Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Нужно отметить, что в прошлом на территории Франции работало несколько реакторов-размножителей. Последняя такая АЭС, «Суперфеникс» (илл. 1), была закрыта в 1997 году после недолгого периода работы. Этот реактор можно считать весьма достойным прототипом, однако его работа все же сопровождалась серьезными инцидентами. Разработка надежного размножителя откроет огромные возможности для масштабного использования реакторов нового поколения.

К перечисленным трудностям добавляется еще одна, общая для всех существующих атомных электростанций, – утилизация отходов. Отработанное топливо представляет собой ужасную смесь радиоактивных продуктов, которая ко всему прочему на выходе из реактора имеет очень высокую температуру. Поэтому для охлаждения ее помещают в своеобразный «бассейн», наполняемый свежей водой. Когда радиоактивность различных продуктов в достаточной степени уменьшится, то можно выбрать один из двух вариантов: либо переработку для извлечения плутония, например как это делается на заводе города Ла-Аг в Нормандии, либо их немедленное захоронение. При переработке отходы гораздо быстрее, чем в естественных условиях, теряют свою радиактивность (илл. 5). В качестве топлива для реакторов будущего также могут использоваться и другие радиактивные элементы (нептуний, америций, кюрий). В этом футуристическом варианте радиоактивность значительно уменьшилась бы. Таким образом, реакторы-размножители частично могли бы решить и проблему утилизации отходов.

В более отдаленном будущем представляется возможным производство энергии с помощью ядерного синтеза , то есть путем слияния легких ядер в более тяжелое, – в настоящее время в этом направлении проводятся исследования (см. главу 25, «ИТЭР: энергия XXII века?»).

5. Сравнение изменения радиоактивности отходов, образующихся при выработке одного и того же количества электроэнергии, с использованием реактора-размножителя и без него. Показанная на оси ординат величина представляет собой выделяемую в виде тепла остаточную мощность в ваттах, приходящуюся на тераватт-час вырабатываемой электроэнергии. Представленные на рисунке способы обработки включают: захоронение радиоактивных отходов без переработки (красная кривая), их переработку с повторным использованием плутония в реакторе-размножителе (зеленая кривая), переработку отходов с повторным использованием плутония и других образующихся при делении радиоактивных элементов с долгими периодами полураспада (синяя кривая)

Электричество, вырабатываемое на электростанции, как правило, используется за несколько сотен километров от нее, обеспечивая, например, работу холодильника, стиральной машины или обогревателя. Повторное преобразование электрической энергии в тепло – это настоящее расточительство, поскольку бóльшая часть теплоты, полученной при расщеплении урана, уже была отведена в окружающую нас природу (илл. 2). К сожалению, на большие расстояния куда легче перенести электричество, чем тепло. Можно ли потреблять меньше энергии, чтобы ограничить эту бездумную растрату?

Самым энергоемким сектором во Франции является недвижимость: только отопление жилых домов составляет почти три четверти всего потребления энергии. Способы утепления зданий совершенствуются, однако не менее важным является и то, как мы обогреваем дома. Наши предки традиционно получали тепло путем сжигания дров, что высвобождало содержащуюся в древесине химическую энергию в виде тепла. В XIX и XX веках древесина постепенно была заменена на ископаемое топливо, такое как уголь, природный газ или мазут. Затем появились электрические обогреватели, в которых тепло выделяется в резисторе при протекании через него электрического тока благодаря эффекту Джоуля – Ленца (см. главу 16, «Чугунные электрические плиты»).

Какой будет в самом благоприятном случае минимальная энергия, которую нужно потратить для передачи энергии от холодного тела с температурой T 1 более горячему с температурой T 2 ?

Чтобы определить эту нижнюю границу, опишем идеальный цикл. Представим себе цилиндр с поршнем, который содержит определенное количество газа (см. илл.). Это устройство позволяет осуществлять передачу тепла от холодного тела (синее) к горячему (красное). Начнем с того, что поместим цилиндр в холодильную камеру и охладим его содержимое до температуры T 1 . Затем потянем поршень, сохраняя тепловой контакт с холодильной камерой, так, чтобы температура газа по-прежнему оставалась равной T 1 . Для того чтобы газ не остыл, он должна получить от холодильной камеры количество тепла Q 1 . Теперь адиабатически (то есть без теплообмена с внешней средой) сжимаем газ, доводя его до температуры T 2 , после чего помещаем цилиндр в горячую камеру с температурой T 2 . Вновь, уже в горячей камере, сжимаем газ. При этом, для того чтобы он не нагревался, газ должен отдать горячей камере количество тепла Q 2 . Наконец, мы замыкаем цикл, доводя газ адиабатическим расширением до температуры T 1 вне горячей камеры.