Полвека атомной энергетики и глобальное потепление

Корниенко В. П.

В работе впервые указано на принципиальное отличие ядерного цикла от используемых человечеством способов получения энергии, заключающееся в несовпадении начального и конечного состояний цикла. Отработанное топливо отличается от загружаемого только по изотопному составу и массе. Ввиду отсутствия в биосфере механизма обратного преобразования отработанного ядерного топлива, тепловой эффект цикла в рамках Земли, отличен от нуля и является основным фактором, нарушающим тепловое равновесие планеты.

В данной работе предпринята попытка оценить влияние энергетики на климат планеты. Актуальность темы не вызывает сомнения. Так, только поисковая система "Rambler" по запросу "глобальное потепление" дает ссылки более чем на сорок тысяч документов. Международные конференции по проблеме глобального потепления проводились в 1995 (Мадрид), 1997 (Киото) и 2003 (Милан) годах.

На прошедшей в Мадриде в 1995 году под эгидой ООН международной конференции глобальной потепление было официально признано научно доказанным фактом, а причиной глобального потепления были названы неконтролируемые выбросы в атмосферу продуктов переработки углеводородного топлива. Существуют и другие точки зрения на причины глобального потепления.

Согласно гипотезе американского геофизика Фанцюнь Юй из Нью-йоркского университета, причиной климатических изменений на Земле, скорее всего, является космическое излучение, непосредственным образом влияющее на формирование облачного слоя в атмосфере нашей планеты.

Доктор геолого-минералогических наук Н. А. Ясаманов называет одной из причин глобального потепления выделение в атмосферу метана из навоза (1).

Часть исследователей считает причиной глобального потепления окончание ледникового периода.

Ледниковый период характеризуется по данным геолого-минералогических исследований быстрыми сменами периодов похолодания и потепления, при которых ледниковый покров распространялся до средних широт (2). Отсюда отнюдь не следует, что средняя температура при этом отличалась от нынешней, так как не учитываются прецессия и нутация земной оси, При этом описанные изменения приобретают сезонный характер (зима-лето). Косвенным подтверждением сказанного является поведение многих полярных птиц (полярные крачки, полосатые древесные славки и др.), до настоящего времени совершающих перелеты из Арктики в Антарктику минуя тропики, что в условиях современного климата вряд ли целесообразно. Логичным объяснением перелетов из Арктики в Антарктику являются резкие сезонные изменения в ледниковый период, вынуждавшие совершать перелеты из богатых пищей арктического полярного дня в антарктический. Поворот земной оси привел к существенному уменьшению сезонных изменений и в будущем вообще может привести к отсутствию столь привычных времен года.

Не останавливаясь на многочисленных экзотических гипотезах приступим к рассмотрению вопроса.

Термин "глобальное потепление" безусловно неудачен, так как именно температура является наиболее стабильным параметром при наличии большого числа признаков нарушения теплового баланса. Парадокс объясняется достаточно просто. Поверхность раздела двух фаз всегда имеет температуру фазового перехода. Только в Северном Ледовитом океане поверхность лед - вода составляет 13*106 кв. км. При имеющем место интенсивном массопереносе в атмосфере и мировом океане обеспечивается теплообмен с поверхностью раздела с постоянной времени в несколько суток. Таким образом, нарушение теплового баланса приводит только к изменению поверхности раздела (таяние или намораживание льда) при практически постоянном температурном режиме. Поэтому именно поведение поверхностей раздела фаз, в первую очередь лед - вода, и в меньшей степени лед - воздух и вода - воздух (из-за низкого влагосодержания воздуха) является критерием нарушения теплового баланса.

Появление в последние полвека мощного источника энергии, нарушившего тепловое равновесие, с точки зрения данного критерия несомненно.

