Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Классификация ядерных реакторов.Итак, мы теперь знаем с вами два основных типа ядерных реакторов: на быстрых и медленных нейтронах. Однако иногда выгодно применять для осуществления цепного процесса нейтроны средних (промежуточных) скоростей. Такие нейтроны слабее, чем медленные, поглощаются ураном 238и довольно активно делят ядра урана 235. В реакторах на промежуточных нейтронах обычно применяются довольно тяжелые замедлители (например, натрий), в которых замедление происходит не так эффективно, как в воде.

Ядерные реакторы на медленных и промежуточных нейтронах в свою очередь можно разделить на гетерогенные и гомогенные. Все эти реакторы могут быть использованы для получения атомной энергии в промышленных целях.

Позже мы подробнее расскажем об их устройстве и практическом использовании.

Искусственное ядерное горючее.Что же происходит, когда ядро урана 238поглощает нейтрон? Очевидно, в этом случае получается новое ядро, состоящее уже из 239 частиц. Нейтрон не принес в ядро дополнительного заряда, поэтому химические свойства нового вещества остаются прежними. Это новый изотоп урана:

Такого изотопа нет в природной смеси урана. Это легко понять, если учесть, что ядро урана 239очень неустойчиво: половина всех ядер урана 239распадается примерно за 23 минуты, излучая электрон и нейтрино. При этом, как мы знаем, один из нейтронов превращается в протон. Получающееся ядро имеет на один элементарный положительный заряд больше, чем у урана. Следовательно, в этой ядерной реакции образуется новый элемент периодической системы. Читатель помнит, что в нашей планетной системе за Ураном следует Нептун. В честь этой планеты ученые назвали новый, 93-й элемент нептунием. Таким образом, 93-й элемент может быть получен в реакции:

Но изотоп нептуний 239также радиоактивен, и половина его ядер за очень короткое время (2,3 дня) распадается, образуя следующий, 94-й элемент — плутоний:

Плутоний также радиоактивный изотоп, но с очень большим периодом полураспада: половина его ядер распадается за 24 тысячи лет.

Все эти превращения схематически показаны на рис. 18.

В настоящее время в лабораториях уже получено десять новых, так называемых трансурановых элементов, которые в периодической системе элементов Менделеева стоят после урана и заняли места до сто второго номера включительно. Из этих элементов, пожалуй, самым ценным оказался изотоп плутония — плутоний 239.

Плутоний 239является расцепляющимся материалом. Он делится таким же образом, как и уран 235, и может заменить его в любой установке, где выделяется атомная энергия.

Искусственное ядерное горючее может быть получено также из радиоактивного элемента — тория (рис. 19). У тория имеется всего один изотоп с достаточно большим периодом полураспада (14 миллиардов лет) — торий 232. При облучении его нейтронами образуется неустойчивый изотоп тория, который после ряда радиоактивных превращений переходит в изотоп урана — уран 233. Уран 233, так же как уран 235и плутоний 239, является хорошим расщепляющимся материалом. Его период полураспада равен примерно 163 тысячам лет.

Новые возможности.Итак, теперь мы имеем три сорта ядерного горючего: уран 235, уран 233и плутоний 239. Энергия, выделяющаяся при делении ядер этих веществ, практически одна и та же, поскольку любое из этих ядер делится на два ядра меньшей массы, а разность энергии связи «осколков» и исходного ядра для всех сортов ядерного горючего почти одинакова.

Из всех расщепляющихся веществ только уран 235в небольшом количестве имеется в природе. Урана 233и плутония 239в природе нет, и чтобы их получить, нужно облучать мощным потоком нейтронов соответственно торий 232и уран 238.

Но как получить такое большое количество нейтронов?

Физики уже довольно давно научились изготовлять так называемые искусственные источники нейтронов. Для этой цели обычно используется реакция:

В качестве источника ядер гелия 4может быть использован радий или полоний, дающие большое количество альфа-частиц. Такой источник обычно состоит из смеси порошка бериллия с солями радия или полония. Маленькие стеклянные или металлические ампулы наполняются смесью и откачиваются до высокого вакуума. Нейтроны почти без потерь проходят через стенки сосуда. Однако наиболее мощные из современных искусственных источников нейтронов дают всего примерно 10 9нейтронов в секунду. Но в одном грамме плутония содержится около 3∙10 21ядер. Легко подсчитать, что даже в том случае, если все добытые нейтроны будут поглощаться ядрами урана 238, нужно миллион лет, чтобы накопить примерно один грамм ядерного горючего — плутония 239.

Для получения нейтронов можно применить очень мощные ускорительные установки, но и в этом случае понадобится 10 лет непрерывной работы для изготовления одного грамма плутония 239или урана 233. Таким путем нельзя создать запас больших количеств искусственно расщепляющихся материалов.

К счастью, сам цепной процесс дает нам в руки мощное средство для изготовления ядерного горючего. В самом деле, ядерный реактор является мощным источником нейтронов. Легко подсчитать, что на каждый киловатт-час выделенной реактором энергии должно разделиться примерно 10 17ядер урана 235. Но при каждом делении в среднем освобождается 2,5 нейтрона. При работе уранового котла один из этих нейтронов производит новое деление, то есть идет на поддержание цепной реакции. Из оставшихся 1,5 нейтрона один будет поглощен замедлителем, регулирующими стержнями и примесями, а примерно 0,5 нейтрона поглощается в уране 238с последующим образованием плутония 239.

Таким образом, даже очень маленький реактор мощностью в один киловатт за один час производит 0,5∙10 17ядер плутония 239. В одном грамме плутония содержится около 3∙10 21ядер. Поэтому один грамм нового ядерного горючего образуется за пять — шесть лет.

Если же создать реактор, имеющий тепловую мощность в 1 миллион киловатт, то он даст в сутки около 500 граммов нового ядерного горючего.

Надо учесть, что плутоний и уран — различные химические элементы и их сравнительно легко можно отделять химическими способами. Химическая обработка бывших в работе урановых стержней, в которых образуется плутоний 239, обходится значительно дешевле, чем разделение изотопов.