Текст книги "100 великих достижений в мире техники"

Проект «Горячая капля»

Сегодня мир завален радиоактивными отходами и отработанным ядерным топливом. И с ними надо что-то делать, если мы не хотим, чтобы нас всех вскоре погубил радиоактивный потоп. А это может случиться даже в том случае, если больше не будет ядерных катастроф, подобных Чернобыльской или Фуросимской.

Что же делать?

Вот какую историю по этому поводу рассказал академик РАЕН, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторий сравнительного изучения Земли и планет Института физики Земли РАН Олег Борисович Хаврошкин.

Где хранить отходы? Каков обычный цикл работы, скажем, атомной электростанции? Случаются всякие проливы, протечки, заражается спецодежда. В итоге получаем низко– и среднеактивные радиоактивные отходы. Свою активность при захоронении они потеряют лет через триста…

Но это – еще цветочки. Такие отходы худо-бедно научились перерабатывать. Суть переработки заключается в следующем. Жидкости выпаривают, а сухие остатки можно зацементировать в бетонные блоки, которые затем помещают в хранилища, где они должны пролежать несколько сот лет, пока не потеряют свою активность.

Такие хранилища уже построены. И постепенно заполняются подобными блоками.

Однако, кроме таких отходов, существует еще и отработанное ядерное топливо. А стержни или капсулы с ним имеют одну неприятную особенность. При работе атомного реактора происходят некоторые ядерные реакции, при которых накапливаются высокоактивные элементы, период полураспада которых может достигать миллионов лет!

Вот с ними-то как поступать?

Первыми задумались над этой проблемой американцы. И решили создать могильник с гарантией хотя бы на 100 тыс. лет – глядишь, за это время человечество придумает, как быть дальше. Вместить он должен был около 90 тыс. т отработанного топлива. Все, что накопили за полвека атомной энергетики в США.

Подобрали подходящую гору на месте бывшего атомного полигона в Неваде. Гора Яка – так она называется – только что не звенела: сложена из твердых силикатных пород, крепка, как сейф.

Однако власти штата все же заподозрили неладное. Посчитали, что соседство с федеральной ядерной свалкой отпугнет денежных гостей игорного Лас-Вегаса. И позволили себе подвергнуть сомнениям гарантии спецов, хотя те и заявили во всеуслышание: мол, даже за 100 тыс. лет даже капля не просочится из свалки на поверхность!

На всей планете радиоактивные отходы лежат до поры на поверхности или во временных хранилищах

Проверить истинность таких заявлений пригласили независимых экспертов. Представьте себе – из России. А среди них, на беду штатовских ядерщиков, оказался дотошный геолог Юрий Дублянский. Он-то вскорости и доказал, что выбранная гора не подходит для размещения могильника. Поскольку даже при нынешних геологических и климатических условиях не гарантирует стопроцентной сохранности отходов. А за 100 тыс. лет и климат и тектоника недр могут еще о-го-го как измениться!

Таким образом, крупнейший федеральный проект Штатов благополучно завис. А с ним и миллиарды долларов, что уже заложены в строительство. Деньги, конечно, жаль. Но здоровье все же дороже. Тем более, что руководитель одного из наших атомных институтов подсчитал, что в горе Яка, кроме всего прочего, скопилось бы около 1000 т оружейного плутония. И при некотором неблагоприятном стечении обстоятельств мог бы прогреметь взрыв…

А что ядерные отходы иногда имеют свойство взрываться, мы уже убедились на собственном опыте. Когда в районе Челябинска около сорока лет назад грохнуло хранилище жидких радиоактивных отходов, мало никому не показалось. Последствия того взрыва ощущаются и по сей день.

Может быть, поэтому не стали спешить с возведением огромного хранилища высокоактивных отходов в вечномерзлых породах на Новой Земле. Хотя Госатомнадзор, Комитет по экологии и Минздрав России уже высказали свое одобрение проекта. И лишь все тот же Дублянский позволил себе усомниться: «В свете глобального потепления вечная мерзлота на Новой Земле может оказаться отнюдь не вечной. И отходы начнут мигрировать»…

В общем, и поныне на всей планете радиоактивные отходы лежат до поры на поверхности или во временных хранилищах. Например, в Швеции их пакуют в контейнеры, которые опускают на дно в специальные камеры, расположенные под землей на глубине 50 м в прибрежной зоне Балтийского моря.

