Неділя, 29 липня 2018 13:57

"З точністю до мільярдної частки секунди" - як працюють сучасні технології в атомній енергетиці

У світі говорять про скорочення атомних станцій, а Франція збирається будувати принципово новий ядерний реактор - 4-го покоління. - Він дозволяє знизити рівень небезпечних відходів та здешевити електроенергію, - каже Іван Малійов, аспірант науково-дослідного інституту під Парижем. - А є ще питання обсягів: за найскромнішими оцінками потреба в електроенергії до 2030 року зросте на 40%. На кого розраховувати? В першу чергу, на АЕС. Їх у Франції 19. А альтернативні види енергії залишаються прекрасною, але все ж перспективою.

Автор: з особистого архіву Івана Малійова
  Іван МАЛІЙОВ, 24 роки, аспірант французького ядерного центру. Народився 19 січня 1994-го в Керчі. Батько – диригент дитячого духового оркестру, мати – вихователь у дитсадку. Закінчив музичну школу по класу фортепіано і кларнета. Грає на шести інструментах. ”У дитинстві захоплювався музикою. Але зрозумів, що у плані інтелекту це нудно: 8–10 годин на день відточуєш навички. Насторожило, що успіх у музиці залежить насамперед від тренувань. Набагато цікавіше розібратися, як що працює. Так зацікавився спочатку біологією, а потім – фізикою”. Закінчив бакалаврат фізико-технічного факультету Харківського національного університету ім. Василя Каразіна. Продовжив навчання у Франції – в магістратурі грандеколя Еcole Polytechnique. Влаштувався у французький центр ядерної та альтернативної енергетики СEA. Готується захищати кандидатську дисертацію. У студентському оркестрі грає на кларнеті, в ансамблі ”Фанфари Еколь Політехнік” – на саксофоні. ”Перейняв французьку звичку – практично не снідаю. Обідаю в їдальні компанії. Це коштує до п’яти євро – для працівників діють спеціальні тарифи. Вечеряю вдома перед комп’ютером, коли переглядаю новини”. Улюблений письменник – американський вчений Річард Фейнман. За три роки побував в Італії, Нідерландах, Бельгії та Швейцарії. Живе зі своєю дівчиною Марією у студентському містечку.
Іван МАЛІЙОВ, 24 роки, аспірант французького ядерного центру. Народився 19 січня 1994-го в Керчі. Батько – диригент дитячого духового оркестру, мати – вихователь у дитсадку. Закінчив музичну школу по класу фортепіано і кларнета. Грає на шести інструментах. ”У дитинстві захоплювався музикою. Але зрозумів, що у плані інтелекту це нудно: 8–10 годин на день відточуєш навички. Насторожило, що успіх у музиці залежить насамперед від тренувань. Набагато цікавіше розібратися, як що працює. Так зацікавився спочатку біологією, а потім – фізикою”. Закінчив бакалаврат фізико-технічного факультету Харківського національного університету ім. Василя Каразіна. Продовжив навчання у Франції – в магістратурі грандеколя Еcole Polytechnique. Влаштувався у французький центр ядерної та альтернативної енергетики СEA. Готується захищати кандидатську дисертацію. У студентському оркестрі грає на кларнеті, в ансамблі ”Фанфари Еколь Політехнік” – на саксофоні. ”Перейняв французьку звичку – практично не снідаю. Обідаю в їдальні компанії. Це коштує до п’яти євро – для працівників діють спеціальні тарифи. Вечеряю вдома перед комп’ютером, коли переглядаю новини”. Улюблений письменник – американський вчений Річард Фейнман. За три роки побував в Італії, Нідерландах, Бельгії та Швейцарії. Живе зі своєю дівчиною Марією у студентському містечку.

Як швидко може з'явитися реактор нового покоління?

Франція лідирує в Європі за часткою атомної складової: 30% серед енергоносіїв, включаючи нафту, газ, вугілля. І 75% - у загальному обсязі виробленої енергії. Отже те, що новий реактор створюється саме у Франції, закономірно.

На останній асамблеї в інституті ми обговорювали французько-японську угоду з приводу реакторів 4 покоління. Там фігурують дати - 2065-2080 роки. Складно уявити якийсь бізнес чи сферу економіки, де договори підписувалися б на такий період.

У чому особливість нових реакторів?

Вони більш економічні - здатні переробляти відходи старих реакторів. І більш безпечні - щодо техногенних аварій і терористичних загроз. За прогнозами, вони з'являться не раніше 2030 року.

