4 недели назад
Нету коментариев

На нашей планете полностью можно исполь­зовать лишь то, что превращается в энергию,

А. Эйнштейн

Мы уже упоминали, что первый известный в ис­тории случай отравления человека загрязненным воз­духом относится к 79 г. до н. э. В письме к римскому историку Тациту Плиний-младший писал, как при извержении Везувия задохнулся его дядя, Плиний-старший. Но люди начали страдать от продуктов го­рения — газов, копоти и дыма — гораздо раньше. Ведь человек пользуется огнем уже около 500 тыс. лет, и, надо думать, столько же времени он страдает от твердых и газообразных продуктов несовершенно­го сжигания дерева, угля или мазута и природного газа.

Становясь от столетия к столетию мудрее, чело­век стал бороться и с отрицательными последстви­ями горения. Уже в XVIII в. Абрагам Дерби из Кол­брукдейла (Англия) пришел к мысли, что уголь пе­ред сжиганием нужно прокалить. Таким образом, применив сравнительно простую технологию, он выг­нал из него часть дыма и копоти. А полученный продукт — кокс — с тех пор дает людям больше теп­ла и меньше загрязнителей. Однако стремление че­ловека к познанию не имеет границ. Именно этой безграничности познания мы обязаны тем, что сегод­ня все больше «кормим» тепловые электростанции, металлургические заводы, химические комбинаты и транспорт не углем и коксом, а мазутом и природ­ным газом.

Путь человечества от примитивного сжигания де­рева и угля к сложному окислению высококалорий­ных веществ из топливных смесей, увы, не был от­мечен одними успехами. В 1930 г. от сернистых газов — иного природного происхождения, чем те, что погубили Плиния-старшего,— в долине Маас в Бель­гии погибло сразу 60 человек. Меньше чем через 20 лет те же газы в промышленной агломерации До­нор (США) унесли 70 человеческих жизней. Но дань прогрессу платили не только жители этих двух стран. И Лондон в прошлом был известен как город убий­ственных смогов.

Удары природы заставили человека опомниться. Не только чувство самосохранения, но и разум при­казывали ему бороться с дымом и ядом самым дейст­венным оружием, какое дала нам природа,— силой науки!

Все учебники химии объясняют процесс горения как «…комплекс явлений, возникающих при соеди­нении сжигаемого вещества G кислородом». И еще со школьных лет мы знаем, что если сжигать, напри­мер, углерод, то процессы горения или окисления произведут, с одной стороны, определенное количество твердых и газообразных веществ, а с другой — опре­деленное количество тепловой энергий. Обозначим эту энергию, например, буквой Q. Величина Q при сжигании природных топлив не очень высока. Для производства 1 кВт-ч электроэнергии нужно сжечь в тепловой электростанции больше 0,5 кг угля. Однако, сжигая 0,5 кг угля, мы произведем свыше 1,5 кг газов, золы и токсичных веществ.

На малую экономическую эффективность сжига­ния угля, нефти и природного газа химики и эконо­мисты уже давно обратили внимание. Ведь пригод­ное для химической промышленности топливо явля­ется очень ценным сырьем! Но лишь современные сов­местные работы химиков, врачей, энергетиков и дру­гих специалистов вскрыли и иные противоречия. Только задумайтесь: постоянно растущая потребность в электричестве заставляет нас расширять сеть теп­ловых электростанций в три раза более быстрыми темпами, чем увеличивается само человечество! Учи­тывая высокую концентрацию вредных веществ, обра­зующихся при сжигании природных топлив, мы вынуждены одновременно строить все более дорогое оборудование для защиты здоровья человека и при­роды.

А ведь к человечеству в дверь стучится не только эта проблема. Специалисты ООН подсчитали, что ес­ли мировая потребность в энергии будет и дальше расти такими темпами, как до сих пор, то мы исчер­паем запасы угля через 300, а нефти через непол­ные 70 лет! Но безрадостные перспективы не обес­куражили человека, а заставили задуматься.

