Атомный котел и атомное горючее

Освободившаяся атомная энергия превращается в тепло. Значит, двигатель, превращающий это тепло в механическую работу, должен быть тепловым.

Но пока шла речь о паровых двигателях или о двигателях внутреннего сгорания, всё было понятно. В первом случае тепло выделялось вне цилиндра машины — в топке парового котла. Во втором случае тепло выделялось при сгорании топлива внутри цилиндра. Понятно и то, как, сжигая топливо, заставляют тепло работать и в газовой турбине и в реактивном двигателе…

Но как заставить работать двигатель на атомной энергии? Не взрывать же в каждом, цилиндре по атомной бомбочке?

Да, пожалуй, в поршневом двигателе внутреннего сгорания атомное горючее пока использовать трудно (хотя и такие предложения появляются). Но вот для турбин — паровых и газовых — техника уже знает пути применения атомного горючего.

Так, например, способ внешнего «сгорания» здесь оказывается вполне осуществимым.

Надо только вместо обычных паровых или воздушных (для газовых турбин) котлов построить специальные атомные-котлы. В этих котлах процесс выделения атомной энергии должен, конечно, идти медленно, без взрывов, так же, как при сгорании обычного топлива.

Начиная с 1942 года было построено несколько таких котлов, но только один из них — котел, установленный на первой в мире атомной электростанции в Советском Союзе, — был предназначен для промышленного использования.

Что же представляет собой такой котел? Вероятно, услышав название «котел», вы представили себе устройство, напоминающее паровые котлы?

Схема установки с атомным двигателем.

«Атомный котел», оказывается, вовсе не похож на такие котлы. Да и название «котел» можно отнести к нему лишь условно. Часто атомные котлы называют еще «реакторами». Представим себе круглое или квадратное бетонное здание без окон и дверей. Трудно подумать, что это котел. Глухая бетонная коробка. Наружу, сквозь бетон, выступают только несколько труб да какие-то стержни… Никакой топки с огнем, — тепло выделяется внутри такого котла без всякого огня.

Сердцевина «котла» представляет собой графитовый блок: ряд положенных друг на друга столбиком толстых графитовых плит. В плитах в определенном порядке просверлены отверстия, в которые вложены стержни из металлического урана.

Словно конфету, графитовый блок с урановой начинкой снаружи обертывают сначала тонким слоем металла бериллия, а затем очень толстым слоем бетона (от одного до пяти метров).

Вот и получается огромное сооружение. Первый реактор, построенный в 1942 году американцами, имел размеры 10х10х7 м, то есть занимал объем солидного двухэтажного дома.

Зачем же такое нагромождение?

Для того, чтобы понять назначение графита, бериллия, бетона и еще кое-каких частей «котла», о которых будет сказано дальше, вернемся к «критической массе» урана. Без такой массы нельзя выделить атомную энергию.

Итак, нам известно, что если изготовить килограммовый кусок урана, имеющего атомный вес 235 (изотоп U-235), то в таком куске окажется возможной цепная реакция и произойдет мгновенное выделение огромного количества тепла.

Но почему же так быстро произойдет деление такого большого количества ядер урана? Да потому, что вылетающие нейтроны обладают колоссальными скоростями — до 10–15 тысяч километров в секунду! Понятно, что в небольшом куске урана взметнувшийся и молниеносно нарастающий вихрь нейтронов в течение каких-то весьма малых долей секунды сделает свое дело — расщепит все встречные ядра.

А нужна ли для ядер урана-235 бомбардировка такими быстрыми нейтронами? Ведь эти ядра могут даже самопроизвольно распадаться… По-видимому, достаточно было бы получить от нейтрона и несравненно менее сильный толчок.

И действительно, ученым удалось установить, что как раз очень медленными нейтронами, двигающимися со скоростью всего лишь 3 километра в секунду, ядра урана-235 лучше всего расщепляются.

Ну, а раз так, то, значит, есть возможность замедлить и весь процесс выделения энергии в «критической массе», — надо только эту массу рассредоточить, проложив между кусочками урана какие-либо прокладки, пробираясь через которые нейтроны снижали бы свою скорость.

Правда, при этом необходимо обеспечить цепную реакцию, то есть принять меры, чтобы нейтроны не вылетали куда-либо наружу.