Рассмотрим наиболее мощные антропогенные источники энергии:

В 1979 году в мире было добыто 2.8*1012 кг товарного угля. (США - 704, СССР - 658, КНР - 635, ПНР - 239, ФРГ - 224, ЧССР - 125, Великобритания - 121, КНДР - 61, Франция 21.1, Япония - 17.7 млн. тонн) (3).

При сжигании данного количества была получена энергия 5.9*1019 дж, достаточная для того, чтобы растопить 1.77*1014 кг льда. Теплотворная способность принята равной 2.1*107 дж/кг (4), а теплота плавления - 3.33*105 дж/кг (5).

Приблизительно вдвое большее количество энергии получено при сжигании нефти и газа. Так, в СССР в 1980 году добыто 6.03*1011 кг нефти. 7.16*1011 кг угля, 4.35*1011 кубометров газа и 21.6*109 кг торфа, что в пересчете на условное топливо составляет 1.94*1012 кг.(9)

Принимая площадь Северного Ледовитого океана равной 1.31*1013 кв. м. (6) получаем, что ежегодно ледяной покров должен был бы уменьшаться на 0.08 м.

Толщина ледяного покрова Северного Ледовитого океана настолько мала, что позволяет судам в активном надводном плавании доходить до географического Северного полюса. Атомоход "Арктика" ("Леонид Брежнев" после 1982 года) совершил такую экспедицию уже в 1977 году (10).

Тем не менее сжигание в течение прошлого и предшествующих веков такого количества топлива ежегодно не привело и не могло привести к таянию ледяного покрова или повышению средней температуры, так как сопровождалось выбросом в атмосферу соответствующего количества двуокиси углерода СО2. Постоянство состава земной атмосферы говорит о том, что существуют эффективные механизмы преобразования двуокиси углерода в кислород и углерод. Один из них хорошо известен - фотосинтез, "превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами находящимися на поверхности земли и в океане, лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ". Итоговое уравнение процесса:

6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2

Ежегодно на Земле в результате фотосинтеза образуется 1.5*1014 кг органического вещества, усваивается 3.0*1014 кг СО2 и выделяется около 2.0*1014 кг свободного О2 (11). Эти количества на несколько порядков превышают потребление человечеством. Все использованное человечеством топливо превращается в древесину с потреблением того же самого количества энергии.

Закон, сформулированный русским ученым Генрихом Ивановичем Гессом еще в 1840 году, утверждает, что теплота реакции является функцией только начального и конечного состояний системы. Собственно, закон является формулировкой закона сохранения энергии применительно к химическим реакциям, поэтому справедлив и для других типов реакций, например, ядерных.

Тепловая энергетика не может привести к перегреву Земли, так как не наблюдается рост содержания СО2 в атмосфере (доли процента, начальное и конечное состояния совпадают). Точно такое же количество энергии тратится при фотосинтезе на получение С и О2. Отсюда же следует, что органические источники энергии являются полностью возобновляемыми.

При ядерном цикле начальное и конечное состояния существенно отличается ввиду отсутствие в природе механизмов превращения отработанного топлива в исходное с теми же, что и в тепловой энергетике, или сопоставимыми постоянными времени.

Соответственно, по Генриху Ивановичу Гессу и результат полувековой деятельности атомных станций с точки зрения влияния на климат Земли отличен от нуля.

Оценим последствия развития атомной энергетики.

В 1982 году в 22 странах работало 260 энергетических атомных реакторов общей мощностью 1.6*1011 вт.(7)

Примем эту мощность средней за полвека существования атомной энергетики ( первая атомная станция мощностью 5 Мвт была пущена 27 июня 1954 года в Обнинске) (8) . Тепловая энергия, произведенная только на АЭС, с учетом коэффициента полезного действия, который примем равным 0.3, составит 8.4*1020 дж. Этого достаточно для перевода в жидкое состояние 2,5*1015 кг льда, что эквивалентно таянию ледового покрова метровой толщины на площади 2.5*106 квадратных километров. Учитывая. что площадь Северного Ледовитого океана составляет всего 1.31*107 кв. км (6), это значение можно считать хорошо совпадающим с наблюдаемым.