В конце прошлого века человечество открыло для себя многие ранее не известные явления приро­ды, в том числе и то, что ядра атомов многих эле­ментов (например, калия, свинца, урана, ртути) рас­падаются сами по себе. При распаде возникают но­вые нестабильные ядра, а также определенная ради­ация. Нестабильные радиоактивные вещества испус­кают невидимые, но очень активные субатомные час­тицы — нейтроны, протоны, позитроны и т. д., кото­рые в наэлектризованном пространстве рассеиваются, собираются и даже изменяются. Все это происходит при одновременном высвобождении энергии, которая до сих пор удерживала ядро.

Между ядром и обращающимися вокруг него электронами должно удерживаться электромагнит­ное равновесие. Поэтому вокруг положительно заря­женного ядра водорода вращается один электрон, а 92 протона в ядре урана удерживают 92 электрона. И именно из-за этого количества субатомных частиц в ядре и вокруг него у атома урана мы считаем уран самым тяжелым естественным элементом. Водород же — самый легкий элемент.

Атомы так малы, что выстроенные в ряд 2 млн. самых больших атомов (например, цезия) протянут­ся менее чем на миллиметр. А если бы мы увеличи­ли атом до размеров пятиэтажного дома, его ядро достигло бы лишь размера горошины.

Элементы с большим числом субатомных частиц в ядре стремятся избавиться от своего притяжения даже ценой превращения в совершенного другой элемент. Уран с атомным весом 238 (то есть с 92 протонами и 136 нейтронами) после 14 изменений превращается в нераспадающийсявариант хорошо известного нам свинца — Рb207.

Естественный распад радиоактивных веществ характерен тем, что длится’ от 1/1000 доли секунды до миллиона лет, причем высвобождается определен­ная энергия Q, которая до этого держала атом и его ядро в равновесии. Если мы расщепим ядро ато­ма урана, то при этом освободится около 200 млн. электронвольт энергии.

В Яхимовских горах, богатых серебром, еще в средние века находили твердую тяжелую породу. Там, где она появлялась, серебро исчезало. Искатели, или добытчики, называли ненавистную руду «неудач­ницей». Не знали они, что в будущем за нее будут платить не только серебром, но и золотом! «Неудач­ница» содержит тяжелый элемент уран. А именно в атомах урана «живет» громадное количество кро­хотных, но очень сильных «муравьев» — ней­тронов.

В 1919 г. новозеландец Эрнест Резерфорд бомбар­дировал двумя протонами и двумя нейтронами ядро атома азота. Он исходил из полученных французским ученым Беккерелем и супругами Кюри данных о ес­тественном распаде и структуре ядра, и поэтому ему с помощью силы в 5 мегаэлектронвольт удалось впервые в истории человечества заставить распадать­ся радиоактивное вещество.

В течение следующих 20 лет были достигнуты новые успехи. Как из волшебной шкатулки, из ядер атомов урана начали «выпрыгивать» уже не только протоны, но и нейтроны. Их исследование показало, что они не только работящие, но и мудрые «муравьи». И этим «муравьям» человек мог доверить ответственные задачи. Например, не только вызвать расщепление ядер, но и руководить искусственно выз­ванной реакцией. «Покорив» нейтроны, человек на­шел возможность и использовать силу атомного му­равейника, и приумножить ее.

Вызванная человеком ядерная реакция обычно ас­социируется со взрывами атомных бомб над Хиро­симой и Нагасаки. Атомная бомба действует следу­ющим образом: из природного урана выделяют уран-235 или плутоний-239, способные хорошо расщеп­ляться. Взятые в количестве, превышающем так на­зываемую критическую массу (около 1 кг), эти эле­менты способны к самопроизвольной цепной реакции деления.

