Итак, переработка топлива - один из путей повышения эффективности использования урана - обязательна в любом случае. Однако важно также добиться использования урана-238 - изотопа, который не делится тепловыми нейтронами. Кстати, он не очень хорошо делится и быстрыми нейтронами. Когда в 1939 году Г. Флеров и К. Петржак открыли самопроизвольное деление урана, основной задачей исследований, поставленной И. Курчатовым, было как раз определение пороговой энергии деления урана-238. Уже тогда было показано, что она высока и что необходимая энергия нейтронов, способных разделить ядра урана-238, тоже должна быть высока. Кстати, энергия нейтронов, вылетающих при делении, близка к этой пороговой энергии.
Было также показано, что тем не менее осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию только на уране-238 невозможно. Каким же образом можно поставить уран-238 на службу атомной энергетике, если он не очень эффективно делится нейтронами?
Оказывается, методы получения энергии из урана238 существуют, и связаны они с созданием в реакторе таких условий, при которых нейтроны поглощаются ядром урана-238 и образуется новый элемент - нептуний-239, а затем плутоний-239. Уже в реакторах на тепловых нейтронах в качестве горючего используется не только уран-235. Это видно и из следующего: содержание в природном уране делящегося изотопа урана-235 всего, как уже говорилось, 0,7 процента, а в реакторе при его работе удавалось сжечь один процент природного урана, то есть больше, чем содержится урана-235. Это увеличение эффективности использования топлива происходит благодаря расходу также и урана-238.
К тому, каким образом это происходит, мы обязательно еще вернемся, поскольку это одна из важнейших проблем атомной энергетики будущего.
А сейчас стоит вернуться несколько назад и коснуться проблем атомной энергетики прошлого.
Ошибка ученых фашистской Германии
Цепная реакция в реакторе может иметь разный характер. Она может быть растущей - мощность при этом увеличивается. Возможна реакция и затухающая.
При этом мощность будет падать. Об этом мы уже говорили. Нам сейчас надо выяснить, как направлять развитие цепной реакции или как управлять атомным реактором? Конечно, делать это нужно совсем не так, как управляют автомобилем, тепловозом или пламенем газовой горелки. И дело тут вовсе не в большей сложности, не в большем количестве приборов и систем управления - другим оказывается сам принцип управления реактором.
Как шофер меняет скорость движения автомобиля?
Он увеличивает или уменьшает мощность двигателя с помощью педали газа. Чтобы автомобиль ехал быстрее, шофер, нажимает на нее, увеличивая мощность двигателя. Но увеличение не будет беспредельным: в конце концов она достигнет определенной величины, станет какой-то вполне определенной и соответствующая ей скорость. Все зависит от того, насколько шофер переместил педаль газа. Если теперь он вернет ее в прежнее положение, то к прежней величине вернутся и мощность двигателя, и скорость автомобиля.
Математическое уравнение, описывающее критическое состояние реактора, однородно. Читателю, незнакомому с математикой, эти слова не говорят ничего.
Математик скажет, что величина, описываемая однородным уравнением, может быть определена только с точностью до постоянного коэффициента, если не задано какого-либо дополнительного условия. Но, не зная специфики работы атомного реактора, он никаких практических выводов из этого уравнения не сделает. Физикреакторщик же поймет, что в принципе мощность критического реактора, описываемого таким уравнением, может достичь любой величины.
Пусть перед нами критический реактор, в котором идет самоподдерживающаяся цепная реакция деления.
Число нейтронов в каждом последующем поколении одинаково. Это значит, что в каждый момент времени число делений урана, а значит, и мощность реактора остаются постоянными.
Теперь прибавим к этому реактору в каком-либо месте некоторое дополнительное количество урана. Положение изменится. Если, например, вначале в единицу времени делилось 100 ядер урана, то теперь дополнительный урановый блок уловит и часть тех нейтронов, которые раньше бесполезно улетали из реактора.
Число делений в каждом последующем поколении будет расти: в первом 100, во втором, скажем, 101, в третьем 102 и т. д. Одновременно будет расти и мощность реактора. И пусть в тот момент, когда она увеличилась вдвое, мы убрали от реактора тот дополнительный блок урана. Рост мощности прекратится. Те лишние нейтроны, которые вызывали ее возрастание, теперь не будут производить делений и станут вылетать из реактора. Но его мощность, и в этом принципиальное отличие поведения реактора от поведения автомобиля, осталась той же, то есть вдвое больше первоначальной!
А как надо поступить, если понадобится мощность реактора уменьшить?
В этом случае нужно из точно критического реактора просто вынуть какой-либо блок урана, число нейтронов в следующих друг за другом поколениях будет уменьшаться, и мощность реактора упадет до определенной величины.
Итак, и педаль газа, и блок урана - это органы управления, органы регулирования мощности установок.
Но как по-разному реагируют иа изменение положений этих органов регулирования автомобильный двигатель и ядерный реактор! В этом и заключается специфика управления атомным реактором. Кстати, отсюда видно, что от критической массы мощность ядерного реактора никак не зависит. При одной и той же критической массе она может быть совершенно различной.
Мы обошли стороной еще один вопрос управления реактором: именно скорость изменения его мощности.
От чего она зависит?
Регулирование реактора есть не что иное, как изменение его мощности, а она меняется вследствие изменения числа нейтронов в каждом последующем поколении.
Возрастает число нейтронов от поколения к поколению, увеличивается и мощность реактора. Значит, скорость изменения мощности зависит от того, как быстро меняются поколения нейтронов и насколько велико или мало время жизни одного поколения.
Начало жизни поколения нейтронов - это их рождение при делении. Потом в течение некоторого времени они будут находиться среди ядер замедлителя, соударяясь с ними, теряя энергию. Затем, уже замедлившиеся (тепловые), они будут блуждать среди атомов смеси урана и замедлителя, пока не поглотятся в ядре урана и не вызовут вновь деления. Этим и кончается жизнь одного поколения и начинается жизнь следующего.
Время жизни каждого нейтрона - всего одна стотысячная доля секунды. У людей одно поколение сменяет другое через 60-70 лет, и то иным кажется, что количество людей на земле растет слишком быстро.
