воскресенье, 29 июля 2018 13:57

"С точностью до миллиардной доли секунды" - как работают современные технологии в атомной энергетике

В мире говорят о сокращении атомных станций, а Франция собирается строить принципиально новый ядерный реактор - 4-го поколения. - Он позволяет снизить уровень опасных отходов и удешевить электроэнергию, - говорит Иван Малиёв, аспирант научно-исследовательского института под Парижем. - А есть еще вопросы объемов: по самым скромным оценкам потребность в электроэнергии к 2030 году возрастет на 40%. На кого рассчитывать? В первую очередь, на АЭС. Их во Франции 19. А альтернативные виды энергии остаются прекрасной, но все же перспективой.

Автор: из личного архива Ивана Малиёва
  Иван МАЛИЁВ, 24 года, аспирант французского ядерного центра. Родился 19 января 1994 в Керчи. Отец - дирижер детского духового оркестра, мать - воспитатель в детском саду. Окончил музыкальную школу по классу фортепиано и кларнета. Играет на шести инструментах. "В детстве увлекался музыкой. Но понял, что в плане интеллекта это скучно: 8-10 часов в день оттачиваешь навыки. Насторожило, что успех в музыке зависит прежде всего от тренировок. Гораздо интереснее разобраться, как что работает. Так заинтересовался сначала биологией, а затем - физикой ". Окончил бакалаврат физико-технического факультета Харьковского национального университета им. Василия Каразина. Продолжил обучение во Франции - в магистратуре грандеколя Еcole Polytechnique. Устроился во французский центр ядерной и альтернативной енергетики СEA. Готовится защищать кандидатскую диссертацию. В студенческом оркестре играет на кларнете, в ансамбле "Фанфары Эколь Политехник" - на саксофоне. "Перенял французскую привычку - практически не завтракаю. Обедаю в столовой компании. Это стоит до пяти евро - для работников действуют специальные тарифы. Ужинаю дома перед компьютером, когда просматриваю новости ". Любимый писатель - американский ученый Ричард Фейнман. За три года побывал в Италии, Нидерландах, Бельгии и Швейцарии. Живет со своей девушкой Марией в студенческом городке.
Иван МАЛИЁВ, 24 года, аспирант французского ядерного центра. Родился 19 января 1994 в Керчи. Отец - дирижер детского духового оркестра, мать - воспитатель в детском саду. Окончил музыкальную школу по классу фортепиано и кларнета. Играет на шести инструментах. "В детстве увлекался музыкой. Но понял, что в плане интеллекта это скучно: 8-10 часов в день оттачиваешь навыки. Насторожило, что успех в музыке зависит прежде всего от тренировок. Гораздо интереснее разобраться, как что работает. Так заинтересовался сначала биологией, а затем - физикой ". Окончил бакалаврат физико-технического факультета Харьковского национального университета им. Василия Каразина. Продолжил обучение во Франции - в магистратуре грандеколя Еcole Polytechnique. Устроился во французский центр ядерной и альтернативной енергетики СEA. Готовится защищать кандидатскую диссертацию. В студенческом оркестре играет на кларнете, в ансамбле "Фанфары Эколь Политехник" - на саксофоне. "Перенял французскую привычку - практически не завтракаю. Обедаю в столовой компании. Это стоит до пяти евро - для работников действуют специальные тарифы. Ужинаю дома перед компьютером, когда просматриваю новости ". Любимый писатель - американский ученый Ричард Фейнман. За три года побывал в Италии, Нидерландах, Бельгии и Швейцарии. Живет со своей девушкой Марией в студенческом городке.

Как быстро может появиться реактор нового поколения?

Франция лидирует в Европе по доле атомной составляющей - 30% среди енгергоносителей, включая нефть, газ, уголь. И 75% - в общем объеме производимой энергии. То есть, то, что новый реактор создается именно во Франции, закономерно.

На последней ассамблее в институте мы обсуждали французско-японское соглашение по поводу реакторов 4 поколения. Там фигурируют даты - 2065-2080 годы. Сложно представить какой-то бизнес или сферу экономики, где договоры подписывались бы на такой период.

В чем особенность новых реакторов?