Замість води для охолодження реактора використовують рідкий метал - натрій, який практично не уповільнює корисні нейтрони. Це дозволяє істотно підвищити ефективність реактора.

Автор: з особистого архіву Івана Малійова
  Аспірант французького ядерного центру Іван Малійов: "Знаю кількох учених із фізтеху, які працюють над ідеєю плазмового реактора. Хоча Україна не є офіційним членом проекту"
Аспірант французького ядерного центру Іван Малійов: "Знаю кількох учених із фізтеху, які працюють над ідеєю плазмового реактора. Хоча Україна не є офіційним членом проекту"

Ядерним паливом може служити не тільки збагачений уран 235, але і збіднений уран 238, якого в природі набагато більше. А також плутоній, який залишається після роботи сучасних станцій. Тобто, проблема ядерного палива вирішується раз і назавжди, а кількість ядерних відходів зменшується. До того ж, рідкий натрій, на відміну від води, не викликає корозії елементів реактора, що також покращує безпеку. Очікується, що ці реактори будуть революцією в світі ядерної енергетики.

Є ідея плазмового генератора - отримувати енергію не з розпаду ядер, а з їх злиття. Подібні реакції відбуваються на сонці. Але якщо на швидких нейтронах реактори вже були побудовані і їх працездатність доведена, то з плазмовими складніше. Ще треба довести принципову можливість видобутку енергії таким чином.

Але французька політика в галузі ядерної енергії неоднозначна. Скоро закриють один із ядерних центрів в місті Кесенхайн - президент Макрон хоче виглядати сучасним. При цьому станція не була найстарішою. Закрили навмання - без пояснень. Чи встигнуть побудувати станції на швидких нейтронах, ніхто не знає. Все залежить від політичної кон'юнктури.

Є ідея плазмового генератора - отримувати енергію не з розпаду ядер, а з їх злиття

Як налаштовано суспільство стосовно відмови від атомної енергії?

Маніфестації з вимогами озеленити енергетику - звичайна справа. Але вони не часті. Суспільство залякане ядерною енергетикою - сумними прикладами Чорнобиля і Фукусіми. Як тільки говорю про рід своїх занять, у людей в очах відразу з'являється трикутник зі знаком "радіоактивно". Є й елементарне невігластво: багато хто вважає, що атом забруднює атмосферу, як і вугільні станції. Хоча реактор не виділяє вуглекислий газ, який призводить до парникового ефекту.

Безпечна атомна станція - це реально?

Основний принцип роботи АЕС - отримати із збагаченого урану безліч нейтронів, які нагріють воду до кипіння, а та призведе до обертання турбіни. Але в таких реакціях вилітає ще й безліч інших частинок, в тому числі, радіоактивних і небезпечних для людини. Ми захищаємося від них товстими стінами. Однак частинки проникають в них і руйнують. Можна уявити кулю пістолета, що влітає в мішок з піском, який її зупиняє. Цими питаннями вже років 60 займаються в лабораторіях - намагаються вести вимірювання. Але на рівні атома це складно. А зрозуміти квантову поведінку матеріалу, коли туди влітає частинка, експериментально практично неможливо.

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ: Не світлом єдиним - створили пристрій, який відбирає тепло у сонця

Якісна відмінність 2018 року в тому, що з'явилися потужні комп'ютери, здатні проводити фізичні симуляції. Це віртуальний експеримент. Замість того, щоб узяти реальний мішок і стріляти в нього з пістолета, що може бути небезпечно, складно і дорого, я імітую цей ефект. Це схоже на відеогру, в якій діють реальні фізичні закони і за кожним "спецефектом" стоїть фізичне рівняння. Можемо спостерігати, як відбуваються процеси гальмування з точністю до мільярдної частки секунди.

Масштаб розрахункових машин - сотні тисяч процесорів, кімнати, забиті комп'ютерними шафами, роботи, що їздять по залу, щоб переставляти модулі пам'яті. У Франції розташований один із найпотужніших обчислювальних центрів в Європі.

Масштаб розрахункових машин - сотні тисяч процесорів, кімнати, забиті комп'ютерними шафами, роботи, що їздять по залу, щоб переставляти модулі пам'яті

Що вдалося з'ясувати?

