Сокровищница XXI века - Владислав Иванович Кузнецов

Когда медленный нейтрон проходит на небольшом расстоянии от ядра урана, мощные силы притяжения втягивают его в ядро: Нейтрон вносит в урановое ядро энергию и нагревает его. Меняется форма, вместо шара ядро становится похожим на гимнастическую гантель, колеблется и делится затем на две части — ядра-осколки. Ядра-осколки испускают новые нейтроны, иногда два, иногда три, а в среднем на одно деление приходится две с половиной частицы.

Цепной процесс развивается по тем же законам, что и горная лавина. Если в композицию урана и замедлителя нейтронов попадает «случайный» космический нейтрон, то после его столкновения с ядром урана возникает два или три нейтрона. Новые нейтроны порождают, как минимум, четыре, четыре — по меньшей мере восемь... Наконец, когда нужный уровень мощности достигнут, развитие цепной реакции задерживают, иначе в зоне, где протекает реакция, выделится слишком много тепла и ядерный реактор будет разрушен. Как правило, мощность реактора поддерживают неизменной — как, скажем, мощность паровой турбины электростанции. Мощность цепной реакции остается постоянной, если процесс ведут так, чтобы нейтроны, рожденные при делении одного ядра, расщепляли бы также только одно ядро. Этого добиваются, исключая часть нейтронов из участия в цепной реакции. В зону реакции вводят регулирующие стержни, которые и поглощают лишние нейтроны.

Теоретически возможность осуществления цепной ядерной реакции на тяжелых атомных ядрах впервые была показана советскими физиками Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном. На опыте первыми в этом убедились французские ученые. Работами руководил Фредерик Жолио-Кюри. Французским физикам, однако, осуществить незатухающую реакцию не удалось: едва из зоны реакции извлекался посторонний нейтронный источник, реакция глохла. Самоподдерживающаяся цепная реакция пошла в 1942 году на установке знаменитого итальянского физика Энрико Ферми, построенной в США. Мощная американская промышленность, удаленность от фронтов мировой войны способствовали пуску в США первых атомных реакторов, созданных на основе исследований Ферми. Американские реакторы предназначались для накопления ядерной взрывчатки — плутония, которым были начинены первые атомные бомбы, варварски сброшенные на японские города в 1945 году.

Советские ученые раньше других начали работать по применению ядерной энергии в народном хозяйстве.

С пуском первой атомной электростанции в Советском Союзе в июне 1954 года был сделан первый важнейший шаг к использованию энергии атомного ядра в мирных целях, к огромным запасам ядерного топлива, скрытого в горных породах.

В земной коре в среднем на тонну породы приходится четыре грамма урана. Количество громадное. Если бы удалось извлечь весь уран, скажем, до глубины два километра, то получилась бы фантастическая цифра — 16 триллионов тонн! Энергии, заключенной в таком количестве урана, человечеству хватило бы на сотни тысячелетий. Однако в наши дни только небольшая доля урана может быть с выгодой пущена в дело. Пока убыточно добывать руду с малым содержанием урана, на его извлечение пришлось бы затратить больше энергии, чем ее получают в современных энергетических ядерных установках. Ныне на Земле во всех пригодных для экономически выгодной разработки месторождениях урановой руды, по данным зарубежной печати, содержится только восемь миллионов тонн металла. Энергетическая емкость восьми миллионов тонн тяжелых ядер всего в пять раз больше запасов, содержащихся в разведанных источниках обычного топлива. И то при условии, что будет использована полностью энергия тяжелых ядер урана.

Освободить энергию основной массы урана — задача не из простых. Дело в том, что цепную ядерную реакцию поддерживает только легкий изотоп уран-235, а уран-238 — своеобразный балласт ядерного топлива — поглощает часть нейтронов, возникающих при делении легкого изотопа. Вместе с тем основная масса природного урана — уран-238. На долю урана-235 приходится только одна стосороковая часть.

К счастью, есть путь преобразования балластного урана-238 в отличное ядерное топливо, искусственный трансурановый элемент плутоний. Для этого лучше всего подходят специальные реакторы-размножители.

Кроме урана, энергию может дать и другой тяжелый элемент — торий. Из тория — он занимает девяностую клетку в таблице Менделеева — в ядерном реакторе образуется искусственный изотоп уран-233, который ни в чем не уступает урану-235: делится тепловыми нейтронами и хорошо поддерживает цепную реакцию.

Еще в начале нашего века многие ученые предсказывали, что в недалеком будущем запасы нефти, газа, угля будут израсходованы и наш мир начнет ощущать энергетический голод. В наши дни мрачные опасения оставлены: проникновение в тайны атомного ядра навсегда избавило человека от страха перед грядущим истощением топливных ресурсов. Энергетические установки, в которых сгорает уран-235, многие года дают ток в электрические сети Советского Союза, и число их будет расти.

Уже в девятой пятилетке в нашей стране начнется осуществление широкой программы строительства атомных электростанций, прежде всего в Европейской части, где ресурсы природного топлива ограничены. Эта программа рассчитана на 10–12 лет. После ввода в строй намеченных к строительству атомных электростанций паше народное хозяйство получит дополнительно 30 миллионов киловатт («Материалы XXIV съезда КПСС»» М., Политиздат, 1971, стр. 147).

Пока для промышленных и иных целей будет идти энергетический поток освоенных источников, на Земле создадут искусственное Солнце — термоядерный реактор, а может быть, освоят и другой, еще более эффективный источник. Запасов энергии, скрытых в ядрах дейтерия, трития, хватит человечеству поистине па вечные времена.

АТОМНЫЙ КОТЕЛ

Так в начале атомного века называли ядерный реактор на тепловых нейтронах. И поныне это самый распространенный, самый освоенный тип реактора. Тепловые реакторы — сердце современных атомных электростанций.

В таком реакторе уран-235 захватывает нейтроны с энергией, близкой к энергии тепловых колебаний атомов замедлителя — вещества (обыкновенно графита или воды), окружающего уран, загруженный в реактор. При делении атомов урана рождаются быстрые нейтроны. Их энергия в сотни миллионов раз превосходит тепловую. В столкновениях с атомами замедлителя быстрые нейтроны постепенно теряют скорость и через некоторое время становятся тепловыми. Замедленные нейтроны с гораздо большей вероятностью, чем быстрые, прилипают к урану-235. В то же время с балластным ураном-238 степень взаимодействия остается незначительной. Это способствует протеканию цепной ядерной реакции в природном уране. Нейтроны малых энергий как бы выискивают среди пассивных атомов урана-238 ядерное горючее — уран-235.

Реактор высокой мощности на тепловых нейтронах — внушительное сооружение. Площадь здания, в котором он размещается, 20 тысяч квадратных метров, высота 34 метра. В активной зоне реактора 1337 каналов, в каждом — урановые стержни длиной около четырех метров. Пространство между стержнями заполнено замедлителем — графитом. Всего в реакторе 1400 тонн графита, около 100 тонн естественного урана. Мощность такого реактора порядка миллиона киловатт.

На каждый ватт мощности цепной реакции происходит 30 миллиардов делений ядер в