Проблема ядерных отходов отступает перед угрозой климатических изменений

Раз уж сейчас в моде все, что связано с волшебством, почему бы не обсудить один из практических навыков, которым должен обладать любой уважающий себя волшебник? Речь идет об алхимии. Как ни странно, эта граничащая с магией способность обращать обычные металлы в золото – не просто выдумка. Поиски так называемого философского камня, с помощью которого можно превращать одно вещество в другое, на протяжении истории волновали множество великих мыслителей. Богатства и власть, которые мог получить человек, познавший тайны алхимии, соблазнили многих великих ученых и философов, в том числе Исаака Ньютона, Роберта Бойля и Джона Локка. Все они пытались превратить одно вещество в другое, но их попытки оканчивались неудачно.

Лишь в 1919 году секрет алхимии был наконец раскрыт. Это произошло на физическом факультете Манчестерского университета. Первым добившимся успеха алхимиком стал новозеландский ученый и лауреат Нобелевской премии Эрнест Резерфорд. Открытие было сделано почти случайно. Все началось с того, что один из студентов Резерфорда заметил, что, если поместить радиоактивный материал (например, радий) в герметичную камеру с воздухом, то загадочным образом там в небольших количествах начинает появляться водород, которого в обычном воздухе нет. Резерфорд установил, что под воздействием мощных радиационных лучей азот, составляющий три четверти вдыхаемого нами воздуха, превращается в два других газа – водород и кислород.

Альфа-частицы, которые испускает радий, попадают в ядро атомов азота, "выбивая" оттуда протоны. В результате образуется ядро кислорода, а освободившиеся протоны становятся ядрами атомов водорода. После этого необходимо лишь достаточное число электронов, чтобы эти ядра превратились в атомы соответствующих газов. Сегодня превращение одного вещества в другое с помощью подобных ядерных реакций – обычное дело. Однако с ними связан интересный и слабо изученный вопрос: подобная субатомная алхимия может сыграть важнейшую роль в получинии нами в будущем чистой энергии.

Если предельно просто сформулировать второй закон термодинамики, то он гласит, что "бесплатного сыра не бывает". То же самое верно и при получении энергии. Если вы сжигаете ископаемое топливо, образуется углекислый газ. Если вы строите плотины, то уничтожается живой мир целых долин. Не составляет исключения и ядерная энергия. При проведении контролируемого распада на атомных электростанциях образуются радиоактивные отходы с долгим периодом полураспада, которые длительное время будут представлять опасность для окружающей среды, если не соблюдать в их отношении меры предосторожности. Это вызывает законные опасения у тех, кто в остальном поддерживает ядерную энергетику – чистую, не связанную с выбросами углекислоты.

Оптимальный вариант – хранить обработанные и остеклованные отходы в геологических хранилищах глубоко под землей. Понятно, что люди не хотят, чтобы отходы хранились рядом с их домами – не в последнюю очередь потому, что вещества вроде плутония остаются радиоактивными в течение десятков тысяч лет. В демократической стране, где определение дальнейшей энергетической политики вызывает множество споров, подобные опасения приходится учитывать. Однако мне эти страхи кажутся удивительными: сейчас мы пытаемся найти способ предотвратить катастрофические климатические изменения, но нас все равно беспокоят долгосрочные проблемы, связанные с ядерными отходами. Человеческая цивилизация насчитывает менее 10 тыс. лет, и потому совершенно неразумно волноваться, появятся ли у нас через тысячи лет технологии, которые позволят перерабатывать захороненные отходы. А что если появится способ полностью сжигать ядерные отходы, практически весь плутоний можно будет уничтожать, и необходимость в долгосрочных хранилищах резко снизится?

Один из возможных вариантов переработки радиоактивных веществ – трансмутация с помощью ускорителя. Основная идея заключается в том, что радиоактивное вещество помещается в машину, которая с помощью луча быстрых субатомных частиц превращает его в более стабильные вещества с более коротким периодом полураспада. Отходы все равно придется держать в специальных хранилищах, однако они будут гораздо менее опасны. Одновременно в процессе трансмутации будут уничтожаться другие токсичные вещества, присутствующие в "обычных" ядерных отходах.

Но подлинная прелесть этого процесса заключается в том, что на выходе можно получать больше энергии, чем затрачивается на сам процесс. В ходе распада ядра будет повышаться температура, и ее можно использовать для получения электричества. Часть электричества будет направляться на работу ускорителя, а остальное – поступать в обычную энергосистему. Механизм застрахован от аварии – как только луч выключается, реакция прекращается. Подобную электростанцию называют "усилителем энергии", и идея ее создания появилась в 1990-е годы.

Насколько же вероятно перерабатывать таким образом ядерные отходы? И, что гораздо важнее, почему эти возможности никто не обсуждает? Ведь все-таки проблема радиоактивных отходов – одна из главных причин, которая заставляет многих людей с подозрением относиться к атомной энергетике. Вызывает большое беспокойство тот факт, что многие до сих пор полагают, будто мы можем отказаться от угля и газа, просто перейдя на возобновляемые источники энергии – энергию ветра и солнца – и начав использовать в домах энергосбережение. Все это важно, но, если мы намерены предотвратить катастрофы, которые повлечет за собой изменение климата и при этом сохранить нынешний уровень жизни, от которого большая часть западных стран не захочет отказываться, нам придется использовать ядерную энергию. Если удастся реализовать трансмутацию на практике, то миру гораздо проще будет смириться с атомной энергией. А если выйти за эти временные рамки, мы действительно оптимистично оцениваем возможность того, что появится неисчерпаемый источник энергии: ядерный синтез. Но это уже совсем другая история.

Франция активно финансирует исследовательскую программу в области трансмутации. Подобные проекты существуют в США, России, Швейцарии, Италии и Японии. А британское правительство продолжает их "отслеживать". Причина, по которой никто пока не довел технологию до конца, заключается в том, что мы теоретические знаем, что это должно сработать, однако нам точно неизвестно, какими будут конечные продукты трансмутации и каково окажется их соотношение. Научному сообществу еще предстоит ответить на научные, технологические и практические вопросы, а также на вопрос о возможных последствиях данного открытия. На это уйдут годы. США и Европа называют сроки в 20-35 лет. К несчастью, атомная промышленность не считает трансмутацию экономически оправданной, и потому заставить правительство действовать должны мы.

Многие специалисты не думают, что в будущем трансмутация окажется возможным вариантом, однако в нашем распоряжении есть и другие. Чаще всего обсуждаются бридерные реакторы на быстрых нейтронах, которые смогут использовать ядерное топливо раз за разом, пока весь плутоний не окажется сожжен. Многие страны рассматривают возможность использовать в качестве топлива для реакторов торий. Его гораздо больше, чем урана, а в результате его применения образуются гораздо менее радиоактивные, по сравнению с ураном, вещества.

Возможных вариантов по борьбе с радиоактивными отходами много. И потому неприятно, что в Великобритании данная тема обсуждается мало и пока звучит в основном вопрос "нужно ли это нам?" вместо вопроса "сможем ли мы это сделать?". Ответ на второй вопрос предстоит найти в результате совместной работы ученых из разных областей науки. И тогда в наших руках окажется философский камень.
Джим Аль-Халили – профессор физики и профессор в области научного просвещения из Университета графства Суррей. В этом году он стал лауреатом премии имени Майкла Фарадея Королевского общества. Сегодня на телеканале BBC4 начинается трансляция его сериала "Атом".