Они более экономичны - способны перерабатывать отходы старых реакторов. И более безопасны - с точки зрения техногенных аварий и террористических угроз. По прогнозам, они появятся не раньше 2030 года.

Вместо воды для охлаждения реактора используют жидкий металл - натрий, который практически не замедляет полезные нейтроны. Это позволяет существенно повысить эффективность реактора.

Автор: из личного архива Ивана Малиёва
  Аспирант французского ядерного центра Иван Малиёв: "Знаю нескольких ученых из физтеха, которые работают над идеей плазменного реактора. Хотя Украина не является официальным членом проекта"
Аспирант французского ядерного центра Иван Малиёв: "Знаю нескольких ученых из физтеха, которые работают над идеей плазменного реактора. Хотя Украина не является официальным членом проекта"

Ядерным топливом может служить не только обогащенный уран 235, но и обедненный уран 238, которого в природе гораздо больше. А также плутоний, который остается после работы современных станций. То есть, проблема ядерного топлива решается раз и навсегда, а количество ядерных отходов уменьшается. К тому же, жидкий натрий, в отличие от воды, не вызывает коррозии элементов реактора, а значит повышает его безопасность. Ожидается, что эти реакторы будут революцией в мире ядерной энергетики.

Есть еще идея плазменного генератора - получать энергию не из распада ядер, а с их слияния. Подобные реакции происходят на солнце. Но если на быстрых нейтронах реакторы уже были построены и их работоспособность доказана, то с плазменными сложнее. Надо доказать принципиальную возможность добычи энергии таким образом.

Но французская политика в области ядерной энергии неоднозначна.Скоро закроют один из ядерных центров в городе Кесенхайн - президент Макрон хочет выглядеть современным. При этом станция не была старой. Закрыли наугад - без объяснений. Успеют ли построить станции на быстрых нейтронах, никто не знает. Все зависит от политической конъюнктуры.

Есть идея плазменного генератора - получать энергию не из распада ядер, а из их слияния

Как настроено общество в отношении отказа от атомной энергии?

Манифестации с требованиями озеленить энергетику - обычное дело. Но они не часты. Общество запуганно ядерной энергетикой - печальными примерами Чернобыля и Фукусимы. Как только говорю о роде своих занятий, у людей в глазах сразу появляется треугольник со значком "радиоактивно". Есть и элементарное невежество: многие считают, что атом загрязняет атмосферу, как и угольные станции. Хотя реактор не выделяет углекислый газ, который приводит к парниковому эффекту.

Безопасная атомная станция - это реально?

Основной принцип работы АЭС - получить с обогащенного урана множество нейтронов, которые нагреют воду до кипения, что, в свою очередь, приведет к вращению турбины. Но в таких реакциях вылетает еще и множество других частиц, в том числе, радиоактивных и опасных для человека. Мы защищаемся от них толстыми стенами. Однако частицы проникают в них и разрушают. Это похоже на пулю пистолета, которую останавливает мешок с песком. Этими вопросами уже лет 60 занимаются в лабораториях - пытаются вести измерения. Но на уровне атома это сложно. А понять квантовое поведение материала, когда туда влетает частица, экспериментально практически невозможно.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Не светом единым - создали устройство, которое отбирает тепло у солнца

Качественное отличие 2018 года в том, что появились мощные компьютеры, способные проводить физические симуляции. Это виртуальный эксперимент. Вместо того, чтобы взять реальный мешок и стрелять в него из пистолета, что может быть опасно, сложно и дорого, я имитирую этот эффект. Это похоже на видеоигру, в которой действуют реальные физические законы и за каждым "спецэффектом" стоит физическое уравнение. Можем наблюдать, как происходят процессы торможения с точностью до миллиардной доли секунды.

Масштаб расчетных машин - сотни тысяч процессоров, комнаты, забитые компьютерными шкафами, роботы, которые ездят по залу, чтобы переставлять модули памяти. Во Франции находится один из самых мощных вычислительных центров в Европе.

Масштаб расчетных машин - сотни тысяч процессоров, комнаты, забитые компьютерными шкафами, роботы, ездят по залу, чтобы переставлять модули памяти

Что удалось выяснить?