В "реакторной" жизни смена одного поколения другим происходит за столь малое время, что количество нейтронов, а значит, и мощность реактора меняются очень быстро. Можно себе представить появление 100 тысяч поколений за одну секунду!
На самом деле такого быстрого роста не происходит.
При делении ядер не все нейтроны вылетают одновременно; часть из них задерживается в ядрах-осколках и вылетает через 10-20 секунд после деления. Жизнь всех сверстников таких нейтронов давно уже кончилась, а они в небольшом числе пережили свое поколение, существуя в миллион раз дольше. Как могут повлиять на процесс изменения мощности эти запаздывающие нейтроны?
Рассмотрим такой случай. Вы решили срочно передать кому-то важное сообщение. Но сделать это непосредственно не можете. Весть может дойти только по цепочке из пяти человек. Пусть каждый передаст это сообщение через 10 минут. Пройдет 50 минут прежде, чем весть дойдет до адресата. Если же хотя бы одно "звено" этой цепочки замедлится и передаст известие не через 10 минут, а, скажем, через сутки, то до нужного человека известие будет идти почти 1500 минут, то есть в тридцать раз дольше. А ведь запоздал только один человек!
Конечно, это не модель процесса размножения нейтронов. Но описанное показывает, как замедление в одном звене цепочки приводит к замедлению всего процесса.
Наличие запаздывающих нейтронов свидетельствует о том, что времени, затраченного на изменение мощности в реакторе, достаточно, чтобы с управлением реактором справлялась не только автоматика, но и непосредственно человек.
С неправильной оценкой явлений, вызывающих изменения мощности реактора, связана одна ошибка ученых фашистской Германии, которые в годы второй мировой войны пытались создать атомную бомбу.
После окончания войны в подземной лаборатории немецкого селения Хайгерлох был обнаружен сооруженный немецкими физиками реактор, в котором в качестве замедлителя использовалась тяжелая вода. Реактор не был критическим. Около полутора тонн урана и двух тонн тяжелой воды еще не хватало для осуществления самоподдерживающейся цепной реакции.
Первая ошибка немецких ученых заключалась в том их убеждении, что с помощью природного урана можно построить реактор, используя лишь тяжелую воду - замедлитель, слабо поглощающий нейтроны. Это надолго задержало работы по овладению атомной энергией. В те годы количество чистой тяжелой воды измерялось сотнями литров. Единственный завод по ее производству в Норвегии был взорван норвежскими патриотами. Восстановленный немцами, он вновь был разрушен при бомбардировке.
Вторая ошибка немецких физиков заключалась в том, что они считали новым сверхмощным оружием - атомной бомбой - атомный реактор на тепловых нейтронах или подобный ему. Они не знали, что время жизни одного поколения нейтронов в реакторе на тепловых нейтронах значительно дольше, чем должно быть в атомной бомбе. В силу этого (а также ряда других обстоятельств) реактор даже если и взорвется, то разделиться успеет лишь небольшое количество ядер урана.
Значит, по существу, это будет взрыв тепловой, а не ядерный. Кстати, такое ошибочное мнение очень распространено и поныне. И сейчас люди, не связанные с техникой и атомной энергетикой, считают атомный реактор и атомную бомбу одним и тем же.
Рассматривая принцип управления реактором, мы выяснили, что для изменения его мощности необходимо просто временно изменить число нейтронов одного поколения по отношению к предыдущему. То есть сделать его большим или меньшим в зависимости от того, что желательно иметь - увеличение или уменьшение мощности. Осуществляют это, добавляя или извлекая из реактора часть урана. Просто? Да, но на самом деле такой способ не применяется или, чтобы быть точными, применяется крайне редко.
Всем известно, что при пожаре цепную реакцию горения прекращают, заливая горящие предметы водой.
А чем погасить ядерную цепную реакцию? Конечно, с помощью самих ее возбудителей - нейтронов, которые можно вывести из реакции с помощью вещества, сильно поглощающего эти частицы. Таким достаточно распространенным в природе и дешевым элементом является бор. Если ввести его в точно критический реактор, он станет поглощать нейтроны, участвующие в цепной реакции. Их в конце концов будет не хватать для того, чтобы реакция была самоподдерживающейся, и мощность реактора начнет уменьшаться. А как ее увеличивать? Оказывается, это можно сделать также с помощью бора. Реактор с самого начала делают не только критическим, а надкритическим, для чего в "его вводят больше урана, нежели нужно для поддержания цепной реакции. Мощность в таком реакторе должна расти. Чтобы этого не происходило, в него вводят поглотитель - бор, и в таком количестве, чтобы реактор стал критическим. Теперь его мощность можно менять по своему желанию. Выведем бор из реактора - она станет увеличиваться. Введем в него дополнительное количество бора - мощность будет падать. А это уже вполне приемлемый способ управления. Нужно только, чтобы введение и выведение бора из реактора было простой процедурой. Для этого в рабочем объеме реактора предусматривают пустоты, которые предназначены для размещения в них поглотителя. Пустоты можно сделать, например, в виде отверстий-тоннелей, проходящих через весь реактор. Тогда поглотитель удобно вводить в виде стержней-трубок, заполненных бором. Погружая поглощающий стержень в тоннели или выводя из них, можно изменять мощность реактора.
Сейчас управление реактором, его первый пуск и вывод "на мощность" довольно простая процедура.
Но три с половиной десятилетия назад, когда создавался первый в истории человечества реактор, положение было совсем другим.
На стадионе и в монтажных мастерских
Очень многое выявлено за время, прошедшее со дня пуска первого реактора. Можно себе представить, с какой надеждой, сомнениями и тщательностью собирали его физики. То, что сейчас стало теорией, тогда еще было гипотезой, предположением. Приближенные оценки критической массы, делавшиеся в ту пору, сменились в наши дни куда более точн-ымирасчетами,, сделанными на электронных вычислительных машинах. Пойдет ли реактор (на жаргоне физиков это означает - достижимо ли критическое состояние) или самоподдерживающаяся цепная реакция не осуществится? А если пойдет, то не вырвется ли он из-под контроля?
