«Нам необходимо вглядеться в прошлое, чтобы понять настоящее и увидеть контуры будущего»
Н. А. Назарбаев

Как развивалась ядерная энергетика в XX веке

300
Как развивалась ядерная энергетика в XX веке

Ядерная энергетика не чужое слово для Казахстана. Более того, именно нужда Советского Союза в дешевой энергии, равно как и ее участие в гонке вооружений, стала первопричиной того, что в 1949 году на территории Семипалатинской области появился первый и, вместе с тем, крупнейший ядерный полигон СССР. Благо после обретения независимости полигон был закрыт, а Казахстан одним из первых заявил о своем статусе безъядерного государства. Уже летом 1992 года страна начала процесс по ликвидации своего ядерного наследия. Однако большинство стран мира все еще не могут занять активную позицию по этому вопросу. Причин тому множество, а потому портал Qazaqstan Tarihy расскажет как развивалась ядерная энергетика и о том, почему для мира использование ядерной энергии все еще остается предметов острых дебатов

Точкой отсчета в истории формирования ядерной энергии следует 1896 год. Именно в том году французский ученый-физик Антуан Анри Беккерель в ходе своих экспериментов по фотолюминесценции солей урана случайно обнаружил, что уран оставляет след или затемняет фотографические пластинки в отсутствии каких-либо источников света. Это было открытием того времени и, выясняя обстоятельства этого, уже в мае 1896 года он пришел к выводу, что уран испускает самопроизвольное излучение. К слову, Беккерель был хорошо знаком с другими французскими физиками, четой Кюри. Однажды, весной 1902 года, он даже попросил у них пробирку с хлоридом радия и носил целый день в кармане. Вскоре он обнаружил, что на теле под карманом появились покраснения, а позже язва. Пьер Кюри, услышав об этом, повторил опыт коллеги, что также вылилось в покраснение и язву. Год спустя, в 1903 году все трое стали обладателями Нобелевской премии по физики в знак признания их заслуг. В последующие годы физики Пьер и Мария Кюри открыли ряд других элементов (полоний, радий), также испускающие естественные излучения. Они назвали эти явления радиоактивностью.

Исследования Беккереля и четы Кюри позже были подхвачены британским физиком новозеландского происхождения Эрнестом Резерфордом, первооткрывателем альфа- и бета-лучей. Основным направлением работ Резерфорда были высокочастотные радиоволны, но с лета 1898 года он заинтересовался радиоактивностью урана и тория. Спустя несколько лет, в 1903 году, ему удалось доказать, что радиоактивность – это излучение, сопровождающее распад атомов, прежде считавшихся неделимыми. Стоит ли говорить, что его работа позже стала поводом для присуждения ему Нобелевской премии, но уже по химии (1908 год). Эти и другие последующие открытия поспособствовали лучшему пониманию в среде ученого сообщества структуры атома.

Другую революцию в области прикладной химии совершил немецкие ученые-химики Отто Ган, Фриц Штрассман и Лиза Мейтнер. Последняя, к слову, изначально была в команде Штрассмана и Гана, однако весной 1938 года ей пришлось покинуть Германию, а потому она не участвовала в открытии. В 1934 году они продолжили работу итальянского физика Энрико Ферми и в декабре 1938 году доказали, что облучение урана нейтронами вызовет распад ядра надвое, при котором происходит освобождение энергии. Свою Нобелевскую премию Отто Ган сумел получить лишь в 1945 году.

В 1939 году, через год после открытия Отто Гана, зять четы Кюри, французский физик Фредерик Жолио-Кюри обнаружил, в процессе расщепления ядра атома урана испускаются три нейтрона, которые могут вызвать дальнейшее деление атомов. Это открывало возможность возбуждения цепной ядерной реакции и освобождения при этом большого количества энергии, то есть расщепление ядра приводит к взрыву.

