Техника - молодёжи 1979-03, страница 8
«ФЕНИКС-ПТИЦЫ» ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ- вот что такое реакторы на быстрых нейтронах! К 4-й стр. обложки ГЕРМАН СМИРНОВ, инженер Несколько лет назад в одном научно-популярном журнале была опубликована фотография: два небольших кубика — один из гранита, другой из угля. Подпись под фотографией гласила: «Энергия, содержащаяся в гранитном кубике, в десять раз превосходит энергию равного ему по весу угольного кубика, если использовать весь содержащийся в граните уран». За этой оговоркой — «если использовать весь уран» — скрыта одна из удивительнейших особенностей ядерной энергетики: возможность превращать в горючее пустую породу... В самом деле, из всего многообразия элементов, встречаемых в природе, для создания цепной ядерной реакции годится один лишь уран-235 — изотоп с массовым числом 235. Все другие природные изо-топы — в том числе уран-238 и то-рий-232, запасы которых в 200 раз превосходят запасы урана-235, — сами по себе для этой цели непригодны. Однако выяснилось, что, «погревшись» у ядерного костра, в котором горит уран-235, эти изотопы способны превращаться в топливо столь же ценное, как и сам уран-235. И ответственны за это чудодейственное превращение нейтроны — частицы с массой, равной единице, и не несущие электрического заряда... Именно нейтрон, проникая в ядро урана-235, вызывает его распад, сопровождающийся выделением огромного количества энергии — по рядка 200 Мэв. Но если бы дело ограничивалось только этим, ядерная энергетика была бы невозможной: ведь вся она зиждется на том счастливом факте, что, кроме осколков и энергии, при распаде ядра испускается несколько новых нейтронов, способных расщеплять все новые и новые ядра урана-235. Чтобы это происходило, необходимо гарантировать столкновение образующихся при распаде ядер горючего нейтронов со свежими ядрами урана-235. А сделать это на заре атомного века было не так-то просто: в распоряжении ученых тогда был только естественный уран. А в нем 7,14 грамма способного к делению изотопа-235 разбавлены, разжижены 998,2 граммами изотопа-238, взаимодействие которого с нейтронами довольно сложно. Дело в том, что для ядер того или иного изотопа не все равно, с какой скоростью летят сталкивающиеся с ними нейтроны. Скажем, так называемые быстрые нейтроны с энергией порядка нескольких Мэв способны расщеплять, хотя и со сравнительно малой эффективностью, и уран-235 и уран-238. Но гораздо чаще быстрые нейтроны не расщепляют ядра урана-238, а поглощаются ими без деления. Вот почему в природном уране, где каждое ядро изотопа-235 со всех сторон окружено сотнями ядер изотопа-238, быстрые нейтроны, возникающие при делении, так интенсивно поглощаются и выводятся из реакции, что она не может стать самоподдерживающейся. Преодолеть эту трудность можно воздействием либо на топливо, либо на нейтроны. Первый путь был реализован в атомной бомбе, где в качестве заряда использовался чистый уран-235. Второй, более тонкий и остроумный путь стал возможен благодаря открытию Э. Ферми. Оказывается, нейтроны, обладающие энергией теплового движения (то есть порядка 0,025—0,3 эв), действуют на изотопы природного урана совершенно по-разному: они вообще не расщепляют уран-238 и весьма мало поглощаются >им, вызывая при этом деление урана-235 во много раз эффективнее, чем быстрые нейтроны. Благодаря этому становится возможной цепная реакция в естественном уране: нужно лишь замедлить быстрые нейтроны, испускаемые при расщеплении урана-235, с помощью каких-либо легких ядер — водорода, лития, углерода. Однако такое «обезвреживание» урана-238 не дается даром: тепловые нейтроны гораздо сильнее, чем быстрые, поглощаются ядрами замедлителя, теплоносителя, конструкционных материалов. Да и сам уран-235 довольно энергично захватывает тепловые нейтроны без деле ния... Вот почему баланс нейтронов в реакторах на естественном уране оказывается столь напряженным, что их еле-еле хватает для поддержания цепной реакции. Расточительность в отношении к одному из самых дорогостоящих веществ — нейтронному газу, возникающему в активной зоне работающего реактора, — была бы неоправданна. В самом деле, ядра урана-238 не просто поглощают быстрые нейтроны. В результате нескольких последовательных реакций неустойчивый изотоп, уран-239, превращается в новый элемент плутоний — ценное ядерное горючее, которое, подобно урану-235, способно делиться как на медленных, так и на быстрых нейтронах. Аналогичное превращение испытывает и торий-232: поглощая быстрые нейтроны, он дает не встречающийся в природе уран-233. Эти магические превращения элементов, вызываемые нейтронами, лежат в основе уникальной особенности ядерной энергетики — ее способности воспроизводить горючее. Эффективность создания нового горючего в реакторе оценивается с помощью коэффициента воспроизводства — отношения числа атомов вновь образовавшегося делящегося материала к числу атомов израсходованного первичного горючего. В современных энергетических реакторах на тепловых нейтронах, где этот коэффициент всегда меньше единицы, воспроизводство топлива неполное. Но при искусной организации процесса можно создать реактор с коэффициентом воспроизводства, равным единице: такой реактор-конвертор во время работы производит столько же нового делящегося материала, сколько расходует первичного горючего, и, таким образом, полностью обеспечивает себя топливом. Но, оказывается, можно создать установки, у которых коэффициент воспроизводства больше единицы: такие реакторы-размножители могут снабжать топливом не только сами себя, но и другие вновь сооружаемые реакторы. Мы уже говорили: атомная энергетика стала возможной только благодаря тому счастливому факту, что при расщеплении ядерного горючего, кроме осколков деления и энергии, испускается несколько быстрых нейтронов. Какова же их дальнейшая судьба? Одни из них, не успев замедлиться, расщепляют ядра урана-235 или урана-238 или захватываются этими изотопами без деления. Другие, пройдя сквозь толщи замедлителя, расщепляют уран-235 или поглощаются им. Наконец, значительная часть нейтронов теряется безвозвратно, поглощаясь замедлителем, теплоносителем, примесью в топливе, про б |