Вот какие вопросы стояли перед физиками, собиравшими этот первый в истории человечества прибор. Руководил работами итальянский физик Э. Ферми. Первый в Европе реактор был создан в 1946 году в Москве коллективом, который возглавлял И. Курчатов.
Нужно сказать, что, хотя эти ядерные реакторы были созданы в разное время, для каждого коллектива ученых они были действительно первыми. Ученые работали независимо друг от друга и ничего не зььали о работах зарубежных коллег. Лишь в послевоенные годы были опубликованы сведения жо этим реакторам.
И вот что интересно: тогда-то и выяснилось, что американские и советские ученые шли одним и, тем же путем и решали очень сходные проблемы. На реакторах и в Чикаго и в Москве в качестве замедлителя был использован графит. В обоих случаях был создан реактор так называемого гетерогенного типа.
Можно было подумать, что такое совпадение чисто случайное, которого в иных условиях могло бы и не быть.
Но, пожалуй, истина в том, чтго" ученые в нашей стране и в США отыскали именно тот единственный оптимальный путь, который в та время был кратчайшим, ведущий к победе.
Может быть, некоторые читатели заметили одно противоречие: в первых реакторах использовался природный уран, а в начале этой главы было сказано, что создать реактор в виде однородной смеси графита (углерода) с природным ураном невозможно. Действительно, это так. В процессе замедления очень много нейтронов бесполезно поглощается в уране-238, и их начинает недоставать для цепной реакции. Реактор создать невозможно. И физики нашли оригинальное и в то же время удивительно простое решение. Казалось, они предложили бесполезную вещь - не распределять уран равномерно в графите, а собрать его в блоки-стержни и расставить их на некотором расстоянии друг от друга. Блоки же графита разместить между ними.
Что это изменило?А вот что. Быстрые нейтроны, вылетевшие при делении, замедляются теперь в блоках графита и не встречаются или встречаются очень редко с ядрами природного урана. И только после того, как они пройдут опасную область энергии, в которой уран2,38 весьма жадно их поглощает, они становятся тепловыми, медленными и захватываются ядрами урана-235.
Придумав этот оригинальный способ замедления нейтронов, физики все же через некоторое время поняли, что цепную ядерную реакцию с графитом, который выпускала тогда промышленность, осуществить невозможно, ибо в нем были многочисленные примеси химических элементов и среди них наиболее опасный для реакторов - бор.
Пришлось обращаться на заводы к специалистам с просьбой вырабатывать предельно чистый графит.
"Было очень трудно, - пишет С. Аллисон, руководивший в Чикагском университете химическим отделом проекта, - объяснить крупным поставщикам графита, почему вдруг нужно изготавливать тысячи тонн по нормам, применявшимся до тех пор исключительно для дуговых устройств спектроскопических анализаторов". Подобная ситуация возникла и у И. Курчатова. На завод, который должен был дать графит, были переданы жесткие требования к новому продукту. Директор предприятия жаловался: "Ваши требования многие встречают в штыки. А мы им возразить не можем: сами не понимаем, для чего вам нужна такая дьявольская чистота графита?" Были и курьезы. Заводской инженер, предположивший, что графит нужен для синтезирования алмазов, хвалился, что понимает важность таких жестких требований, но хотел бы знать, каким методом физики делают алмазы и как они создают высокие давления и каков выход продукции.
Так или иначе многие трудности, связанные с подбором материалов и приборов, были благополучно преодолены. И вот под трибунами университетского стадиона "Стейдт Филд" в Чикаго началось сооружение реактора. Он был построен на площадке для скуаша, своеобразного американского тенниса. На балконе вблизи установили измерительную аппаратуру. Там же находился пульт управления стержеями, которые можно было в любой момент опустить в реактор. Регулирующим стержнем управлял Д. Вейль. Момент пуска первого реактора жена Э. Ферми описывает так:
"Ферми продолжал свои объяснения, и руки его указывали "а те предметы, которые он называл: "Перо, которое вы видите здесь, чертит кривую, показывающую интенсивность реакции. Когда в котле (так называли раньше реактор) начнется цепная реакция, перо станет чертить кривую, которая будет подниматься все выше и выше и уже не будет снижаться... Итак, мы приступаем к нашему опыту.
Вейль сначала остановит стержень на пометке тринадцать футов. Другими словами, тринадцать футов длины стержня все еще будут находиться внутри котла.
Счетчики наши заработают быстрее, а перо проведет кривую вверх вот до этой точки, а затем пойдет по горизонтальной прямой. Начинайте, Джордж!"
Все глаза приковались к самопишущему прибору.
Все следили за ним затаив дыхание... Счетчики защелкали чаще, перо двинулось вверх и остановилось на той самой точке, которую показал Ферми... И так повторялось несколько раз...
Трудно сказать, как велика была опасность, которую нельзя было предвидеть, и что, собственно, могло произойти. И все-таки люди на этом корте столкнулись с чем-то неведомым! Они не решились бы с уверенностью сказать, что могут ответить на все вопросы, которые приходят им в голову. Осторожность здесь поощрялась. Осторожность лежала в основе всего. Пренебрегать ею было просто безрассудно...
Ферми снова сказал Вейлю: "Выдвиньте еще на фут,.." Счетчики защелкали чаще, пер.о поползло вверх, и кривая уже больше не стремилась выровняться по горизонтали - в котле шла цепная реакция.
Под потолком засуетилась "бригада самоубийц" с жидким кадмием в руках (жидкий кадмий - раствор в воде соли кадмия, вещества, чрезвычайно сильно поглощающего нейтроны. Заливая реактор таким раствором, можно погасить цепную реакцию). Но ничего не случилось. В течение двадцати восьми минут все смотрели на контрольные приборы. Котел вел себя, как ему и полагалось, то есть так, как надеялись физики, несмотря на все опасения".
Это произошло 2 декабря 1942 года. В те годы наша страна переживала тяжелые дни Великой Отечественной войны. Но работы по созданию реактора под руководством И. Курчатова уже начались...