1 сентября 1939 года нацистская Германия вторглась на территорию Польши, тем самым ознаменовав начало Второй Мировой войны. За несколько месяцев до этого, весной 1939 года, вскоре после открытия Жолио-Кюри, поддержавшие нацизм немецкие ученые обратились к своему правительству с письмом, в котором говорили о высокой вероятности создания «нового вида высокоэффективного взрывного вещества». Конкретные работы по этому направлению начались лишь осенью. Эта немецкая ядерная программа получила название «Урановый проект», однако, забегая вперед, следует сказать, что в создании бомбы они не преуспели.

Между тем, о том, что немецкие ученые собираются вести разработки в области создания оружия узнала группа немецких физиков еврейского происхождения (Лео Силард, Юджин Вигнер и Эдвард Теллер). Силард вознамерился поделиться своими опасениями с другими странами Запада и, дабы придать убедительности своему письму, летом 1939 года подговорил Альберта Эйнштейна написать письмо президенту США Теодору Рузвельту. Письмо достигло Рузвельта лишь в октябре 1939 года.

Некоторые историки полагают, что именно это письмо, описывающее последние открытия и возможности создания крайне мощной бомбы с использованием урана, дало старт «проекту Манхэттен» в США. Другие считают, что исследования по расщеплению урана велись в США и до осени 1939 года. Как бы то ни было, вскоре Теодор Рузвельт создает «проект Манхэттен», в котором использует приток спасающихся от войны европейских ученых, и производит инвестиции в научные исследования.

В историю ядерной энергетики в 1940 году были вписаны имена американских ученых из Калифорнийского университета Беркли Эдвина Макмиллана и Гленна Сиборга. В ходе своих исследований Макмиллан обнаружил, что при облучении урана нейтронами, часть атомов подвергалась расщеплению, а другая образовывала новый химический элемент. Именно Макмиллану принадлежит статус первооткрывателя нептуния. Однако вскоре Макмиллану пришлось оставить лабораторию, а его знамя подхватил его коллега Гленн Сиборг. В феврале 1941 года он провел похожий на эксперимент Макмиллана опыт и получил небольшое количество плутония – нового вещества, также обладающего излучением и подверженного распаду, то есть способного запустить цепную реакцию. Сиборг получил Нобелевскую премию по химии в 1951 году.

Тем временем, в 1942 году в Чикаго итальянский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1938 год) Энрико Ферми создал первый в мире атомный реактор, получивший название «Chicago Pile-1». Незадолго до этого ему удалось произвести контролируемую цепную реакцию распада атомов урана.

Эти и ряд других открытий в этой области спровоцировали правительство на привлечение более крупных инвестиций. Вскоре к осуществлению «проекта Манхэттен» были привлечены ученые Соединенного Королевства и Канада, ученые которых получали в свое распоряжение лучшие лаборатории того времени. Цель, которую ставила США перед ними, было создание атомной бомбы к лету 1945 года.

Исследователи считают, что правительство Соединенных Штатов преследовала цель создание двух атомных бомб, одна из которых должна была быть сделана с применением урана, а вторая – с использованием плутония.

Природный уран примерно на 99,3% состоит из урана-238, ядро которого имеет 92 протона и 146 нейтронов, и на 0,7% из урана-235, имеющего на три нейтрона меньше. Лишь второй способен к цепной ядерной реакции и поэтому только он имел ценность для проекта. Трудность заключалась лишь в отделении и концентрации урана-235, т.е. в получении обогащенного урана. Для создания первой бомбы Соединенным Штатам удалось произвести 64 тонны высокообогащенного урана. Для того, чтобы произошел взрыв, было необходимо соударение двух блоков высокообогащенного урана, после чего он переходил в надкритическое состояние и происходило деление его атомов. Тогда за доли секунды начиналась цепная реакция, и выделялось крайне большое количество энергии.

Для производства плутониевой бомбы требовалось создать большое количество урановых котлов для сбора образующегося плутония. Затем небольшое его количество размещалось в центре бомбы. Синхронное приведение в действие взрывчатого вещества вокруг плутония обеспечивало его сжатие, переход в надкритическое состояние и взрыв.

