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 — урана233 или плутония239. 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 урана235. 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 уран238, идущий на изготовление искусственного ядерного горючего, значительное количество урана235, а также получающийся в ядерных превращениях плутоний239. 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 плутония239 или урана233.
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 урана238 из 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.
Физики и радиоинженеры разработали такую систему управления ядерным реактором, которая гарантирует полную безопасность и совершенно исключает возможность выхода цепной реакции из управления. Заданная мощность реактора поддерживается автоматически.
Технологи и металлурги нашли материалы, которые слабо поглощают нейтроны. В этих материалах ядерные реакции с нейтронами не приводят к значительным нарушениям прочности конструкций и к необходимости частой замены деталей. Кроме того, слабое поглощение нейтронов не уменьшает заметно реактивности ядерного реактора, изготовленного из таких материалов.
Эти материалы являются также стойкими в отношении действия радиоактивных излучений. Специальные покрытия предохраняют поверхность конструкций от коррозии.
Энергетиками и физиками были найдены теплоносители, которые не только хорошо отводят тепло, но и обладают малой активностью в отношении реакций с нейтронами. Сравнительно слабая радиоактивность таких теплоносителей облегчает их использование в тепловой схеме.
Физиками были разработаны и исследованы различные защитные средства, предохраняющие обслуживающий персонал от биологически вредных излучений.
Эти и многие другие очень трудные задачи были решены советскими учеными и инженерами, прежде чем первая в мире советская атомная электростанция дала промышленный ток.
Ядерное топливо. Атомная энергетика ближайшего будущего в качестве ядерного горючего будет использовать не только уран235, но и весь природный уран и торий. Размножающий реактор будет давать не только атомную энергию для вращения генераторов электростанции, но и вырабатывать определенное количество искусственного ядерного горючего.
Однако читатель уже знает, что для работы такого реактора необходим либо чистый уран235, либо уран, обогащенный легким изотопом.
Существующие методы разделения изотопов или обогащения урана очень сложны и дороги. Но, оказывается, можно в энергетической схеме использовать природный уран и торий.
Мы можем всегда накопить первоначально некоторое количество плутония в реакторе на природном уране, использующем медленные нейтроны. Вряд ли в таком реакторе можно эффективно получать атомную энергию, так как он при высоких температурах работает неустойчиво. Однако в результате работы такого реактора в нем получается достаточное количество плутония, из которого может быть затем изготовлена центральная часть размножающего реактора.
Такая вполне возможная схема использования природного ядерного горючего в энергетической установке представлена на рис. 46. Урановая руда из рудника направляется на обогатительную фабрику, где урановые соединения (минералы) отделяются от пустой породы. Из минералов на химическом заводе получается чистый металлический уран, из которого на металлургическом заводе отливаются урановые блоки.
Металлический уран легко окисляется на воздухе, поэтому урановые блоки на том же заводе заделываются в тонкую оболочку из алюминиевого сплава.
В таком виде блоки природного урана поступают в урановый котел, работающий на медленных нейтронах, и участвуют в ядерных реакциях по накоплению плутония. Отработанные урановые блоки, содержащие плутоний и «осколки», подвергаются химической и металлургической обработке на заводе. Здесь от них отделяются «осколки» и плутоний. Плутоний затем направляется или в центральную часть размножающего реактора, работающего на быстрых нейтронах, или на склады; «осколки» идут на завод по изготовлению радиоактивных препаратов. Остальной материал, который состоит в основном из урана238, используется во внешней части размножающего реактора, где снова образуется плутоний239.
Атомное горючее центральной части размножающего реактора время от времени требует замены, так как плутоний «выгорает» и в нем накапливаются «осколки». Отработанный плутоний отправляют на обрабатывающие химические и металлургические заводы, где он подвергается очистке от «осколков». После очистки он снова возвращается обратно в размножающий реактор, а «осколки» используются для изготовления радиоактивных препаратов. Нейтроны, выходящие из центральной части реактора, поглощаются в наружной оболочке, где образуют плутоний. Время от времени блоки с ураном