Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Обогащение урана – процесс невероятно дорогостоящий: в нем используются тысячи центрифуг. Оружейный уран – это обогащенный по меньшей мере до 85 процентов уран-235. Думаю, теперь вы понимаете, почему мир так обеспокоен деятельностью стран, обогащающих уран до неустановленной степени, и никто не может это проверить!

В атомных электростанциях тепло, вырабатываемое управляемой цепной реакцией, превращает воду в пар, который затем приводит в действие паровую турбину и вырабатывает электричество. Эффективность преобразования ядерной энергии в электричество на атомной электростанции составляет около 35 процентов. Если вы прочли, что ядерная электростанция производит 1000 мегаватт, вы не можете сказать, идет ли речь о 1000 мегаваттах общей мощности (из которых ⅓ преобразуется в электрическую энергию, а ⅔ теряются в виде тепла) или обо всей электроэнергии. Во втором случае суммарная мощность станции составляет около 3000 мегаватт, а это совсем не одно и то же! Вчера в новостях я прочитал, что Иран в скором времени собирается ввести в действие атомную электростанцию, которая будет производить 1000 мегаватт электричества (вот тут все четко и ясно!).

Последние несколько лет в мире растет беспокойство по поводу глобального потепления и попутно усиливается интерес к ядерной энергии, поскольку в отличие от электростанций, работающих на ископаемом топливе, атомные электростанции не выбрасывают в атмосферу огромное количество газов, что ведет к парниковому эффекту. В США уже сегодня работают более ста атомных электростанций, которые производят около 20 процентов потребляемой нами энергии. Во Франции этот показатель составляет около 75 процентов. Если говорить о мире в целом, то около 15 процентов от общего объема потребляемой электроэнергии производится сегодня в ядерных установках. В разных странах действуют разные политики в отношении ядерной энергетики, но для строительства новых заводов потребуется немалая политическая воля и убежденность, вызванная страхом, порожденным печально известными авариями на Три-Майл-Айленд, в Чернобыле и Фукусиме. Кроме того, ядерные электростанции очень дороги: по приблизительным оценкам, их стоимость варьируется от 5–10 миллиардов долларов в США до 2 миллиардов долларов в Китае. И наконец, огромной технологической и политической проблемой было и остается хранение радиоактивных отходов атомных станций.

На земле еще остались огромные запасы ископаемого топлива, однако мы расходуем его гораздо быстрее, чем природа способна воспроизводить. Население планеты тоже продолжает расти, и одновременно во многих быстрорастущих странах, например Китае и Индии, чрезвычайно высокими темпами ведутся разработки в области энергоемких технологий. И изменить это пока никому не под силу, ведь сегодня в мире очень серьезный энергетический кризис. Что же нам со всем этим делать?

Прежде всего, чрезвычайно важно осознать, какое огромное количество энергии мы используем каждый день, и постараться сократить ее потребление. Я лично потребляю энергию довольно скромно, но, поскольку живу в Соединенных Штатах, уверен, что и мое скромное потребление в четыре-пять раз превышает потребление среднего жителя планеты. Я пользуюсь электричеством, отапливаю дом и нагреваю воду газом и готовлю на газе. Я пользуюсь автомобилем – не очень много, но некоторое количество бензина все же сжигаю. Если все это сложить, думаю, получится, что я потребляю в среднем около 100 миллионов джоулей (30 киловатт-часов) в день, из которых около половины приходится на электроэнергию. А это, знаете ли, энергетический эквивалент эксплуатации двух сотен рабов, тяжело работающих на меня по двенадцать часов в день. Только подумайте об этом! В древности такое могли себе позволить лишь самые богатые рабовладельцы. В какие же невероятно роскошные времена мы живем! Двести рабов вкалывают на меня по двенадцать часов в день, без остановки, и все для того, чтобы я мог жить так, как живу. За один киловатт-час электроэнергии, то есть 3,6 миллиона джоулей, я плачу всего 25 центов. Суммарно мой счет за энергию (я включил в него газ и бензин, так как их цена на единицу энергии не слишком сильно отличается) за этих двести рабов составляет в среднем около 225 долларов в месяц – чуть больше одного доллара за одного раба в месяц! Как видите, изменение сознания людей в этом отношении поистине жизненно важно. Но эту задачу нам еще предстоит решить.

