В действительности эффективная калорийность ядерного топлива оказывается не столь высокой. Правда, на транспортных расходах некоторое уменьшение выхода энергии в реакторе по сравнению с расчетной почти не сказывается. Подумаешь, вместо 20 миллионов килокалорий из грамма урана мы получим в 100 раз меньше!
Однако соглашаться на такой расточительный его расход никак нельзя. Ведь на Земле его не бесконечное количество. От чего же зависит эффективность использования ядерного горючего?
Всего процент. Почему?
Главная идея, лежащая в основе ядерного реактора деления, понятна: нужно, смешав уран и замедлитель, взять достаточное количество смеси, и в ней возникнет цепная реакция. Объем этой смеси называют критическим объемом, а массу урана - критической массой.
Однако бесполезно пытаться сделать реактор с однородной смесью природного урана и какого-либо легкого замедлителя: воды или графита. Он работать не будет; как говорят физики, такая установка никогда не достигнет критичности. Одна из причин неудачи состоит в том"
что в смеси применен природный уран.
В чистом виде урана-235, способного делиться под действием тепловых нейтронов, в природе не существует. Во всех рудах и минералах, содержащих уран, он находится в смеси с другим изотопом - ураном-238.
А его, к сожалению, в природном уране содержится 99,3 процента. И только около 0,7 процента приходится на долю урана-235. Чем же это плохо?
А тем, что уран-238 тепловыми нейтронами не делится, а просто поглощает их. Более того, он жадно поглощает не только тепловые - медленные нейтроны, но и нейтроны более быстрые, еще не успевшие отдать свою энергию в процессе замедления. Такой сильный захват нейтронов физики назвали резонансным.
Еще в 1936 году И. Курчатов в работе "Расщепление ядер нейтронами" описал явление резонансного поглощения. Но вышло так, что честь этого открытия принадлежит не ему. В то время, когда И. Курчатов и его сотрудники для проверки выводов и опровержения сомнений коллег-оппонентов, в первую очередь Л. Арцимовича, вновь и вновь ставили контрольные опыты, в печати появилась публикация Э. Ферми, в которой и описывалось резонансное поглощение нейтронов.
Казалось бы, если уран-238 - вредный поглотитель, то его нужно просто отделить от урана-235. Конечно, это так. Но вот отделить его вовсе не просто. Если, скажем, нужно очистить воду от каких-либо примесей, то ясно, что речь идет о разделении различных химических веществ, обладающих различными химическими и физическими свойствами. На этом и основывается разделение. Но уран-238 и уран-235 - это разные изотопы одного и того же химического элемента, и химические и физические свойства у них практически одинаковы. Разделение этих изотопов должно основываться на другом принципе, на их различии. Чем же отличается уран-238 от урана-235?
Вес этих изотопов различный, и в основе их разделения должно лежать это различие. Существует большое количество методов разделения изотопов; упомянем лишь электромагнитный, метод центрифугирования и газовой диффузии. Расскажем о методе газовой диффузии, на примере которого особенно отчетливо видны трудности, которые необходимо преодолевать при разделении изотопов одного и того же элемента.
Метод этот основан на том факте, что молекулы легкого газа при одной и: той же температуре движутся в среднем более быстро, чем молекулы тяжелого газа.
Как-то в 1945 году на одном из научно-технических заседаний, когда советский ученый И. Кикоин рассказывал о методах разделения, И. Курчатов в шутку заметил, что этот процесс схож, если можно так выразиться, с ситуацией при выходе из кинотеатра после окончания сеанса: подростки проскакивают быстрее степенных и солидных зрителей.
Возвращаясь к проблеме разделения изотопов, скажем, что если пропускать через пористую перегородку газовую смесь, то молекулы легкого газа пройдут быстрее и за перегородкой содержание его окажется больше, чем до перегородки.
Уран-238 и уран-235, как известно, металлы.
Для разделения их прежде всего переводят в газообразное состояние, соединяют с фтором и получают гексафторид урана. Этот газ и пропускают через пористую перегородку с микроскопическими отверстиями порядка 10^-8 сантиметра. Однако после одного прогона через перегородку содержание легкого изотопа урана-235 увеличивается всего в 1,002 раза. Чтобы увеличить концентрацию, этот процесс повторяют снова и снова. Например, чтобы поднять содержание урана-235 с 0,7 процента до 99, нужно пропустить газ примерно через 4 тысячи таких перегородок.
При разделении больших количеств изотопов применяют перегородки гигантской площади. Больше того, для разделения газовых смесей нужно строить специальные заводы, на которых площадь только одних пористых перегородок должна составлять сотни гектаров.