У нас в НПО «Маяк» на Урале действует опытно-производственная линия по упаковке радиоактивных отходов. Выглядит это примерно так. В печи расплавляют стекло. Добавляют внутрь высокоактивные отходы и остужают. Получаются полупрозрачные цилиндры, внутри которых зацементирована отрава. Для пущей сохранности стеклоблоки затем помещают в металлические контейнеры, которые затем заливают бетоном. А уж бетонные блоки прячут под землю. Считается, надежнее некуда. Но…

Во-первых, технология получается очень дорогостоящей. Во-вторых, к сожалению, не очень надежной. Так, в США ухлопали миллиард долларов на строительство пробного опытного хранилища. А когда поместили в него первую партию отходов, его вскоре тряхнуло незапланированным землетрясением. И тут же выяснилось, что в конструкции хранилища в первый же год эксплуатации появились непредусмотренные повреждения. Вот вам и 100 тысяч лет гарантии!

«Тонущий реактор». Выход из положения нашли наши специалисты. Суть проекта под названием «Горячая капля» в общих чертах такова: взять скопом высокоактивные отходы, включая отработанное ядерное топливо, и отправить на десятки и сотни километров в глубь планеты. Фантастика? Однако наши исследователи так не считают.

«Как-то зашел ко мне Алексей Владимирович Бялко, ученый секретарь Института теоретической физики, и рассказал об идее, которую он разрабатывал вместе со своим директором академиком И. Халатниковым, – вспоминает О. Б. Хаврошкин – Хорошо бы, говорит, сделать металлическую оболочку, скажем, из вольфрама и молибдена или иных тугоплавких материалов диаметром несколько метров. В этот шар надо загрузить отработанное ядерное топливо, прицепить контейнер с научной аппаратурой и отправить вглубь»…

Причем, по идее, для такого путешествия вовсе не надо прокладывать глубинных шурфов. Контейнер сам может затонуть. И не в воде, а земной толще. Надо лишь создать соответствующие условия. Какими должны быть эти условия, можно ли их реально получить без особых хлопот, Бялко и просил посмотреть специалистов по физике Земли.

Хаврошкин вместе с коллегами стал прикидывать. И вскоре выяснил, что создать такой «тонущий реактор» вполне можно. Достаточно собрать вместе порядка 100 т радиоактивных отходов, и они начнут разогреваться. Причем если средняя температура плавления горных пород порядка 800 °С, то контейнер может дать и 1200 °С! В итоге он будет расплавлять под собой горную породу. А поскольку трансурановые элементы, из которых и состоят отходы, обладают большим удельным весом, то шар постепенно начнет тонуть в земных пластах.

А прикрепленная к нему аппаратура попутно бы сообщала на поверхность о строении земных недр. Ведь прямых измерений и наблюдений строения не было и нет до сих пор. Информация такого рода без преувеличения бесценна. Плюс главное – захоронение вреднейших отходов.

Такова была идея, так сказать, в чистом виде. Однако, узнав о ней, тут же забили тревогу экологи: «Хватит нам уже экспериментировать в экосфере. Хватит и того, что уже натворили!» Сами представьте, что задумывалось: контейнер диаметром несколько метров набивается смертельно опасными отходами. И происходит все прямо на поверхности. Потом все это начинает разогреваться до 1200–1600 °C. А где гарантия, что все это не рванет? Да и так радиоактивное излучение составит тысячи рентген…

В общем, очень скоро и сами авторы проекта поняли: старт с поверхности Земли такого снаряда практически не осуществим. Очень велик риск. Кроме того, потребуется специальная автоматика. А роботы в условиях высоких излучений работают очень плохо – Чернобыль это показал.