Мы не были первыми, кто доказал возможность таких симуляций. Британская группа и американская - лидеры в этой области. Но наш программный код работает в несколько раз быстрее, а это солидная экономия. И время - это тоже деньги: если расчет будет продолжаться очень долго, например, год, то его никто не воспримет. Наша цель - разработать оптимизированную программу и просчитать материалы, интересные для ядерной энергетики. Программный код и методы могут применяться и в других областях, например, в медицине и электронике.

Я изучаю процесс на фундаментальном уровне: рассчитываю, как ион влетает в материал. Это позволяет спрогнозировать поведение материалов: как они стареют под действием излучения, как распространяется трещина в стенках реакторов, и какие у этого были причины.

Играя с такой программой, можно симулировать любые процессы, например, космическое облучение электроники в спутниках. Зная начальные свойства, ты проектируешь что-то новое - более крепкое или дешевое. Или оцениваешь риски того, что уже работает. Для этого придумали специальный термин - дизайн материалов.

Расчеты позволяют спрогнозировать поведение материалов: как они стареют под действием излучения, как распространяется трещина в стенках реакторов, и какие у этого были причины

Авария, подобная Чернобыльской, теперь будет исключена?

Проблема Чернобыля не в том, что станция была плохая, а в том, что за пультами сидели люди, которые проводили опасные эксперименты на 4-м реакторе. Ставилась задача продолжить фазу в работе реактора, когда проводился забор отработанного материала.

Автор: из личного архива Ивана Малиёва
  Аспирант французского ядерного центра Иван Малиёв: "Французская политика в области ядерной энергии неоднозначна.Скоро закроют один из ядерных центров в городе Кесенхайн - президент Макрон хочет выглядеть современным"
Аспирант французского ядерного центра Иван Малиёв: "Французская политика в области ядерной энергии неоднозначна.Скоро закроют один из ядерных центров в городе Кесенхайн - президент Макрон хочет выглядеть современным"

За полгода до этого в США проводили похожие опыты и им просто повезло. А у нас бабахнуло. Эти эксперименты ставились ради увеличения эффективности реактора и, возможно, для производства радиоактивных элементов для ядерного оружия. На графитовых стержнях, когда их вынимали после реакции, была чуть ли не вся таблица Менделеева, в том числе элементы для военных целей.

Планируется, что будущие реакторы должны иметь цифровых близнецов На компьютере идет просчет машины. То есть, станция существует еще и в виртуальной реальности. Просчет происходит на нескольких уровнях - от квантового до макроскопического, на котором можно увидеть любые процессы. Если бы у ЧАЭС был цифровой близнец, то сначала бы провели эксперимент на нем и внесли коррективы.

Атомные реакторы должны иметь цифровых близнецов: станция существует еще и в виртуальной реальности

Ваши исследования тоже финансируют военные?

Вряд ли. Я не могу отрицать, что те данные и тот программный код, который я пишу, не будут использованы для военных целей. Но вероятность этого очень мала. Во-первых, в СЕА (французский НИИ "Комиссариат по атомной и альтернативным видам энергии". - gazeta.ua) есть специальные военные центры, куда иностранцев не пускают даже на экскурсию. Во-вторых, те материалы и методы, которые мы используем, мало интересны для военных применений.

Много надежд возлагали на альтернативную энергетику. Но она развивается медленно. Почему?

Новые виды генераторов еще маломощные. А самое главное - возобновляемые источники не могут давать постоянную энергию. Подул ветерок - есть, посветили солнышко - есть. А ночью? Как хранить энергию, еще не придумали, и это блокирует развитие возобновляемой энергетики. Как только появятся дешевые и эффективные батареи для хранения, возобновляемые источники перейдут на другой уровень. И тогда долгосрочные проекты, о которых мы говорили выше, начнут закрываться.

Пока "зеленые станции" - это только игрушка, поддерживаемая на плаву экономикой ядерной энергетики: развитие отрасли субсидируется за счет денег из атомной промышленности.

