Автор: Александр Березин
Илон Маск прав: термояд не нужен. Будущее, которого у нас не будет
Сперва констатируем факт: на планете есть серьезный энергетический кризис. Углеродного топлива на ней достаточно, это правда, но оно исчерпаемое и опасное. Даже самое безопасное углеродное топливо — природный газ, убивает по 4000 человек на каждый триллион квт-ч выработанной энергии, что связано с выделением твердых микрочастиц (МКЧ). Уголь убивает много больше — ведь при сгорании он дает больше МКЧ. Именно такие частицы, проникая в легкие в кровь, убивают людей, вызывая поражение дыхательных путей и легких, рак, тромбозы, инфаркты и инсульты, которые все мы принимаем за обычные «болезни, вызванные стрессом». В США от тепловой энергетики умирают десятки тысяч людей в год, а в мире речь идет как минимум о сотнях тысяч погибших ежегодно
До внедрения массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Начиная с 1960-х — полвека, нам обещают невиданные перспективы от использования термоядерной энергии. Килограмм плутония при распаде дает 23,2 миллиона квт-ч тепловой энергии, а килограмм дейтерия и трития в термоядерных реакторах – а 4 раза больше, чем ядерного топлива. К тому же, воды на планете больше, чем ядерного топлива, а 1/6500 всей воды – суть дейтерий, термоядерное топливо. Имеются и другие преимущества термоядерной энергетики. Увы, все эти преимущества, о которых нам рассказывали десятилетия, мягко говоря, не совсем точно описывают ситуацию. Не более, чем похожие рассказы о грядущем переходе на «сплошную солнечную и ветровую энергетику».
1). Начнем с того, что никакого дефицита топлива в ядерной энергетике нет. Напомним — в России уже работает реактор-размножитель; в нем плутоний можно нарабатывать из обычного урана-238, получая на выходе больше делящегося топлива -плутония, чем на входе. Используя реакторы на быстрых нейтронах, даже не добывая урановой руды, человечество сможет покрывать свои энергетические потребности многие столетия. Если же оно еще и руду будет добывать, то в ближайшие десятки тысяч лет о проблеме «нехватки топлива» следует сразу забыть. И это мы даже не затронули тот факт, что урана в морской воде много больше, чем в урановых рудах на суше.
2). Второе преимущество термояда — малый срок опасности его радиоактивных отходов, в действительности не имеет преимущества. Дело в том, что уже существующие реакторы на быстрых нейтронах типа БН-800 позволяют вовлечь в работу 95% всего отработавшего топлива. Планируемый к постройке в Сибири реактор на расплаве солей способен вовлечь в энергетический цикл 99% всего топлива. Остается один-единственный процент, но он состоит из изотопов, которые уже через 500 лет будут иметь радиоактивность на уровне природной урановой руды.
Для обеспечения энергией всей планеты на 500 лет вперед нужно порядка 10 миллионов тонн ядерного топлива. Один процент от этого числа это сто тысяч тонн. В силу высокой плотности ядерного топлива, это всего несколько тысяч кубометров. Если все их собрать в одном месте, то получится куб со стороной менее 20 метров. Речь идет о крайне малом объеме, который легко можно хранить прямо на открытых площадках, работающих АЭС, как это, собственно, и делается с радиоактивными отходами сегодня, в прочных контейнерах. Кроме того, такие отходы можно использовать в качестве изотопных источников для производства электроэнергии и тепла.
А вот отходы термоядерной энергетики, хотя и меньшие по массе, но радикально менее плотные. Поэтому, несмотря на меньший срок хранения, 150 лет, места на открытых площадках они займут примерно столько же, сколько и отходы ядерных реакторов.
3). Насчет большей безопасности термоядерных реакторов. Это утверждение по существу верное, но опять есть нюанс. Дело в том, что в современных атомных реакторах тоже не может быть никакого серьезного неконтролируемого разгона просто в силу законов физики. В обычном серийном реакторе замедлителем нейтронов и охладителем является вода. При перегреве реактора она закипит, резко теряя плотность; при этом замедление нейтронов падает, и реакция деления автоматически резко тормозится. В реакторе на быстрых нейтронах замедлителя нет, хотя небольшую часть нейтронов захватывает натриевый теплоноситель. Но и он при нагреве резко теряет плотность и меняет тем самым нейтронные свойства внутри реактора, проводя к торможению процесса.
4). Ключевая проблема термояда заключается в том, что он экономически не может конкурировать с атомной энергетикой. Дело в том, что для слияния ядер атомов им нужно преодолеть кулоновский барьер. В центре Солнца это происходит при температуре в десятки миллионов градусов и огромном давлении. В термоядерном реакторе такого давления нет и его нужно компенсировать дополнительным нагревом — минимум до ста миллионов градусов. Чтобы нагреть дейтериево-тритиевую плазму до таких температур необходим ее удержание сильнейшим магнитным полем. Если плазму не удержать в центре вакуумной камеры, то она прожжет любой материал. А вакуум нужен для того, чтобы молекулы воздуха и других посторонних веществ не заглушили дейтериево-тритиевую плазму.
