кусочек материала в систему и из нее.

Причина такого поведения кроется в цепном характере реакции. Взрыв одного ядра высвобождает нейтроны, которые удаляются и вызывают взрыв другого ядра где-то в другом месте, и так далее. Не каждый нейтрон, выброшенный при делении, вызывает другое деление. Некоторые из них будут поглощены без всякой пользы, а некоторые исчезнут из системы еще до того, как их вообще захватят. Чем меньше структура, тем больше доля вылетающих нейтронов. Чтобы реакция протекала с постоянной скоростью, структура должна быть достаточно большой, чтобы из N нейтронов, испускаемых при делении, N - 1 нейтрон улетучился или был поглощен, в то время как оставшийся один нейтрон произвел еще одно деление.

Таким образом, реактор не будет работать до тех пор, пока в нем не будет содержаться определенное количество материала. Необходимое количество ценного расщепляющегося материала можно уменьшить с помощью ряда хитростей, но его никогда нельзя сделать очень маленьким. Следовательно, любое представление о том, что двигатель может работать на небольшой капсуле атомного топлива, совершенно беспочвенно.

Один из способов уменьшить количество необходимого расщепляющегося материала - смешать его с легкими атомами, такими как углерод, бериллий или водород, которые замедляют или умеряют скорость быстрых нейтронов и облегчают им возникновение новых делений. В некоторых случаях разница заключается не только в количестве требуемого материала, но и в разнице между ходом цепной реакции и её отсутствием. Таким образом, невозможно провести цепную реакцию только с природным ураном, независимо от того, сколько его имеется в наличии; но реакцию можно провести с использованием природного урана плюс любого из нескольких существующих замедлителей. В первые дни проекта в ходе экспериментальных работ по определению наилучших способов размещения урана в замедлителе было много нагромождений и упаковок материалов; это привело к появлению названия "кучи" для установок цепной реакции, даже если они представляют собой точно спроектированные конструкции.

Атомное топливо, например уран, выделяет тепло внутри себя в правильно сконструированной "куче" без какой-либо потребности в воздухе или каком-либо другом химическом компоненте. Если атомная реакция протекает с высокой скоростью, это тепло необходимо отводить, иначе "куча" расплавится. На плутониевых заводах в Хэнфорде требовался другой продукт реакции, кроме тепла, поэтому тепло уносилось охлаждающими потоками, которые впадали в реку Колумбия. Если тепло требуется для производства электроэнергии, его необходимо сначала извлечь из "кучи", а затем ввести в тепловой двигатель. Очевидно, что атомная энергетика должна будет функционировать с помощью тепловых двигателей более или менее стандартной конструкции; следовательно, нет оснований ожидать каких-либо чудес в плане производительности. Хотя нескольких фунтов урана может быть достаточно для того, чтобы переправить "Куин Мэри" через океан, маловероятно, что это удастся сделать с помощью силовой установки в несколько фунтов.

В большинстве существующих цепных реакторов или "куч" используется природный уран с графитовым замедлителем. Они состоят из больших графитовых блоков, пронизанных равномерно расположенными параллельными отверстиями, в которых сосредоточены несколько меньшие по размеру урановые стержни. Охлаждающие потоки текут по кольцевым каналам вокруг стержней, забирая тепло от стержней и унося его прочь. В "куче" малой мощности в Ок-Ридже, штат Теннесси, используется воздушное охлаждение, а в "куче" большей мощности в Хэнфорде, штат Вашингтон, используется водяное охлаждение; в обоих случаях охлаждающая жидкость забирается из окружающей среды, пропускается через "кучу" и выбрасывается обратно в окружающую среду. В обоих случаях урановые стержни покрыты алюминиевой оболочкой, чтобы охлаждающая жидкость не касалась их, а на заводах в Хэнфорде используется еще один слой алюминия, чтобы вода не попадала на графит.

Некоторые устройства, которые могли бы обеспечить выходную механическую мощность, указаны на следующих эскизах. На рисунке 1 показана очевидная модификация "кучи" ок-риджского типа в газотурбинную установку, поскольку как графит, так и алюминий подвергаются воздействию воздуха при повышенных температурах. Разработка "куч" для эксплуатации при высоких температурах является одной из основных проблем, которые необходимо решить, прежде чем можно будет получить полезную мощность.

