Энергия будущего

Энергия — обязательное условие существования современного общества. Поддержание уровня жизни возрастающего населения, подъем его благосостояния, сохранение национальной безопасности, рост изобилия и увеличение помощи развивающимся странам — вот цели, которые общество сможет достичь при условии неуклонного роста производства энергии. Если более низкие энергетические издержки предоставляют обществу больше свободы действий в достижении своих целей, то наличие энергии — это первое требование для того, чтобы обладать свободой действий во всем. (Доклад Президенту США Дикси Ли Рэя, декабрь, 1973 г.)

Чем заменить горючие ископаемые, если когда-нибудь обнаружится истощение их запасов или если их использование приводит к нежелательным экологическим последствиям? Утверждение д-ра Рэя, приведенное выше, подчеркивает необходимость в далеко идущих ответах. Помимо горючих ископаемых, мы уже получаем энергию из таких источников, как гидроэлектростанции, атомные станции, дрова, солнце, приливы, ветры и тепло земных недр. Но общество попало в столь жесткую зависимость от горючих ископаемых, что на долю других источников приходится менее 10 % используемой энергии. Потребление энергии населением Земли возросло к 1983 г. до 3∙10²⁰ Дж в год, причем это количество постепенно нарастает. Потребление 3∙10²⁰ Дж энергии в год соответствует мощности 9,5∙10¹² Вт, а это означает, что, за исключением нефти, газа и угля, все другие источники поставляют менее 1∙10¹² Вт. Для неуклонного роста жизненного уровня населения в развивающихся странах и сохранения цивилизации на Земле необходимо, чтобы соотношение используемых источников топлива в конечном счете изменилось и человечество освободилось от своей тяжелой зависимости от горючих ископаемых. Поэтому здесь внимание будет уделено тем источникам топлива, которые могут быть перспективными в будущем.

Поток земной энергии. Прежде чем оценить отдельные виды ресурсов, рассмотрим общий бюджет энергии земной поверхность. На поверхность Земли энергия поступает из трех источников. Первый источник — это кинетическая энергия вращения Земли, определенная часть которой нам доступна благодаря тому, что океанские приливы являются постоянным тормозом, замедляющим вращение планеты. К счастью, скорость замедления чрезвычайно мала — долгота дня увеличивается не более чем на тысячную долю секунды за столетие — но ее достаточно, чтобы 2,7∙10¹² Вт мощности рассеивалось приливами. Приливы являются возобновляемым источником и для практических целей обладают, конечно, достаточной энергией, хотя по сравнению с другими источниками ресурсы их невелики.

Второй источник — это энергия земных недр, она поступает на Землю в форме тепла, называемого обычно геотермальным, и достигает поверхности со скоростью 32,3∙10¹² Вт. Определенная часть этого тепла связана с бурными процессами, которые миллиарды лет назад сформировали нашу планету, но сейчас высокие температуры внутри Земли поддерживаются теплом, выделяемым при спонтанном распаде природных радиоактивных элементов — урана и тория. Если искусственно ускорить процесс распада атомов, как это делается на атомных станциях, то накопленные в Земле уран и торий перейдут в категорию невозобновляемых ресурсов громадной величины. В качестве ресурсов атомной энергии рассматриваются только уран и торий, сосредоточенные в самой верхней 1-км кромке континентов. Ядерный потенциал Земли огромен и никогда не может быть полностью использован не только потому, что невозможно переработать на глубину в 1 км всю поверхность суши, но еще и потому, что для извлечения урана и тория из горных пород потребуется больше энергии, чем ее может быть произведено потребителями этого сырья — атомными станциями.

Третий источник — это Солнце, которое посылает на поверхность тепло и свет. Ежедневно на Землю поступает 1,5∙10²² Дж солнечной энергии, или в единицах мощности — 17,3∙10¹⁶ Вт. Этот огромный поток свидетельствует по существу о безграничности солнечной энергии, и вопрос в том, как ее использовать и как сделать это разумно и без ущерба. Поступающая солнечная энергия настолько превышает энергию приливов и тепла недр, что она затрагивает почти каждый процесс и каждое живое существо на земной поверхности. Около 30 % приходящих лучей отражается облаками и земной поверхностью, но большая их часть проникает в атмосферу и следует далее различными путями. Нагревая атмосферу, океаны и сушу, солнечное тепло вызывает ветры, дожди, снегопады и океанские течения. Однако вся энергия вновь излучается в холодный космос, сохраняя земную поверхность в тепловом равновесии. Небольшая часть солнечной энергии временно аккумулируется в водных резервуарах — озерах и реках, другая же часть — в живых растениях и животных. Следовательно, дрова и гидроэлектроэнергия являются возобновляемыми источниками энергии. Уловленный и захороненный в осадках органический материал аккумулирует запас солнечной энергии на значительно более продолжительные сроки полного цикла существования осадочных горных пород.

Энергия приливов

Приливы являются результатом гравитационного притяжения Луны и Солнца, причем, воздействие Луны значительно больше. Мы можем нарисовать два приливных вала: один из них обращен к Луне, а другой, уравновешивающий первый, находится на противоположной стороне Земли. Так как Земля вращается вокруг своей оси, валы двигаются и каждый день образуют две высокие и две низкие приливные волны. Сила приливов, следовательно, является выражением силы вращения планеты. Континенты, острова и мелководные участки действуют как барьеры на пути плавного прохода приливных валов, поэтому сила приливов здесь увеличивается.

Притяжение Солнца и неровности рельефа осложняют эту простую картину. Высота приливов не везде одинакова. Она редко превышает один метр в глубоком океане, а над континентальным шельфом может достигать 20 м. Движение столь огромной массы воды требует большого количества энергии. Суммарная мощность приливов оценивается в 2,7∙10¹² Вт, что за год составляет 0,85∙10²⁰ Дж.