Так вот: магнитная ловушка такого типа требует построения больших сверхмощных магнитов, сделанных из сверхпроводящих материалов и охлаждаемых жидким гелием. Установка такого удержания фантастически сложная и очень трудоемкая. По этой причине и ряда других экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР стоит 25 миллиардов евро. Это цена шести гигаваттных реакторов Росатома — с годовой выработкой в полсотни миллиардов киловатт-часов. Что, напомним, равно одной двадцатой энергопотребления такой страны, как Россия. А вот мощность ИТЭР составляет лишь 500 «тепловых» мегаватт. Причем реактор экспериментальный — он не может выдать энергию постоянно, а только во время коротких импульсов. Да и энергозатраты такого реактора в режиме нагрева могут превышать 700 мегаватт — больше, чем энергетическая отдача.
Представим себе, что все проблемы термоядерных реакторов решены, они держат плазму постоянно и не затрачивают на ее разогрев вообще нисколько энергии. Может быть, термояд станет конкурентоспособным хотя бы тогда? Увы, нет. При существующих и перспективных типах ректоров это просто невозможно. Возьмем тот же ИТЭР. Этот реактор высотой 30 метров и диаметром 30 метров, а его мощность всего 500 тепловых мегаватт в импульсе. Обычный атомный реактор БН-800 имеет высоту активной зоны меньше метра, а диаметр порядка 2,5 метра. При этом его постоянная, а не импульсная тепловая мощность — более 2000 мегаватт. Кстати, будущие термоядерные реакторы будут еще крупнее ИТЭР. Ясно, что здание вокруг ИТЭР (и его преемников) нужно радикально крупнее и дороже, чем вокруг БН-800 (и это так и есть на практике). Кроме того, в стоимость термоядерного реактора надо включить большую вакуумную камеру (в которой атомный реактор не нуждается). И огромный набор сверхпроводящих магнитов с охлажденным жидким гелием. Легко понять, что при их учете экономически сравнивать термоядерные и ядерные электростанции довольно сложно.
Больше всего влияют на стоимость капиталовложения при строительстве —они для термоядерных реакторов намного выше, чем для атомных — и останутся выше во всем обозримом будущем. Причина — все в той же физике. Чтобы запустить атомный реактор, достаточно просто сблизить контейнеры с плутонием-239 или ураном-235. Нейтроны, которые их атомы испускают спонтанно, сами запустят цепную реакцию деления ядер. А чтобы запустить термоядерный нужна многометровая вакуумная камера и нагрев плазмы до сотен миллионов градусов в ее центре. Нет никаких способов, которые бы позволили такому сооружению иметь ту же стоимость, что и стоимость небольшой (2 х 1 м) камеры атомного реактора безо всякого вакуума, и с температурами заведомо ниже одной тысячи градусов.
Следует пояснить: ИТЭР замечательный, но очень дорогостоящий научный проект. Его цель не производство энергии, а получение научных знаний о высокотемпературной плазме, что рано или поздно может пригодиться и в совсем иных областях. Просто не стоит ждать от него будущего энергетического изобилия — термоядерный реактор не пособен производить энергию по низким ценам.
Что же получается — из энергетического тупика нет выхода? Например, Илон Маск считает, что нужды в термоядерном реакторе нет еще и потому, что в небе уже горит один такой – Солнце, и достаточно собирать его энергию. Однако, к сожалению, солнечная энергетика не может стать главным источником мировой энергии. Мы не раз в деталях описывали, почему ветровая и солнечная энергетика не смогут заменить энергетику углеродную. Для развитых стран это невозможно чисто технически, даже если вы оснастите их огромным количеством накопителей электроэнергии. Ведь и США, и ЕС, и почти все развитые страны мира находятся в тех частях земного шара, где зимняя выработка солнечных электростанций в разы ниже, чем летняя. Запасти энергию на полгода вперед нельзя: нужный объем аккумуляторов для США будет стоить столько же, сколько их годовой ВВП. Ветряки не смогут справиться с той же задачей из-за долгих морозных антициклонов, когда их выработка может упасть вообще до нуля.
Отдельно мы рассматривали и вопрос о том, почему водородная энергетика не в состоянии решить этот вопрос накоплением водорода, выработанного летом (и в период сильного ветра), и расходом этого водорода зимой. Если коротко: такой «зеленый водород» выходит настолько дорогим, что попытка его массового использования торпедирует даже самую сильную экономику.