Ми не були першими, хто довів можливість таких симуляцій. Британська група й американська - лідери в цій галузі. Але наш програмний код працює в кілька разів швидше, а це солідна економія. І час - це теж гроші: якщо розрахунок триватиме дуже довго, наприклад, рік, то його ніхто не сприйме. Мета - розробити оптимізовану програму і прорахувати матеріали, цікаві для ядерної енергетики. Програмний код і методи можуть застосовуватися і в інших областях, наприклад, в медицині й електроніці.

Я вивчаю процес на фундаментальному рівні: розраховую, як саме іон влітає в матеріал. Це дозволяє спрогнозувати поведінку матеріалів: як вони старіють під дією випромінювання, як поширюється тріщина в стінках реакторів, і які в цього були причини.

"Граючись" із такою програмою, можна симулювати будь-які процеси, наприклад, космічне опромінення електроніки в супутниках. Знаючи початкові властивості, ти проектуєш щось нове - міцніше або дешеве. Або оцінюєш ризики того, що вже працює. Для цього придумали спеціальний термін - дизайн матеріалів.

Розрахунки дозволяють спрогнозувати поведінку матеріалів: як вони старіють під дією випромінювання, як поширюється тріщина в стінках реакторів, і які в цього були причини

Аварія, подібна Чорнобильській, тепер буде виключена?

Проблема Чорнобиля не в тому, що станція була погана, а в тому, що за пультами сиділи люди, які проводили небезпечні експерименти на 4-му реакторі. Ставилося завдання продовжити фазу в роботі реактора, коли проводився забір відпрацьованого матеріалу.

Автор: з особистого архіву Івана Малійова
  Аспірант французького ядерного центру Іван Малійов: "Французька політика в галузі ядерної енергії неоднозначна. Скоро закриють один із ядерних центрів в місті Кесенхайн - президент Макрон хоче виглядати сучасним"
Аспірант французького ядерного центру Іван Малійов: "Французька політика в галузі ядерної енергії неоднозначна. Скоро закриють один із ядерних центрів в місті Кесенхайн - президент Макрон хоче виглядати сучасним"

За півроку до цього в США проводили схожі досліди і їм просто пощастило. А в нас бабахнуло. Ці експерименти ставилися заради збільшення ефективності реактора і, можливо, для виробництва радіоактивних елементів для ядерної зброї. На графітових стрижнях, коли їх виймали після реакції, була мало не вся таблиця Менделєєва, в тому числі елементи для військових цілей.

Планується, що майбутні реактори повинні мати цифрових близнюків: на комп'ютері йде прорахунок машини. Тобто, станція існує ще й в віртуальній реальності. Прорахунок відбувається на кількох рівнях - від квантового до макроскопічного, на якому можна побачити будь-які процеси. Якби у ЧАЕС був цифровий близнюк, то спочатку б провели експеримент на ньому і внесли корективи.

Атомні реактори повинні мати цифрових близнюків: станція існує ще й в віртуальній реальності

Ваші дослідження теж фінансують військові?

Навряд. Я не можу заперечувати, що ті дані і той програмний код, який я пишу, не будуть використані для військових цілей. Але вірогідність цього дуже мала. По-перше, в СЕА (французький НДІ "Комісаріат з атомної та альтернативних видів енергії". - gazeta.ua) є спеціальні військові центри, куди іноземців не пускають навіть на екскурсію. По-друге, ті матеріали й методи, які ми використовуємо, мало цікаві для військових застосувань.

Багато надій покладали на альтернативну енергетику. Але вона розвивається повільно. Чому?

Нові види генераторів ще малопотужні. А найголовніше - поновлювані джерела не можуть давати постійну енергію. Подув вітерець - є, посвітило сонечко - є. А вночі? Як зберігати енергію, ще не придумали, і це блокує розвиток відновлюваної енергетики. Як тільки з'являться дешеві та ефективні батареї для зберігання, відновлювані джерела перейдуть на інший рівень. І тоді довгострокові проекти, про які ми говорили вище, почнуть закриватися.

Поки що "зелені станції" - це тільки іграшка, підтримувана на плаву економікою ядерної енергетики: розвиток галузі субсидується за рахунок грошей з атомної промисловості.

Ще один альтернативний проект - геотермічна енергетика, коли бурять дуже глибокі свердловини і отримують доступ до енергії в надрах землі. Але, живучи в приватному будинку, я б скоріше погодився з ядерної станцією поруч, ніж з геотермальною: ризик землетрусу навколо неї набагато вище, ніж вибух атомного реактора. Плюс високий рівень шуму. І, тим не менше, люди рідко висловлюють невдоволення. Бо живуть у звичних страхах.