Переход на систему замкнутого цикла, как показано на рис. 2, устранил бы проблему "слива дымовой трубы" и позволил бы использовать неокисляющуюся рабочую установку. Поскольку воздух становится радиоактивным при воздействии нейтронов, его необходимо откачивать соответствующим образом, скажем, путем сброса из высокой трубы; а способность трубы безопасно удалять активный воздух может ограничить выходную мощность установки. "Заряженные" линии на чертеже указывают, где воздух активен; видно, что турбина подвергается воздействию радиоактивных веществ и должна работать в таких условиях. Для работы установки необходимо, чтобы "куча" нагревала воздух до достаточно высоких температур; лучше всего существующим "кучам" может помочь гелий; использование гелия также помогает снизить радиоактивность в контуре "кучи". Однако теперь необходим теплообменник, а компрессор сейчас находится в радиоактивной зоне. Показанная схема, конечно, может быть доработана с включением регенераторов, промежуточного охлаждения компрессора и т.д. для повышения эффективности.

Другая возможная схема показана на рис. 3, где теплоноситель "кучи" отдает свое тепло более или менее стандартному котлу электростанции. Поскольку жидкостная электростанция может работать при значительно более низких температурах, чем газотурбинная установка, возможно, при такой компоновке удастся получать электроэнергию без таких высоких температур в "куче".

Современные хэнфордские установки с водяным охлаждением работают при очень низкой температуре. Разработка жидкометаллического теплоносителя, такого как висмут или натрий, позволила бы повысить температуру и получить мощность, как показано на рис. 3. Таким образом, кажется, что мы не так уж и нуждаемся в большем количестве источников энергии.

На самом деле, конечно, нас интересует не только энергия в целом, но и энергия, которая будет работать так, как, когда, где и как мы хотим, чтобы она работала. Солнечный свет, падающий на землю со скоростью более лошадиной силы на квадратный ярд, не поможет человеку сдвинуть камень, если тот не создаст оборудование, с помощью которого он сможет использовать солнечную энергию в работе. Чтобы сдвинуть камень с места с помощью солнечного света, потребовалась бы необычайно дорогая установка на основе зеркал и котлов.

Также возможны устройства, в которых непосредственно из "кучи" испаряется легкая или тяжелая вода для получения пара для электростанции. Среди трудностей в этом случае - необходимость того, чтобы конструкция "кучи" выдерживала давление в котле, и неблагоприятное влияние образования пузырьков на стабильность работы "кучи".

Ресурсы и направления атомной энергии

Было много рассуждений по поводу использования атомной энергии в мирных целях. Были услышаны всевозможные прогнозы и оценки, начиная от нелепого оптимизма и заканчивая, возможно, неоправданным пессимизмом.

Кто-то может спросить, почему так много ажиотажа по поводу нового источника энергии? Мы живем в мире, в котором энергия постоянно расходуется впустую в виде солнечного света, ветров, водопадов, приливов и так далее. При наших нынешних темпах потребления топлива запасов угля хватит на несколько тысяч лет. Это период значительно больше, чем технологическая цивилизация существовала в прошлом, и, если судить по некоторым текущим событиям, значительно больший, чем она может ожидать в будущем. Запасы нефти иссякают, но, похоже, бензин можно производить из угля; также спирт, ежегодно получаемый из природных материалов, можно использовать в качестве жидкого топлива.

Во многом то же самое относится и к другим "бесплатным" источникам энергии; они, как правило, не стоят инвестиций, необходимых для их приведения в действие. Только энергия воды находит сколько-нибудь важное применение в непосредственном производстве электроэнергии.

Такие виды топлива, как уголь и бензин, не являются бесплатными; для их сбора, переработки и транспортировки необходимы рабочая сила и оборудование, и эти расходы включаются в базовую стоимость топлива. После поступления топлива требуется много усилий и оборудования, прежде чем энергия будет получена в желаемой форме, и все это - затраты на использование.

Повседневный пример этих двух видов затрат можно получить, сравнив расходы на содержание семейного автомобиля - амортизацию, кредит, техническое обслуживание, страховку, ремонт, лицензию, аренду гаража и т.д. - с суммой, потраченной на бензин. При эксплуатации коммерческих грузовиков около 0,1 от общего объема расходов приходится на бензин. Другой пример приведен в таблице 1. Видно, что топливо ни в коем случае не является основной частью общей стоимости; бесплатный уголь и бензин были бы очень хороши, но, вероятно, не открыли бы никакой "новой эры", и нам все равно пришлось бы оплачивать большую часть наших счетов за электроэнергию.

Данные о затратах на атомное топливо пока не опубликованы, и никаких энергетических установок разработано не было. Таким образом, невозможно сделать какие-либо значимые оценки того, как общая стоимость (топливо + использование) будет соотноситься со стоимостью других источников энергии.