Последствия нам известны, и нет нужды много о них говорить. Энергия, скрытая в ядрах тяжелых элементов, проявляется в ослепительном световом эффекте, взрывная волна сметает все на своем пути, а огонь в миллионы градусов сжигает остальное. Но и это лишь прелюдия. Радиоактивные вещества начи­нают испускать а- и бета-частицы или посылать Y-лучи, которые вместе «набрасываются» на живые организмы, а- и бета-частицы и гама лучи отличаются последствиями своего воздействия. а-Частица — большая из двух сестер — состоит из двух протонов и двух нейтронов. Она поражает ткани на большой площади, однако ее излучение не проникает далеко. Меньшая сестра — (бета-частица — проникает глубже, но она состоит из двух субстанций с короткой жизнью — электрона и позитрона,— а потому она го­раздо меньше ионизирует. гама-Лучипроникают глубо­ко в клетки, создавая радикалы, которые «обогаща­ют» организмы новыми и часто вредными токсичны­ми веществами.

Нейтроны мы назвали мудрыми «муравьями». Од­нако мыслить способен лишь человек. И если человек приказывает своим слугам уничтожать, они ему раб­ски повинуются. Бумеранг последствий поразит, од­нако, самого человека. При ядерных реакциях воз­никают такие радиоактивные изотопы, как цезий, тритий, радиоактивный йод, стронций. Субатомные частицы радиоактивных цезия и трития проникают глубоко в клетки, где продукты их распада оказыва­ют разрушительное действие. Радиоактивный йод проникает в щитовидную железу, а стронций, попа­дая в костные ткани, поражает костный мозг. Орга­низмы, получившие высокую дозу облучения, из­меряемую в рентгенах, погибают. Кратковременные и небольшие облучения вызывают острые и хрониче­ские нарушения жизненных процессов. Разрушитель­ное действие «легионеров смерти», однако, не прекра­щается с отбоем воздушной тревоги. Стронций, цезий и радиоактивный йод на длительное время укрыва­ются в растениях и почве (цезий даже на 30 лет). Растения отдают их травоядным животным, а поч­ва — новым урожаям. Через животных и растения радиоактивные вещества попадают в пищу человека и поражают главным образом молодое поколение, то есть детей тех, кто уцелел от первых взрывов атомных бомб. Цезий и радиоактивный йод посыла­ют гама-лучи, которое, проникая в клетки, нарушают их метаболизм. Радиоактивный йод, как мы уже го­ворили, проникает в щитовидную железу, которая перестает выполнять свои жизненно важные функ­ции, особенно у молодых организмов.

Однако человека прежде всего интересует величи­на Q, то есть удовлетворение постоянно растущей потребности в энергии. А так как более мощной энергии, чем та, которую получают из ядра, у нас пока нет, то мы должны и впредь увеличивать число атомных реакторов, иными словами, повышать интен­сивность и количество ядерного излучения. Ведь только в Чехословакии мы хотим иметь менее чем через 30 лет больше 30 атомных электростанций. Не повергнет ли эта гигантская концентрация ядерного излучения человечества в еще большие катастрофы, чем те, которые происходили прежде? Ведь только в Хиросиме погибло сразу 200 тыс. человек!

С 1954 г., когда в Советском Союзе была пущена в строй первая промышленная атомная электростан­ция, тревога о судьбе человечества в этом смысле исчезла. Социалистический строй впервые в истории показал, что ядерную реакцию можно использовать не для уничтожения, а для созидания. При этом человек не дает нейтронам приказа произвести как можно больше радиоактивных веществ, а напротив, сознательно уменьшает образование нестабильных ядер.

В процессе расщепления высвобождаются нейтро­ны. У тяжелых элементов — два. При этом часть нейтронов захватывается ядрами других элементов, например тория или урана-238. Если добавить в ядерное топливо, состоящее почти исключительно из урана-235 и плутония-239, например торий, то его ядра заставят «безработные» нейтроны, освобожден­ные при расщеплении урана, отдать свою энергию соседям. Более того, тем, что нейтроны удерживают­ся в ядре, они превращают торий в уран-235. Актив­ность нейтронов-организаторов целенаправленно разделилась на производство энергии и на дальнейшее производство топлива. Реакция замедлилась, стала управляемой. Вместо одноразового гигантского выбро­са уничтожительной силы в тепловую систему элек­тростанции поступает столько энергии, сколько нам нужно, так как запас топлива весьма велик.

