Александр Прищепенко - Шелест гранаты (издание второе)

В такой ситуации необходимо избежать «теплового эксцесса», подобного опыту доктора Слотина и значительную роль играют запаздывающие нейтроны.

…В ядерном реакторе — таком, например, какой обеспечивает энергией огромный корабль (рис. 2.22), — тепловыделение регулируют, вдвигая или выдвигая из активной зоны (той же сборки с делящимся веществом) стержни, содержащие поглощающие нейтроны элементы (кадмий, бор). Но мгновенные нейтроны размножаются слишком быстро — настолько, что затруднительно контролировать рост мощности: скорость введения стержней в активную зону всего лишь на метр (примерно 10 % ее длины) должна быть порядка километров в секунду — немыслимая для механических устройств с их блоками и тросами величина. А при меньших скоростях введения стержней реактор развалится от перегрева. Так и случается при авариях, и все же существует интервал положений стержней, в котором реактор вполне управляем. В этом режиме прирост числа нейтронов (и мощности) происходит за счет запаздывающих нейтронов (мгновенные тоже, конечно, рождаются, но каждое их последующее поколение увеличивается только на количество, соответствующее размножению запаздывающих). Реактор «вынужден ждать», пока долгоживущие осколки выпустят свои нейтроны, и не «идет в разгон» а набирает мощность медленно (проценты в секунду) — так, что прирост ее можно в нужный момент остановить, даже при ручном управлении.

Вверху — снимок макета ядерного реактора ВВЭР-1000. Активная зона состоит из стержней с обогащенным ураном и стержней с веществом, поглощающим нейтроны (последние служат для регулировки мощности). Стержни омываются водой, которая замедляет нейтроны и служит теплоносителем. Вода циркулирует в активной зоне под высоким давлением и нагреть ее без вскипания можно до значительно большей, чем сотня градусов, температуры, обеспечив тем самым эффективный теплоотвод. Очень горячая вода из активной зоны поступает в теплообменник, где отдает свою энергию и та преобразуется для дальнейшего потребления.

Уран в стержнях (называемых ТВЭЛами — тепловыделяющими элементами, показанными в центре) обогащен «двести тридцать пятым» изотопом на 5 или чуть более процентов, он значительно «беднее», чем оружейный. От реактора получают огромную энергию, но, кроме того, U 238из его топлива не идет «в отвал», а превращается нейтронами в другое делящееся вещество при протекании реакций:

U 238 +п → U 239 → Np 239 → Ри 239

Ядерные реакции, продуктом которых является Pu 239, в основном заканчиваются через несколько недель после извлечения отработавших ТВЭЛов. Это время они выдерживаются в бассейнах с водой, а их гамма-излучение столь интенсивно, что возбуждает вторичное (черенковское) излучение синеватого цвета в водяной защите (ниже). В «отсветивших» ТВЭЛах остается плутоний, который отличается от урана валентностью, что делает возможным его выделение химическими методами.

Выделение энергии при ядерной реакции происходит за счет массы: суммарная масса продуктов реакций меньше, чем ядер, в реакцию вступающих. Офицеры и матросы авианосца «Энтерпрайз» (нижний снимок) выстроилась на полетной палубе, образовав формулу Эйнштейна, связывающую убыль массы («т») реагентов при делении уранового топлива и выделяющуюся при этом энергию («Е»), которой ядерные реакторы обеспечивают их корабль («с» — скорость света). Цифра «40» означает, что все сорок лет службы корабля доказывают справедливость этой формулы. Перезарядка активных зон ядерной энергетической установки авианосца производится раз в три года и обеспечивает дальность плавания более чем в 300000 миль. «Энтерпрайз» вошел в состав ВМС США в 1961 г. и останется в строю до 2013 г. Полное водоизмещение авианосца — 93400 т.

…Запустить хоть и миниатюрный, но лишенный защиты реактор внутри подводной лодки — означало гибель экипажа. Но выстрелянная из лодки торпеда не могла долго ждать, пока ее реактор наберет нужную мощность. Надо было сделать это как можно быстрее, но не потеряв управляемости реактора. Путь существенного повышения, пусть и «запаздывающей», сверхкритичности означал приближение к состоянию, когда и мгновенных [54] Следует помнить, что слово «мгновенные» относится только к появлению нейтронов. В реакторе, чтобы вызвать деление следующего поколения, они должны снизить свою энергию (а значит, повысить реакционную способность), «потолкавшись» миллисекунды в замедлителе. нейтронов станет достаточно для их размножения в сборке. «Пошедший в разгон» реактор взорвется не как ядерный заряд (там период возрастания несравнимо короче), а как перегретый паровой котел. Но даже если, произойдя в нескольких метрах от лодки, тепловой взрыв и не разрушит ее прочный корпус, нейтроны и гамма-кванты устроят «маленький Чернобыль» (конечно, тогда это слово еще не было известным всем символом). Этот путь отвергли, как опасный. Вариант «подкачки» нейтронов с помощью генератора в сборку с небольшой «запаздывающей» сверхкритичностью представлялся более разумным. «Освежив» свои знания в этой области, 23 февраля 1972 года (в День советской армии) я предстал перед государственной экзаменационной комиссией.

В состав комиссии входили руководители научных подразделений и они хорошо знали, как делаются дипломные работы.

Поэтому, после выступления научного руководителя и доклада, одним из первых вопросов был: «Расскажите, что сделано лично вами».

На мой взгляд, рассказ о схеме поджига и ответы на вопросы в целом устраивали комиссию, близилось завершение защиты, но неожиданно один из экзаменаторов желчно произнес: «Я считаю, что применение вашей схемы даже не бессмысленно, а вредно, потому что при зарядке через резистор имеющейся в ней емкости половина энергии бесполезно теряется!» Собственно, это был не вопрос, а обвинение, причем серьезное: все, кто составлял комиссию, привыкли экономить каждый джоуль электроэнергии, ведь в трубке его можно было превратить в десять миллионов нейтронов! Абсолютно правильным ответом был бы такой: «Схема поджига потребляет всего около процента энергообеспечения нейтронного импульса, зато надежность резистора, как элемента, значительно выше надежности зарядного дросселя!». Наверняка дискуссия завершилась бы на этом, потому что идолу надежности в НИИАА поклонялись даже более истово, чем экономии энергии, но такой ответ пришел позже, а во время защиты выяснился пробел в моих знаниях. Для меня было новостью, что, при зарядке конденсатора через резистор, половина энергии теряется на нагрев последнего. Об этом не упоминалось в институтских курсах общей физики и электротехники. Конечно, ничего не стоило, взяв бумагу и карандаш, получить этот результат, но не на экзамене же!