Весной 1946 года в нескольких сотнях метров от домика И. Курчатова на территории лаборатории № 2 (прежнее название Института атомной энергии) закончилось строительство и отделка здания, которое тогда называли монтажными мастерскими. В бетонированном котловане десятиметровой ширины, длины и высоты выложили метровый слой графита и на нем стали складывать первый шар из уран-графитовых блоков. В графитовых кирпичах, из которых выкладывали реактор, имелись отверстия для урановых блоков, похожих на гирьки. Пока не было всего необходимого урана и графита, в здании собирали различные модели, с помощью которых можно было определить многие нужные физические параметры установки. И вот в декабре 1946 года прибыли последние партии урана и графита. На слое графита стали размещать графитовые кирпичи с вставленными в них блоками урана. Кирпичи клали так, чтобы реактор по форме как можно точнее напоминал шар - тогда меньше нужно графита и урана.
Наконец выложено шестьдесят два слоя графитовых кирпичей. Измерения показывают, что реактор почти критический. Надо еще немного улучшить размножение нейтронов - и цепная реакция начнется. И. Курчатов отпустил на отдых всех, непосредственно не связанных с пуском, а сам начал поднимать регулирующий стержень. Чем выше тот поднимался, тем осторожнее становились движения ученого. Вот стержень выдвинут еще немного. Зайчик гальванометра, а он должен был показывать поток нейтронов, чуть сдвинулся с места и остановился. Реактор заработал, но мощность его не растет, значит, еще нет цепной реакции. "Отдохнем", - говорит Игорь Васильевич. Потом еще поднял стержень на десять сантиметров. Зайчик гальванометра тронулся и начал двигаться по шкале не останавливаясь. Вот он ушел за шкалу; переключается масштаб измерений.
Мощность растет. Звонко щелкают динамики - это электрические импульсы, создаваемые нейтронами в счетчиках, с помощью усилителей превращаются в звук.
Щелчки динамиков учащаются: барабанная дробь сменяется пулеметной очередью, а затем и вовсе нельзя различить отдельные щелчки - все сливается в сплошной гул. Реактор стал надкритическим. И. Курчатов тут же оценил мощность: "Вот они, первые сто ватт от цепной реакции делений!"
Потом каждому пожал руку и поздравил с победой.
Реактор был пущен в 18 часов 25 декабря 1946 года.
Пока задачу приходится сводить к предыдущей
До сих пор мы еще не говорили, в каком виде выделяется энергия при делении атомного ядра. Очевидно, что часть ее связана с нейтронами, вылетающими при делении. Обладая огромной скоростью в 20 тысяч километров в секунду, они несут энергию в 5 Мэв на деление, что составляет 2,5 процента всей энергии разделившегося ядра. На гамма-излучение и на электроды приходится 10 процентов. Около 6 процентов уносит с собой нейтрино, причем уносит безвозвратно. И, наконец, 81,5 процента (или 88, если не учитывать всепроникающее нейтрино) приходится на осколки, те новые ядра, которые образуются при делении урана-235. Если ядро разделится точно пополам, отдав одинаковое количество энергии каждой половинке, то новое ядро-осколок будет лететь со скоростью двух тысяч метров в секунду. Обладая такой скоростью и массой, более чем в сто раз превышающей массу нейтрона, летящие осколки и уносят основную долю энергии, выделяющейся при делении.
Сталкиваясь с окружающими молекулами, они передают им свою энергию, и те начинают двигаться быстрее, интенсивнее. А увеличение скорости движения молекул вещества есть не что иное, как повышение его температуры. Так энергия деления ядра переходит в тепловую энергию движения молекул урана.
В реакторах уран находится в виде стерженьков или таблеток, выполненных из двуокиси урана и заключенных в металлическую оболочку. Из какого металла надо делать оболочки? Конечно, прочнее они были бы из нержавеющей стали. Но она очень сильно поглощает нейтроны и замедляет процесс деления. Поэтому идут: на компромисс, используя материал менее прочный и температуростойкий, но зато слабо поглощающий нейтроны. Обычно берут цирконий или сплавы этого металла.
Стержень из двуокиси урана, помещенный в герметичную циркониевую трубку, называют тепловыделяющим элементом - сокращенно "твэл". Если тепло от твэла не отводить, то температура его будет непрерывно повышаться, в конце концов он раскалится, затем размягчится - реактор "сгорит".
Каждый тепловыделяющий элемент реактора можно было бы сравнить с вытянутой в линию спиралью электрической плитки. Из нескольких тысяч таких "спиралек" составлена центральная часть реактора. Эту его часть называют активной зоной. Каждая "твэл-спиралька" отдает энергию куда большую, чем спираль электроплитки.
Напряженность работы поверхности тепловыделяющего тела, через которую передается тепло, теплотехники определяют по количеству тепла, отдаваемого единицей поверхности в единицу времени. Так, спираль электроплитки работает в довольно напряженных условиях - через каждый квадратный сантиметр ее поверхности в час проходит 4 килокалории тепла. Уже при такой тепловой нагрузке спираль накаляется докрасна.
В 25 раз больший тепловой поток идет через поверхность твэла активной зоны энергетического реактора.
Он составляет в час 100 килокалорий на один квадратный сантиметр, и тем не менее оболочка твэла докрасна не раскаляется, да до этого цирконий и нельзя допустить - он расплавится.
Как же удается снижать температуру оболочки? Конечно, хорошим отводом от твэла тепла. Наверное, многие замечали, что, если подуть на спираль электроплитки, она потемнеет, значит, температура ее понизилась, хотя количество тепла при этом выделяется то же самое. А температура понижается потому, что стало лучше отводиться тепло; и чем с большей скоростью будет отводиться тепло, тем меньшей будет температура спирали.