Если в электростанциях, где тепловая энергия создается за счет окисления ископаемых топлив, то есть там, где реакции проходят лишь в электронной оболочке атомов, мы вынуждены сжигать много ве­ществ, то в ядерных реакторах «работают» не только оболочка, но и ядро атома. Поэтому такие станции потребляют очень мало топлива. Для работы первой промышленной атомной электростанции в СССР до­статочно 13 г урана в день.

Следующий пример: для производства такого ко­личества электроэнергии, которое потребляется за год в ЧССР, нужно сжечь около 32 млн. т угля — «кусок» размером в 250 куб. км! Ту же работу мог бы для нас произвести «кусочек» урана всего лишь в 2 куб. м. Именно в этом самое большое преимущество атом­ных электростанций. Облегчается тяжелый труд гор­няков, исчезают пыль, дым и копоть. Не нужно за­сыпать плодородную землю и нагружать углем длин­ные составы.

Однако не будем излишне оптимистичны. И наши милые работники «показывают свои зубки» уже при добыче урановых руд. В штольнях урановых рудни­ков образуются два очень нестабильных радиоактив­ных газа — родон и торон. Мы вдыхаем их, поэтому излучение этих газов поражает как наружные, так и внутренние ткани. Мы спасаемся от них с помощью вентиляции. Из урановых рудников вытекают и за­грязненные воды. Если такую воду пьют домашние животные, то нестабильные радиоактивные вещества откладываются в их костных тканях, а потом попа­дают и в пищу человека.

Больше всего нестабильных радиоактивных изо­топов возникает в так называемых первичных циклах атомных электростанций, то есть там, где «горит» ядерное топливо. Количество радиоактивных веществ мы обозначаем единицами, называемыми кюри. Об­разование нестабильных радиоактивных веществ равняется одному кюри, если за 1 с происходит 3,7 X 1010 распадов, то есть 37 млрд. распадов в секунду. В ядерном реакторе возникает активность 103 и 109 кюри в секунду. Если бы эти радиоактивные вещества вырвались наружу, то вместе с радиоактив­ными веществами естественного распада и радио­активными веществами возможных отходов атомных электростанций они составили бы «мощное сообще­ство». Они уничтожили бы леса, отравили воду и уро­жаи. Клетки организмов, пораженные концентриро­ванным действием радиоактивных веществ, погибают.

Именно поэтому, прежде чем строить первые атомные установки, были определены твердые стан­дарты и нормы допустимой концентрации радиоактив­ных веществ. Их придерживаются до сих пор, что го­ворит о совершенстве технических мер безопасности при работе с радиоактивными веществами. Но вни­мание! Мы живем в 70-е годы, и в мире действует лишь 75 атомных электростанций. Уже в 2000 г. их будет около 5500. Опасность того, что число «ядер­ных сообществ» будет возрастать, не исчезла. Имен­но поэтому необходимо и дальше совершенствовать технические меры безопасности.

С ростом числа атомных электростанций появит­ся необходимость изолировать их от окружающей среды. В системе атомный реактор — человек — при­рода пока еще не все изучено. Наряду с использова­нием ядра в энергетических целях необходимо тща­тельно измерять степень естественного излучения всюду, где планируется размещение атомных элект­ростанций и создание так называемых замкнутых ох­лаждающих систем, необходимо прослеживать путь радиоактивных веществ через растения и животных к человеку, развивать технику безопасности в рудни­ках и т. д.

Именно чувство ответственности мудрого, а пото­му прозорливого человека заставило человечество задуматься о дальнейшем. Ведь только представьте: к 2000 г. потребление энергии в мире по сравнению с 1965 г. повысится на 250%. Если доля атомных электростанций в производстве электроэнергии в 1965 г. составляла менее 1%, то к 2000 г. она достиг­нет 50%! Но и после 2000 г, потребность в энергии будет расти громадными темпами. Если бы, напри­мер, в 2030—2050 гг. эту потребность мы захотели покрыть исключительно за счет атомных электро­станций, то понадобилось бы пускать в отрой еже­дневно по две такие станции мощностью 1000 МВт.