Поки що "зелені станції" - це тільки іграшка, підтримувана на плаву економікою ядерної енергетики

Німеччина робить ставку на відновлювані джерела енергії, а Франція - на атомну енергетику. Цьому є пояснення?

Німеччина дійсно вибрала інший шлях: у неї мало ядерних реакторів, але багато вугільної енергетики, яка сильно забруднює атмосферу. І активно розвиває поновлювані джерела. У 60х роках, як і всюди, тут почалася ера ядерної енергетики. Але громадська думка і політична кон'юнктура привели до більш повільних темпів. Є й інший, суто економічний фактор: величезні поклади природного вугілля. Офіційно Німеччина поступово відмовляється від ядерної енергетики на користь поновлюваних джерел енергії. Однак, реальна альтернатива атому - вугілля. Німеччина поставила задачу - закрити всі до одного 17 ядерних реакторів до 2022 року. Складно уявити, як вони зможуть обійти збільшення викидів СО2 в атмосферу.

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ: Французька компанія інвестує €1 млрд на будівництво в Чорнобилі

Які ядерні технології Франції, могла би використовувати Україна?

В Україні ядерна енергетика виробляє більше 50% енергії, а значить ми були б зацікавлені в реакторах 4-го покоління. До того ж, в країні багато ядерних відходів. І замість того, щоб їх зберігати або платити за утилізацію, можна було б на такій сировині заробляти. Знаю кількох вчених з фізтеху (фізико-технічний факультет Харківського національного університету - gazeta.ua), які працюють над ідеєю плазмового реактора. Хоча Україна не є офіційним членом проекту.

Чому ви пішли в ядерну фізику?

Системи, які я вивчав, постійно зменшувалися. У Харкові займався моделюванням білків, відповідальних за хвороби Паркінсона та Альцґеймера. На першому році магістра в грандеколі Еcole Polytechnique (політехнічна школа, аналог українського університету. Розташована у паризькому передмісті Палезо. Відома насамперед якісною математичною підготовкою. – gazeta.ua) розглядав одну з частин білка, а на другому переключився на квантовий електронний транспорт, який застосовується для створення комп'ютерної пам'яті й особливо чутливих сенсорів. Комп'ютерні програми для розрахунків були чужі. Захотілося розробляти їх самому. Це схоже на створення свого маленького світу: у програмі, яка симулює якийсь процес, все відбувається так, як вирішив ти.

Автор: з особистого архіву Івана Малійова
  Аспірант французького ядерного центру Іван Малійов: "Суспільство залякане ядерною енергетикою - сумними прикладами Чорнобиля і Фукусіми"
Аспірант французького ядерного центру Іван Малійов: "Суспільство залякане ядерною енергетикою - сумними прикладами Чорнобиля і Фукусіми"

Сенсорні телефони витіснили кнопкові менше як за 10 років. Можливий такий прорив в енергетиці?

У світі ядерної енергетики все відбувається повільніше. Як будь-який серйозний науковий проект, реактор 4-го покоління вимагає безліч фаз: від теоретичної розробки і прогнозів до креслення конкретної атомної станції та економічного плану закупівлі, утилізації та зберігання ядерного палива. Тільки це займе десяток років. Додайте різноманітні контролі на безпеку і на опонування противникам ядерної енергетики. Виходить не менше 30 років на ядерну революцію при вже відомому принципі роботи.

Багато говорять про квантовий комп'ютер, завдяки якому сьогоднішню добу розрахунків можна буде звести до хвилин. Але є багато скептиків, які вважають, що така ідея - просто викачування грошей з наукових фондів. Якщо ж цей комп'ютер буде створений, то це стане революцією у світі комп'ютерної симуляції, але не в світі ядерної енергетики. Ми зможемо створювати більше моделей реакторів на комп'ютері і швидше передбачати, яка з них буде ефективнішою. Але не більше того.

Зараз ви читаєте новину «"З точністю до мільярдної частки секунди" - як працюють сучасні технології в атомній енергетиці». Вас також можуть зацікавити свіжі новини України та світу на Gazeta.ua

Коментарі

2

Залишати коментарі можуть лише авторизовані користувачі

Голосів: 1650
Голосування Які перспективи "Динамо" на Лігу чемпіонів?
  • 1) навіть "Славію" не пройдуть
  • 2) "Славію" пройдуть, але "Аякс" чи "Стандарт" - ні
  • 3) все буде добре, проб'ються до групового турніру
Переглянути
Погода