# Ториевая革命: спасет ли мир новая ядерная энергия? Источник: https://www.youtube.com/watch?v=ElulEJruhRQ Канал: PBS Space Time Опубликовано: 01.07.2019 --- В 1950-х годах председатель Комиссии по атомной энергии Льюис Штраус пообещал, что ядерная энергия станет настолько дешевой, что ее учет потеряет всякий смысл. Хотя это оптимистичное предсказание до сих пор не сбылось, появление новых технологических решений заставляет ученых и инженеров вновь вернуться к этому вопросу. В данном материале ведущий научно-популярного канала PBS Space Time подробно разбирает физику ядерного деления, недостатки традиционных урановых реакторов и колоссальный потенциал ториевой энергетики, способной изменить будущее планеты. ## 🌌 От угля до аннигиляции: где скрыта истинная энергия [[JUMP:0:25]] Энергия не является дефицитом — она повсюду, поскольку, согласно законам физики, вся масса буквально представляет собой энергию. Главная задача человечества заключается в том, чтобы научиться ее извлекать. При сжигании угля высвобождается лишь крошечная доля энергии, запертой в химических связях. Этот метод прост и дешев, однако количество получаемой энергии на килограмм угля ничтожно мало, особенно на фоне колоссальных объемов углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. На противоположном конце спектра находится аннигиляция материи и антиматерии, при которой высвобождается 100% содержащейся энергии. Этот вариант звучит идеально, но антиматерию невероятно трудно создавать и хранить. Между разрушением химических связей и аннигиляцией находится ядерная энергия: * **Термоядерный синтез:** сильное ядерное взаимодействие, удерживающее ядра вместе, скрывает огромную мощь. Именно так работает Солнце, выделяя всего 0,4% массы водородных ядер при их слиянии в гелий. Этого хватает, чтобы питать звезду на протяжении 10 миллиардов лет. Однако создание практических термоядерных электростанций, остающееся «священным граалем» энергетики, — это дело очень далекого будущего. * **Ядерное деление:** наш единственный жизнеспособный источник ядерной энергии на сегодняшний день. Этот процесс подразумевает расщепление тяжелых ядер на более стабильные и мелкие части. Если цель — превратить массу в энергию здесь и сейчас, то деление дает человечеству максимальную отдачу. ## ⚖️ Риски радиации против углеродного следа [[JUMP:1:42]] Использование ядерной энергии традиционно сопряжено с серьезными опасениями. К ним относятся риски распространения ядерного оружия, проблема утилизации радиоактивных отходов и угроза масштабных аварий, последствия которых были пугающе подробно показаны в недавней экранизации чернобыльской катастрофы. Ядерные реакторы пугают обывателей, поскольку аварии на них приобретают эпический масштаб. [Image of nuclear fission chain reaction] Однако ведущий канала PBS Space Time подчеркивает, что реальная статистика говорит об обратном: * От обычного загрязнения воздуха, вызванного угольными электростанциями, умирает несопоставимо больше людей, чем когда-либо гибло в результате инцидентов на атомных реакторах. * Уровень радиоактивности вокруг угольных ТЭЦ парадоксальным образом выше из-за летучих радиоактивных микроэлементов, которые попадают в окружающую среду при сжигании угля абсолютно неконтролируемо. Самым привлекательным фактором ядерной энергетики является то, что она не производит прямых выбросов углерода. По мнению автора видео, атомная энергия может стать нашим самым надежным путем к сокращению углеродного следа и остановке глобального изменения климата. Главный вопрос заключается в том, сможем ли мы сделать этот процесс достаточно безопасным. Современные концепции, включая активно обсуждаемый ториевый реактор, показывают, что это вполне возможно. ## 🔬 Физика цепной реакции и легководные реакторы [[JUMP:2:52]] Любой реактор деления использует один и тот же физический феномен. Определенные крупные ядра, такие как уран и плутоний, могут расщепляться на более мелкие при столкновении с одиночным нейтроном. При распаде они выделяют тепловую энергию и новые быстрые нейтроны. Эти нейтроны врезаются в соседние ядра, порождая цепную реакцию. Если масса радиоактивного материала превышает так называемую критическую массу, возникает эффект домино: каждый распад провоцирует множественные последующие расщепления, что приводит к взрывному высвобождению энергии — именно так работает атомная бомба. Но если процесс отрегулировать