Еще один альтернативный проект - геотермическая энергетика, когда бурят очень глубокие скважины и получают доступ к энергии в недрах земли. Но, живя в частном доме, я бы скорее согласился на соседство с ядерной станцией, чем с геотермальной: риск землетрясения вокруг нее гораздо выше, чем взрыв атомного реактора. Плюс высокий уровень шума. И, тем не менее, люди редко выражают недовольство. Потому что живут в привычных страхах.

Пока "зеленые станции" - это только игрушка, поддерживаемая на плаву экономикой ядерной энергетики

Германия делает ставку на возобновляемые источники энергии, а Франция - на атомную энергетику. Этому есть объяснение?

Германия действительно выбрала другой путь: у неё мало ядерных реакторов, но много угольной энергетики, которая сильно загрязняет атмосферу. При этом немцы активно развивают возобновляемые источники. В 60х годах, как и везде, здесь началась эра ядерной энергетики. Но общественное мнение и политическая конъюнктура привели к более медленным темпам. Есть и другой, чисто экономический фактор: огромные залежи природного угля.

Официально Германия постепенно отказывается от ядерной энергетики в пользу возобновляемых источников энергии. Однако, реальная альтернатива атома - уголь. Немцы поставили задачу закрыть все до одного 17 ядерных реакторов в 2022. Как они смогут при этом обойти увеличение выбросов СО2 в атмосферу сложно представить.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Французкая компания инвестирует € 1 млрд на строительство в Чернобыле

Ядерные технологии Франции могла бы использовать Украина?

Знаю нескольких ученых из физ-теха (физико-технический факультет Харьковского национального университета - gazeta.ua), которые работают над идеей плазменного реактора. Хотя Украина не является официальным членом проекта. Что касается реакторов 4 поколения, то для Украины они очень актуальны: в стране много ядерных отходов. И вместо того, чтобы их хранить, захоронять самим или платить за утилизацию, можно было бы на таком сырье зарабатывать.

Почему вы пошли в ядерную физику?

Системы, которые я изучал, постоянно уменьшались. В Харькове занимался моделированием белков, ответственных за болезни Паркинсона и Альцгеймера. На первом году магистра в грандеколе Еcole Polytechnique (политехническая школа, аналог украинского университета. Расположена в парижском пригороде Палезо. Известная прежде всего качественной математической подготовкой. - gazeta.ua) рассматривал одну из частей белка, а на втором переключился на квантовый электронный транспорт, используемый для создания компьютерной памяти и особо чувствительных сенсоров. Компьютерные программы для расчетов были чужие. Захотелось разрабатывать их самому. Это похоже на создание своего маленького мира: в программе, которая симулирует некий процесс, все происходит так, как решил ты.

Автор: из личного архива Ивана Малиёва
  Аспирант французского ядерного центра Иван Малиёв: "Общество запуганно ядерной энергетикой - печальными примерами Чернобыля и Фукусимы"
Аспирант французского ядерного центра Иван Малиёв: "Общество запуганно ядерной энергетикой - печальными примерами Чернобыля и Фукусимы"

Сенсорные телефоны вытеснили кнопочные менее 10 лет. Возможен такой прорыв в энергетике?

В мире ядерной энергетики все происходит медленнее. Как любой серьезный научный проект, реактор 4-го поколения требует множество фаз: от теоретической разработки и прогнозов до чертежей конкретной атомной станции, экономического плана закупки, утилизации и хранения ядерного топлива. Только это займет десяток лет. Добавьте различные контроли на безопасность и на оппонирование противникам ядерной энергетики. Получается не менее 30 лет на ядерную революцию при уже известном принципе работы.

Много говорят о квантовом компьютере, благодаря которому сегодняшние сутки расчетов можно будет свести до минут. Но есть много скептиков, которые считают, что такая идея - просто выкачивание денег из научных фондов. Если же этот компьютер будет создан, то это станет революцией в мире компьютерной симуляции, но не в мире ядерной энергетики. Мы сможем создавать больше моделей реакторов на компьютере и быстрее предполагать, какая из них будет более эффективной. Но не более того.

Сейчас вы читаете новость «"С точностью до миллиардной доли секунды" - как работают современные технологии в атомной энергетике». Вас также могут заинтересовать свежие новости Украины и мировые на Gazeta.ua

Комментарии

2

Оставлять комментарии могут лишь авторизированные пользователи

Погода