Взглянем на ситуацию трезво: сегодняшний мир не только основан на углеродной энергетике, но и делает все, чтобы остаться основанным на ней в будущем. Каждый политик и каждый эколог, который выступает за полное замещение ТЭС ветряками и солнечными батареями, на деле выступает за вечную зависимость от ТЭС. Все дело в том, что мы очертили выше: ветряки и солнечные электростанции имеют нестабильную выработку, которая меньше всего в безветренные зимние морозные дни. Чем больше вы введете в строй ВЭС и СЭС — тем больше вы будете зависеть от электричества ТЭС зимой.
Атомные электростанции производят энергию по цене незначительно выше тепловых даже в России, где цены на газ намного ниже, чем в Азии, и несколько ниже средних для Европы. Еще в СССР было начато строительство АЭС, обеспечивающих не электричеством, а теплом — при том, что именно на тепло приходится основная часть энергетических трат нашей цивилизации. Более того: из исторического опыта известно, что скорость ввода АЭС может быть огромной, в разы выше скорости ввода солнечных электростанций и ветряков. Франция и Швеция без малейшего перенапряжения экономики в 1980-х вводили в строй так много АЭС, что каждый год добавляли по 440-630 киловатт-часов «атомного» электричества на душу своего населения.
Современные развитые страны потребляют примерно по 9 тысяч киловатт-часов на душу (в России, конечно, меньше — только 7 тысяч на душу). Значит, чтобы заместить углеродную энергетику современной развитой страны атомом, нужно 15-20 лет (за 15 справилась бы Швеция, за 20 — Франция). По историческим меркам — это почти мгновенное замещение. Точно ясно, что солнечная и ветровая генерации таких темпов обеспечить не могут. В 2020 году ввели 113 гигаватт ВЭС и 178 гигаватт СЭС. Их общая выработка в год — примерно 480 миллиардов квт-ч. Это значит, что СЭС и ВЭС за прошлый год добавили лишь по 60 квт-ч выработки на душу населения на нашей планете, что в десять раз меньше, чем в Швеции 80-х, или в семь раз меньше, чем во Франции 80-х. На самом деле реальная ситуация еще хуже.
Дело в том, что АЭС работает полвека на одинаковой мощности. Фактически, их мощность часто наращивают после пуска за счет теплотехнической оптимизации, но мы даже опустим этот момент. А вот ветряк через 25 лет службы надо менять. Солнечная батарея за счет деградации теряет 0,5% мощности в год — то есть через полвека ее выработка упадет на четверть. Потом ее поменяют, потому что смысла терпеть снижения выработки уже не будет. Если бы вместо этих солнечных и ветровых электростанций в 2020 году ввели АЭС с выработкой в 480 миллиардов киловатт-часов (60 киловатт-часов на душу населения планеты), то за 50 лет эти АЭС выработали бы 24 триллиона киловатт-часов. Введенные же в реальности СЭС и ВЭС за жизни выработают — с учетом их меньшего срока службы — менее 15 триллионов киловатт-часов.
Даже если мы будем строить СЭС и ВЭС в темпе 2020 года, то на практике мы не сможем заменить углеродную энергетику вообще никогда. Потому что через 25 лет введенные сегодня ветряки надо будет менять. А генерация солнечных батарей, введенных сегодня, через 25 лет уменьшится на 1/8. При сегодняшних темпах «обезуглероживания» мы будем как Алиса в Зазеркалье — все время бежать изо всех сил, просто чтобы оставаться на месте.
Кроме того, надо учитывать, что утилизация пропеллеров ветряков и солнечных батарей представляет из себя острую и дорогостоящую проблему.
Почему современные экологи и политики умалчивают об этих фактах? Ответ на этот вопрос очень прост: они и сами не имеют о них ни малейшего представления. Ситуации такого рода случаются постоянно. Один ученый, столкнувшийся с подобным, описал ее так: «Люди часто думают, что политические решения основаны на неких научных открытиях или экспертных знаниях. Но в реальности, те, кто формируют политические решения, часто принимают их только потому, что те кажутся им «приятными на слух».
Учитывая политическую конъектуру можно легко спрогнозировать будущее мировой энергетики. Политики и экологи будут триумфально рассказывать нам об успехах зеленой генерации еще не один десяток лет. Все это время основная часть энергии на планете будет получаться так же, как и сегодня: сжиганием углеродного топлива. Каждое следующее поколение политиков и экологов будет говорить, что их предшественники были недостаточно решительны, — и обещать «углубить, расширить, и перестроить». Каждое из этих поколений не сможет этого сделать, потому что оно никогда не пробовало само посчитать, почему на самом деле их предшественники так и не смогли добиться «зеленого перехода». А мы и дальше будем расходовать исчерпаемое топливо пока не исчерпаем до конца, вдыхать продукты сгорания ископаемого топлива и умирать от этого сотнями тысяч в год.
Иллюстрация: Термоядерная реакция — презентация онлайн
ppt-online.org
Илон Маск прав: термояд не нужен. Будущее, которого у нас не будет
Подготовил к печати проф. М.Иоелович.