так, чтобы каждое деление вызывало в среднем только одно последующее деление, реакция становится контролируемой. Она производит стабильное количество тепла, которое используется для кипячения воды и вращения паровой турбины. В большинстве коммерческих АЭС используется урановое топливо, а именно изотоп уран-235. Он содержит 92 протона и 143 нейтрона, составляя менее одного процента от природного урана (основную часть которого занимает стабильный уран-238). Особенности взаимодействия изотопов с нейтронами: * **Уран-235** крайне фиссилен (расщепляем): он с высокой вероятностью захватывает бродячий нейтрон. Он может делиться под воздействием быстрых нейтронов, но вероятность распада возрастает в разы, если эти нейтроны предварительно замедлить до состояния «тепловых нейтронов». * **Уран-238** делится только быстрыми нейтронами и абсолютно нечувствителен к медленным, которые он чаще всего просто поглощает без расщепления. Самый дешевый способ промышленного производства энергии — использование высокой чувствительности урана-235 к тепловым нейтронам. Чтобы поддерживать такую реакцию, природный уран необходимо обогатить на несколько процентов, увеличив долю U-235 по отношению к U-238. Также необходимо замедлять нейтроны. Для этого в термических реакторах применяется модератор (замедлитель). Самым распространенным замедлителем является обычная вода: ядра водорода в $H_2O$ имеют массу, близкую к массе нейтрона, поэтому они эффективно забирают импульс при столкновениях. Удобно, что эта же вода работает и в качестве теплоносителя, уводя тепло от уранового топлива к турбине и предотвращая расплавление активной зоны. Эта схема лежит в основе работы классического легководного термического реактора. ## ⚠️ Слабые места термических реакторов: аварии и тысячелетние отходы [[JUMP:6:12]] Несмотря на экономическую выгоду, легководные реакторы имеют критические недостатки. Первая проблема — это безопасность. Абсолютно все крупнейшие ядерные катастрофы в истории происходили с термическими реакторами из-за отказа системы охлаждения. Хроника прошлых аварий: * **Три-Майл-Айленд:** вода ушла из контура через заклинивший аварийный клапан. * **Чернобыль:** вода закипела, что парадоксальным образом привело к резкому росту числа нейтронов и разгону реактора. * **Фукусима:** природное цунами вывело из строя резервные электрические насосы, качавшие воду. Общая уязвимость заключается в том, что водяное охлаждение требует постоянных активных усилий для поддержания стабильности, а значит, подвержено сбоям. Современные реакторы учли эти ошибки, и повторение подобных катастроф маловероятно, но непредвиденные отказы все еще возможны. Как иронично подмечает ведущий, из-за человеческого фактора даже у самого умного инженера-ядерщика может случиться «момент Гомера Симпсона». Одним из решений является замена воды на расплавленные металлы или соли: они остаются жидкими в огромном диапазоне температур, не закипают и позволяют системе работать при гораздо более низком давлении, что исключает риск теплового взрыва. Второй, еще более страшный минус современных реакторов — это отходы. Они используют лишь около 1% добытого из земли урана (именно U-235). Некоторая часть урана-238 превращается в делящийся плутоний, но большая часть преобразуется в тяжелые неделимые элементы — трансурановые актиниды. Они обладают высокой радиоактивностью, а периоды их полураспада исчисляются десятками тысяч лет. Это означает, что они опасны в геологических масштабах времени. Ведущий констатирует: на Земле буквально нет места, где можно было бы гарантировать сохранность контейнеров с отходами на случай землетрясений, вулканической активности или наступления нового ледникового периода. ## ⚡ Реакторы на быстрых нейтронах: сжигание отходов и размножение топлива [[JUMP:8:24]] Возможный выход из тупика с отходами — попытаться полностью сжечь тяжелые ядра в качестве топлива. Для этого применяются реакторы на быстрых нейтронах, которые не используют замедлители. В такой среде уран-238 может делиться наравне с ураном-235, попутно расщепляя и образующиеся актиниды. Конечными отходами быстрого реактора становятся продукты деления — гораздо более мелкие ядра. Некоторые из них, вроде цезия-137, невероятно опасны, но их периоды полураспада составляют столетия, а не десятки тысячелетий. Обеспечить безопасное хранение отходов на пару сотен лет — это вполне выполнимая задача. Поскольку