Вот так и возникла идея «атомного котла».

Графитный блок как раз и используется в качестве замедлителя нейтронов. Металлические стержни урана все вместе составляют «критическую массу» и распределены в блоке так, чтобы нейтроны, проходя через толщу графита, замедляли свою скорость. А бериллиевая оболочка нужна для того, чтобы отражать те нейтроны, которые, не встретив на своем пути ядер, стремятся вылететь наружу. Такой «отражатель нейтронов» позволяет уменьшить величину «критической массы».

Для чего же служит бетон?

Оказывается, что при делении урановых ядер образуется много радиоактивных осколков. Атомный котел всё время испускает радиоактивные лучи очень сильной интенсивности, вредной для людей. Бетонная стена и создает необходимую защиту, предохраняя обслуживающий персонал от вредоносных ? — лучей и нейтронов.

Но не может ли такой котел взорваться? А вдруг цепная реакция пойдет всё же быстрее, чем нам хотелось бы?

Ученые установили, что взрыва опасаться не следует, но разрушиться от очень высокой температуры котел может. На этот случай, кроме урановых стержней, в графитовый слой вставляется еще несколько стержней из металла кадмия. Кадмий жадно захватывает нейтроны и как бы тушит реакцию. Однако кадмиевые стержни должны вступать в действие только в опасные моменты, поэтому в нормальных условиях они выдвигаются из котла, а как только температура в котле начинает значительно расти, их вдвигают. С их помощью можно регулировать количество выделяемого тепла.

Да, но куда же девается это выделяющееся тепло? Ведь его-то как раз нам и нужно использовать?

Чтобы тепло отвести, через котел пропускают охлаждающую воду или какой-либо другой охладитель (газ, расплавленный металл). В котле, на котором работает первая в мире атомная электростанция Советского Союза, охлаждение производится водой, подающейся в каналы графитового блока под давлением. Под давлением эту воду подают для того, чтобы получить возможность ее нагревать до высокой температуры без превращения в пар и тем самым отводить больше тепла. Эта вода и является средством передачи тепла от котла к тепловому двигателю.

Но, прежде чем говорить о двигателе, поговорим подробнее об «атомном горючем», на котором работает котел.

До сих пор шла речь об одном только виде этого горючего — об изотопе урана с атомным весом 235. Из всех существующих на земле элементов только изотоп урана U-235 может делиться, создавая условия для цепной реакции. Однако этот изотоп хоть и существует, но добывается с большим трудом. Урановые руды содержат главным образом другой изотоп урана — с атомным весом 238 (U-238).

Каждый полученный из руды килограмм металлического урана заключает в себе 993 грамма U-238 и лишь 7 граммов U-235. Но главное не в том, что урана-235 очень мало; главное в том, что его трудно отделить от урана-238. Изотопы обладают одинаковыми химическими свойствами, и только очень незначительная разница в атомном весе различает их.

Значит, самым простым — химическим — способом отделить U-235 от U-238 нельзя. Единственный путь разделения, который сейчас признан техникой, это путь сортировки атомов.

«Как? — спросите вы. — Неужели можно каждый атом взвесить и положить то в одну, то в другую сортировочную ячейку?»

Разумеется, нет. Но можно поступить так, как поступают хозяйки, когда им требуется получить чистую от случайных примесей и однородного размола муку. Они берут сито и просеивают: мелкие частички муки проваливаются, а крупные задерживаются. Однако не следует думать, что металлический уран можно размолоть до такой степени, чтобы каждая крупинка представляла собой атом. Отделить атомы друг от друга можно, только превратив металл в газ. Для этого металл нагревают до такой степени, что он не только плавится, но и испаряется, так же как вода. А пар металла нагревают дальше, чтобы образовался легкий газ.