16 июля 1945 года в пустыне Нью-Мексико (полигон Аламогордо) было проведено первое успешное ядерное испытание, получившее название «Trinity». К этому моменту Германия уже капитулировала и лишь Японская империя все еще продолжала войну с США. В конце июля 1945 года Япония отказалась от безоговорочной капитуляции согласно Потсдамской декларации. В ответ на это Соединенные Штаты 6 и 9 августа 1945 года сбросили на ее территории две атомные бомбы. Урановая бомба («Little Boy») уничтожила до 166 тысяч человек в Хиросиме, а плутониевая («Fat Man») – порядка 80 тысяч человек в Нагасаки. Через несколько дней, 14 августа Япония объявила о своей капитуляции. Исследователи считают, что демонстрация Соединенными Штатами своей военной мощи заставила СССР ускорить собственную ядерную программу в попытке догнать США.

Позже, в ходе Холодной войны обе державы оказались втянуты в неистовую гонку вооружений. Они тратили огромные ресурсы на достижение технологического превосходства и обретение крупнейшего в мире ядерного арсенала. Обе стороны действовали под предлогом предотвращения нанесения ядерного удара противником.

3 октября 1952 года первое испытание своей собственной атомной бомбы произошло в Соединенном Королевстве. За несколько месяцев до этого Соединенные Штаты тестировали первую термоядерную или водородную бомбу (операция «Парник»). Принцип ее действия был основан на термоядерном синтезе. Бомба воспроизводила реакции путем синтеза двух легких атомов дейтерия и трития в условиях высокого давления и температуры в несколько миллионов градусов Цельсия. Для создания таких условий применялась атомная бомба. Взрыв плутониевой бомбы создавал благоприятные условия для начала синтеза атомов, а последующий взрыв обладал гораздо большей мощностью, чем при распаде атомов. Советский Союз также создавал водородную бомбу. Ее испытания происходили на территории Семипалатинского полигона в августе 1953 года.

Одновременно с созданием совершенного оружия проводились научные исследования с целью производства ядерной энергии, а в июне 1954 года на территории СССР появилась первая атомная электростанция. Большинство реакторов появившихся электростанций использовали воду под давлением. Дело в том, что в активной зоне такого реактора расположен тепловыделяющий элемент, внутри которого находится малообогащенный уран, используемый в качестве топлива. Длительность происходящей при этом контролируемой цепной реакции составляла около трех лет. Выделяемое в ходе реакции тепло повышало температуру воды под давлением, находящейся в первичном контуре. Первичный контур контактирует с вторичным, в котором нагреваемая вода превращалась в пар. В свою очередь, пар использовался при вращении турбины, механически связанной с генератором, вырабатывающим электроэнергию. Охлаждающий контур осуществлял забор воды из водоема и служил для охлаждения пара во вторичном контуре. Иногда для охлаждения воды в последнем контуре возводились охладительные башни.

В 1957 году для поддержки исследований в области ядерной энергетики под эгидой ООН было создано международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ). Организация отвечает за мирное и безопасное использование ядерной энергии. Между тем, достижения ядерной отрасли также используются в медицине, чаще всего для получения снимков или лечении онкологических заболеваний.

13 февраля 1960 года Франция испытала свою первую атомную бомбу. В это время гонка вооружений между США и СССР только усиливалась. К тому времени обе державы уже создали свои собственные межконтинентальные ракеты и атомные подводные лодки. 30 октября 1961 года Советский Союз провел крупнейшее ядерное испытание Царь-бомбы мощностью от 50 до 57 мегатонн в тротиловом эквиваленте. Спустя год Соединенные Штаты осуществили взрыв водородной бомбы на высоте 400 км. Этот взрыв создал искусственный аналог Северного сияния, который можно было хорошо рассмотреть с территории Новой Зеландии. Испускаемое радиационное излучение повредило, по меньшей мере, восемь спутников.