В утилизации приливов и отливов существует много проблем. Во Франции (река Ране) и в СССР (Кислая губа) станции уже генерируют электричество из приливных волн. Как показали эти опыты, для эффективной работы станций требуются высота приливной волны более 5 м и наличие перекрытых легкими плотинами заливов или эстуариев. К сожалению, почти везде прибрежные приливы имеют высоту около 2 м, и только примерно 30 мест на Земле удовлетворяют указанным требованиям. Наиболее важными из них являются: два смежных залива — Фанди (Канада) и Пассамакуодди (США); французское побережье вдоль Ла-Манша, где станция на реке Ране успешно действует уже много лет; обращенные к Ирландскому морю эстуарии рек Англии; Белое море (СССР) и побережье Кимберли (северо-западная Австралия). Если предположить, что каждое из этих мест будет полностью освоено и в каждом из них будет извлекаться 20 % энергии приливов, то общая мощность приливов могла бы составить 0,032∙10¹² Вт. Это немного по сравнению с сегодняшними потребностями общества, но очень много для отдельных площадей, где приливы высоки. Таким образом, энергия приливов может иметь важное (хотя и местное) значение в будущем, потому что является одной из немногих энергетических систем, которые действуют без серьезного ущерба для окружающей среды.

Энергия земной тверди

Геотермальная энергия. Тот, кто спускался в шахту, знает, что температура горных пород с глубиной увеличивается. Измерения, проведенные в глубоких скважинах, показали ее увеличение от 15 до 75 °С на километр. В ядре Земли температура, вероятно, превышает 5000 °С. Размер Земли столь велик, что внутри ее заключено громадное количество тепловой энергии.

Тепло перетекает от горячего тела к холодному, поэтому от Земли в пространство постоянно идет медленный поток тепла. В среднем из недр к поверхности поступает 6,3∙10^—6 Дж/(см²-с), или в единицах мощности — 32,3∙10¹² Вт. Общее количество тепла огромно, но оно сильно рассеяно. Если бы все тепло, выделяющееся с 1 м², можно было бы собрать и использовать для нагрева чашки воды, то понадобилось бы пять суток, чтобы довести ее до кипения.

Несмотря на постоянные потери тепла, Земля остывает очень медленно — так медленно, что остывание невозможно измерить за короткий промежуток человеческого бытия. Этому есть две взаимосвязанные причины. Во-первых, горные породы являются плохим проводником тепла, а внешние слои для горячих недр планеты играют роль теплоизоляторов. Во-вторых, постоянно добавляется новое тепло. Незначительные количества природных радиоактивных атомов, главным образом ²³⁸U (Уран-238 представляет собой атом, который содержит 146 нейтронов и 92 протона, что составляет в ядре 238 частиц), ²³⁵U, ²³²Th и ⁴⁰К, распространены в недрах Земли повсеместно. Каждый раз, когда распадается радиоактивный атом, высвобождается некоторое количество тепла. Например, атомы перечисленных выше элементов в средних по составу изверженных породах континентальной коры высвобождают 3,9∙10^-9 Дж на грамм породы в день. В отдельности — это немного, но суммированное для всей Земли это количество достаточно, чтобы поддерживать скорость остывания, не превышающую, согласно оценкам, 100°С/млрд. лет. Ясно, что недра Земли будут оставаться горячими еще миллиарды лет.

Оценка геотермального тепла как потенциального энергетического ресурса сложна тем, что требует уточнения исходных понятий. Что в точности подразумевается под геотермальной энергией? Это не может быть все тепло Земли, так как большая часть земных недр недоступна. Если принять во внимание только верхние 10 км континентальной коры — всего одна скважина (в СССР) пробурена на большую глубину (К моменту выхода в свет этой книги глубина еще одной скважины (в СССР) превысит 10 км, а две другие скважины будут близки к этому рубежу. — Прим, перев.), а тепло океанической коры доступно для использования лишь на островах, поскольку вся остальная ее часть покрыта океанами, — то несложно подсчитать, что тепловая энергия Земли со средней температурой поверхности выше 10 °С огромна, а именно 1,3∙10²⁷ Дж. Геотермальное тепло уже используется в ряде удачно расположенных мест земного шара, но насколько больше можно было бы получать энергии, если бы все это количество тепла можно было рассматривать как потенциальный топливный ресурс? А если это возможно, то каким образом извлечь тепло и во что такое извлечение обойдется? Это именно тот сложный технико-экономический вопрос, который возникает, когда обсуждаются нетрадиционные источники энергии. По-видимому, существуют два пути извлечения тепла недр.

Приблизительно две трети тепла, теряемого Землей (со скоростью 21∙10¹² Вт), достигает поверхности благодаря теплопроводности горных пород. Замена горных пород лучшими проводниками, например, металлическими стержнями, ускорила бы поток тепла, но это, по-видимому, уже из области фантастики. Остаток тепла — 11,3∙10¹² Вт — переносится к поверхности горячими флюидами низкой плотности, поднимающимися по более холодным и более плотным горным породам. Процесс переноса тепла потоком подвижного материала называется конвекцией. Наиболее важную роль в конвективном переносе тепла играют магма, горячая вода и пар, которые обычно находятся в тесной географической ассоциации, так как магма выносит на приповерхностные глубины аномально горячие жидкие массы. Большая часть конвективного тепла (по оценкам, 11∙10¹² Вт) достигает поверхности земной коры вдоль оси срединно-океанических хребтов, при этом морская вода является охлаждающей средой. Никто пока не знает, каким образом можно воспользоваться подводным вулканическим теплом, но, как использовать вулканическое тепло суши, мы уже знаем. Если комплекс горных пород, обладающих пористостью и проницаемостью, окажется рядом с приповерхностным магматическим телом, внедрившимся в континентальную кору, то образуется подземный резервуар пара и воды, нагретых магмой. Горячая вода и пар, содержащиеся в порах пород, формируют то, что иногда не совсем правильно называют «геотермальный бассейн». Если такой «бассейн» содержит проницаемые горные породы, то горячая вода и пар могут быть выведены на поверхность через буровые скважины и использованы для приведения в действие электрических турбин. Если жидкость слишком перегрета, образуется пар; когда же она менее горячая, имеет место смесь воды и пара или, как в большинстве геотермальных бассейнов, просто горячая вода.

