Глеб Анфилов - Искусственное Солнце

Устроены ядерные реакторы весьма разнообразно, но в принципе не очень сложно.

Широко описан, например, первый в СССР и в Европе реактор, который представляет собой просто кладку графитовых кирпичей со вставленными в них цилиндрическими столбиками природного урана. Сверху через специальные каналы в кладку можно было вводить регулирующие стержни из материала, жадно поглощающего нейтроны.

Как действует такая установка?

Из-за редких самопроизвольных делений ядер в уране всегда блуждают нейтроны. И, понятно, чем массивнее кусок урана, тем больше в нем блуждающих нейтронов. Но в природном уране они не вызывают цепной реакции. Почему?

Потому что они движутся со слишком большой скоростью.

Дело в том, что естественный уран в основной своей массе состоит из изотопа с атомным весом 238, а его атомные ядра жадно поглощают такие быстрые нейтроны, выводят их из игры.

Между тем, если бы нейтронов хватило, цепная реакция могла бы отлично развиваться на редко встречающихся, но легко делящихся ядрах урана-235.

Как же унять аппетит урана-238, заставить его отказаться от чересчур обильного пожирания нейтронов?

Средство есть. Надо сделать эти нейтроны для него «несъедобными»!

Физики выяснили любопытный факт: урану-238 по вкусу главным образом быстрые нейтроны, а те, что движутся медленнее, он поглощать не любит. Значит, для спасения нейтронов от массовой гибели в уране-238 их нужно каким-то способом замедлить.

Графит в реакторе и играет роль спасителя — замедлителя нейтронов. Сталкиваясь с ядрами его атомов, нейтроны теряют скорость. Кстати сказать, этот графит должен быть тщательнейшим образом очищен от примесей. Даже ничтожные загрязнения способны превратить его из замедлителя в такого же пожирателя нейтронов, как уран-238.

Итак, в системе «природный уран плюс графит» появляются медленные нейтроны. Ядра урана-235 делятся ими гораздо лучше, чем быстрыми. Быстрый нейтрон часто может «прострелить» ядро урана-235, не вызвав никаких последствий, а медленный почти всегда застревает в этом ядре и расщепляет его. В итоге цепная реакция становится вполне возможной.

Остается пояснить, как ею управляют.

Для этого служат стержни из соединений кадмия и бора, которые, как мы помним, можно опускать внутрь уран-графитовой кладки.

Кадмий и бор обладают способностью очень сильно поглощать нейтроны, причем, в отличие от урана-238, любые — и быстрые и медленные. Выдвигая эти стержни из реактора, мы постепенно наращиваем нейтронный поток и даем начало цепному процессу. Манипулируя стержнями, мы по желанию усиливаем или ослабляем реакцию и при любой необходимости останавливаем ее. Тем самым мы регулируем количество выделяемой энергии.

Как мы теперь видим, расщепление атомных ядер вполне подвластно воле человека.

Кроме уран-графитового, существует немало других типов реакторов. Интересны котлы на быстрых нейтронах, в которых не только «сгорает» уран-235, но одновременно из урана-238 вырабатывается новое ядерное горючее—плутоний-239. Академик И. В. Курчатов однажды сравнил такую установку с чудесной печкой, из которой вместе с золой можно выгрести больше топлива, чем сгорело.

На первый взгляд, это невозможно.

Но такие установки уже созданы.

Мы уже знаем, что уран-238 вбирает в себя быстрые нейтроны. Так вот, поглотив эту частицу, урановое ядро превращается в очень неустойчивое ядро урана-239. Примерно через 23 минуты это ядро распадается и, дважды испустив электрон и нейтральную частичку нейтрино, переходит в ядро зауранового элемента — плутония-239. Плутоний и служит новым ядерным горючим, которое делится нейтронами не хуже урана-235.

С расчетом на такое «воспроизводство» ядерного горючего реактор приходится строить своеобразно. Прежде всего он должен работать на быстрых нейтронах (ведь только они входят в «рацион» урана-238). Как этого добиваются? Вот простейший способ.

Устраивают сердечник, в котором помещают блоки урана, сильно обогащенного горючим ураном-235. Получается почти атомная бомба. Там идет еле сдерживаемая цепная реакция. Выделяющиеся в процессе расщепления ядер нейтроны мощным потоком вырываются наружу и попадают в блоки урана-238, размещенные вокруг сердечника. В итоге в блоках постепенно накапливается плутоний. Отделить его нетрудно. Эта операция выполняется на специальных химических заводах.

