Сокровищница XXI века: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Водород и гелий самые легкие элементы. В другом конце таблицы Менделеева, в его девяносто второй клетке, стоит символ урана — элемента, открытого в 1789 году Мартином Клапротом и названного им в честь самой далекой из известных тогда планет. Вот эти граничные элементы и служат источником энергии.

В 1939 году опытным путем было показано, что ядра урана делятся нейтронами. Два изотопа урана — уран-235 и уран-238 — альфа и омега современной ядерной энергетики.

Если в термоядерных реакциях энергия освобождается при образовании из легких протонов более тяжелых ядер гелия, то внутренняя энергия урана, напротив, выделяется после его превращения в сравнительно легкие ядра — в процессе деления. Чтобы разделился уран, высокие температуры не нужны.

Нейтрон — частица нейтральная, и положительно заряженное ядро не отталкивает летящий в его направлении нейтрон. Изотоп уран-235 делится нейтронами очень малой энергии. Чем меньше скорость или, что равнозначно, температура нейтронов, тем с большей вероятностью они прилипают к ядру. 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 секунду. Такое колоссальное число соответствует лишь одной тысячной микрограмма разделившегося урана. Активная зона реактора на тепловых нейтронах напоминает стены древних каменных зданий, только вместо белого камня в реакторной кладке — черные графитовые блоки. Форма кладки близка к кубу с ребром в несколько метров. Куб пронизывают отверстия, в них заложен уран в металлических оболочках, надежно предохраняющих его от взаимодействия с водой и воздухом. Нейтроны, родившиеся в уране, попадают в графит и отдают энергию легким ядрам углерода. Потеряв энергию, нейтроны вызывают новые деления урана-235 и поддерживают цепную реакцию. Деление ядер на осколки сопровождается интенсивным гамма-излучением. К реактору, работающему на мощности около десятой доли ватт, уже нельзя приближаться, если он не окружен слоем вещества, поглощающего гамма-лучи и нейтроны. Поэтому у мощного реактора многометровая бетонная защита. Неплохо поглощает нейтроны и обыкновенная вода. Так, в реакторах бассейнового типа активная зона погружена в воду на глубину в несколько метров. Когда мощность не слишком велика, слой воды такой толщины надежно защищает и от гамма-лучей и от нейтронов. Если подойти к краю бассейна работающего реактора, то в глаза бросается яркое сине-голубое свечение, исходящее от урановых стержней. Это излучение Черенкова. Расщепление ядер нейтронами сопровождается появлением энергичных гамма-квантов. Такие гамма-кванты вырывают электроны из оболочек молекул воды и придают им громадную скорость, чем и вызывается световое излучение.

Но в самой активной зоне реактора, где происходит деление ядер урана-235, видимого излучения нет. Осколки деления урана — атомные ядра с порядковыми номерами от нескольких единиц до 80.

Активная зона реактора — мир ядерных превращений. Часть нейтронов цепной реакции захватывают ядра урана-238. Нейтрон не изменяет атомного номера урана — получается изотоп уран-239. Новый изотоп нестабилен, испускает ядерный электрон — бета-частицу — и становится ядром первого трансуранового элемента № 93 — нептуния. Нептуний, в свою очередь, переходит таким же путем в плутоний-239, который распадается наполовину за 24 тысячи лет, — время достаточно большое, чтобы не беспокоиться о потерях. В отличие от урана-238 плутоний-239 делится тепловыми нейтронами и может служить отличным ядерным горючим. По своим «реакторным» характеристикам он даже превосходит уран-235.

Плутоний — родоначальник новых искусственных элементов, накапливаемых в ядерном реакторе. В обычном реакторе плутоний облучают месяцами, а то и долгие годы, чтобы получить высшие элементы. Но, оказывается, можно построить реакторы, в которых интенсивность нейтронов особенно велика и новые элементы накапливаются быстрее.

В нейтронных потоках ядерных реакторов производят почти все радиоактивные изотопы, применяемые в науке, технике, медицине.

Но главное, что дают тепловые реакторы, — энергия и новое ядерное горючее — плутоний.

Проследим путь, по которому энергия тяжелого атомного ядра, расщепившегося в активной зоне реактора, попадает к электрическим двигателям заводов, лампам, освещающим города и села, в радиаторы отопления наших жилищ.

В процессе деления ядра основная доля освобождаемой энергии переходит в кинетическую энергию осколков. Ядра-осколки летят со скоростью, примерно равной десятой доли скорости света. Осколки тормозятся в уране и веществе, окружающем уран. При торможении их энергия переходит в тепло. Тепло отводится водой, протекающей через активную зону. Горячая вода поступает в специальный теплообменник — парогенератор.

В активную зону первой в мире советской АЭС вода входит под давлением, нагретая до 130°С. На выходе из активной зоны температура повышается до 270°С. И все же вода не закипает и не становится паром. Она проходит по трубам парогенератора под давлением сто атмосфер. Высокое давление удерживает воду в жидком состоянии. Тепло от контура высокого давления передается через стенки труб воде под низким давлением, и она превращается в пар с давлением 12 атмосфер и температурой 260°С. Пар поступает в сопло турбины и движет ее колесо, вращающее вал генератора.

Из законов термодинамики следует — с увеличением температуры и давления растет коэффициент полезного действия. В современных АЭС и давление и температура пара значительно выше, чем у первенца ядерной энергетики.