В 1961 году США разместило на территории стран НАТО, Турции и Италии, ядерные ракеты. СССР, увидев в этом угрозу, разместило собственные ядерные ракеты на Кубе, что привело к Карибскому кризису. Однако когда напряженность в отношениях между двумя странами достигла критической точки, начались переговоры, после которых обе стороны убрали ракеты и ситуация успокоилась.

16 октября 1964 года появились сообщения об успешном испытании первой китайской атомной бомбы. Советский Союз и Соединенные Штаты, если верить исследователям, с неодобрением наблюдали появление новых конкурентов. С помощью ООН они инициировали создание Договора о нераспространении ядерного оружия. Он был открыт для подписания 1 июля 1968 года.

Этот договор выделял пять ядерных держав из числа стран мира. Согласно этому документу, существующие ядерные державы не имели права делиться научными знаниями или оружием, а остальные страны – пытаться создать атомную бомбу. Кроме того, ядерные державы должны разоружиться настолько, насколько это возможно. Со временем этот договор был подписан всеми странами мира, за исключением Индии, Пакистана и Израиля, который и вовсе отрицал наличие у него ядерного оружия, несмотря на серьезные опасения со стороны других стран. Латинская Америка и страны Карибского бассейна решились на этот шаг еще раньше европейцев. Их договор о создании безъядерной зоны (Договор Тлателолько) был подписан 22 апреля 1968 года. Наконец, в 1972 году Соединенные Штаты и Советский Союз согласились ограничить производство стратегического оружия.

Как уже известно, в 1973 году грянул первый мировой нефтяной кризис. Цена барреля нефти резко устремилась вверх, нанося ущерб мировым державам, чьи экономики во многом зависели от наличия у них черного золота. Мир начал искать альтернативу нефти. Франция и Япония, по большей части, полагались на ядерную энергетику. В течение следующих лет по всему миру началось массовое строительство атомных электростанций.

18 мая 1974 года в Индии произошли первые тайные ядерные испытания, которые получили название «Улыбающийся Будда». Это тревожило Пакистан и он, в свою очередь, приступил к собственным ядерным исследованиям. В июле 1976 года Пакистан начал работу над созданием собственного ядерного оружия.

Несколько лет спустя, в 1979 году в Соединенных Штатах произошла крупная ядерная авария. Один из реакторов атомной станции «Three Mile Island» 28 марта 1979 года вышел из строя и в первичном контуре произошла утечка теплоносителя. Так как ядерное топливо осталось без воды, активная зона реактора начала перегреваться и плавиться. К счастью, корпус реактора выдержал и предотвратил радиоактивную утечку. Спустя еще несколько лет в Чернобыле (28 апреля 1986 года) серия человеческих ошибок привела к утере контроля над реактором. Когда температура ее активной зоны стала слишком высокой, произошел взрыв, который уничтожил бетонную крышу. Часть ее обрушилась и разбила корпус реактора. В воздух высвободилось радиоактивное облако. Оно распространилось и поразило часть Европы. Впоследствии округ атомной станции появилась зона отчуждения площадью 2600 квадратных километров, а более 200 тысяч жителей было эвакуировано. Эта катастрофа породила и усилила общественное противостояние ядерной энергетики во всем мире. Это привело к приостановке развития данной индустрии.

После распада Советского Союза и окончания Холодной войны, бывшие советские республики передали свое ядерное оружие Российской Федерации, которая вместе с США продолжили сокращение ядерных арсеналов. Кроме того, после более чем двух тысяч ядерных испытаний во всем мире в сентябре 1996 года был принят Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. Договор в силу не вступил, поскольку из 44 стран, имевших в то время ядерные реакторы, три страны (Индия, Пакистан и Северная Корея) его не подписали, а пять других (США, Египет, Иран, Китай и Израиль) – подписали, но не ратифицировали.

