А медленные нейтроны, как мы уже знаем, будут более эффективно захватываться ядрами урана и делить их.
Если такой реактор сделать в виде сферы, заполненной водой, в которой будет растворен уран, то, чтобы началась цепная реакция, потребуется всего около килограмма урана. Такой атомный реактор называют реактором на тепловых, или медленных, нейтронах.
Реактор, в который специально не вводится замедляющее вещество и представляющий собой, например, сферу из металлического урана, называют реактором на быстрых нейтронах.
Так целая цепочка открытий, сделанных в 30-е годы нашего столетия, дала возможность разработать теорию и приступить к созданию атомного реактора, в котором при делении ядер освобождалась бы внутриядерная энергия.
Конечно, всем этим достижениям предшествовали фундаментальные классические исследования, а попытки проникнуть внутрь ядра начались на несколько десятилетий раньше. Точно так же ведущиеся в наше время исследования по физике ядра и элементарных частиц несомненно приведут к новому скачку в понимании тайн веществ, не меньшему, чем был осуществлен в те уже довольно далекие годы.
ТЫСЯЧИ ВОПРОСОВ
Я бы предпочел найти истинную причину хотя бы одного явления, чем стать королем Персии.
Демокрит
Одно из основных преимуществ атомной энергетики — это огромная калорийность используемого в ней ядерного топлива. Вспомните числа: деление урана дает 20 миллионов килокалорий на грамм разделившегося топлива против 7 килокалорий на грамм угля. Это много, бесконечно много. Такая высокая калорийность позволяет значительно уменьшить объем перевозок топлива.
Кроме того, одним из главных достоинств атомной энергетики является возможность перенесения центра тяжести производства энергии из отрасли, добывающей топливо (уголь, нефть, газ, сланцы), в отрасль машиностроения с ее традиционно поточным методом производства и высокой степенью автоматизации.
В действительности эффективная калорийность ядерного топлива оказывается не столь высокой. Правда, на транспортных расходах некоторое уменьшение выхода энергии в реакторе по сравнению с расчетной почти не сказывается. Подумаешь, вместо 20 миллионов килокалорий из грамма урана мы получим в 100 раз меньше!
Однако соглашаться на такой расточительный его расход никак нельзя. Ведь на Земле его не бесконечное количество. От чего же зависит эффективность использования ядерного горючего?
Всего процент. Почему?
Главная идея, лежащая в основе ядерного реактора деления, понятна: нужно, смешав уран и замедлитель, взять достаточное количество смеси, и в ней возникнет цепная реакция. Объем этой смеси называют критическим объемом, а массу урана — критической массой.
Однако бесполезно пытаться сделать реактор с однородной смесью природного урана и какого-либо легкого замедлителя: воды или графита. Он работать не будет; как говорят физики, такая установка никогда не достигнет критичности. Одна из причин неудачи состоит в том, что в смеси применен природный уран.
В чистом виде урана-235, способного делиться под действием тепловых нейтронов, в природе не существует. Во всех рудах и минералах, содержащих уран, он находится в смеси с другим изотопом — ураном-238.
А его, к сожалению, в природном уране содержится 99,3 процента. И только около 0,7 процента приходится на долю урана-235. Чем же это плохо?
А тем, что уран-238 тепловыми нейтронами не делится, а просто поглощает их. Более того, он жадно поглощает не только тепловые — медленные нейтроны, но и нейтроны более быстрые, еще не успевшие отдать свою энергию в процессе замедления. Такой сильный захват нейтронов физики назвали резонансным.
Еще в 1936 году И. Курчатов в работе «Расщепление ядер нейтронами» описал явление резонансного поглощения. Но вышло так, что честь этого открытия принадлежит не ему. В то время, когда И. Курчатов и его сотрудники для проверки выводов и опровержения сомнений коллег-оппонентов, в первую очередь Л. Арцимовича, вновь и вновь ставили контрольные опыты, в печати появилась публикация Э. Ферми, в которой и описывалось резонансное поглощение нейтронов.
