Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Однако очень высокая температура, порядка нескольких миллионов градусов, может быть получена только при атомном взрыве, когда очень большое число ядер урана делится за весьма короткий промежуток времени. При управляемом процессе такой температуры получить нельзя. Она ограничивается прежде всего теплостойкостью материалов, из которых построен ядерный реактор. Кроме того, мы уже знаем, что реактивность установки с повышением температуры обычно падает. Поэтому в ядерном реакторе на природном уране, где запас реактивности мал, нельзя получить высоких температур. При некоторой, сравнительно небольшой температуре коэффициент размножения становится равным единице и мощность реактора не достигает желаемой величины. Использование же тепловой энергии при низких температурах невыгодно: коэффициент полезного действия паросиловой установки при этом очень мал.

Для увеличения коэффициента полезного действия атомной установки, по-видимому, наиболее целесообразным является использование ядерных реакторов на обогащенном уране с большим содержанием легкого изотопа или искусственного ядерного горючего — урана 233или плутония 239. В таких реакторах коэффициент размножения достаточно велик и предельная температура практически зависит только от жаропрочности материалов, из которых изготовлен реактор.

Казалось бы, что, поскольку в ядерном реакторе могут быть получены высокие температуры, создание паротурбинного атомного двигателя является несложным делом. В самом деле, если в обычной теплосиловой энергетической установке используется химическая энергия горючих материалов, которые сгорают в топке парового котла, то здесь роль топки играет ядерный реактор, в котором выделяется атомная энергия при делении урана. Все остальные агрегаты — паровой котел, турбина — могут оставаться прежними.

Можно, конечно, как мы это делали в предыдущих главах, провести некоторую аналогию между горением и цепным процессом в уране. Однако ядерное топливо все же существенно отличается от химического.

В обычной паросиловой установке время от времени из топки котла необходимо удалять золу. Нечто вроде этого надо делать и при цепном процессе. «Золой» при делении урана являются два «осколка», на которые расщепляется ядро урана 235. Но удаление их — несравненно более сложная операция, чем удаление золы сгоревшего угля: ведь «осколки» обладают большой радиоактивностью. Выгребать же радиоактивные вещества так, как мы выгребаем золу из топки, нельзя. Кроме того, «зола» цепного процесса скапливается внутри урановых блоков, и выбрасывать эти блоки нельзя, так как они содержат очень много весьма ценных материалов: почти весь уран 238, идущий на изготовление искусственного ядерного горючего, значительное количество урана 235, а также получающийся в ядерных превращениях плутоний 239. Все эти материалы, после того как они будут химическим путем очищены от «осколков», снова могут быть использованы в работе реакторов.

Радиоактивность продуктов ядерного реактора вызывает необходимость в разработке весьма сложных механизмов для транспортировки и переработки использованных урановых блоков. Люди должны управлять этими операциями на больших расстояниях.

Наконец, цепной процесс предъявляет особые требования к материалам, применяемым в ядерном реакторе.

Мы видели, что поглощение нейтронов в реакторе затрудняет получение атомной энергии и искусственного горючего. В реакторе, работающем на природном уране, большая потеря нейтронов приводит к прекращению цепного процесса. Особенно вредно поглощение нейтронов в размножающем реакторе. Каждый потерянный там нейтрон означает потерю ядра плутония 239или урана 233.

Поглощение нейтронов ядрами веществ приводит к образованию изотопа того же элемента. Если этот изотоп радиоактивен, то он постепенно переходит в другой элемент. При этом может измениться объем вещества. В результате меняется прочность материалов, разрушаются металлические оболочки конструкций и стенки труб. Поэтому материалы, используемые в различных конструкциях ядерных реакторов, должны как можно меньше поглощать нейтроны.

Кроме того, эти материалы должны быть стойкими и в отношении интенсивного радиоактивного облучения. Многие вещества при радиоактивном облучении разрушаются, активнее вступают в различные химические реакции, усиливается коррозия их поверхности. В последнее время ученые исследовали и начали использовать в реакторах мало применявшиеся до сих пор редкие металлы, такие, например, как цирконий. Оказалось, что очень чистый цирконий слабо поглощает нейтроны и почти не изменяет своих химических свойств при интенсивном радиоактивном облучении. По-видимому, этот тугоплавкий металл в ближайшее время найдет себе широкое применение при строительстве ядерных реакторов для атомных двигателей.

При использовании атомной энергии надо тепло, выделяемое реактором, передать энергетической установке. Для отвода тепла обычно применяют жидкие или газообразные вещества — теплоносители, которые пропускаются по трубам, проходящим через тело ядерного реактора. Охлаждая реактор, теплоноситель нагревается и передает тепло потребителю, которым может быть паровой котел или отопительная сеть.

К теплоносителям, применяемым в ядерной энергетике, также предъявляются особые требования. Они должны слабо поглощать нейтроны, то есть практически не изменять реактивности реактора. В противном случае произойдет значительное и иногда невосстановимое уменьшение коэффициента размножения, и цепной процесс будет невозможно осуществить. Кроме того, поглощая нейтроны, такой теплоноситель будет обладать большой радиоактивностью, а радиоактивность теплоносителя потребует дополнительных мер для того, чтобы обезопасить обслуживающий персонал от излучения трубопроводов, по которым протекает теплоноситель.

Таким образом, прежде чем удалось достаточно эффективно использовать энергию ядерного реактора ученым и инженерам пришлось преодолеть ряд больших трудностей, произвести многочисленные исследования, проявить выдумку и изобретательность.

Химики затратили много труда на разработку методов эффективного отделения «осколков», плутония и чистого урана 238из отработанных урановых блоков.

Высокая радиоактивность отработанных блоков и «осколков» не допускает непосредственного участия людей в этих операциях. Поэтому механики, электротехники и радиотехники построили систему управления на расстоянии процессом химической и металлургической обработки продуктов ядерного реактора.

Такая же автоматизация была предусмотрена для замены вышедших из строя деталей работающего ядерного реактора. Нужно помнить, что как только реактор вступил в строй, его центральная часть становится весьма радиоактивной. Присутствие людей возле центральной части даже остановленного реактора при капитальном и предупредительном ремонте совершенно недопустимо.