Так как пар предпочтительнее для электрогенерирующих турбин, до сих пор осваиваются только те геотермальные бассейны, которые содержат пар. Они используются в Исландии, Японии, Италии, Индонезии, на Филиппинах, в СССР, США и Новой Зеландии; в будущем планируется освоение ряда других бассейнов. В некоторых районах геотермальные горячие воды уже используются для обогрева домов, плавательных бассейнов и теплиц, но хотя число примеров такого использования быстро растет, они имеют все же малое значение по сравнению с производством электроэнергии.

К сожалению, конвективный тепловой поток через центры вулканизма на суше мал (примерно 0,3∙10¹² Вт). По данным экспертов Геологической службы США, мировые запасы геотермальной энергии на глубине до 3 км, которой, по-видимому, в континентальной коре ограничивается наличие больших геотермальных бассейнов, составляют примерно 8∙10¹⁹ Дж. Это обескураживающе малое количество. Поэтому предполагается, что геотермальная энергия, подобно энергии приливов, будет иметь сугубо местное значение и не сыграет большой роли в глобальном масштабе. Суммарная тепловая энергия в геотермальных областях, конечно, значительно больше 8∙10¹⁹ Дж. Но эта оценка основана на низкой эффективности, с которой электричество может быть генерировано из геотермального пара. Опыт, полученный в Исландии, Новой Зеландии и Италии, подтверждает, что эффективно может быть извлечено не более 1 % тепловой энергии бассейна.

Естественно спросить, а нельзя ли создать рукотворные геотермальные бассейны, чтобы можно было задействовать огромные резервуары тепла в обычных горных породах. Для проверки этой идеи уже проводятся эксперименты в США и Франции, а возможно, и в других странах. Местом эксперимента в США выбран Джемез-Маунтинс (шт. Нью-Мексико). Здесь, на склонах недавно потухшего вулкана, бурением можно достичь горячих, сухих горных пород на умеренных глубинах. Были пробурены две скважины, и горные породы между ними были на глубине раздроблены контролируемыми взрывами, чтобы создать необходимые пористость и проницаемость. Холодная вода подается сверху по одной скважине, нагревается, проходя горячие, раздробленные породы, и возвращается на поверхность через вторую скважину. Та же самая вода используется вновь и вновь. До сих пор эксперимент был лишь отчасти успешным: с одной стороны, он выявил трудности контроля за качеством дробления пород, но, с другой — показал, что в техническом отношении проект осуществим. Что же касается его экономической эффективности, то это вопрос будущего.

Запасы гидротермальной энергии в природных резервуарах составляют лишь малую долю всего геотермального тепла. Среди экспертов нет единого мнения относительно того, как велика в горячих, сухих породах доля тепла, которую следовало бы рассматривать как потенциальные ресурсы. Величина этой извлекаемой части целиком зависит от оптимизма по поводу будущих успехов технологии. Ее значение читатели могут выбрать сами. Автор скептически относится к возможности получения больших количеств энергии за счет горячих, сухих горных пород, поэтому он оценивает потенциальные ресурсы в 10²⁰ Дж, т. е. примерно на том же уровне, что и запасы энергии геотермальных бассейнов.

Энергия деления ядер. Ядерная энергия образуется в результате процесса, впервые расшифрованного Альбертом Эйнштейном, который в 1905 г. показал, что материя и энергия могут быть преобразованы друг в друга. Атомные ядра состоят из нейтронов и протонов. Однако, если измерить массу атома, она всегда окажется чуть-чуть меньше суммы масс отдельных протонов и нейтронов. Гелий, например, имеет два протона и два нейтрона и должен был бы весить 4,04403 а. е. м. В действительности же он весит только 4,00260 а. е. м. Недостающая масса превратилась в энергию, когда частицы соединились с образованием ядра.

Распад ядра на составные части можно осуществить только с помощью энергии, достаточной для замены недостающей массы. Недостающая масса, следовательно, действует как своего рода клей, удерживающий частицы вместе, и называется связанной энергией или энергией связи ядра. Связанная энергия, приходящаяся на протон или нейтрон в ядре, изменяется вместе с общей массой атома. Чем ниже место атома на кривой энергии связи, тем больше высвобождается энергии, когда он образуется.

Так как на кривой энергии связи имеется изгиб, высвободить атомную энергию можно с помощью двух процессов. Первый из них — слияние или синтез легких элементов, таких, как водород и литий, при котором образуются более тяжелые элементы. Это процесс, идущий на Солнце и в водородной бомбе. Хотя синтез, при котором полученная энергия превосходила бы затраченную, пока не осуществлен в лабораторных условиях, некоторые ученые полагают, что успех все-таки будет достигнут и синтез элементов сможет стать главным источником энергии в будущем. Второй процесс — трансформация, или деление (распад) тяжелых элементов, таких, как уран и торий, но не на составляющие протоны и нейтроны, а на два или более атомов промежуточной массы, стоящих ниже на кривой энергии связи. Деление — процесс, идущий в атомной бомбе. Поскольку эта реакция может контролироваться, деление уже используется для генерации электричества на атомных электростанциях. Поэтому в первую очередь мы рассмотрим энергию, высвобождающуюся в результате распада радиоактивных элементов

Некоторые радиоактивные элементы образуются при делении в процессе нейтронной бомбардировки ядер, что приводит к нестабильности атомов и самопроизвольному их распаду. Если в процессе распада высвобождаются также нейтроны, происходит самоподдерживающая или цепная реакция. Природной способностью к распаду обладает только уран-235, который составляет всего 0,7 % общего количества природных атомов урана. Цепная ядерная реакция урана-235 впервые была осуществлена проф., Энрико Ферми 2 декабря 1942 г. в Одном из наиболее важных экспериментов, когда-либо проведенных на Земле.

