Полвека назад основатель нашего института (ПИЯФ) академик Б.П. Константинов опубликовал статью «Заглядывая в завтрашний день…». Борис Павлович утверждал, что в середине XXI века основными источниками энергии на планете станут АЭС, гидростанции и органическое топливо.

За полвека концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась на 30%. Нагрелась поверхность океана, покрытая тончайшей пленкой нефти и продуктов сгорания. Возросла циклоническая активность, ураганы один за другим накатываются на сушу. Раскалываются и тают ледники Гренландии и Антарктиды. Сокращается площадь горных ледников. Уровень океана поднялся на 3,5 см и неуклонно продолжает расти.

Б.П.Константинов предполагал, что атомные электростанции будут производить 40-50% электроэнергии. Они должны располагаться вблизи крупных городов и промышленных центров. Их ядерные реакторы будут работать на уране-238 и тории-232, без разделения изотопов урана, переработки облученного топлива и выделения плутония.

Борис Павлович был знаком с канадской программой построения тяжеловодной ядерной энергетики. Сейчас эта программа реализуется во многих странах мира.

Канадские реакторы первого поколения CANDU-600, с тяжеловодным теплоносителем и замедлителем нейтронов, работают на природном уране и так глубоко его выжигают, что отработанное топливо не требует переработки. Твэлы охлаждают в бассейне и складируют в подземных выработках. Реакторы второго поколения CANDU-1000, мощностью 1200 МВт, будут работать на топливе, содержащем всего 1% урана-235. У них легководный первый контур и тяжеловодный замедлитель нейтронов, совершенная пассивная и активная защита и детризационное устройство делают этот реактор ядернобезопасным. Первыми на реакторы CANDU-1000 перейдут Южная Корея, Канада и Англия.

Реакторы CANDU третьего поколения будут работать на смеси урана-238 и урана-233 с воспроизводством урана-233 из тория-232. Делящийся изотоп уран-233 нарабатывается в ториевом бланкете, расположенном за тяжеловодным замедлителем нейтронов. В бланкете ядра тория-232 не делятся, а только захватывают медленные нейтроны. Образовавшийся уран-233 тут же выводится из бланкета.

Урана-238 и тория на Земле в 600 раз больше, чем урана-235, поэтому тяжеловодные реакторы обеспечены топливом на тысячи лет.

Для отработки ториевого бланкета нужен специальный высокопоточный реактор с легководным первым контуром и тяжеловодным отражателем нейтронов. В 1966 году в Гатчине начинается строительство такого реактора по проекту Ю.В. Петрова и К.А. Коноплева. Пуск реактора ПИК предполагалось осуществить в декабре 1972 года. После смерти Б.П. Константинова строительство реактора приостановлено. Возобновилось оно только в 1973 году по измененному проекту и продолжается до сих пор.

В октябре 2000 года, выступая на сессии Генеральной Ассамблеи ООН, В.В. Путин призвал все страны мира перейти на ядерную энергетику без разделения изотопов урана и выделения плутония. Руководствуясь этой доктриной, Е.И. Игнатенко – Генеральный директор концерна «Росэнергоатом» - принял решение приступить к разработке отечественного тяжеловодного реактора с воспроизводством урана-233. По характеристикам, приведенным в журнале «Атомная энергия», российский тяжеловодный реактор превосходит CANDU по всем показателям. Е.И. Игнатенко трагически погиб в ДТП в мае 2001 года. После его гибели работа над проектом российского тяжеловодного энергетического реактора приостановилась.

Каждому тяжеловодному реактору необходимо 250 тонн тяжелой воды. Для производства таких объемов Б.П.Константинов предложил использовать тепло отработанного пара АЭС. Ядерный реактор мощностью 1000МВт должен производить 3000МВт тепловой энергии – 2000МВт уносит отработанный пар. Это даровое тепло можно утилизировать. Сначала концентрацию дейтерия в воде повышают с помощью двухтемпературного обмена, затем воду многократно перегоняют в высоких ректификационных колоннах, пока концентрация дейтерия не повысится до 99,7%. В ПИЯФ изготовлены и работают 4 полномасштабные колонны для разделения легкой и тяжелой воды. Две сотни таких колонн нужно соединить в разделительный каскад, чтобы производить тяжелую воду необходимой (реакторной) чистоты.

В Канаде при атомной электростанции «Брюс» работает крупная установка для производства тяжелой воды. В отличие от проекта, предложенного Константиновым, основное обогащение дейтерия производится в огромных колоннах, которые нагреваются паром от четырех ядерных реакторов. Установка производит тяжелую воду для всех строящихся реакторов CANDU. Кроме того, 1000 тонн особо чистой Д₂О было слито в подземный детектор нейтрино. Тяжелая вода – это национальное достояние. Ее можно использовать в реакторах тысячи лет.

Среди возобновляемых источников энергии Б.П.Константинов выделял гидростанции. Каждое место, где падающая вода может вращать водяное колесо с электрогенератором, должно служить источником энергии. Примером такого рационального использования своих гидроресурсов стала Норвегия. Она получает от гидростанций 70% потребляемой электроэнергии. Гидропотенциал планеты поистине безмерен. Беда в том, что основные источники гидроэнергии лежат в трудно доступных местах. Проблема передачи энергии на большие расстояния постоянно занимала Б.П.Константинова. Он возвращался к ней снова и снова. Гидростанции производят большие токи при относительно низком напряжении. Как один из вариантов Константинов предлагал проводить электролиз воды при повышенном давлении и передавать полученный водород по газопроводам на большие расстояния. К середине XXI века сеть газопроводов охватит всю Европу и Азию. Водород будут просто подмешивать к природному газу. Бытовой газ во Франции и Бельгии уже содержит более половины водорода.