быстрым реакторам не нужен громоздкий замедлитель, они получаются значительно меньше термических аналогов, что делает их идеальными, например, для атомных подводных лодок. Однако у них есть коммерческий изъян: для их работы требуется высокообогащенное топливо, где содержание урана-235 превышает 20% (в несколько раз выше, чем в обычных АЭС). Это связано с тем, что общая скорость деления на быстрых нейтронах ниже. Процесс обогащения обходится очень дорого. Именно поэтому после открытия богатых природных месторождений урана коммерческий сектор сделал выбор в пользу дешевых легководных реакторов, закрыв глаза на то, что они выбрасывают 99% топлива и создают угрозу экологической катастрофы на миллионы лет вперед. Еще одно преимущество быстрых реакторов — способность «размножать» (бридировать) топливо. Быстрые нейтроны при ударе выбивают больше свободных частиц — от 2 до 3 нейтронов на одно деление. Это позволяет одному нейтрону поддерживать цепную реакцию, а второму — поглощаться «фертильным» (воспроизводящим) элементом, превращая его в новое делящееся топливо. Например, фертильный уран-238, поглощая нейтрон, превращается в делящийся плутоний-239. Реактор-размножитель содержит активную зону из высокообогащенного урана, окруженную «одеялом» из фертильного материала. Тем не менее, в вопросах нераспространения ядерного оружия эти типы реакторов имеют разные риски: * Отходы термического реактора не являются фиссильными, хотя теоретически могут быть переработаны. * Промежуточные продукты быстрого реактора-размножителя включают в себя чистый оружейный плутоний, попадание которого в неблагоприятные руки несет колоссальную угрозу миру. ## 🌿 Торий как идеальное ядерное топливо будущего [[JUMP:11:27]] Совместить достоинства термических и быстрых реакторов можно, сменив уран на принципиально иное топливо — торий. Торий находится в таблице Менделеева на две позиции левее урана. Сам по себе природный торий-232 не делится, но он фертилен: при захвате нейтрона он распадается в протактиний-233, а затем — в уран-233. Получаемый уран-233 — великолепное ядерное топливо, превосходящее уран-235 и плутоний-239 по своей нейтронной экономике. Главное преимущество заключается в том, что уран-233 производит более двух нейтронов на один распад даже при столкновении с медленными тепловыми нейтронами. Это означает, что запускать процесс воспроизводства нового топлива из тория можно в обычном термическом реакторе, без необходимости строить сложные и дорогие быстрые реакторы. Наиболее многообещающей технологией считается жидкосолевой ториевый реактор, известный как LFTR (Liquid Fluoride Thorium Reactor). В этой конструкции торий и уран-233 химически связаны с фтором и растворены в расплаве фторидных солей лития или бериллия. Расщепление урана генерирует тепло и нейтроны для воспроизводства топлива из тория, а сама жидкая соль одновременно служит теплоносителем, выводящим энергию наружу к турбине. Конструктивные особенности и безопасность LFTR: * **Графитовая решетка:** реакция деления идет исключительно в активной зоне реактора, где установлены графитовые каналы, выполняющие роль замедлителя нейтронов. Графит идеален, так как замедляет частицы, не поглощая их. Когда жидкое топливо вытекает из графитовой зоны, нейтроны снова ускоряются, и реакция деления мгновенно затухает. * **Защитная плавка:** поскольку топливо жидкое, его можно быстро слить в случае аварии. Внизу реактора установлена пробка из соли с низкой температурой плавления, которая непрерывно охлаждается внешним вентилятором. Если на станции пропадет электричество или активная зона перегреется, пробка мгновенно расплавится, и вся жидкость сама стечет в подземный аварийный резервуар, конфигурация которого делает цепную реакцию физически невозможной. * **Саморегуляция:** при росте температуры жидкое топливо расширяется, а сам торий начинает значительно эффективнее улавливать нейтроны, не оставляя их для поддержания деления урана, что естественным образом глушит реактор. Такой комплекс решений представляет собой эталон пассивной безопасности (walk-away safety). В случае любой катастрофы, даже если персонал полностью покинет станцию, а автоматика откажет, реактор просто самостоятельно отключится без взрывов и расплавления. ## 🚀 Компактность, космос и новые риски безопасности [[JUMP:14:28]] Важнейший плюс LFTR и жидкосолевых систем в целом — их компактность. Им не