Когда такой газ получен, его прогоняют по трубам через целую серию пористых перегородок (сит), и каждая из таких перегородок, имеющих весьма маленькие поры, задерживает тяжелые атомы, пропуская лишь легкие. За последней перегородкой будет получен газ, в основном состоящий из сравнительно легких атомов урана-235. Теперь этот газ опять охлаждают до нормальной температуры, и в результате вновь образуется кусок металла, но уже состоящий из чистого изотопа 235. Надо сказать, что весь этот процесс получения U-235 очень сложный и дорогой. Стоимость урана U-235 очень высока. И если бы «атомный котел» пришлось заправлять таким дорогим горючим, вряд ли игра стоила бы свеч. Однако ученые нашли способ, при котором в котел можно закладывать обычный природный уран — смесь из U-238 и U-235, — и это значительно продвинуло вперед решение задачи.

Оказалось, что, при известном расчете, можно получить цепную реакцию урана-235 без его выделения из урана-238. Конечно, при этом «критическая масса» всего урана оказывается значительно больше килограмма, но зато как легко получить такое «топливо»! При этом, что совсем замечательно, можно так организовать работу котла, что «горючего», то есть делящегося материала, будет не убывать, а… прибавляться!

Не правда ли, чудеса? Где это видано, чтобы уголь, например, горел в топке не сгорая, а увеличиваясь количественно? С обычным топливом таких чудес не бывает, а вот с атомным… оказывается, нечто подобное возможно. Конечно, те ядра, которые разделились, уже не участвуют больше в реакции, но вместо одного выбывшего ядра, при известных условиях, может образоваться два новых, способных к делению ядра.

В чем же дело? Оказывается, что, если в ядро урана-238 попадает очень медленный нейтрон, он поглотится этим ядром. Образуется новый изотоп — уран-239. Изотоп этот нестойкий, из ядра выбрасывается электрон, отчего один из нейтронов становится протоном. Заряд ядра увеличивается на единицу, и появляется новый элемент, который назван «нептунием», с атомным весом 239 и зарядом 93 (??-239), — это 93-й элемент таблицы Менделеева. Однако и этот элемент нестоек, — вскоре из ядра выбрасывается еще один электрон и заряд ядра возрастает до 94. Теперь, при том же атомном весе 239, появляется 94-й элемент, называемый «плутонием» (Рu-239). Этот элемент тоже радиоактивен и сравнительно стоек. Его время полураспада— двадцать четыре тысячи лет. Плутоний, так же как и уран-235, делится медленными нейтронами и потому может служить ядерным горючим.

Вот и выходит: есть способ организовать «горение» в атомном котле так, что взамен одного «сгорающего» топлива там будет образовываться другое топливо. Это новое топливо можно «сжигать» в этом же котле. Однако плутония можно получить больше, чем затрачено урана-235 — и тогда появляется возможность «размножать» топливо: отбирать из котла излишек и складывать на хранение, делать запас. Так создается еще один вид «атомного горючего».

Но наука обнаружила возможность таким же путем получить третий вид атомного горючего: уран-233. Под номером 90 в таблице Менделеева стоит металл торий (Th-232). Его запасы на земле в четыре раза превышают запасы урана. Если торий поместить в атомный котел, то, так же как U-238 превращается в Рu-239, так Th-232 превращается в U-233. А уран с атомным весом 233 обладает так же, как и уран-235, свойством делиться медленными нейтронами. Теперь становится ясно, что, при правильном расчете, атомный котел может работать с двойной пользой: и выделять нужную нам энергию и запасать новое топливо. Надо только обеспечить такую реакцию, при которой было бы достаточно свободных нейтронов.

Посмотрите на путь нейтронов в атомном котле.

Пути нейтронов в атомном котле.

Разделилось ядро. Один нейтрон попадает в ядро U-235 и способствует развитию цепной реакции. Другой нейтрон попадает в ядро U-238 и образует ядро плутония, а третий нейтрон вылетел. Вот вылетающих нейтронов должно быть как можно меньше.

Очень важное значение имеет замедлитель. Ведь почему в природных залежах урана не образуется цепной реакции? Да как раз потому, что уран в чистом виде в природе не содержится.

Встречается он только в виде соединений, а наличие посторонних ядер приводит к быстрому поглощению всех нейтронов. Цепная реакция оказывается невозможной.

Замедлитель в котле, рассчитанный определенным образом, лишь выполняет задачу создания медленных нейтронов. Котел, который был описан выше, имеет в качестве замедлителя графит — такой же, как в карандашах. Но могут быть и другие замедлители, например тяжелая вода (и даже обычная вода).