Пришлось модернизировать идею. Второй вариант выглядел уже так. Раз контейнеру нельзя стартовать с поверхности, следовало соорудить полость (сферу диаметром метров пять) там, где не опасно. А где? Скажем, на глубине в несколько километров, где уже нет никаких почвенных вод, где нет опасности, что всю эту радиоактивную дрянь вынесет на поверхность.

Технология подобных операций уже отработана при подготовке подземных ядерных взрывов. Сперва в подходящем по геологическим и прочим условиям месте бурится скважина диаметром 15–20 см. Затем на глубине в несколько километров создается полость. Для этого есть несколько способов – механический, химический… Но проще всего это сделать при помощи взрыва. В недрах образуется полость, в которую и загружают радиоактивные отходы.

Каким образом 100–150 т отходов просунуть в полость через дырку в земле диаметром всего 15–20 см? Отходы предварительно упаковывают в капсулы диаметром порядка 10 см. Материал оболочки особого значения не имеет – все равно он вскоре расплавится. А отработанное топливо так можно и опускать непосредственно в ТВЭЛах – тепловыделяющих элементах, в которых они были в самом реакторе.

Заодно капсулирование позволяет нам решить и проблему безопасности. Часть капсул можно напичкать поглотителем нейтронов и иных высокоэнергетичных частиц с таким расчетом, чтобы ни при каких условиях под землей не началась неуправляемая цепная реакция, могущая привести к атомному взрыву.

Нам нужно лишь, чтобы все это загруженное добро разгорелось до температуры плавления окружающих пород. И начало этакой «горячей каплей» (отсюда, кстати, и название проекта) просачиваться вглубь, уходя все дальше от поверхности Земли. Навсегда.

Затем вслед за первой «каплей» можно отправить в недра Земли следующую. И так до тех пор, пока на поверхности не останется ни одной тонны вредных отходов.

На основании этой идеи ее авторы проработали множество вариантов, которые были застолблены добрым десятком патентов, и стали ждать похвалы за ценную разработку.

Не упустить «жар-птицу». Их действительно похвалили. Но как-то очень уж сдержанно. Тому было несколько причин. Во-первых, как оказалось, подобную идею уже выдвигали ранее. Сначала – двое засекреченных французов сделали доклад на закрытой сессии НАТО в конце 50-х годов прошлого века. Затем американец С. Логан сделал серию публикаций на эту тему. Однако ни натовцы, ни американцы дальше разговоров не пошли.

Эстафету подхватили наши – целая когорта россиян: Б. Замышляев, В. Чернышев, Ю. Зецер, И. Монастырский, Н. Косяков, В. Кащеев, А. Никифоров, П. Полуэктов, А. Поляков… Но и они по разным причинам не довели начатое до практического результата.

В частности, палки в колеса стал ставить могущественный Минатом. Если помните, в печати немало говорилось о том, что наши генералы от атомной промышленности берутся по-своему решить проблему захоронения отходов. Но и деньги они хотят за это немалые – не менее 1,5 млн долларов за каждую тонну ядерных отходов. А тут появляется более дешевая и качественная технология…

И зарубежные поставщики радиоактивных отходов задумались. Зачем отправлять эти отходы в России, платя немалые деньги, если есть способ самим их захоронить более дешевым способом?

Да и надо ли избавляться от них навсегда? То, что ныне является вредными отходами, завтра может оказаться ценнейшим сырьем…

О. Б. Хаврошкин и его коллеги подумали и над этим вариантом. У них есть и методика, так сказать, промежуточного захоронения. Не навсегда, но надолго. Скажем, в слоях каменной соли…

Но подробно говорить о ней преждевременно. Надо бы сначала заключить соответствующие договоры, чтобы не упустить драгоценную «жар-птицу» из рук.

Звезда в… печи?

Какие источники энергии должны прийти на смену современным тепловым электростанциям? Ряд ученых предлагает полнее использовать энергию ветра, воды, солнца или тепло недр, другие – атомные и термоядерные реакторы… Ну а третьи полагают, что выручить человечество может изучение некоторых, пока еще во многом загадочных для науки процессов. К последним принадлежит екатеринбургский изобретатель Михаил Иванович Солин, запатентовавший конструкцию квантового реактора нового типа.