Стоимость выделения атомов урана-235 из атомов более распространенного урана-238 высока. Однако при распаде одного атома урана-235 высвобождается 3,2∙10^-11 Дж энергии. Поскольку в 1 г урана-235 содержится 2,56∙10²¹ атомов, при распаде 1 г урана образуется 8,19∙10¹⁰ Дж, что эквивалентно энергии, получаемой при сжигании 2,7 т угля. В 1980 г. на уране-235 работало 186 атомных электростанций в 20 странах. Многие станции имеют более одного реактора, при этом и число действующих реакторов, и число стран, где они установлены, неуклонно растет. Это происходит несмотря на тот факт, что в США к моменту завершения работы над данной книгой были аннулированы контракты на строительство новых атомных электростанций, а из-за ошибок, выявленных в их конструкциях, отменено действие лицензий для ряда уже законченных станций. По сообщениям, в 1980 г. суммарная мощность 186 атомных электростанций составляла 110∙10⁹ Вт, что достаточно для обеспечения 7,6 % потребляемой в мире электроэнергии. Согласно отчетам, среди стран, где действуют атомные электростанции, США занимают первое место по использованию атомной электроэнергии (45,5 % электроэнергетики), затем идут Европа (28 %) и Япония (11,8 %).

Перед руководством атомных электростанций, использующих уран-235, встает много важных вопросов. Один из них — экономический: может ли производство уранового топлива быть дешевле добычи эквивалентного по энергии количества угля или нефти и может ли строительство атомных электростанций по объему капиталовложений конкурировать с угольными и нефтяными электростанциями. Богатейшие рудники могут поставлять уран стоимостью несколько центов за грамм. Поскольку уран-235 составляет лишь 0,7 % всей массы урана, без учета трудностей и дороговизны его отделения от урана-238, стоимость урана-235 окажется равной 3,00 долл, за грамм. Добыча угля, эквивалентного по энергии 1 г урана-235, стоит по крайней мере 15,00 долл., если он добыт из самых дешевых шахт. Поскольку большая часть самопроизвольно распадающегося урана идет на производство вооружений, цены разделения урана в соответствующем процессе не публикуются ни в США, ни в других странах. Однако, очевидно, что они ниже 12 долл, за грамм, т. е. разница между ураном и эквивалентным количеством угля определенно в пользу урана-235, благодаря чему уран в настоящее время — экономически конкурентоспособное топливо. Что касается экономики проектирования и строительства атомных электростанций, то она менее ясна. Двадцатилетний опыт показывает, что расходы увеличиваются, а не уменьшаются, ибо перед инженерами встают все более и более сложные задачи. Именно поэтому в последние годы многие контракты на строительство атомных электростанций были либо отложены на время, либо аннулированы.

Наряду с экономическими вопросами остро встает проблема безопасности, которую большинство человечества осознает как наиболее тревожную проблему современности. Если атомные электростанции окажутся несостоятельными по каким-либо причинам и произойдет выброс радиоактивных веществ в окружающую среду, последствия могут быть катастрофическими. К счастью, больших аварий еще не было (Эти строки написаны до аварии на Чернобыльской АЭС — Прим перев.), но несколько случаев, близких к этому, имели место и, безусловно, возможны в будущем. Однако представляется еще более тревожной, нежели безопасность самих станций, проблема удаления радиоактивных отходов. Последние сотни лет остаются токсичными и должны захороняться в удаленных местах таким образом, чтобы радиоактивные вещества не могли попасть в подземные воды, атмосферу или биосферу. Хотя геологи могут указать множество мест, где природные скопления радиоактивных элементов надежно запечатать в горных породах, одной человеческой репутации ученого едва ли достаточно для уверенности в безопасном хранении, например, токсичных отходов химических заводов, и едва ли этот вопрос — только дело чести и доверия. Предполагая, что удастся снизить возможные опасности и что будут достигнуты необходимые технологические успехи, попробуем нарисовать общую картину запасов ядерного топлива. Чтобы все введенные в строй атомные электростанции, работающие на уране-235, могли эксплуатироваться до 2000 г., необходимо строгое нормирование запасов богатых урановых месторождений. Такое напряженное положение, несомненно, вынудит многие страны обратиться к поискам альтернативных источников ядерного топлива. В этом случае очевидны две альтернативы, и обе они основаны на использовании более распространенных материалов, чем уран-235. Это уран-238 и торий-232, так как они более обильны, нежели уран-235, и могут превращаться в самопроизвольно распадающиеся атомы. Когда нейтрон с соответствующей скоростью ударяется в ядро атома урана-238, он поглощается, вызывая испускание двух электронов, а сам атом превращается в плутоний-239. Сходным образом торий-232 может превратиться в уран-233. И плутоний-239, и уран-233 являются самораспадающимися и могут поддерживать цепные ядерные реакции. Следовательно, задача состоит в том, чтобы так сбалансировать образование нейтронов из распадающихся атомов, чтобы скорость превращения урана-238 или тория-232 равнялась или превосходила скорость, с которой исчезают расщепляющиеся атомы. Этот процесс называется размножение, а устройство, в котором он протекает, — реактором-размножителем. Количество тепла, производимое реакциями деления урана-238 и тория-232, такое же; как при делении урана-235, однако с использованием реакторов-размножителей стоимость топлива существенно снижается. По курсу 1983 г стоимость сырого урана для реактора-размножителя эквивалента стоимости угля 2 цента за тонну или стоимости нефти менее чем полцента за баррель. Вероятно, некоторые разновидности горных пород и даже морская вода могли бы использоваться в качестве источника урана, и топливо было бы все еще конкурентоспособно с углем и нефтью. По этой причине очень активно велись исследования на реакторах-размножителях, и, по мнению некоторых экспертов, к 1995 г они будут действовать как коммерческие. На экспериментальных, но тем не менее производящих электроэнергию установках они уже действуют (во Франции, Канаде, Великобритании и СССР). К сожалению, с использованием реакторов-размножителей возникло больше инженерных проблем и проблем безопасности, нежели на атомных электростанциях, работающих на уране-235.