В далеком будущем может не хватить и атомной энергии. Следует продолжать поиски. А так как к углю и нефти возврата не будет, не исключено, что человечество пойдет по пути совершенствования ядерной энергетики.

Мы уже говорили, что в трудную минуту чело­век всегда черпал вдохновение у природы. Чем умнее становился человек, тем совершеннее перенимал он ее опыт. Ведь и идею ускорения ядерной реакции он нашел в космосе. Высоко над нами субатомные ча­стицы движутся с фантастической скоростью, скры­вающей в себе энергию до 100 млрд. электронвольт. Если бы мы захотели их изучить, то вынуждены бы­ли бы подняться очень высоко. Чтобы сократить этот путь, человечество должно было бы спуститься под землю и построить там протонные синхротроны и синхроциклотроны, в которых ускорился бы ход про­цессов в ядерном ядре. Человек вырвал у приро­ды новую тайну и начал создавать так называе­мые ускоряющие реакторы (ускорители). Но и это не все.

Чтобы уже через 50 лет каждый день не пускать в строй по два реактора, а следовательно, с такой же скоростью не придумывать и не строить при них защитные сооружения, мы обратили свой взор к звездам — небесным телам, которые светятся, то есть излучают гигантское количество энергии, практи­чески не потребляя ее. Они светят одинаково интен­сивно, не уменьшая своего объема, в течение всех тех столетий, что человек наблюдает их.

И человек постепенно подходит к раскрытию «звездной» тайны. По современным представлениям каждая звезда, по-видимому, является гигантским реактором, в котором, однако, происходит не только распад ядер, но и их соединение, синтез. Сложный процесс соединения легких ядер приводит к тому, что создается такое количество и такой энергии, которое способно компенсировать энергию, излучае­мую поверхностью звезды в космическое простран­ство.

Звезда имеет определенный элементарный состав, определенную материю и гравитационные отношения. Под влиянием термоядерных реакций, происходящих в ней, температура от центра к поверхности распре­делена неравномерно. Гравитационные и тепловые соотношения создают условия для определенных ти­пов термоядерных реакций, а также для их времени и интенсивности. Звезда, так же как и реактор, дово­дит свою тепловую мощность до определенного уров­ня, а этому уровню затем соответствуют тепловые от­ношения на поверхности и внутри звезды.

В «реакторе» звезды, по-видимому, происходят термоядерные реакции, которые используют в 10 раз больше внутренней энергии, чем атомные реакции, о которых мы говорили до сих пор. Чтобы понять их, надо вернуться с конца таблицы Менделеева в ее на­чало, поскольку если до сих пор мы занимались яд­рами тяжелых атомов, то теперь обратимся к яд­рам самых легких атомов, особенно водорода и гелия.

Исследования показали, что масса ядра немногим меньше, чем сумма масс ядерных частиц — протонов и нейтронов, из которых состоит ядро. Разница, наз­ванная позднее дефектом массы, у легких элементов больше, чем у тяжелых, потому что, как только час­тицы ядра (нуклоны) соединяются в ядро, освобож­дается их энергия и соответственно уменьшается и масса возникшего ядра.

При термоядерных процессах мы используем энер­гию субатомных частиц и заставляем уже не только ядро отдавать нам часть «деструктивной» силы, ко­торая его ослабляет, но и принуждаем каждую суб­атомную частицу работать так, чтобы она превраща­лась в новую, которая бы уже не разбивала ядра, а способствовала их вечному обновлению.

Основная задача в создании условий для исполь­зования термоядерной энергетики — достигнуть того, чтобы плазма (смесь атомов без электронов), сосре­доточенная и сжатая магнитными полями, удержива­лась в таком состоянии хотя бы около секунды. До сих пор удалось экспериментировать с плазмой лишь сотые доли секунды, Но и это обнадеживает, потому что показывает человеку путь, по которому он будет следовать в своих поисках. Более того, это вселяет надежду, что человек сможет решать свои энергети­ческие проблемы, не задыхаясь в отходах, не спасаясь от распадающихся радиоактивных элементов.