требуются огромные железобетонные энергоблоки, рассчитанные на сдерживание сверхвысокого давления водяного пара. Изначально подобные реакторы разрабатывались в США для военных нужд — в частности, для размещения на подводных лодках и даже на стратегических бомбардировщиках. Сегодня эта модульность открывает гражданские перспективы: * Малые ториевые реакторы можно интегрировать в существующие энергосети для быстрой замены старых угольных или газовых теплоэлектростанций. * Компактность делает их незаменимыми для обеспечения энергией будущих лунных и марсианских баз, а также межзвездных кораблей. Однако у концепции повсеместного внедрения малых модульных реакторов есть и оборотная сторона, о которой предупреждает автор видео. Высокая доступность и децентрализация усложнят международный контроль и надзор за расщепляемыми материалами. Инженерам и правительствам придется приложить колоссальные усилия, чтобы архитектура ториевых реакторов делала физически невозможным извлечение потенциально пригодного для создания оружия урана-233. В заключение ведущий отмечает, что ядерная энергетика — это лишь один из возможных путей преодоления глобального энергетического кризиса. Остается открытым вопрос, действительно ли нам необходим мирный атом, или человечество способно закрыть свои потребности исключительно за счет возобновляемых источников (солнца и ветра) при условии качественного скачка в технологиях аккумуляции энергии. Одно можно сказать наверняка: мы стоим перед сложнейшим эволюционным барьером на пути развития нашей технологической цивилизации, и для его преодоления потребуются все доступные ресурсы и изобретательность нашего вида. ## 💬 Интерактив: черные дыры, квазары и космические ковбои [[JUMP:16:00]] В финальной части выпуска ведущий традиционно ответил на вопросы и комментарии зрителей к прошлому эпизоду, посвященному влиянию сверхмассивных черных дыр на эволюцию и «гибель» галактик. Пользователь *Steve C* заметил, что процесс подавления звездообразования активной черной дырой напоминает классическую систему отрицательной обратной связи: приток газа активирует черную дыру, ее мощное излучение и космический ветер выталкивают газ наружу, после чего звездообразование и «кормление» самой дыры прекращаются, напоминая работу комнатного термостата. Автор видео полностью согласился с этой удачной аналогией, подтвердив, что центральные черные дыры работают именно как галактические термостаты. Зритель *Chuck Rittersdorf* поинтересовался, имеют ли джеты квазаров какое-то предпочтительное направление относительно родительской галактики и как это влияет на окружающую среду. По словам ведущего, самые яркие квазары обычно располагаются в массивных эллиптических галактиках сферической формы, поэтому понятие фиксированной плоскости там размыто. Более слабые активные галактические ядра (например, в сейфертовских галактиках) находятся в спиральных структурах, и их джеты могут быть направлены произвольно — как перпендикулярно диску, так и прямо сквозь него. Однако на начальном этапе джет в любом случае раздувается в гигантский плазменный «пузырь», распределяя свою колоссальную энергию по большей части галактики, так что изначальная ориентация не играет решающей роли. Подписчик *Prog head 777* спросил, расширяется ли гравитационная зона влияния сверхмассивной черной дыры за счет эффекта Лензе-Тирринга (увлечения инерциальных систем отсчета). Ведущий пояснил, что вращающаяся масса действительно увлекает за собой саму ткань пространства-времени, что напрямую влияет на стабильность близких орбит: объекты, вращающиеся в направлении вращения черной дыры, могут оставаться на стабильных орбитах гораздо ближе к ней, чем объекты на ретроградных орбитах. Этот эффект определяет форму так называемой «тени черной дыры» на аккреционном диске, что позволяет ученым измерять скорость ее вращения. Тем не менее, данное влияние ограничено очень малой зоной — не более десяти радиусов горизонта событий. Наконец, на ироничный вопрос пользователя *Opie* о том, почему NASA не выделяет бюджеты на поиск экзопланет в стиле классического Дикого Запада в далеких эллиптических галактиках, автор с юмором ответил, что здесь наверняка замешан тот же зловещий правительственный заговор, из-за которого студийные боссы закрыли культовый сериал «Светлячок» (Firefly) после первого же сезона. Похоже, сильные мира сего просто панически боятся космических ковбоев.