Большая часть работ в атомной энергетике сосредоточена на урановых реакторах, поэтому именно уран наиболее активно эксплуатируется и исследуется. Этот элемент имеет два состояния валентности — U⁴⁺ и U⁶⁺, и взаимодействие этих ионов регулирует их распределение в земной коре. В некоторых изверженных породах уран широко распространен в виде UO₂ — минерала уранинита (иногда называемого смоляной обманкой), в котором уран находится в четырехвалентном состоянии UO₂ практически нерастворим, но как только U⁴⁺ окисляется до U⁶⁺, что происходит в определенных условиях на земной поверхности, образуется комплексный уранил-ион (UO₂)²⁺. Этот ион может образовывать растворимые соединения. Такой компонент, как уранил карбоната, способствует растворению и переносу урана в поверхностных водах Его осаждение происходит, когда растворы встречаются с восстанавливающим агентом, например с органическим веществом, которое переводит уран в четырехвалентное состояние; при этом снова образуются менее растворимые соединения. Восстановленный уран может осаждаться в виде UO₂ или USiO₄, как это происходило в известных месторождениях плато Колорадо, где обнаружены захороненные стволы деревьев, почти нацело замещенные уранинитом, и как это происходило во многих богатых органикой сланцах во всем мире, например в развитых на площади 100 тыс. км² сланцах Чаттануга (шт. Алабама и Кентукки), а также в квасцовых сланцах (Швеция и Норвегия). Наконец, уран может быть захвачен другим минералом. Особенно это присуще апатиту Са₅(PO₄)₃(ОН, F), в кристаллическую структуру которого входят атомы четырехвалентного урана. Очевидно, таким образом уран концентрировался в фосфатных месторождениях шт. Флорида.

Измеренные ресурсы урана в богатых месторождениях, к сожалению, не так велики, как можно было бы ожидать. В период с 1945 по 1960 г. урану уделялось самое пристальное внимание минералогов и геологов, когда-либо сопровождавшее изучение металлов. За этот период было открыто много богатых месторождений, что позволило продолжить поиски в надежде обнаружить месторождения еще более высокосортных руд. Высказывались даже предположения о больших и легко осваиваемых потенциальных ресурсах. Однако дальнейшие работы показали, что эти прогнозы были ошибочными. Интенсивные поиски, предпринятые в конце 60-х годов и продолжавшиеся все 70-е годы, оказались неудачными в США, но они привели к открытию ряда богатых и значительных по размерам месторождений в Австралии, Канаде и Намибии.

В США богатейшие месторождения представляют собой вторичные концентрации урана в осадочных породах, возникающие при переносе металла в подземных водах. Крупнейшие и наиболее многочисленные месторождения обнаружены в породах юрского и триасового возраста на плато Колорадо, на востоке шт. Юта, в северо-восточной части шт. Аризона и на северо-западе шт. Нью-Мексико. Богатые месторождения (но уже кайнозойского возраста) установлены в шт. Вайоминг и Техас. По данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), запасы всех этих месторождений, а также более мелких и менее ценных рудопроявлений, обнаруженных в других штатах, составляют всего 708 тыс. т. В Канаде запасы урана локализованы главным образом в богатых месторождениях района Большого Медвежьего озера в пределах Северо-Западных территорий, а также в районе Блайнд-Ривер севернее озера Гурон (пров. Онтарио), где в рассеянном виде урановые минералы обломочного происхождения содержатся в широкоразвитых осадочных породах докембрийского возраста. Большие запасы урана в ЮАР связаны с золоторудными месторождениями Витватерсранда, где ничтожные количества урана, также обломочного происхождения, извлекаются в качестве побочного продукта при добыче золота. Запасы урана в Австралии, представлены месторождениями различных типов, при этом одно из них, как считают, является богатейшим из когда-либо открывавшихся ранее.

Запасы богатых урановых руд в развивающихся странах невелики. Поскольку элемент секретности окружает стратегическое сырье типа урана, опубликованные данные представляют, вероятно, заниженные цифры. Но независимо от того, насколько точно известны эти запасы, можно вполне определенно утверждать, что они не столь велики, чтобы обеспечить атомные электростанции, работающие на уране-235, в очень далеком будущем. Рассмотрим, например, что случилось бы, если бы все запасы и ресурсы были использованы только для извлечения урана-235. Если эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую равнялась бы 40 %, то суммарная энергия составила бы всего 8∙10²⁰ Дж. С другой стороны, если тот же уровень эффективности был бы использован для всего урана-238 в реакторах-размножителях, то суммарная энергия возросла бы до 1140∙10²⁰ Дж.