В подобном реакторе можно получить и третий вид ядерного горючего—уран-233. Только вместо блоков урана-238 вокруг сердечника располагают блоки тория-232 (из него-то и образуется уран-233). Причем для изготовления урана-233 даже не обязательны быстрые нейтроны. Процесс вполне осуществим на медленных нейтронах, что гораздо удобнее — проще регулировать выделение энергии. Искусственное ядерное горючее может, так же как и уран-235, использоваться для изготовления атомных бомб. В частности, американская бомба, сброшенная на Нагасаки, была плутониевой.

Но воспроизводство ядерного горючего имеет громадное значение и для мирной ядерной техники. В реакторах, о которых мы сейчас рассказали, и в самом деле удается получить больше нового горючего, чем израсходовано. Речь идет о полном энергетическом использовании всего природного урана (а не жалких 0,7 процента, приходящихся в нем на долю урана-235) и всего тория. Запасы же этих элементов на нашей планете немалые. По содержанию энергии они превосходят ресурсы угля и нефти.

Нет, не японская трагедия открыла атомную эру.

Атомный век начался 27 июля 1954 года — в день, когда в нашей стране, возле одного из подмосковных городков, вступила в строй маленькая атомная электростанция мощностью всего в 5 тысяч киловатт. Первая из первых в мире, она явилась родоначальницей прогресса могучей ядерной энергетики.

Схема действия этой знаменитой станции известна теперь каждому любознательному человеку.

В уран-графитовом реакторе выделяется тепло. Оно выносится оттуда водой, текущей под давлением. Эта вода радиоактивна, опасна для человека. Но через стенки труб, поглощающих вредоносные лучи, проходит тепло, которое используется для получения пара из другой — чистой воды. Этот пар вращает турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. Подобная схема — одна из множества возможных.

Атомные электростанции могут различаться и типом реактора, и способом отвода тепла, и методом преобразования тепла в электрический ток. Предстоит испробовать десятки вариантов, проверить их в эксплуатации, выбрать наилучшие — самые простые, надежные, экономичные. Перед инженерной и изобретательской мыслью — широкий простор исканий.

Осенью 1958 года вступила в строй первая очередь новой советской атомной электростанции мощностью уже 100 тысяч киловатт. Полная же мощность этой станции составит 600 тысяч киловатт.

По стопам нашей Родины пошли и другие страны. Атомные электростанции сооружены в Англии, Франции, Канаде, в Соединенных Штатах Америки.

Ядерная энергия проникает на транспорт. Спущен на воду атомный ледокол «Ленин». Разрабатываются проекты атомных локомотивов, самолетов, даже атомных ракетных кораблей.

Расщепление тяжелых ядер — сегодняшний день нашей индустрии.

Однако остановится ли атомная техника на использовании одного лишь расщепляющегося ядерного горючего? Конечно, нет! Это только начало.

Ведь запасы урана и тория в земной коре не безграничны, добывать их не так-то уж легко. Давно уже возник вопрос: а нет ли какого-либо более доступного ядерного сырья, нет ли способа обойтись без урана и тория при извлечении атомной энергии, найти для этого другие элементы, другие методы?

Чтобы получить ответ на такие вопросы, мы вновь возвращаемся к Солнцу. Именно там найдем мы новое ядерное топливо, новый способ его сжигания. Но сначала мы обязаны подробнее разобраться в особенностях бурной жизни светила.

1. СВЕРКАЮЩИЙ ПОКРОВ

Рождение света. Фарфор и сажа. Черное Солнце. Электроны-прыгуны. Разгадка шифра. Фотонное меню.

2. ПРАВО СИЯТЬ

Мяч с отоплением. Мнимый запрет. Конституция микромира.

Частицы и среда. Волны вероятности. Лыжники-кудесники. Сквозь непроницаемое. Разрешение дано.

3. ЯДРА СЛИВАЮТСЯ

Снаружи и внутри. Первые пробы. Решающее открытие. Главный этап. Конвейер реакций. Ядра-повара. Теория и опыт. Подводим итоги. Вчера и завтра. Судьбы звезд.