Атомная энергия и человек (стр. 1 из 3)

Л.И. Пономарев, член-корреспондент Российской академии наук (Российский научный центр «Курчатовский институт»)

Современную цивилизацию отличают от всех предшествующих эпох два основных качества: обилие потребляемой энергии и совершенная система коммуникаций. Именно они составляют основу всех достижений технологии и техники нашего времени. Их символами стали атомная энергия, спутник, компьютер и сотовый телефон. За последние сто лет в повседневную жизнь вошли электричество, автомобиль и самолет, радио и телефон, телевизор и еще многое другое, о чем мы вспоминаем лишь тогда, когда это вдруг исчезает из обихода. Как всякий сложный механизм, этот созданный человеком мир хрупок и недолговечен, если мы не найдем способа защитить и сохранить его.

Энергия в этой системе ценностей занимает особое место: без нее нынешняя цивилизация нежизнеспособна. На ее добычу во все времена — от первого костра до атомной электростанции — человек тратил примерно треть своих усилий. Понятие энергия — ς в древней Греции употребляли для обозначения некоего активного начала, но только наука объяснила ее особую сущность: в отличие от веществ, которые можно использовать многократно, энергию можно истратить лишь однажды. Сто лет назад один из основателей учения о радиоактивности Фредерик Содди писал: «Истинное богатство мира — его энергия. Именно признание энергии особой сущностью отличает нынешний век от веков минувших... Страх израсходовать запас пищи врожден нам; страх израсходовать запас топлива человек еще должен развить в себе...».

Запасы энергии на Земле ограничены и сосредоточены, в основном, в ядрах урана и тория, которые родились в «звездных тиглях» еще до образования Земли и Солнечной системы. Сегодня эту реальность понимают лишь несколько человек из миллиона, но для сохранения уровня и достижений современной цивилизации их усилий явно недостаточно: для этого должно измениться мироощущение всего человеческого сообщества.

В начале нашей эры на Земле обитало 200-300 миллионов человек, и тысячу лет спустя эта численность существенно не менялась. В середине второго тысячелетия население планеты стало быстро расти: во времена Колумба (~1500 г.) на Земле жило ~500 млн. человек, при Галилее (~1600 г.) их стало ~550 млн., при Ньютоне (~1700 г.) их было уже ~650 млн., а в начале XIX века Уатт и Фарадей были современниками ~1 млрд. человек. В последнее столетие число обитателей нашей планеты удваивалось каждые 40- 50 лет: при Планке, в начале XX века — 1.6 млрд., к концу XX века — 6 млрд. Нетрудно сосчитать, что при таком темпе размножения людей уже через две тысячи лет их масса превысит массу Земли.

Рост населения Земли с начала новой эры

Абсурдность такой экстраполяции очевидна, и действительно, программа, управляющая волной жизни человечества, уже начала меняться. В 1900 г. скорость прироста населения Земли составляла ~10 млн./год и в дальнейшем непрерывно росла, вплоть до 1989 года, когда она достигла максимума (87.9 млн./год). С тех пор, впервые за всю писаную историю, она устойчиво падает и в 2004 г. составила уже 72.5 млн./год. По оптимистическим прогнозам эта скорость к концу XXI века упадет до нуля, а численность людей на Земле стабилизируется на уровне ~10-12 млрд.

Мощь такой массы людей, владеющих огромной энергией, сравнима с геологическими факторами, от которых зависит будущее нашей планеты. Сегодня человек использует на свои нужды ~10% первичной продукции фотосинтеза и преобразовал под пашни и пастбища ~50% годных к обработке почв: вырубил леса, осушил болота и, тем самым, по крайней мере, вдвое снизил их вклад в цикл фотосинтеза. («Раньше природа угрожала человеку, теперь человек угрожает природе» — говорил Жак Ив Кусто).

Сколько энергии человеку надо?

Среднесуточная норма энергии, которую человек потребляет с пищей, равна примерно 2-3 тыс. килокалорий = (0.8- 1.3) • 107 джоулей (энергия сгорания ~300 г. угля). Таким образом средняя мощность жизнедеятельности человека составляет всего ~120 Вт, т.е. примерно равна мощности горящей спички. На Земле живет сейчас 6.3 млрд. человек и суммарная мощность их жизнедеятельности равна ~0.8·1012Вт.

Со времени изобретения машин человек увеличил свою мощность многократно. В начале XX в. за счет ветра, пара, энергии рек и домашних животных эта мощность в развитых странах выросла до 0.5 кВт на человека, а к началу XXI в. мировое производство энергии составило 1.3 • 1013 Вт, т.е. в среднем ~2 кВт на человека, в двадцать раз больше, чем он потребляет с пищей.

История развития нашей цивилизации — это непрерывная борьба за увеличение мощности человека сверх той, которую он изначально имел с пищей. Примерно 500 тысяч лет назад человек приручил огонь, 40 тыс. лет назад — животных, в 5 тысячелетии до н.э. он запряг их в плуг, в начале нашей эры построил водяную мельницу, а в XI в. изобрел ветряную. В 1784 г. Джеймс Уатт создал паровой двигатель, который вместе с паровозом Стефенсона (1825 г.) на сто лет вперед определил лицо промышленной революции. (Единица мощности — ватт названа в его честь.) Еще через сто лет (1885 г.) появился автомобиль Даймлера и Бенца с бензиновым двигателем, который со временем полностью изменил мир. Открытия Фарадея и изобретение электрических машин завершили эпоху промышленной революции, и на рубеже XIX и XX веков мир перешел из века пара в век электричества. Первую электростанцию и распределительные сети к ней построил Эдисон в 1881 г. Через полвека, мощность электрических сетей мира составила 3 • 1010 Вт, в 1970 г. она выросла до 5.7 • 1011 Вт, а к концу XX в. достигла 2.1 • 1012 Вт. Сегодня на производство электричества расходуется примерно треть всего добываемого топлива, но есть еще транспорт, быт, металлургия и химия и т.д., которые увеличивают поток энергии до 1.3 • 1013 Вт. Откуда черпается эта энергия и как много ее еще надо?