Все началось, как это часто бывает, случайно. В 1976 году молодого тогда еще инженера-физика Михаила Солина отправили в служебную командировку. В городе Усть-Каменогорске на одном из местных предприятий он вместе с коллегами должен был провести ряд экспериментов по выплавке и очистке большой партии циркония.

В печь была заправлена исходная смесь. Агрегат вышел на заданный режим, и тут аспирант Солин заметил странную вещь: печь резко сократила потребление электроэнергии. Между тем она продолжала полыхать жаром. Более того, в центре расплава образовался сияющий, раскаленный добела конус. Он стал расти, испуская во все стороны излучение. Дойдя до какого-то максимума, конус ухнул вниз, образовав в расплаве лунку примерно таких же размеров. А потом все началось снова…

На всякий случай эксперимент решили прекратить. Печь отключили. Михаил Солин забрал образцы, скопировал ленты самописцев, зафиксировавших ход процесса, и отбыл домой. Где и стал думать, почему такое могло произойти. Примерно год он анализировал полученные результаты, писал отчет, строил гипотезы… А потом доложил результаты на научном совете.

Суть его доклада состояла в следующем. Обычно цирконий – металл, используемый в атомной промышленности, – выплавляют килограммами в небольших электрических печах. Но в данном случае была затеяна рекордная плавка – наши специалисты решили поставить мировой рекорд по выплавке редкоземельного металла. И таким образом по чистой случайности собрали массу, которая превысила некий критический уровень.

Далее, нагрев массы в электропечах производится с помощью электричества, которое дает не только тепло, но и порождает индукционные токи, которые, в свою очередь, могли вызвать некую перестройку в атомно-молекулярной структуре металла, привели к возникновению реакции, которая и породила выброс энергии…

В общем, подвел итоги Солин, похоже, что мы имеем дело с ядерным реактором совершенно нового типа. И попросил разрешения повторить опыт, чтобы накопить больше фактического материала. Члены совета задумчиво покачали головами: будучи металлургами, они не очень-то разбирались в ядерных реакциях. Но поскольку Солин доказал соответствующими расчетами, что эксперимент не выйдет из-под контроля в некий закритический режим, то опыт повторить ему разрешили. Более того, даже выделили кинооператора, который должен был запечатлеть все стадии загадочного явления.

Эксперимент повторили. И загадочные пульсации возникли вновь, были зафиксированы на кинопленку. Сняты были и показания самописцев.

Выяснилось, что пульсации расплавленного металла действительно служат источником энергии. Более того, значительная часть этой энергии выбрасывается в виде колебаний электромагнитного поля. То есть получается: поставь индукционные катушки – и качай из печи электроэнергию!

Схема реактора М. И. Солина

Экспериментатор хотел еще продолжить исследования, но завод должен давать план, печь нужна для выпуска основной продукции. Опыты отложили до лучших времен, предложив пока аспиранту разобраться в сути того, что происходит в печи, на теоретическом уровне.

Михаил Иванович стал выяснять что и как. А когда разобрался, оказалось, что печь превращается в своего рода реактор, способный не только производить энергию, но и синтезировать новые элементы.

Сегодня М. И. Солину удалось разработать и запатентовать девять пионерных изобретений, на основе которых создана конструкция экологически безопасного квантового ядерного реактора.

В основе своей реактор Солина имеет все ту же электрическую печь для выплавки редкоземельных металлов. Ванна такой печи теперь превратилась в активную зону, куда загружается энергетическое топливо. Только в качестве его используются не радиоактивные изотопы урана или плутония, а экологически чистые металлы группы ниобия, гафния, молибдена, вольфрама или того же циркония.

Ванна с металлом размещается в вакуумной камере, над которой стоят регулирующие элементы и электронная пушка. Элементы-электроды могут быть сделаны из титана, того же циркония, молибдена, вольфрама и некоторых других редкоземельных материалов.