Правда, ядерная энергетика уже вышла из пеленок. Она вступает в пору промышленного использова­ния, а с этим связаны свои проблемы. Одной из та­ких проблем, например, является вопрос, что делать с отработанным ураном, который все еще содержит столько опасных радиоактивных веществ, что спосо­бен нанести серьезный вред многим экологическим системам. Проблема требует своего решения, и, ко­нечно, сегодня нас мало утешает мысль о том, что у термоядерной энергетики такие заботы исчезнут. Единственным ее отходом будет газ гелий, который можно сравнительно легко улавливать и использовать.

Топливо атомных электростанций в отличие от будущих термоядерных после отдачи части энергии на производство электричества не исчерпало своей силы. В специальном оборудовании из него с помо­щью кислот извлекают остатки плутония и урана и некоторые другие продукты. Однако оставшиеся от­ходы на 99% радиоактивны, а поэтому смертельно опасны для живых организмов и природы. И снова встает вопрос: как долго длится эта опасность?

Отходов ядерного топлива пока относительно ма­ло, во всем мире их около 1500 куб. м. Но уже и этот объем причиняет нам немалые заботы. Отходы жид­кие, а потому не только способны отравлять почву и воду, но и неудобны для транспортировки.

Трудность транспортировки последнее время пы­таются устранить введением новой технологии обра­ботки отходов. По новейшей методике жидкие отходы проходят по трубам, в которых к ним добавляется стеклянная пыль, и собираются в бронированных емкостях. Там вместе с пылью отходы плавятся, и превращаются в стекловидную массу, которая по­степенно затвердевает и становится нерастворимой.

Но если вопрос транспортировки практически ре­шен, то проблемы складирования остаются, ибо процессы распада в отходах не прекращаются. Возни­кает значительная тепловая энергия, которая не по­зволяет складировать отходы стабильными пласта­ми — высокая температура и процесс распада дейст­вуют на упаковку и отходы проникают в почву или воду. Проблема до сих пор не решена, если не счи­тать «решением» такие оригинальные предложения, как, например, складывать отходы в виде пирамиды которая должна быть очень высокой, чтобы овева­ющие ее ветры охлаждали отходы. Соперница пира­миде Хеопса!..

Имеются и более серьезные предложения. Отхо­ды рекомендуется складировать в заброшенных соля­ных шахтах. Хотя выделяемое ими тепло и будет действовать на консистенцию соляных слоев, но опас­ность будет минимальной, ибо в соляных слоях нет воды и, следовательно, некому выносить отходы на поверхность.

В западном полушарии отходы еще очень часто сбрасывают в море. Однако соленая вода, тепло и внутренние процессы, происходящие в отходах, через определенное время нарушают структуру упаковки, и радиоактивные вещества проникают в планктон, ко­раллы, в рыбу и… на наш стол.

Так же нереально предложение отправлять отхо­ды атомных электростанций на Луну или другие пла­неты. Разумно ли повышать и без того высокую ра­диоактивность космоса?

Следует на Земле самым серьезным образом за­думаться об эффективном использовании радиоак­тивных отходов. Ведь мы уже заставили служить нам отходы в виде ила. Обработанными отходами целлюлозно-бумажных предприятий мы кормим до­машних животных. Извлеченная из нефти «вредная» сера широко используется для нужд химической про­мышленности и т. д. Подобным образом и «умираю­щие» топливные элементы из атомных электростанций смогут защищать наши сады от насекомых, способ­ствовать затвердению эластичных пластмасс, стерили­зовать продукты и лечить людей. Однако чтобы все это стало возможным, необходимо претворить в жизнь то, чего требовал от нового прогрессивного строя еще Карл Маркс — устранить углубляющийся разрыв между человеком и природой и использовать подчинен­ные человеку силы природы не для уничтожения, а во благо людей, Овладение одной из Сил природы — во­дой — некогда заложило славу Египта. Овладение энергией атомного ядра во много раз повысило эконо­мический потенциал многих стран, особенно тех, где передовой общественный строй создал все условия для того, чтобы интересы человека гармонично сочетались с интересами природы как при использовании ее источников, так и при охране ее репродукционных способностей.

comments powered by HyperComments