Вера Черногорова - Загадки микромира

А теперь вернемся к проблеме ядерного топлива. Что мы подразумеваем под этими словами? Уран? Да, топливом для ядерных электростанций является природный уран. Но что дарует нам природа? Только 0,7 процента от этого подарка составляет изотоп урана-235 — те «сухие лучинки», что сгорают в реакторе. Все остальное — «сырые дрова», негорючий уран-238. Если б можно было использовать его, то добытого урана хватило бы на сотни лет. Но в тепловых реакторах выжигается лишь ничтожная его часть.

Если сравнить современные масштабы добычи урана с его «неполным» сгоранием в реакторах, то вывод оказывается неутешительным. Несмотря на чрезвычайную «калорийность» уранового топлива, его слишком мало и не хватит атомной энергетике будущего.

Но природа не скупа. Кроме урана-235, она наделила способностью к делению плутоний-239 и уран-233, лишив нас в то же время возможности добывать их естественным путем: ни того, ни другого изотопа в природе не существует.

Физики-ядерщики знают, однако, что плутоний можно получить из урана-238, а уран-233 — из негорючего природного тория, если облучить их мощным потоком нейтронов.

На VII мировом энергетическом конгрессе академик А. Александров сказал: «Когда мы говорим о практически неисчерпаемых энергоресурсах ядерного горючего, то имеем в виду необходимость и возможность ввода в игру вторичного горючего — плутония и использования благодаря этому большей части запасов урана-238. Без этого не может быть речи о длительном развитии ядерной энергетики в тех масштабах, которые определяются современными темпами технического прогресса, так как ресурсы урана-235 для этого будут недостаточны».

Разведанные запасы сырья могут удовлетворить потребности в уране только до конца 70-х годов. Поэтому уже сейчас встает задача налаживания производства вторичного горючего в больших масштабах.

Плутоний можно получить, имея огромное число нейтронов. Но где их взять? Возникает еще одна проблема — получения интенсивных потоков нейтронов.

Несколько нейтронов рождается при делении ядер в атомных реакторах. Часть из них тут же поглощается для поддержания цепной реакции. А некоторые нейтроны все-таки становятся добычей ядер урана-238. Из отработанных урановых стержней извлекают новое ядерное топливо — плутоний.

Гораздо эффективнее этот процесс происходит в реакторах на быстрых нейтронах. Вокруг активной зоны реактора, работающего на чистом уране-235 или плутонии, выкладывают негорючий, «сырой» изотоп урана или торий. Поглощая быстрые нейтроны, вылетающие из этой зоны, они превращаются в расщепляющийся материал.

Но пока что перед создателями этих реакторов стоит целый ряд нерешенных инженерных и физических задач. Реакторы должны быть экономически выгодными. А главное, чтобы обеспечить необходимый темп развития ядерной энергетики, количество плутония в них должно удваиваться максимум за 5–7 лет. Все же существующие и строящиеся реакторы на быстрых нейтронах обеспечивает удвоение плутония в 2–4 раза медленнее, чем требуется.

Тогда физики предложили другой метод получения делящихся материалов, связанный не с тепловыми или быстрыми реакторами, а с ускорителями элементарных частиц.

Атомные ядра — это настоящие кладовые, набитые нуклонами. Но как их вскрыть — вот в чем проблема. В ядерных реакторах нейтроны освобождаются в реакциях деления. Но есть и другая возможность.

В начале нашего века Э. Резерфорду с помощью примитивного инструмента — источника альфа-частиц впервые удалось выбить из легких ядер протоны. Но много ли можно добиться, «ковыряя» замок хитроумного ядерного сейфа почти голыми руками? А когда ученые вооружились орудиями большого калибра — мощными ускорителями элементарных частиц, им удалось вызвать реакцию расщепления ядер тяжелых атомов. Ускоренные протоны так сильно встряхивают переполненные слабо связанными нуклонами ядра, что из них одновременно высыпается несколько десятков частиц. Один протон большой энергии может вытряхнуть около 17 нейтронов из ядра урана и около 12 из ядра свинца. Освобожденные частицы имеют достаточно большую энергию и, сталкиваясь с другими ядрами, в свою очередь, встряхивают их. Так одна за другой раскрываются «двери» ядерных кладовых.

В реакциях деления удается извлечь лишь по нескольку нейтронов из ядер дефицитных делящихся материалов. Но если поместить кусок свинца в мощный пучок протонов, вылетающих из ускорителя, свинец превратится в генератор нейтронов.

А теперь вместо свинца поместим достаточно протяженную массивную мишень из урана-238 или из тория. Достаточно включить ускоритель, и дело закипит: протоны начнут трясти ядра мишени, а осыпающиеся нейтроны будут «подсушивать» негорючий уран. Такой метод получения вторичного ядерного топлива назвали электроядерным.

Идея этого метода, его физические основы известны давно. Но раньше он не мог быть применен из-за отсутствия необходимого для него ускорителя. У физиков сегодня большой выбор: циклотрон, фазотрон, синхрофазотрон… Но ни одна из существующих машин для этой цели не подходит.

Серпуховской ускоритель разгоняет впущенные в него протоны до 70 000 мега-электрон-вольт. Но число одновременно ускоряемых им частиц невелико — около 10 12протонов в секунду. Для промышленного же производства нейтронов электроядерным методом достаточно сообщить протонам энергию 1000 Мэв, но ускоритель должен выбрасывать в миллион раз больше частиц.

Как заставить магнитное поле ускорителя собирать, удерживать и разгонять такое огромное количество протонов? В сильноточном ускорителе частицы должны фокусироваться магнитным полем еще более жестко, чем даже в Серпуховском. Но можно ли одновременно увеличить плотность пучка протонов и сохранить одинаковой частоту его обращения?

Казалось, что удовлетворить одновременно и тому и другому требованию невозможно. Но что скажет эксперимент, да и с чем экспериментировать? Ведь прежде чем строить сложный и дорогостоящий ускоритель, надо быть уверенным, что он обязательно заработает.

Разорвать заколдованный круг удалось советским ученым, которые под руководством члена-корреспондента АН СССР В. Джелепова и профессора В. Дмитриевского создали модель сильноточного протонного циклотрона.

Когда говорят о создании модели новой машины, речь идет о ее уменьшенной копии. А что означает создание модели ускорителя? Миниатюрный ускоритель, все размеры которого сокращены в несколько раз, может быть лишь макетом, а не моделью. Маленький магнитик не сможет разогнать протоны до энергии в 1000 Мэв, — а промоделировать движение частиц надо именно с той скоростью, какую они имеют при такой энергии.