В большей части существующих сейчас энергетических реакторов энергия деления отводится от тепловыделяющих элементов примерно так же, но не с помощью воздуха, а воды. Охлаждающая вода поступает по трубе в нижнюю часть корпуса реактора, а затем попадает в каналы с тепловыделяющими элементами. В каждом канале может быть собрано 100-200 тепловыделяющих элементов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Протекая с большой скоростью мимо твэлов, вода охлаждает их и, нагреваясь, выходит через трубы, расположенные сбоку в верхней части корпуса реактора. Путем такого интенсивного охлаждения и удается снизить температуру оболочки твэлов. Такова общая схема отвода тепла из активной зоны реактора.
Было также показано, что тем не менее осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию только на уране-238 невозможно. Каким же образом можно поставить уран-238 на службу атомной энергетике, если он не очень эффективно делится нейтронами?
Оказывается, методы получения энергии из урана238 существуют, и связаны они с созданием в реакторе таких условий, при которых нейтроны поглощаются ядром урана-238 и образуется новый элемент - нептуний-239, а затем плутоний-239. Уже в реакторах на тепловых нейтронах в качестве горючего используется не только уран-235. Это видно и из следующего: содержание в природном уране делящегося изотопа урана-235 всего, как уже говорилось, 0,7 процента, а в реакторе при его работе удавалось сжечь один процент природного урана, то есть больше, чем содержится урана-235. Это увеличение эффективности использования топлива происходит благодаря расходу также и урана-238.
К тому, каким образом это происходит, мы обязательно еще вернемся, поскольку это одна из важнейших проблем атомной энергетики будущего.
А сейчас стоит вернуться несколько назад и коснуться проблем атомной энергетики прошлого.
Ошибка ученых фашистской Германии
Цепная реакция в реакторе может иметь разный характер. Она может быть растущей - мощность при этом увеличивается. Возможна реакция и затухающая.
При этом мощность будет падать. Об этом мы уже говорили. Нам сейчас надо выяснить, как направлять развитие цепной реакции или как управлять атомным реактором? Конечно, делать это нужно совсем не так, как управляют автомобилем, тепловозом или пламенем газовой горелки. И дело тут вовсе не в большей сложности, не в большем количестве приборов и систем управления - другим оказывается сам принцип управления реактором.
Как шофер меняет скорость движения автомобиля?
Он увеличивает или уменьшает мощность двигателя с помощью педали газа. Чтобы автомобиль ехал быстрее, шофер, нажимает на нее, увеличивая мощность двигателя. Но увеличение не будет беспредельным: в конце концов она достигнет определенной величины, станет какой-то вполне определенной и соответствующая ей скорость. Все зависит от того, насколько шофер переместил педаль газа. Если теперь он вернет ее в прежнее положение, то к прежней величине вернутся и мощность двигателя, и скорость автомобиля.
Математическое уравнение, описывающее критическое состояние реактора, однородно. Читателю, незнакомому с математикой, эти слова не говорят ничего.
Математик скажет, что величина, описываемая однородным уравнением, может быть определена только с точностью до постоянного коэффициента, если не задано какого-либо дополнительного условия. Но, не зная специфики работы атомного реактора, он никаких практических выводов из этого уравнения не сделает. Физикреакторщик же поймет, что в принципе мощность критического реактора, описываемого таким уравнением, может достичь любой величины.
Пусть перед нами критический реактор, в котором идет самоподдерживающаяся цепная реакция деления.
Число нейтронов в каждом последующем поколении одинаково. Это значит, что в каждый момент времени число делений урана, а значит, и мощность реактора остаются постоянными.
Теперь прибавим к этому реактору в каком-либо месте некоторое дополнительное количество урана. Положение изменится. Если, например, вначале в единицу времени делилось 100 ядер урана, то теперь дополнительный урановый блок уловит и часть тех нейтронов, которые раньше бесполезно улетали из реактора.
Число делений в каждом последующем поколении будет расти: в первом 100, во втором, скажем, 101, в третьем 102 и т. д. Одновременно будет расти и мощность реактора. И пусть в тот момент, когда она увеличилась вдвое, мы убрали от реактора тот дополнительный блок урана. Рост мощности прекратится. Те лишние нейтроны, которые вызывали ее возрастание, теперь не будут производить делений и станут вылетать из реактора. Но его мощность, и в этом принципиальное отличие поведения реактора от поведения автомобиля, осталась той же, то есть вдвое больше первоначальной!
А как надо поступить, если понадобится мощность реактора уменьшить?
В этом случае нужно из точно критического реактора просто вынуть какой-либо блок урана, число нейтронов в следующих друг за другом поколениях будет уменьшаться, и мощность реактора упадет до определенной величины.
Итак, и педаль газа, и блок урана - это органы управления, органы регулирования мощности установок.
Но как по-разному реагируют иа изменение положений этих органов регулирования автомобильный двигатель и ядерный реактор! В этом и заключается специфика управления атомным реактором. Кстати, отсюда видно, что от критической массы мощность ядерного реактора никак не зависит. При одной и той же критической массе она может быть совершенно различной.
Мы обошли стороной еще один вопрос управления реактором: именно скорость изменения его мощности.
От чего она зависит?
Регулирование реактора есть не что иное, как изменение его мощности, а она меняется вследствие изменения числа нейтронов в каждом последующем поколении.
Возрастает число нейтронов от поколения к поколению, увеличивается и мощность реактора. Значит, скорость изменения мощности зависит от того, как быстро меняются поколения нейтронов и насколько велико или мало время жизни одного поколения.
Начало жизни поколения нейтронов - это их рождение при делении. Потом в течение некоторого времени они будут находиться среди ядер замедлителя, соударяясь с ними, теряя энергию. Затем, уже замедлившиеся (тепловые), они будут блуждать среди атомов смеси урана и замедлителя, пока не поглотятся в ядре урана и не вызовут вновь деления. Этим и кончается жизнь одного поколения и начинается жизнь следующего.
Время жизни каждого нейтрона - всего одна стотысячная доля секунды. У людей одно поколение сменяет другое через 60-70 лет, и то иным кажется, что количество людей на земле растет слишком быстро.
В "реакторной" жизни смена одного поколения другим происходит за столь малое время, что количество нейтронов, а значит, и мощность реактора меняются очень быстро. Можно себе представить появление 100 тысяч поколений за одну секунду!
На самом деле такого быстрого роста не происходит.