Улучшить ситуацию позволит изменение привычек и переход на использование энергосберегающих устройств, например компактных люминесцентных ламп вместо ламп накаливания. Мне лично довелось убедиться в эффекте подобных перемен весьма впечатляющим способом. Расход электроэнергии в моем доме в Кембридже составил 8,860 киловатт-часа в 2005 году и 8,317 киловатт-часа в 2006-м. Сюда входит освещение, кондиционер, стиральная машина и сушилка (для нагрева воды, приготовления пищи и отопления я, как уже говорил, использую газ). А в середине декабря 2006 года мой сын Чак (кстати, основатель некоммерческой организации New Generation Energy) сделал мне замечательный подарок: заменил все лампы накаливания в моем доме (в общей сложности их семьдесят пять) на люминесцентные. И потребление электр ичества резко сократилось – до 5 251 киловатт-часа в 2007 году, 5 184 киловатт-часов в 2008-м и 5 226 киловатт-часов в 2009-м. Это сорокапроцентное сокращение потребления электроэнергии уменьшило мой ежегодный счет почти на 850 долларов. Поскольку в США на одно только освещение приходится около 12 процентов бытового потребления электрической энергии и 25 процентов коммерческого, совершенно очевидно, что это верный путь! Это не только существенно сократит выброс в атмосферу газов, создающих парниковый эффект, но и уменьшит расходы на электроэнергию в каждом домохозяйстве (как это сделал я в своем доме). Однако этого явно недостаточно.

По-моему, единственный способ, который позволит нам выжить, сохранив при этом нынешнее качество жизни, – это разработка ядерного синтеза как надежного и эффективного источника энергии. Речь идет не о делении урана, в результате которого ядра урана и плутония распадаются на части и излучают энергию, питающую ядерные реакторы, а именно о слиянии. В ходе этого процесса атомы водорода объединяются и создают гелий, высвобождая энергию. Ядерный синтез – это процесс, питающий звезды и термоядерные бомбы, самый мощный процесс производства энергии в расчете на единицу массы из всех известных, за исключением столкновения материи и антиматерии, которое, однако, нельзя считать потенциальным генератором энергии.

По довольно трудно объяснимым причинам для термоядерных реакторов подходят только определенные типы водорода (дейтерий и тритий). Дейтерий, ядро которого состоит из одного нейтрона и одного протона, легкодоступен; примерно один из каждых шести тысяч атомов водорода на Земле – дейтерий. Поскольку в наших океанах около миллиарда кубических километров воды, запасы дейтерия, по сути, безграничны. Тритий же в естественном виде на Земле не встречается (это радиоактивный элемент с периодом полураспада около двенадцати лет), но его несложно произвести в ядерных реакторах.

Сложность заключается в создании надежно работающего, практичного и полностью контролируемого ядерного реактора. Пока неясно, удастся ли когда-нибудь его сделать. Чтобы заставить ядра водорода соединиться, нужно создать на Земле температуру в диапазоне 100 миллионов градусов, приближающуюся к температуре ядра звезды.

Ученые бьются над этой задачей уже много лет, и, похоже, все более и более напряженно, ибо все больше правительств постепенно убеждаются в том, что энергетический кризис стал реальностью. Это, безусловно, огромная проблема. Но я оптимист. В конце концов, за долгую профессиональную жизнь я уже не раз становился свидетелем умопомрачительных изменений в своей области деятельности, буквально переворачивавших наши представления о Вселенной с ног на голову. Например, космология, которая прежде базировалась преимущественно на домыслах и совсем немного на науке, теперь стала поистине экспериментальной наукой, позволившей многое узнать о происхождении Вселенной. Фактически мы с вами живем во времена, которые не без оснований называют золотым веком космологии.

Когда я начал заниматься исследованиями в области рентгеновской астрономии, нам было известно лишь о десятке источников рентгеновского излучения в глубоком космосе. Теперь мы знаем о десятках тысяч. Пятьдесят лет назад вычислительные мощности килограммового ноутбука заняли бы большую часть здания МТИ, где находится мой кабинет. Пятьдесят лет назад астрономы полагались в основном на наземные оптические и радиотелескопы – больше практически ничего не было! Сегодня же в нашем распоряжении не только космический телескоп «Хаббл», но и целый ряд рентгеновских спутниковых обсерваторий и обсерваторий для изучения гамма-излучения, и мы используем и строим новые обсерватории для исследования нейтрино! Пятьдесят лет назад даже вероятность гипотезы о некогда произошедшем Большом взрыве ставилась под сомнение. Сейчас же мы не только думаем, что знаем, как выглядела наша Вселенная в первую миллионную долю секунды после него, но и уверенно изучаем астрономические тела возрастом свыше 13 миллиардов лет – объекты, образовавшиеся в первые 500 миллионов лет после Большого взрыва, создавшего нашу Вселенную. Как же я могу на фоне всех этих глобальных открытий и преобразований не быть уверенным в том, что ученые решат задачу контролируемого ядерного синтеза? Я вовсе не намерен упрощать трудности или важность ее скорейшего решения, но считаю, что это лишь вопрос времени.