На протяжении столетий дополнительным, помимо пищи, источником энергии человеку служила энергия ветра и рек, древесина и домашние животные, т.е., по существу, энергия термоядерных топок Солнца, запасенная в атмосфере, океане, растениях. В XVIII в. повсеместно стали использовать уголь — ту же энергию Солнца, но запасенную растениями сотни миллионов лет назад, задолго до появления человека. В конце XIX в. нефть повсеместно начала вытеснять уголь, особенно после появления автомобилей и самолетов. Наконец, в XX в.стали активно использовать природный газ, который так же быстро потеснил нефть,

Рост населения Земли с 1760 г. по 2050

К началу XXI в. в топках ежегодно сжигалось ~12 млрд. (1.2 • 1010) т условного топлива (1 тут = 7 • 109 кал = 2.94 • 1010 Дж), в основном, уголь (36%), нефть (38%) и газ (26%). При этом освобождается ~3.6 • 1020 Дж энергии, из которой ~1/3 (~1.2 • 1020 Дж) тратится на производство электричества. С учетом принятого коэффициента конверсии тепла в электричество ( = 0.375) за год все тепловые станции мира производят 0.44 • 1020 Дж электричества (~1.4 • 1012 Вт), что составляет ~65% всех электрических мощностей планеты. Остальные 35% восполняются примерно поровну гидростанциями и атомными станциями, а также (~0.5%) -— другими источниками (солнечная, ветровая, геотермальная и прочие). Полная тепловая мощность энергетики на начало XXI века составила 1.34 • 1013 Вт из которых в виде электричества потреблялось лишь 2.1 • 1012 Вт (~15%), а из них 0.36 • 1012 Вт (~17%) обеспечивала атомная энергетика: пока мало, но больше, чем мощность всей электроэнергетики мира в 1954 г., когда была запущена первая атомная электростанция.

Легко видеть, что все благополучие нынешней цивилизации покоится, в основном, на запасах угля, нефти и газа. Как надолго их хватит, зависит от наших теперешних и прогнозируемых потребностей. Со времени открытия Америки население нашей планеты выросло в 15 раз, и только за последнее столетие увеличилось в 4 раза. По прогнозам, к середине XXI в. производство энергии удвоится, а электричества — утроится. Кроме того, сегодняшнее распределение энергии крайне неравномерно: например, в Эфиопии приходится ~100 Вт на человека, в России ~6 кВт, а в США — 12 кВт; 1/4 населения земного шара потребляет 3/4 производимой энергии, из которой ~1/3 энергии потребляют жители США, которых только 4.6% от населения мира. А ~1/3 населения планеты до сих пор не имеет доступа к электричеству. Следствием этого будут либо войны (они уже начались), либо постепенное выравнивание уровней потребления, что еще более увеличит поток энергии. К середине XXI в. мощность производимой энергии (~3 • 1013 Вт) сравняется с энергией, излучаемой из недр Земли (3.2 • 1013 Вт), и составит ~0.03% от мощности потока солнечной энергии, которая поглощается в атмосфере Земли и достигает ее поверхности (~1017Вт).

Много это или мало для нарушения сложных самосогласованных процессов в биосфере Земли? Сегодня с уверенностью ответить на этот вопрос никто не может, хотя это еще не дает оснований для благодушия (даже самые мощные и разрушительные торнадо зарождаются от малых и незаметных вихрей). Проблема эта уже имеет название — «тепловое загрязнение биосферы» и находится в ряду многих, обусловленных резким ростом производства энергии. (В предстоящие полвека энергии будет произведено столько же, сколько за всю предшествующую историю человека).

При нынешнем темпе расходования природного органического топлива нефть и газ к концу XXI века будут, по-видимому, исчерпаны. Запасов угля хватит еще на 200-300 лет, но это не спасает ситуацию, поскольку при этом возникает другая проблема — загрязнение атмосферы продуктами сгорания угля, в основном сернистым и углекислым газами. Уже сегодня в атмосферу выбрасывается в виде CO2 6.5 млрд. т углерода в год, — по тонне на каждого обитателя планеты, а при «угольном» сценарии развития энергетики эти выбросы возрастут многократно. По утверждению экологов, следствием этого будет «парниковый эффект», т.е. повышение средней температуры атмосферы Земли, таяние полярных ледников и сопутствующие этому природные катастрофы глобального масштаба: подъем уровня мирового океана, затопление прибрежных городов, засухи, ураганы и наводнения, а также изменение климата целых регионов. Насколько верны эти предсказания пока неясно, но точно известно, что изменение климата — процесс инерционный и, раз начавшись, он неостановим на протяжении тысячелетий, как это случилось в эпоху последнего ледникового периода, который закончился всего 12 тысяч лет назад. Сомнительно, что наша изощренно сложная и хрупкая цивилизация выдержит такой грубый натиск природы. Перед лицом этого глобального вызова бледнеют все политические амбиции и национальные распри, но, к сожалению, понимают это и принимают всерьез все те же несколько человек на миллион. Или — меньше.