Спустя два года Индия и Пакистан провели серию ядерных испытаний. В 2004 году Абдул Кадыр Хан, который считается отцом пакистанской атомной бомбы, признал факт создания в Дубаи тайной сети, которая поставляла Ливии, Северной Корее и Ирану технические планы и материалы, необходимые для производства атомной бомбы.

В 2004 году у Северной Кореи случился конфликт с МАГАТЭ, после чего она отозвала свою подпись из Договора о нераспространении ядерного оружия. В 2006 году она объявила, что она провела первые ядерные испытания. В том же 2004 году Иран заявил, что ему удалось получить обогащенный уран. Это встревожило международное сообщество. Уникальную позицию заняло правительство Израиля, которая не раскрывает подробностей своей ядерной программы. Многие считают, что в распоряжении данной страны находятся десятки единиц ядерного оружия, но Израиль не подтверждает и не отрицает данную информацию, дабы отпугнуть потенциальных врагов.

Если говорить о преимуществах ядерной энергетики, то одной из них, безусловно, является то, что при ее использовании выделяется малое количество диоксида углерода. В противовес можно сказать, что она производит радиоактивные отходы с периодом активности в сотни тысяч лет. Между тем, большинство отходов сохраняют свою активность лишь в течение нескольких десятилетий, но для проблемы высокоактивных отходов с долгим периодом полураспада сегодняшние технологии не способны предложить однозначное решение. Большинство стран для складирования ядерных отходов полагаются на глубокие подземные хранилища, расположенные на глубине более трех сотен метров.

Еще одной катастрофой, о которой стоит упомянуть, считается трагедия 11 марта 2011 года. В этот день Японию постигло землетрясение магнитудой в 9,1 балла, что является самым сильным из когда-либо зарегистрированных в этой стране случаев. Вслед за этим на ее берега обрушилось мощное цунами, волны которого превышали десять метров в высоту и повредили атомную электростанцию Фукусима-1. Эти разрушения вызвали сбой в системе охлаждения реакторов. В течение нескольких дней на электростанции взорвались четыре реактора, выбрасывая высокоактивное радиационное облако, которое пересекло Тихий океан, достигло берегов Северной Америки и распространилось по всему северному полушарию. Вслед за этим японское правительство решило приостановить работу всех 39 японских атомных реакторов. Германия впоследствии объявила о постепенной ликвидации отрасли ядерной энергетики, а большинство ядерных стран в остальном мире начали пересматривать критерии обеспечения безопасности на своих АЭС.

По состоянию на 2019 год, у девяти стран все еще остается 16 тысяч атомных бомб. 7 июля 2017 года в ООН предлагался Договор о запрещении ядерного оружия, целью которой является полное избавление от ядерного вооружения. За него проголосовали 122 страны, лишь Нидерланды высказались против, а Сингапур воздержался. Интересно, но на этом голосовании отсутствовали все девять стран «Ядерного клуба». Если соглашение будет ратифицировано 50-тью странами, оно вступит в силу. На сегодняшний день это сделали 34 страны.

Сегодня в сфере ядерной энергетики 417 действующих реакторов производят лишь немногим более десяти процентов от мирового количества электроэнергии. 46 реакторов находятся на стадии строительства, включая десять в Китае, чьи потребности в энергии сейчас стремительно возрастают. В остальной части мира ядерная индустрия стареет: 2/3 от мировых реакторов старше 30 лет при изначально планируемом сроке из эксплуатации в сорок лет. Новые поколения АЭС едва ли удовлетворяют растущие мировые потребности в энергии, а их строительство происходит с существенными задержками и дополнительными затратами.

В настоящее время 35 стран сотрудничают в создании во Франции международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР). Бюджет эксперимента уже возрос с пяти до 15 миллиардов евро, но если проект окажется успешным он создаст новый вид атомных электростанций, обладающих высокой производительностью, использующих небольшое количество сырьевых материалов и образующих меньше отходов.


Автор: Аян Аден