Для всех прочих проявлений урана трудно провести экономическую оценку, так как необходимая для этого работа еще не проведена. В США сделана общая прикидка по типам возможных источников сырья, которая показала, что если цены возрастут до 1,00 долл, за грамм, то может быть извлечено около 2∙10⁹ т урана. Эта огромная масса могла бы дать 6,6∙10²⁵ Дж электроэнергии. Подобные же цифры получаются и для других районов Земли. Оценки запасов тория менее определенны, нежели урана. Так как в континентальной коре торий более распространен по сравнению с ураном, то и потенциальные ресурсы его, по-видимому, выше урановых. Допустив, что развитие технологии сделает реакторы-размножители безопасными и свободными от недостатков, можно прийти к выводу, что энергия ядерного распада, вероятно, будет иметь большое будущее. Однако ждет еще своего решения главная проблема, а именно удаление отходов ядерных реакций. Большая часть отходов высокорадиоактивна и не имеет полезного практического применения. Поэтому отходы должны захороняться в приемлемых по нормам безопасности хранилищах. Выбор мест захоронения затрагивает ряд политически чувствительных вопросов, поскольку некоторые радиоактивные отходы сохраняют опасные свойства сотни и даже тысячи лет. Большинство ученых и инженеров, изучавших эту проблему, пришли к заключению, что можно подготовить места безопасного захоронения отходов и соорудить для хранения последних надежные контейнеры. Однако население районов, где планируется разместить эти контейнеры, может не согласиться с подобным заключением. До сих пор ни одной стране не удалось найти решения, которое было бы приемлемым для всех; поэтому продукты радиоактивных отходов пока содержатся во временных контейнерах на поверхности. Такой способ, к сожалению, является наиболее опасным, уязвимым и наименее приемлемым решением проблемы.

Энергия ядерного синтеза. Мы знаем, как использовать энергию распада, но пока не научились использовать энергию синтеза. Когда мы научимся этому, реакция синтеза откроет дорогу использованию невозобновляемых энергетических ресурсов, которые поистине астрономические.

Наибольшее количество энергии выделяется при слиянии атомов самого легкого элемента — водорода, в результате чего получается гелий. Это та самая реакция, которой обязано происхождение большей части энергии, излучаемой Солнцем. При аналогичных реакциях, включающих более тяжелые элементы, выделяется тем меньше энергии, чем больше масса элементов, хотя, с другой стороны, эти реакции легче контролировать. Например, основная реакция в водородной бомбе включает слияние атомов дейтерия (изотоп водорода; ядро атома состоит из нейтрона и протона) с образованием гелия. Каждый раз, когда осуществляется такое слияние, высвобождается 7,9∙10^-13 Дж энергии. Каждый кубический сантиметр морской воды содержит приблизительно 10¹⁶ атомов дейтерия, а поскольку объем океана равен 1,35∙10²⁴ см³, потенциальная энергия синтеза дейтерия в океане достигает 10,7∙10²⁷ Дж.

Синтез водорода, если он будет достигнут, позволит использовать еще большие ресурсы, так как в океане на каждый атом дейтерия приходятся 6500 атомов водорода. Если иметь в виду эти большие числа, станет понятным, почему многие эксперты считают необходимым продолжать исследования реакций синтеза. Ясно, что с освоением термоядерной энергии независимо от того, используется при этом дейтерий или водород, будет решена не только проблема топливных ресурсов.

Солнечная энергия

Солнечная энергия обладает такими свойствами, которые в сочетании не встречаются ни у одного другого источника: она — возобновляема, экологически чистая, управляема, а по величине в тысячи раз превосходит всю ту энергию, которую мы используем сегодня и, возможно, будем использовать завтра. Конечно, мы уже используем солнечную энергию в различных целях: оранжереи, солярии в домах и прозрачные стены в темных интерьерах больших зданий служат тому примером. Естественно, что в будущем во все возрастающих размерах будут использоваться и эти пассивные формы применения солнечной энергии. Однако основная проблема заключается не в пассивных тепловых системах, а скорее, в так называемых активных солнечных системах, в которых солнечное тепло аккумулируется для более позднего использования — или для приведения в действие машин, или для генерирования электричества. Здесь также изобретено множество устройств, но большинство из них либо неэффективны, либо капиталоемки. Их неэффективность связана с тем, что большинство устройств сначала нагревают воду или подобную ей жидкость, а она уже в свою очередь используется либо для обогрева жилища, либо для приведения в движение мотора или электрического генератора. Недавние разработки устройств, называемых солнечными батареями, которые преобразуют солнечную радиацию непосредственно в электроэнергию, свидетельствуют в пользу того, что когда-нибудь эффективность этого преобразования составит 30 %. Солнечные батареи уже используются в ряде случаев, но они пока дороги и не могут конкурировать с традиционными энергетическими установками. Кроме того, солнечные лучи рассеиваются земной поверхностью, поэтому для силовой станции мощностью 10⁹ Вт — примерная мощность самых крупных на сегодня атомных электростанций — понадобилось бы 8 км² поверхности, собирающей солнечный свет. Высокая стоимость станций, необходимость больших площадей и высокий процент облачных дней во многих регионах (особенно в высоких широтах), по-видимому, не позволят ряду стран использовать одну «лишь солнечную энергию. Однако в районах со сравнительно безоблачным небом солнечная энергия может эффективно использоваться в будущем.

Энергия воды. Нет необходимости непосредственно собирать солнечную энергию. Примерно 23 % солнечной радиации уходят на испарение воды, выпадающей затем в виде дождя и снега. В действительности Солнце действует как гигантская помпа, выкачивающая воду из моря и сбрасывающая ее на сушу, с которой она снова стекает в море. Таким образом, движение воды, вызываемое солнечной энергией, представляет собой возобновляемый ресурс

Примитивным образом сила воды использовалась за тысячи лет до XX столетия, когда началось широкомасштабное перекрытие рек для производства электроэнергии. Из всех возобновляемых энергетических ресурсов наиболее интенсивно используется сила воды. Оценка энергетических ресурсов проточных вод включает расчет количества воды в ручьях и реках и расстояний, которые она преодолевает от истоков до устьев. Используя данные Геологической службы США, Адамс в 1962 г. подсчитал, что мощность воды, стекающей с континентов, равна 2,9∙10¹² Вт. Но не все это количество может быть использовано. В течение года скорость течения резко меняется, к тому же нет возможности полностью перекрыть реку. В 1981 г в связи с «Программой охраны окружающей среды» ООН сообщила свои оценки реально извлекаемой мощности при условии наличия плотин там, где это возможно. Как и в случаях с геотермальными и приливными станциями, извлекаемое количество составляет лишь малую часть суммарно возможной мощности.