Индукционные токи, проходящие как через массу металла в ванне, так и через электроды, разогревают расплав до жидкого состояния. Этому же способствует и поток энергии от электронной пушки. Но, впрочем, поток электронов в основном используется для управления процессом, его тонкой настройки. Грубая же осуществляется путем механического перемещения электродов, их сближения или отдаления друг от друга.

Когда в массе расплава начинаются колебательные процессы, агрегат перестает потреблять энергию и начинает ее выделять. По мнению автора, в ванне, словно в недрах некоей звезды, образуется сверхпроводящий ядерный конденсат. «Он представляет собой магнитное жидкометаллическое ядерное топливо, выделяющее энергию с генерированием когерентного излучения в условиях осуществления ядерных сказовых превращений в массе исходного продукта и объединения в ней электромагнитного, гравитационного и ядерных взаимодействий» – так сформулировал суть происходящего сам Солин.

Ну а если выразиться проще, то энергия, вероятно, выделяется за счет того, что в расплаве самопроизвольно образуются пространственные структуры, имеющие форму полых сфер и цилиндров. Внутри их, по всей вероятности, и протекают реакции ядерного синтеза, зарождаются и скапливаются заряженные частицы. Неким упрощенным аналогом этого процесса может послужить кавитация в жидкости, когда образующиеся и охлопывающиеся пузырьки несут в себе немалые заряды энергии.

Как полагает М. И. Солин, разработанный им реактор имеет немалые преимущества по сравнению с ныне существующими ядерными. Во-первых, электрическая печь, лежащая в основе конструкции, стоит примерно в 1000 раз дешевле самого простого «атомного котла». Во-вторых, заготовить для нее «горючее» тоже стоит намного дешевле, чем произвести очистку природного урана. В-третьих, за счет того, что большая часть энергии выделяется в виде электромагнитного излучения, а не тепла, возможно прямое получение электричества, не нужно вторичных контуров преобразования энергии. В итоге КПД установки не 35 %, как у лучших ядерных энергоустановок, а около 85 %. Наконец, в ходе работы не образуются высокорадиоактивные отходы.

В общем, единственный существенный недостаток данной конструкции – ее еще не существует. А пока Солин все ищет средства для проведения дальнейших экспериментов, из-за рубежа пришла весть, что в США начаты работы над конструированием гафниевого реактора аналогичного типа. В общем, пока мы запрягаем, другие уж начинают ездить. «Между тем подобные реакторы – изобретение исконно российское, – грустно шутит Михаил Иванович. – Вспомните хотя бы Емелю из известной сказки. Как вы думаете, какой источник энергии заставил двигаться русскую печь?.»

Эльбрус нас обогреет?

Вулкан Эльбрус – неисчерпаемый альтернативный источник энергии. К такому заключению пришли участники научной конференции в Кабардино-Балкарии. Однако этому выводу предшествовало вот что…

Ученые заинтересовались вулканом не случайно. Несколько лет тому назад они были весьма заинтригованы сообщением, что дремавший около 900 лет вулкан Эльбрус начал оживать. Во всяком случае, местные жители стали замечать, что из трещин на склоне горы повалил пар. Это могло означать, что в скором времени Эльбрус проснется, состоится очередное извержение.

Случаи, когда спящие вулканы внезапно просыпались, не так уж редки. Классический пример – участь жителей Помпей. Как всем известно, внезапно проснувшийся вулкан Везувий за одну ночь засыпал город вулканическим пеплом.

После этого Везувий снова заснул. Однако и поныне он не утратил боевого пыла. На его склонах круглосуточно несут вахту десятки автоматических приборов, а мэр Неаполя и руководители близлежащих городков ломают себе голову над планами эвакуации жителей в случае, если вулкан вдруг проснется. Говорят, чтобы волна вулканических газов, выброшенная из жерла Везувия, добралась до центра Неаполя, понадобится всего 40 минут.

А вот вам более свежий пример. Вулкан Попокатепетль в Мексике не зря считается самым опасным в мире. Потому как в непосредственной близости от него проживает около 30 млн человек. Всего в 40 минутах езды на автомобиле в одну сторону от него расположился один из самых больших и населенных городов мира – Мехико, а в 30 минутах езды в другую – город Пуэбло. Еще более 300 тыс. человек живут у самого подножия огнедышащей горы, поскольку земля, обильно посыпанная вулканическим пеплом, дает высокие урожаи.