При делении ядер не все нейтроны вылетают одновременно; часть из них задерживается в ядрах-осколках и вылетает через 10-20 секунд после деления. Жизнь всех сверстников таких нейтронов давно уже кончилась, а они в небольшом числе пережили свое поколение, существуя в миллион раз дольше. Как могут повлиять на процесс изменения мощности эти запаздывающие нейтроны?
Рассмотрим такой случай. Вы решили срочно передать кому-то важное сообщение. Но сделать это непосредственно не можете. Весть может дойти только по цепочке из пяти человек. Пусть каждый передаст это сообщение через 10 минут. Пройдет 50 минут прежде, чем весть дойдет до адресата. Если же хотя бы одно "звено" этой цепочки замедлится и передаст известие не через 10 минут, а, скажем, через сутки, то до нужного человека известие будет идти почти 1500 минут, то есть в тридцать раз дольше. А ведь запоздал только один человек!
Конечно, это не модель процесса размножения нейтронов. Но описанное показывает, как замедление в одном звене цепочки приводит к замедлению всего процесса.
Наличие запаздывающих нейтронов свидетельствует о том, что времени, затраченного на изменение мощности в реакторе, достаточно, чтобы с управлением реактором справлялась не только автоматика, но и непосредственно человек.
С неправильной оценкой явлений, вызывающих изменения мощности реактора, связана одна ошибка ученых фашистской Германии, которые в годы второй мировой войны пытались создать атомную бомбу.
После окончания войны в подземной лаборатории немецкого селения Хайгерлох был обнаружен сооруженный немецкими физиками реактор, в котором в качестве замедлителя использовалась тяжелая вода. Реактор не был критическим. Около полутора тонн урана и двух тонн тяжелой воды еще не хватало для осуществления самоподдерживающейся цепной реакции.
Первая ошибка немецких ученых заключалась в том их убеждении, что с помощью природного урана можно построить реактор, используя лишь тяжелую воду - замедлитель, слабо поглощающий нейтроны. Это надолго задержало работы по овладению атомной энергией. В те годы количество чистой тяжелой воды измерялось сотнями литров. Единственный завод по ее производству в Норвегии был взорван норвежскими патриотами. Восстановленный немцами, он вновь был разрушен при бомбардировке.
Вторая ошибка немецких физиков заключалась в том, что они считали новым сверхмощным оружием - атомной бомбой - атомный реактор на тепловых нейтронах или подобный ему. Они не знали, что время жизни одного поколения нейтронов в реакторе на тепловых нейтронах значительно дольше, чем должно быть в атомной бомбе. В силу этого (а также ряда других обстоятельств) реактор даже если и взорвется, то разделиться успеет лишь небольшое количество ядер урана.
Значит, по существу, это будет взрыв тепловой, а не ядерный. Кстати, такое ошибочное мнение очень распространено и поныне. И сейчас люди, не связанные с техникой и атомной энергетикой, считают атомный реактор и атомную бомбу одним и тем же.
Рассматривая принцип управления реактором, мы выяснили, что для изменения его мощности необходимо просто временно изменить число нейтронов одного поколения по отношению к предыдущему. То есть сделать его большим или меньшим в зависимости от того, что желательно иметь - увеличение или уменьшение мощности. Осуществляют это, добавляя или извлекая из реактора часть урана. Просто? Да, но на самом деле такой способ не применяется или, чтобы быть точными, применяется крайне редко.
Всем известно, что при пожаре цепную реакцию горения прекращают, заливая горящие предметы водой.
А чем погасить ядерную цепную реакцию? Конечно, с помощью самих ее возбудителей - нейтронов, которые можно вывести из реакции с помощью вещества, сильно поглощающего эти частицы. Таким достаточно распространенным в природе и дешевым элементом является бор. Если ввести его в точно критический реактор, он станет поглощать нейтроны, участвующие в цепной реакции. Их в конце концов будет не хватать для того, чтобы реакция была самоподдерживающейся, и мощность реактора начнет уменьшаться. А как ее увеличивать? Оказывается, это можно сделать также с помощью бора. Реактор с самого начала делают не только критическим, а надкритическим, для чего в "его вводят больше урана, нежели нужно для поддержания цепной реакции. Мощность в таком реакторе должна расти. Чтобы этого не происходило, в него вводят поглотитель - бор, и в таком количестве, чтобы реактор стал критическим. Теперь его мощность можно менять по своему желанию. Выведем бор из реактора - она станет увеличиваться. Введем в него дополнительное количество бора - мощность будет падать. А это уже вполне приемлемый способ управления. Нужно только, чтобы введение и выведение бора из реактора было простой процедурой. Для этого в рабочем объеме реактора предусматривают пустоты, которые предназначены для размещения в них поглотителя. Пустоты можно сделать, например, в виде отверстий-тоннелей, проходящих через весь реактор. Тогда поглотитель удобно вводить в виде стержней-трубок, заполненных бором. Погружая поглощающий стержень в тоннели или выводя из них, можно изменять мощность реактора.
Сейчас управление реактором, его первый пуск и вывод "на мощность" довольно простая процедура.
Но три с половиной десятилетия назад, когда создавался первый в истории человечества реактор, положение было совсем другим.
На стадионе и в монтажных мастерских
Очень многое выявлено за время, прошедшее со дня пуска первого реактора. Можно себе представить, с какой надеждой, сомнениями и тщательностью собирали его физики. То, что сейчас стало теорией, тогда еще было гипотезой, предположением. Приближенные оценки критической массы, делавшиеся в ту пору, сменились в наши дни куда более точн-ымирасчетами,, сделанными на электронных вычислительных машинах. Пойдет ли реактор (на жаргоне физиков это означает - достижимо ли критическое состояние) или самоподдерживающаяся цепная реакция не осуществится? А если пойдет, то не вырвется ли он из-под контроля?
Вот какие вопросы стояли перед физиками, собиравшими этот первый в истории человечества прибор. Руководил работами итальянский физик Э. Ферми. Первый в Европе реактор был создан в 1946 году в Москве коллективом, который возглавлял И. Курчатов.