Корреляция по времени ( тепличный эффект - "атомная эра") очевидна.

Так как температура поверхностных слоев воды Северного Ледовитого океана близка к температуре замерзания, любое поступление энергии приводит только к фазовому переходу лед - вода и не меняет средней температуры на планете, льды Северного Ледовитого океана и материковых ледников являются своеобразным термостатом, эффективно поддерживающим среднюю температуру.

Поэтому глобальное потепление не сопровождается надежно регистрируемым повышением средней температуры, как ни парадоксально это звучит.

Тепло, полученное при ядерных реакциях, расходуется при фазовом переходе арктические льды - вода, что не приводит к повышению уровня мирового океана и средней температуры только до тех пор, пока существует хотя бы минимальный ледяной покров. Дальнейшая работа АЭС приведет уже к повышению температуры земной поверхности.

Несомненно, свой вклад в энергетический баланс вносят и транспортные атомные энергетические установки и гонка ядерных вооружений (наработка оружейного плутония).

С точки зрения влияния на климат традиционные виды энергетики (тепловая, гидроэнергетика, ветровая, и т. д.), использующие возобновляемые источники, являются единственно приемлемыми.

Перспективы ядерной и термоядерной энергетик проблематичны из - за неизбежных катастрофических изменений климата.

Полностью бесперспективными являются и исследования по управляемому термоядерному синтезу для применения его на планете Земля.

Соответственно, реабилитируются фреоны и космические исследования, ибо их влияние пренебрежимо мало по сравнению с эффектом от работы АЭС.

В 2003 году только в Европе пущены в эксплуатацию два энергоблока по 1*109 вт на АЭС Темелин в Чехии, готовятся к пуску еще два энерогблока такой же мощности на Ровенской и Хмельницкой АЭС на Украине. Не за горами ввод в эксплуатацию АЭС в Бушере (Иран).

Канадское агентство по атомной энергии считает, что Онтарио нуждается в восьми атомных электростанциях для нормального обеспечения провинции электроэнергией в ближайшие двадцать лет. Агентство пришло к такому заключению после изучения последствий энергетической катастрофы, постигшей Онтарио в августе 2002 года. Министр энергетики Онтарио ДУАЙТ ДАНКАН тем не менее полагает, что следует также изучить возможности использования других средств производства электроэнергии в провинции.

Для Украины, производящей половину электроэнергии на АЭС, решение проблем, связанных с глобальным потеплением, может иметь серьезные последствия для экономики страны.

Остановка всех АЭС ввиду обратимости рассмотренных процессов приведет к возобновлению ледяного покрова приблизительно с теми же постоянными времени.

Вывод из сказанного выше очевиден - экологическая катастрофа не неизбежна. Прекращение строительства новых и закрытие ныне действующих АЭС - необходимое и достаточное условие предотвращения еще пока обратимых изменений климата.

Список литературы

Н.А. Ясаманов, “Энергия” 2002, N 10. С. 17-24.

Советский энциклопедический словарь, стр.1368, "Советская энциклопедия", 1985.

Советский энциклопедический словарь, стр.1368, "Советская энциклопедия", 1985.

Х. Кухлинг, Справочник по физике, стр. 464, "Мир", Москва, 1982.

Х. Кухлинг, Справочник по физике, стр. 465, "Мир", Москва, 1982.

Советский энциклопедический словарь, стр.1179, "Советская энциклопедия", 1985.

Советский энциклопедический словарь, стр.1565, "Советская энциклопедия", 1985.

Советский энциклопедический словарь, стр.89, "Советская энциклопедия", 1985.

Советский энциклопедический словарь, стр. , "Советская энциклопедия", 1985.

Советский энциклопедический словарь, стр.701, "Советская энциклопедия", 1985.

Советский энциклопедический словарь, стр.1421, "Советская энциклопедия", 1985.