При рассмотрении энергии воды первостепенное значение имеют два обстоятельства. Первое — являющееся весьма неблагоприятным, даже если мировое сообщество решится на тотальное перекрытие всех крупных речных систем — это то, что плотины имеют конечный и, скорее всего, короткий срок жизни. Движущийся поток воды переносит груз тонких глинистых частиц в виде суспензии; как только поток перекрывается и скорость воды падает, этот материал отлагается. В зависимости от того, сколько осадков несет поток, резервуар может быть целиком заполнен ими за 50—200 лет. Например, большая Асуанская плотина на Ниле будет занесена к 2025 г. по крайней мере наполовину, так как Нил — очень мутная река. Энергия воды возобновляется, но устройства по выработке этой энергии — невозобновляемы в том смысле, что объем наносов, который должен быть удален из главного резервуара, столь огромен, что практические возможности проведения такой работы отсутствуют. Второе обстоятельство, напротив, благоприятно. Наибольший неосвоенный потенциал вод характерен для Южной Америки и Африки. Принимая во внимание, что ресурсы угля на этих континентах невелики, можно считать весьма удачным наличие здесь больших запасов энергии воды. С учетом этого продолжительное использование энергии воды в странах Южного полушария выглядит вполне реальным.

Энергия ветра и энергия океана. Примерно 46 % поступающей солнечной энергии поглощаются океаном, сушей и атмосферой. Эта энергия не только вызывает ветры, волны и океанские течения, но и нагревает моря и порождает колебания погоды. По крайней мере некоторую ее часть можно рассматривать как потенциальные ресурсы. Оценка энергии ветра в глобальном масштабе внушительна — порядка 10¹⁵ Вт, однако большая часть энергии сосредоточена в ветрах, хающих на заоблачных высотах, и, следовательно, недоступна для использования на поверхности суши. Устойчивые приповерхностные ветры обладают мощностью порядка 10¹² Вт, и некоторая ее часть может быть использована ветряными мельницами, или попросту ветряками. К сожалению, мощные ветряные системы оказывают нежелательное воздействие на окружающую среду. Они непривлекательны внешне, создают нередко много шума, а в случае аварий очень опасны. К тому же стоимость сооружения больших ветряков на море или вдоль побережий для выработки электричества столь велика, что полученная ими энергия оказывается в несколько раз дороже энергии из других источников. Однако для перевозок по морю, для развлечений и различных целей в сельском хозяйстве энергия ветра сохранит свое значение и будет постоянно и широко использоваться. Многие эксперты предсказывают в будущем возрождение ветряков и других более мелких устройств.

В открытом океане солнечные лучи нагревают в первую очередь его поверхность, благодаря чему в толще воды возникает температурный градиент. Теоретически возможно, исходя из этого градиента, использовать огромный резервуар тепла океана, причем таким же способом, каким в геотермальных схемах используется горячая вода. Правда, в данном случае возникает трудность: разница температур довольно мала и даже в тропиках не превышает 20 °С Тем не менее на западном побережье Африки, вблизи Абиджана, французскими инженерами после второй мировой войны была сконструирована и построена небольшая опытная станция для использования тепловой энергии океана, которая работала короткое время. На основе этого эксперимента были разработаны и запатентованы более крупные схемы, а успешно работавшая опытная станция была перевезена на Гавайские острова. Это, однако, не убедило ни частного, ни государственного инвеститора в том, что более крупные схемы экономичнее. Если такие устройства когда-либо появятся, станет доступным еще один астрономически большой источник энергии. Однако, насколько велик этот источник, оценить трудно, так как ресурс будет зависеть от эффективности генерирующих станций. Если эффективность составит менее 1 %, то и в этом случае потенциал термальной энергии океана превысит потенциал всех горючих ископаемых. При такой ситуации, по-видимому, нет необходимости в производстве электроэнергии. Учеными уже предложен и испытан ряд других схем: одна из них предусматривает сохранение пищи, такой, как мука или зерно, при температурах замерзания, типичных для океанического дна; согласно другому проекту, предполагается перекачивание холодной океанской воды для использования в тропических условиях систем кондиционирования. Такое применение могло бы по крайней мере облегчить напряженное положение с горючими ископаемыми.

Другим проявлением тепловой энергии в океане являются мощные поверхностные течения. Например, механическая мощность течения Гольфстрим равна 2,2∙10¹⁴ Вт, или 7∙10²¹ Дж/год. Однако ответ на вопрос, как использовать столь огромный возобновляемый ресурс, лежит в области умозрительных построений. Предлагалось, например, в огромной трубе установить гигантскую турбину, трубу заякорить на дне так, чтобы через нее проходила часть Гольфстрима; турбина, как считают, сможет вращаться и генерировать электричество. Сколь бы сомнительным ни выглядел этот проект, были сделаны проверки его инженерной выполнимости и готовится эксперимент, чтобы проверить эту идею.