Казалось бы, если уран-238 — вредный поглотитель, то его нужно просто отделить от урана-235. Конечно, это так. Но вот отделить его вовсе не просто. Если, скажем, нужно очистить воду от каких-либо примесей, то ясно, что речь идет о разделении различных химических веществ, обладающих различными химическими и физическими свойствами. На этом и основывается разделение. Но уран-238 и уран-235 — это разные изотопы одного и того же химического элемента, и химические и физические свойства у них практически одинаковы. Разделение этих изотопов должно основываться на другом принципе, на их различии. Чем же отличается уран-238 от урана-235?
Вес этих изотопов различный, и в основе их разделения должно лежать это различие. Существует большое количество методов разделения изотопов; упомянем лишь электромагнитный, метод центрифугирования и газовой диффузии. Расскажем о методе газовой диффузии, на примере которого особенно отчетливо видны трудности, которые необходимо преодолевать при разделении изотопов одного и того же элемента.
Метод этот основан на том факте, что молекулы легкого газа при одной и: той же температуре движутся в среднем более быстро, чем молекулы тяжелого газа.
Как-то в 1945 году на одном из научно-технических заседаний, когда советский ученый И. Кикоин рассказывал о методах разделения, И. Курчатов в шутку заметил, что этот процесс схож, если можно так выразиться, с ситуацией при выходе из кинотеатра после окончания сеанса: подростки проскакивают быстрее степенных и солидных зрителей.
Возвращаясь к проблеме разделения изотопов, скажем, что если пропускать через пористую перегородку газовую смесь, то молекулы легкого газа пройдут быстрее и за перегородкой содержание его окажется больше, чем до перегородки.
Уран-238 и уран-235, как известно, металлы.
Для разделения их прежде всего переводят в газообразное состояние, соединяют с фтором и получают гексафторид урана. Этот газ и пропускают через пористую перегородку с микроскопическими отверстиями порядка 10^-8 сантиметра. Однако после одного прогона через перегородку содержание легкого изотопа урана-235 увеличивается всего в 1,002 раза. Чтобы увеличить концентрацию, этот процесс повторяют снова и снова. Например, чтобы поднять содержание урана-235 с 0,7 процента до 99, нужно пропустить газ примерно через 4 тысячи таких перегородок.
При разделении больших количеств изотопов применяют перегородки гигантской площади. Больше того, для разделения газовых смесей нужно строить специальные заводы, на которых площадь только одних пористых перегородок должна составлять сотни гектаров.
Система же труб, соединяющих отдельные камеры, протягивается на несколько тысяч километров. Ценой очень больших усилий удается отделить вредный, поглощающий нейтроны изотоп уран-238 от урана-235.
Поэтому так высока его стоимость.
Процессы разделения, которые часто называют обогащением урана, настолько важны для атомной энергетики, что научно-исследовательские и поисковые работы продолжаются и по сей день. Предложен ряд новых методов разделения, в том числе способ, основанный на использовании лазерного излучения, интенсивно изучаемый в настоящее время.
Используя уран, обогащенный изотопом урана-235, и применяя однородную смесь урана, например, с графитом, уже можно создать действующий реактор.
При достижении некоторого объема в нем начнется цепная реакция деления — реактор заработает и… через очень короткое время остановится. Почему? Дело в том, что при производстве энергии часть ядер урана-235 разделится выгорит. Количество его, находящееся в активной зоне реактора, станет меньше критической массы, и цепная реакция затухнет.
Из такого положения есть два выхода. Первый состоит в том, чтобы непрерывно загружать реактор новым ураном-235, заменяя им выгоревший. Можно, кроме того, заранее загружать активную зону дополнительным количеством горючего, предназначенного для выгорания.
Использовать первый способ в чистом виде практически невозможно: стоит выгореть всего нескольким атомам урана-235, как цепная реакция начнет затухать.
Поэтому применяют комбинацию того и другого. В реактор загружают не весь уран, необходимый для работы реактора все время, на которое он рассчитан, а только часть его. Затем, по мере выгорания, добавляют новые порции урана.
Поскольку речь зашла о выгорании урана, стоит рассказать еще об одной особенности работы реактора при нагрузке, говорят, «на мощности». Связана эта особенность с осколками ядер, образующимися при делении урана, или, как их иногда называют, — шлаками.