В прошлом столетии «дымящаяся гора» – именно так переводится название Попокатепетль с языка местных индейцев – бездействовала целых 70 лет. Но под конец века вулкан проснулся. И 18 декабря 2000 года началось извержение, едва не стоившее жизни многим десяткам тысяч людей. Избежать полномасштабной катастрофы удалось благодаря системе предупреждения вулканического извержения, которую мексиканские и американские сейсмологи начали разрабатывать еще в 70-х годах прошлого столетия, когда вулкан стал подавать первые признаки жизни.

Вид Эльбруса из космоса

«В среднем извержение вулкана на нашей планете происходит каждую неделю, – сказал руководитель группы вулканологов Джэн Миллер. – Так что говорить об актуальности нашей работы лишний раз не приходится»…

И в нашей стране вулканов тоже предостаточно. Каждый год происходят большие и малые извержения на Камчатке. Теперь вот вроде и Эльбрус зашевелился… Он находится на границе двух литосферных плит. Подобная ситуация прослеживается в Альпах и на Тибете. Но там вулканов нет. Здесь же, кроме Эльбруса, в вулканической деятельности подозревается Казбек. Кроме того, аналогичную природу имеет вулкан Арарат. Здесь же находится несколько вулканов в районе озера Ван. То есть налицо цепь вулканов, которая пересекает так называемое кавказское направление. И оно непосредственно связано с огромными разломами, которые ведут свое начало от Африки.

Ныне исследователи проводят самый тщательный мониторинг вулкана Эльбрус, стараясь понять, когда он может проснуться. В итоге они пришли к выводу, что особых поводов для беспокойства пока нет. Эльбрус, последнее извержение которого наблюдалось примерно в 50 году нашей эры, по-прежнему находится в глубокой дреме.

«Вулкан Эльбрус не побеспокоит нас по крайней мере в ближайшие сотни лет, – полагает заведующий кафедрой чрезвычайных ситуаций Кабардино-Балкарского госуниверситета профессор Александр Шевченко. – Наши исследования Эльбрусского вулканического центра проводились совместно со Стэнфордским университетом, и были получены уникальные данные по строению и геодинамике Эльбруса. Создана детальная геологическая карта вулкана на основе космических исследований, изучена и датирована прошлая активность вулкана»…

По словам ученого, выводы о тепловых полях в районе Эльбруса позволяют использовать вулкан в качестве источника энергии. Это неисчерпаемый энергопотенциал, которого хватит не только Приэльбрусью. Нужны только тепловые насосы, с помощью которой можно будет передавать тепло из глубин на поверхность.

Впрочем, не все исследователи настроены столь благодушно. По мнению лауреата Демидовской премии, академика Олега Алексеевича Богатикова, Эльбрус ныне является одним из самых опасных вулканов на территории России. Ему даже присвоена категория взрывного.

Вулканологи определили, что в последнее время на 1,5–2° повысилась температура почвы. А из трещин на склоне горы повалил пар. Это означает, что в скором времени Эльбрус может проснуться, состоится очередное извержение.

«Вообще на нашей планете существует довольно много вулканов, которые в настоящее время спят, – пояснил академик. – Но этот сон не вечен. Время от времени такие вулканы просыпаются, и тогда жди беды»…

Ныне исследователи проводят самый тщательный мониторинг вулкана Эльбрус, стараясь понять, когда он может проснуться. Обнаружена жидкая магма на глубине 5 км. Это показывает, что ждать извержения, возможно, уже недолго.

Если склоны вулкана в этот момент будут покрыты снегом и льдом, то в дополнение ко всем неприятностям следует ждать схода селей и наводнения.

Однако, по мнению академика Богатикова, примерно за полмесяца до извержения вулкан обязательно даст знать о себе предварительными сигналами – небольшими толчками и выбросами пара. Так что у властей будет достаточно времени, чтобы принять меры по эвакуации людей из близлежащих селений.