Нужно сказать, что, хотя эти ядерные реакторы были созданы в разное время, для каждого коллектива ученых они были действительно первыми. Ученые работали независимо друг от друга и ничего не зььали о работах зарубежных коллег. Лишь в послевоенные годы были опубликованы сведения жо этим реакторам.
И вот что интересно: тогда-то и выяснилось, что американские и советские ученые шли одним и, тем же путем и решали очень сходные проблемы. На реакторах и в Чикаго и в Москве в качестве замедлителя был использован графит. В обоих случаях был создан реактор так называемого гетерогенного типа.
Можно было подумать, что такое совпадение чисто случайное, которого в иных условиях могло бы и не быть.
Но, пожалуй, истина в том, чтго" ученые в нашей стране и в США отыскали именно тот единственный оптимальный путь, который в та время был кратчайшим, ведущий к победе.
Может быть, некоторые читатели заметили одно противоречие: в первых реакторах использовался природный уран, а в начале этой главы было сказано, что создать реактор в виде однородной смеси графита (углерода) с природным ураном невозможно. Действительно, это так. В процессе замедления очень много нейтронов бесполезно поглощается в уране-238, и их начинает недоставать для цепной реакции. Реактор создать невозможно. И физики нашли оригинальное и в то же время удивительно простое решение. Казалось, они предложили бесполезную вещь - не распределять уран равномерно в графите, а собрать его в блоки-стержни и расставить их на некотором расстоянии друг от друга. Блоки же графита разместить между ними.
Что это изменило?А вот что. Быстрые нейтроны, вылетевшие при делении, замедляются теперь в блоках графита и не встречаются или встречаются очень редко с ядрами природного урана. И только после того, как они пройдут опасную область энергии, в которой уран2,38 весьма жадно их поглощает, они становятся тепловыми, медленными и захватываются ядрами урана-235.
Придумав этот оригинальный способ замедления нейтронов, физики все же через некоторое время поняли, что цепную ядерную реакцию с графитом, который выпускала тогда промышленность, осуществить невозможно, ибо в нем были многочисленные примеси химических элементов и среди них наиболее опасный для реакторов - бор.
Пришлось обращаться на заводы к специалистам с просьбой вырабатывать предельно чистый графит.
"Было очень трудно, - пишет С. Аллисон, руководивший в Чикагском университете химическим отделом проекта, - объяснить крупным поставщикам графита, почему вдруг нужно изготавливать тысячи тонн по нормам, применявшимся до тех пор исключительно для дуговых устройств спектроскопических анализаторов". Подобная ситуация возникла и у И. Курчатова. На завод, который должен был дать графит, были переданы жесткие требования к новому продукту. Директор предприятия жаловался: "Ваши требования многие встречают в штыки. А мы им возразить не можем: сами не понимаем, для чего вам нужна такая дьявольская чистота графита?" Были и курьезы. Заводской инженер, предположивший, что графит нужен для синтезирования алмазов, хвалился, что понимает важность таких жестких требований, но хотел бы знать, каким методом физики делают алмазы и как они создают высокие давления и каков выход продукции.
Так или иначе многие трудности, связанные с подбором материалов и приборов, были благополучно преодолены. И вот под трибунами университетского стадиона "Стейдт Филд" в Чикаго началось сооружение реактора. Он был построен на площадке для скуаша, своеобразного американского тенниса. На балконе вблизи установили измерительную аппаратуру. Там же находился пульт управления стержеями, которые можно было в любой момент опустить в реактор. Регулирующим стержнем управлял Д. Вейль. Момент пуска первого реактора жена Э. Ферми описывает так:
"Ферми продолжал свои объяснения, и руки его указывали "а те предметы, которые он называл: "Перо, которое вы видите здесь, чертит кривую, показывающую интенсивность реакции. Когда в котле (так называли раньше реактор) начнется цепная реакция, перо станет чертить кривую, которая будет подниматься все выше и выше и уже не будет снижаться... Итак, мы приступаем к нашему опыту.
Вейль сначала остановит стержень на пометке тринадцать футов. Другими словами, тринадцать футов длины стержня все еще будут находиться внутри котла.
Счетчики наши заработают быстрее, а перо проведет кривую вверх вот до этой точки, а затем пойдет по горизонтальной прямой. Начинайте, Джордж!"
Все глаза приковались к самопишущему прибору.
Все следили за ним затаив дыхание... Счетчики защелкали чаще, перо двинулось вверх и остановилось на той самой точке, которую показал Ферми... И так повторялось несколько раз...
Трудно сказать, как велика была опасность, которую нельзя было предвидеть, и что, собственно, могло произойти. И все-таки люди на этом корте столкнулись с чем-то неведомым! Они не решились бы с уверенностью сказать, что могут ответить на все вопросы, которые приходят им в голову. Осторожность здесь поощрялась. Осторожность лежала в основе всего. Пренебрегать ею было просто безрассудно...
Ферми снова сказал Вейлю: "Выдвиньте еще на фут,.." Счетчики защелкали чаще, пер.о поползло вверх, и кривая уже больше не стремилась выровняться по горизонтали - в котле шла цепная реакция.
Под потолком засуетилась "бригада самоубийц" с жидким кадмием в руках (жидкий кадмий - раствор в воде соли кадмия, вещества, чрезвычайно сильно поглощающего нейтроны. Заливая реактор таким раствором, можно погасить цепную реакцию). Но ничего не случилось. В течение двадцати восьми минут все смотрели на контрольные приборы. Котел вел себя, как ему и полагалось, то есть так, как надеялись физики, несмотря на все опасения".
Это произошло 2 декабря 1942 года. В те годы наша страна переживала тяжелые дни Великой Отечественной войны. Но работы по созданию реактора под руководством И. Курчатова уже начались...