Возможно, будет интересно отметить довоенные расценки на неочищенный природный уран примерно в 1,80 доллара за фунт; это примерно 2,50 доллара за фунт необогащённого U-235, что эквивалентно затратам угля примерно на 8000 долларов или бензина на 30 000 долларов. Если необходимая обработка, такая как очистка или восстановление до металла или разделение изотопов, не окажется слишком дорогостоящей, уран может составить конкуренцию по стоимости топлива.

Что касается затрат на эксплуатацию, мы можем напомнить, что атомная электростанция включает в себя оборудование, сравнимое с оборудованием обычных паровых или газотурбинных станций, за исключением того, что вместо горелки или камеры сгорания установлена "куча", и её использование осложнено проблемами радиации и защиты. Поэтому сомнительно, что стоимость и техническое обслуживание атомной электростанции могут быть ниже, чем у обычной топливной установки, а на самом деле они могут быть значительно выше.

Средние показатели выработки механической энергии в Соединенных Штатах примерно приведены в таблице 2. Большая часть мощности стационарных электростанций приходится на электроэнергию; около двух третей электроэнергии вырабатывается на станциях сжигания топлива и одна треть - на гидроэлектростанциях.

Атомная энергетика не может конкурировать в важной области автомобилестроения из-за большого веса (десятки тонн) экранирования, необходимого вокруг "кучи", а также из-за больших затрат, связанных с количеством расщепляющегося материала, необходимого для изготовления блока цепной реакции. Большие локомотивы, предположительно, могли бы выдерживать необходимый вес экранирования и могли бы быть спроектированы. Суда и стационарные электростанции представляют собой определенные возможности для использования атомной энергии; разумеется, необходимо учитывать экономию топлива и затраты на установку, а также связанные с этим относительные риски для здоровья и эксплуатации.

Средняя тепловая мощность при использовании минерального топлива приведена в таблице 3. Если бы весь мировой объем был получен только из угля, потребовалось бы около 3 миллиардов тонн в год; это израсходовало бы предполагаемые запасы угля примерно за 2700 лет. Около 0,4% потребления топлива в Соединенных Штатах приходится на производство механической энергии, 0,2 - на отопление в непромышленных целях и 0,4 - на промышленное отопление (только часть энергии, используемой для производства механической энергии, фактически преобразуется в механическую продукцию). Таким образом, значительная часть нашего топлива используется для отопления, а не для выработки электроэнергии. Здания можно было бы отапливать с помощью атомной энергии без высоких температур "куч". И атомные электростанции, если упомянуть об одном приятном достоинстве, не будут выбрасывать никакого дыма в атмосферу.

Особым преимуществом атомной энергетики является небольшой вес самого топлива. Таким образом, после установки станции отопление или электроснабжение могут быть осуществимы в отдаленных районах, где транспортные расходы сделали бы использование обычного тяжелого топлива непрактичным. Возможно, вполне возможно, что страна, не имеющая ресурсов угля или нефти, смогла бы поддерживать энергетическую экономику, основанную на электроэнергии, вырабатываемой на атомных электростанциях. Однако потребуется значительные исследования инженеров, экономистов и других специалистов, прежде чем мы выйдем за рамки простых разговоров на подобные темы. Без ответов на многочисленные подобные вопросы проблема контроля над атомной энергией, скорее всего, останется запутанной; и следует надеяться, что вскоре будет обнародована информация, позволяющая продолжить такие исследования.

Вес топлива также имеет значение в мобильных установках. Если вес угля или нефти, перевозимых судном, превышает вес экранирования, необходимого для работы с атомной энергией, то можно сэкономить общий вес. Корабли с атомными двигателями или, если таковые вообще возможны, самолеты с атомными двигателями должны быть способны преодолевать большие расстояния без дозаправки.

Другим преимуществом атомной энергетики является то, что она не требует кислорода и не выделяет горючих газов; в некоторых случаях это может оправдать значительные трудности при попытке справиться с недостатками. Таким образом, у нас есть возможность функционирования энергетических установок в замкнутых пространствах, под водой на подводных лодках, под землей или, если удастся преодолеть различные трудности, за пределами земной атмосферы на космических кораблях.

В земной коре содержится большое количество урана, но неизвестно, сколько из него будет доступно для использования. Энергия, присутствующая в богатых залежах урана, известных до войны, как указано в таблице 4, ничтожно мала по сравнению с энергией известных месторождений угля; действительно, если бы это были наши общие ресурсы урана, было бы неразумно тратить их на любое использование, для которого могло бы хватить более обильного обычного топлива. Несомненно, сейчас потихоньку ведется всемирная охота за зарытыми сокровищами, какой еще никто не видел.