Люди и атомы

В ядерном реакторе, или атомном котле, уран-235 расщепляется нейтроном. Этот первый нейтрон может быть обусловлен космическим излучением Вселенной. Он служит искрой, которая зажигает ядерный огонь.

Каждое ядро урана-235 при расщеплении выделяет энергию в виде тепла, в три миллиона раз большую, чем энергия, выделяемая эквивалентным количеством угля. Кроме того, при этом освобождается в среднем 2,5 нейтрона, которые расщепляют новые атомы, т. е., в свою очередь, выделяют новые нейтроны и, таким образом, продолжают цепную реакцию. В отличие от обычного горения для этого процесса не требуется кислорода.

В ядерном реакторе около половины нейтронов, освобождаемых в процессе деления, идет на поддержание цепной реакции, т. е. на расщепление других атомов урана-235 и, следовательно, на выделение тепла. Другая половина попадает в ядро неделящегося урана-238.

Когда нейтрон попадает в ядро атома урана-238, он превращает его в новый элемент — плутоний, не существующий в природе. Таким образом, плутоний является делящимся элементом, который, как и уран-235, расщепляется нейтронами. Аналогичным образом, когда нейтрон попадает в торий, тот превращается в делящийся изотоп — уран-233, не существующий в природе.

Однако в реакторе, работающем на природном смешанном уране, только 80% нейтронов, не требующихся для поддержания цепной реакции, идет на превращение урана-238 в плутоний. Это означает, что в результате расщепления 6,3 килограмма урана-235, содержащихся в тонне природного урана, образуется лишь 5 килограммов плутония; они, в свою очередь, создадут лишь 4 килограмма и т. д. со скоростью, уменьшающейся на каждой стадии на 20%, так что всего окажется использованным лишь 3% всего урана.

На самом же деле в таком реакторе будет израсходовано урана значительно менее 3%, так как после работы в течение некоторого времени осколки расщепленных атомов (продукты деления, или ядерная зола) отравляют реактор, поглощая так много нейтронов, что оставшихся не хватает даже для поддержания цепной реакции. Поэтому приходится останавливать реактор, убирать тепловыделяющие элементы и устранять продукты деления, представляющие собой 90 радиоактивных изотопов, обращение с которыми требует особой осторожности. Именно на это уходит больше всего средств при использовании ядерного реактора этого типа.

Существует несколько типов ядерных реакторов; все они еще проходят экспериментальную проверку, и многие, без сомнения, будут пущены в ближайшие несколько лет. Некоторые реакторы работают на обогащенном топливе, где к естественному урану добавлено небольшое количество очищенного урана-235. Другим интересным видом реактора является гомогенный реактор, где ядерное топливо находится в виде раствора, из которого непрерывно удаляются продукты деления.

Но самым многообещающим реактором из всех является реактор-размножитель, способный воспроизводить больше ядерного топлива, чем потреблять.

Реактор-размножитель — это одно из современных чудес. Существует пословица: один пирог два раза не съешь. Тут вы можете не только два раза съесть один и тот же пирог, а напротив — чем больше вы съедаете пирога, тем больше его у вас остается.

В размножителе использовано то обстоятельство, что в результате деления одного ядра в среднем образуется 2,5 нейтрона. Так как для поддержания цепной реакции, т. е. для расщепления других атомов, нужен всего один нейтрон, то остается 1,5 нейтрона для превращения урана-238 в плутоний.

Таким образом, по мере использования каждого атома урана-235 в качестве топлива при идеальных условиях возникает полтора атома плутония (здесь 1,5 — коэффициент воспроизводства *).

* Коэффициент воспроизводства — это отношение числа атомов вторичного ядерного топлива к числу атомов израсходованного первичного топлива урана-235. В реакторах-размножителях он может быть больше единицы.— Прим. ред.

Делая скидку на потери, давайте предположим, что коэффициент воспроизводства равен 1,1. Это означает, что каждый килограмм урана-235, сгоревший как топливо, заменится 1,1 килограмма плутония. Следовательно, когда первоначальные 6,3 килограмма урана-235, содержащиеся в тонне природного урана, сгорят, выделив тепло, эквивалентное 21 000 тонн высокосортного угля, 6,9 килограмма делящегося урана-238 превратятся в такое же количество делящегося плутония.

Этот процесс будет продолжаться, пока вся тонна естественного урана не превратится в плутоний.

Другими словами, взяв тонну природного урана, содержащего лишь 6,3 килограмма урана-235, мы получим в результате процесса размножения целую тонну расщепляющегося материала, равного по тепловому эквиваленту 3 000 000 тонн высокосортного угля.

ГЛАВА 39

Атомный реактор будущего

Весной 1954 г. Комиссия по атомной энергии Соединенных Штатов Америки объявила о создании нового типа ядерного реактора для производства энергии в промышленных целях.