Весной 1946 года в нескольких сотнях метров от домика И. Курчатова на территории лаборатории № 2 (прежнее название Института атомной энергии) закончилось строительство и отделка здания, которое тогда называли монтажными мастерскими. В бетонированном котловане десятиметровой ширины, длины и высоты выложили метровый слой графита и на нем стали складывать первый шар из уран-графитовых блоков. В графитовых кирпичах, из которых выкладывали реактор, имелись отверстия для урановых блоков, похожих на гирьки. Пока не было всего необходимого урана и графита, в здании собирали различные модели, с помощью которых можно было определить многие нужные физические параметры установки. И вот в декабре 1946 года прибыли последние партии урана и графита. На слое графита стали размещать графитовые кирпичи с вставленными в них блоками урана. Кирпичи клали так, чтобы реактор по форме как можно точнее напоминал шар - тогда меньше нужно графита и урана.
Наконец выложено шестьдесят два слоя графитовых кирпичей. Измерения показывают, что реактор почти критический. Надо еще немного улучшить размножение нейтронов - и цепная реакция начнется. И. Курчатов отпустил на отдых всех, непосредственно не связанных с пуском, а сам начал поднимать регулирующий стержень. Чем выше тот поднимался, тем осторожнее становились движения ученого. Вот стержень выдвинут еще немного. Зайчик гальванометра, а он должен был показывать поток нейтронов, чуть сдвинулся с места и остановился. Реактор заработал, но мощность его не растет, значит, еще нет цепной реакции. "Отдохнем", - говорит Игорь Васильевич. Потом еще поднял стержень на десять сантиметров. Зайчик гальванометра тронулся и начал двигаться по шкале не останавливаясь. Вот он ушел за шкалу; переключается масштаб измерений.
Мощность растет. Звонко щелкают динамики - это электрические импульсы, создаваемые нейтронами в счетчиках, с помощью усилителей превращаются в звук.
Щелчки динамиков учащаются: барабанная дробь сменяется пулеметной очередью, а затем и вовсе нельзя различить отдельные щелчки - все сливается в сплошной гул. Реактор стал надкритическим. И. Курчатов тут же оценил мощность: "Вот они, первые сто ватт от цепной реакции делений!"
Потом каждому пожал руку и поздравил с победой.
Реактор был пущен в 18 часов 25 декабря 1946 года.
Пока задачу приходится сводить к предыдущей
До сих пор мы еще не говорили, в каком виде выделяется энергия при делении атомного ядра. Очевидно, что часть ее связана с нейтронами, вылетающими при делении. Обладая огромной скоростью в 20 тысяч километров в секунду, они несут энергию в 5 Мэв на деление, что составляет 2,5 процента всей энергии разделившегося ядра. На гамма-излучение и на электроды приходится 10 процентов. Около 6 процентов уносит с собой нейтрино, причем уносит безвозвратно. И, наконец, 81,5 процента (или 88, если не учитывать всепроникающее нейтрино) приходится на осколки, те новые ядра, которые образуются при делении урана-235. Если ядро разделится точно пополам, отдав одинаковое количество энергии каждой половинке, то новое ядро-осколок будет лететь со скоростью двух тысяч метров в секунду. Обладая такой скоростью и массой, более чем в сто раз превышающей массу нейтрона, летящие осколки и уносят основную долю энергии, выделяющейся при делении.
Сталкиваясь с окружающими молекулами, они передают им свою энергию, и те начинают двигаться быстрее, интенсивнее. А увеличение скорости движения молекул вещества есть не что иное, как повышение его температуры. Так энергия деления ядра переходит в тепловую энергию движения молекул урана.
В реакторах уран находится в виде стерженьков или таблеток, выполненных из двуокиси урана и заключенных в металлическую оболочку. Из какого металла надо делать оболочки? Конечно, прочнее они были бы из нержавеющей стали. Но она очень сильно поглощает нейтроны и замедляет процесс деления. Поэтому идут: на компромисс, используя материал менее прочный и температуростойкий, но зато слабо поглощающий нейтроны. Обычно берут цирконий или сплавы этого металла.
Стержень из двуокиси урана, помещенный в герметичную циркониевую трубку, называют тепловыделяющим элементом - сокращенно "твэл". Если тепло от твэла не отводить, то температура его будет непрерывно повышаться, в конце концов он раскалится, затем размягчится - реактор "сгорит".
Каждый тепловыделяющий элемент реактора можно было бы сравнить с вытянутой в линию спиралью электрической плитки. Из нескольких тысяч таких "спиралек" составлена центральная часть реактора. Эту его часть называют активной зоной. Каждая "твэл-спиралька" отдает энергию куда большую, чем спираль электроплитки.
Напряженность работы поверхности тепловыделяющего тела, через которую передается тепло, теплотехники определяют по количеству тепла, отдаваемого единицей поверхности в единицу времени. Так, спираль электроплитки работает в довольно напряженных условиях - через каждый квадратный сантиметр ее поверхности в час проходит 4 килокалории тепла. Уже при такой тепловой нагрузке спираль накаляется докрасна.
В 25 раз больший тепловой поток идет через поверхность твэла активной зоны энергетического реактора.
Он составляет в час 100 килокалорий на один квадратный сантиметр, и тем не менее оболочка твэла докрасна не раскаляется, да до этого цирконий и нельзя допустить - он расплавится.
Как же удается снижать температуру оболочки? Конечно, хорошим отводом от твэла тепла. Наверное, многие замечали, что, если подуть на спираль электроплитки, она потемнеет, значит, температура ее понизилась, хотя количество тепла при этом выделяется то же самое. А температура понижается потому, что стало лучше отводиться тепло; и чем с большей скоростью будет отводиться тепло, тем меньшей будет температура спирали.
В большей части существующих сейчас энергетических реакторов энергия деления отводится от тепловыделяющих элементов примерно так же, но не с помощью воздуха, а воды. Охлаждающая вода поступает по трубе в нижнюю часть корпуса реактора, а затем попадает в каналы с тепловыделяющими элементами. В каждом канале может быть собрано 100-200 тепловыделяющих элементов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Протекая с большой скоростью мимо твэлов, вода охлаждает их и, нагреваясь, выходит через трубы, расположенные сбоку в верхней части корпуса реактора. Путем такого интенсивного охлаждения и удается снизить температуру оболочки твэлов. Такова общая схема отвода тепла из активной зоны реактора.