Борис Павлович Константинов обсуждал проблемы строительства и телеуправления гидроэлектростанций, расположенных в труднодоступных местах, но, как и большинство его оригинальных идей, его предложения не были записаны.

К примеру, Борис Павлович предлагал использовать ветроустановки для опреснения морской воды. В этом случае ветряк вращает компрессор холодильной машины и работает как тепловой насос. На замораживание воды расходуется в семь раз меньше энергии, чем на ее испарение. Успешные эксперименты по перекристаллизации льда из воды Бискайского залива проводились на кафедре Б.П. Константинова в Политехническом институте.

Б.П.Константинов утверждал, что в XXI веке основным видом топлива станет природный газ. Это самое калорийное топливо на 90% состоит из метана. Газ сгорает бесцветным пламенем, без копоти. В отличие от каменного угля при сгорании метана образуется, в основном, безвредный водяной пар. Метан сжижается при температуре -161°С, поэтому его можно хранить и перевозить в тонкостенных дьюаровских емкостях. При авариях метан просто испаряется, не оставляя следов. На тепловых электростанциях горящий метан сначала будет вращать газовую турбину, а затем нагревать воду, чтобы образовавшийся пар вращал паровую турбину. По оценке Б.П.Константинова подобная установка двойного действия должна иметь кпд близкий к 67%.

На метане могут работать двигатели внутреннего сгорания. Однако Бориса Павловича больше интересовали двигатели внешнего сгорания, своеобразное сочетание водогрея и паровой машины.

Месторождения природного газа находятся во многих странах мира. Самые обильные находятся на севере и востоке России. Целая сеть газопроводов постепенно охватывает Европу и Азию. При интенсивной эксплуатации газовые месторождения истощатся к середине века. Для того, чтобы не остаться без топлива, Б.П. Константинов предложил разработать технологию получения органического топлива из углекислого газа атмосферы, воды и солнечных лучей. Для этой цели он собирался создать в филиале ФТИ Агрофизический отдел.

Решение проблемы по Б.П. Константинову заключается в выведении новой энергетической и кормовой культуры – домашней ивы. За основу для селекции Борис Павлович намеревался взять кормовую иву, которую царские егеря высаживали в Орловой роще на корм оленям. Культурная ива должна иметь правильную форму куста, мощную корневую систему, прирост в виде прямых, ровных прутьев, а, главное, выносить ежегодную срезку прироста в течение многих лет. Кроме того, культурная ива должна стать новым источником кормов для животноводства. Ее листья должны быть питательными, вкусными и не содержать дубильных веществ. Высаженная вдоль водосборных канавок, хорошо удобренная культурная ива будет давать более 3000 центнеров легкой древесины с гектара в год. Для обработки ивовых плантаций потребуется целый парк машин. Летом пиккеры будут ощипывать верхние листочки на корм животным. В конце лета косилки срежут верхние концы ветвей и свяжут веники – запас корма на зиму. В кормовую муку можно размалывать не только листья, но и тонкие веточки ивы. Осенью, после листопада шредеры срежут годовой прирост и насекут короткие палочки – дрот. Фуры свезут дрот на завод, где его превратят в древесный уголь. Легкий и звонкий ивовый уголь – самое экологически чистое топливо. На нем могут работать все газогенераторы, включая автомобильные.

Б.П. Константинов предполагал, что по совету М.Е. Лобашева культурную иву выведут методом дарвиновского отбора: высадят десять тысяч кустов кормовой ивы, отберут из них десять лучших, размножат их, снова отберут, и так, пока не выведут новый сорт. Однако агробиологи пошли другим путем. Они скрещивают два удаленных вида ивы и получают мощные, быстрорастущие гибриды. Подросший лесок просто срезают под корень. По существу это обычное лесное хозяйство с очень быстро растущими деревьями. Работы по селекции ивы ведутся в Швеции, Дании, Германии и Англии. Общая площадь плантаций ивы в Швеции достигла 20000га.

При надлежащем уходе с ивовой плантации размером 100км² получают миллион тонн угля. На легкий беззольный ивовый уголь можно перевести весь транспорт и всю черную металлургию. Тем не менее, интенсивно разрабатывается технология перевода древесного угля в синтетический природный газ. Для этого через раскаленный уголь пропускают водяной пар. Затем смесь угарного газа и водорода пропускают через катализатор и получают смесь метана и углекислого газа. Метан с небольшой примесью водорода отделяют от тяжелых газов и под названием синтетический природный газ направляют потребителям. Первый завод по производству такого газа (SNG) строится в Швейцарии, в кантоне Во. Его пуск намечен на 2009 год.

Остается констатировать, что развитие мировой энергетики по сути и в деталях идет по пути, предсказанному Б.П. Константиновым. Рано или поздно, но человечеству придется переходить к тяжеловодной энергетике, работающей на уране-238 и тории-232, создавать всемирную сеть гидростанций и целый пояс ивовых плантаций.

Ведущий научный сотрудник РАН Егоров А.И.