Еще одним порождением солнечной энергии являются волны. Их возникновение связано с ветрами, дующими над океанами, при этом энергия волн во много тысяч раз больше энергии приливов. Например, одна волна высотой 1,8 м, приводящая в движение 9-м слой воды, производит приблизительно 10⁴ Вт с каждого метра волнового фронта. Какое громадное количество энергии тратится ежедневно на побережьях всех континентов! Многие годы сила волн использовалась лишь в области морской навигации, и только в последнее время была рассмотрена возможность ее применения для широкомасштабного производства энергии. Перспективы здесь не слишком обнадеживающие. Одна из запатентованных схем предполагает использование желобов, покрытых гибкой пленкой и заполненных гидравлическим флюидом. Если такие желоба поместить на морское дно, то под тяжестью проходящих волн подвижный флюид выдавливается через сеть трубок в мотор, который, вращаясь, приводит в действие генератор. Другой проект включает серию плавающих плотов, соединенных шарнирами. При прохождении волн плоты качаются вверх-вниз, и движение качания может быть использовано для приведения в действие механических устройств различного типа.

Биологические источники энергии. Растительный материал можно сжигать как топливо или перерабатывать в спирт, метан и другие горючие химические продукты. Так как растения зависят от солнечного света, обеспечивающего фотосинтез, биомасса является еще одним выражением энергии Солнца. Оценки сухой массы растительного вещества, произрастающего на суше, заметно различаются, но в среднем составляют 2∙10¹² т. Годовой прирост, также выраженный в сухой массе вещества, оценивается примерно в 0,15∙10¹² т. Если весь годовой прирост сжечь в качестве топлива, то можно было бы получить в восемь или десять раз больше энергии, чем то количество, которое мы сейчас потребляем. Конечно, это невозможно сделать, поскольку мы остались бы практически без леса и пищи, а истощение почвы было бы катастрофическим. Искусственные посадки растений на топливо, несомненно, увеличили бы количество биомассы, которую можно было бы использовать как горючее. В ряде районов земного шара уже ведутся эксперименты по освоению этого очевидного источника энергии. Результаты более обнадеживающи для таких тропических регионов, как Бразилия, и менее для стран, где выращивается большая часть полезных культур. Но даже в умеренных широтах сельскохозяйственные и промышленные отходы могли бы быть использованы как горючее, если были бы введены в строй энергетические станции соответствующего типа.

Было бы неверным слишком скептически относиться к использованию ресурсов солнечной энергии. Если сегодня возможности ее использования кажутся ограниченными, то технологии будущего могут существенно изменить всю картину. Если какая-либо область исследований обладает притягательностью для людей с изобретательским гением, то это — исследования солнечной энергии.

Будущее

Итак, не существует ни энергетического кризиса, ни дефицита энергии, а есть громадные ресурсы, которые значительно превышают количества, используемые в настоящее время. Кризис, связанный с нехваткой топлива, порожден нами же: мы слишком полагались на два недостаточно широко распространенных вида недорогих горючих ископаемых и в результате столкнулись с нефтяным кризисом. Есть много альтернатив нефти и газу, большинство которых дают положительный эффект благодаря обилию этих ресурсов. Но каждая альтернатива имеет и отрицательные стороны. Добыча угля, горючих сланцев и битуминозных песков вызывает серьезное нарушение земной поверхности, а сжигание этих горючих приводит к накоплению двуокиси углерода в атмосфере. Ядерная энергия — самый перспективный энергетический источник — также порождает проблемы, для решения которых потребуются титанические усилия. Как отмечалось выше, отходы атомных электростанций сохраняют смертельную радиоактивность на протяжении нескольких тысяч лет. Сможем ли мы разместить эти отходы таким образом, чтобы люди не опасались за свою жизнь многие тысячи лет. Мы должны сохранить смену поколений в будущем хотя бы на столько, на сколько эпоха Древнего Рима отстоит от нашего времени. Но существует и другая неизбежная проблема, касающаяся реакторов-размножителей: они будут производить все больше и больше веществ, способных к радиоактивному делению, которые можно использовать в ядерных вооружениях. Эксплуатация реакторов-размножителей неизбежно приведет к увеличению ядерного оружия, а следовательно, возрастет вероятность ядерной войны.

Перед нами встанет еще одна проблема — при использовании любого вида топлива — если энергетические станции будут наращивать свои мощности. Что делать с отходами тепла, которые будут генерироваться? Сейчас большинство станций выбрасывает отходы тепла в атмосферу, оказывая таким образом влияние на местный климат, или же использует воду для охлаждения, которая затем возвращается в ручьи и озера, повышая температуру местных водотоков. С увеличением мощности станций возникнет проблема тепловых отходов, для решения которой потребуются поиски новых форм использования этого тепла. Все прочие проблемы связаны с денежными средствами, необходимыми для финансирования огромных энергетических станций, и с угрозой забастовок в случае каких-либо конфликтов между администрацией станции и многочисленным их персоналом.

Переход от одних энергетических источников к другим неизбежно приведет к изменению образа жизни. Горючие ископаемые представляют собой химические соединения, которые легко транспортируются и используются в небольших количествах. Альтернативные источники энергии в некоторых случаях могут быть преобразованы в удобное для транспортировки горючее, такое, например, как водород, однако это превращение неэффективно и дорого. Следовательно, неизбежно изменятся и существующие системы транспорта.

Как пойдет развитие истории — один из интригующих вопросов будущего. Лишь два обстоятельства этого будущего кажутся сейчас более или менее определенными. Потребности в энергии будут неуклонно расти, по крайней мере в ближайшем будущем, и энергетические источники будут постепенно сменять друг друга, в соответствии с этим будут меняться и машины, использующие энергию, что в свою очередь потребует новых металлов для постройки машин.

Источник: Б. Скиннер. Хватит ли человечеству земных ресурсов? Перевод с английского канд. геол.-мин. наук Н. Н. Шатагина. Под редакцией д-ра эконом. наук А. С. Астахова. «Мир». Москва. 1989