Система же труб, соединяющих отдельные камеры, протягивается на несколько тысяч километров. Ценой очень больших усилий удается отделить вредный, поглощающий нейтроны изотоп уран-238 от урана-235.
Поэтому так высока его стоимость.
Процессы разделения, которые часто называют обогащением урана, настолько важны для атомной энергетики, что научно-исследовательские и поисковые работы продолжаются и по сей день. Предложен ряд новых методов разделения, в том числе способ, основанный на использовании лазерного излучения, интенсивно изучаемый в настоящее время.
Используя уран, обогащенный изотопом урана-235, и применяя однородную смесь урана, например, с графитом, уже можно создать действующий реактор.
При достижении некоторого объема в нем начнется цепная реакция деления - реактор заработает и... через очень короткое время остановится. Почему? Дело в том, что при производстве энергии часть ядер урана-235 разделится выгорит. Количество его, находящееся в активной зоне реактора, станет меньше критической массы, и цепная реакция затухнет.
Из такого положения есть два выхода. Первый состоит в том, чтобы непрерывно загружать реактор новым ураном-235, заменяя им выгоревший. Можно, кроме того, заранее загружать активную зону дополнительным количеством горючего, предназначенного для выгорания.
Использовать первый способ в чистом виде практически невозможно: стоит выгореть всего нескольким атомам урана-235, как цепная реакция начнет затухать.
Поэтому применяют комбинацию того и другого. В реактор загружают не весь уран, необходимый для работы реактора все время, на которое он рассчитан, а только часть его. Затем, по мере выгорания, добавляют новые порции урана.
Поскольку речь зашла о выгорании урана, стоит рассказать еще об одной особенности работы реактора при нагрузке, говорят, "на мощности". Связана эта особенность с осколками ядер, образующимися при делении урана, или, как их иногда называют, - шлаками.
При пуске первого реактора, работающего "на мощности", физики столкнулись с необъяснимым явлением, впоследствии получившим название отравление. Действительно, это явление выглядит так, словно в реактор, который только что был выведен "на мощность", кто-то начинает подсыпать вредный поглотитель, бесполезно захватывающий нейтроны и прекращающий цепную реакцию.
Теперь это явление получило объяснение. Но когда физики столкнулись с ним впервые, оно выглядело непонятным, а ситуация тревожной. Под сомнением оказалась возможность работы реакторов на большой мощности. Ведь могло случиться, что при увеличении мощности отравление станет настолько большим, что ценная реакция прекратится и реактор нельзя будет вернуть в критическое состояние.
Такие мысли тревожили физиков, наблюдавших за поведением реакторов. Но уже через несколько дней после начала работы первого реактора "на мощности"
Э. Ферми удалось отыскать, или, если быть более точным, понять причину этого явления. Непонятное стало очевидным, простым, однако... неприятности, вызываемые отравлением, конечно, не исчезли. Остались они потому, что вызывались все теми же осколками ядер, или шлаками, возникающими при делении.
Шлаки, зола затрудняют процесс горения и в обычной угольной топке. Но там, обеспечивая нормальные условия для горения, их просто удаляют из топки. Другое дело шлаки атомного реактора. Удалить их очень трудно. Ведь они - атомы новых элементов, образовавшиеся при делении, и находятся они среди окружающих их атомов урана. Практически все они так и остаются в реакторе до самого конца его работы, то есть до той поры, пока активная зона не будет заменена новой. Накапливание осколков ведет к потере нейтронов, бесполезно поглощающихся ими.
Влияние некоторых шлаков-осколков на цепную реакцию сказывается сразу же после начала работы, так как они обладают очень большим сечением поглощения. Влияние других, имеющих маленькое сечение поглощения нейтронов, выявляется постепенно, по мере их накопления. Но все равно рано или поздно шлаков накопится столько, что цепная реакция прекратится, несмотря на то, что к этому времени в реакторе останется еще очень много урана-235. Ведь до самого последнего момента реактор был критическим и в нем шла цепная реакция. Теперь, после остановки, все топливо, включая и невыгоревший уран-235, нужно удалять из реактора и загружать его свежим. Выгоревший уран направляется в специальные хранилища.
Если проследить всю цепочку обращения с этим металлом, начиная с его добычи и кончая извлечением из реактора и его захоронением, то окажется, что полезно используется, то есть преобразуется в энергию, очень небольшая доля. Из всего добываемого урана в энергию деления переводится лишь один процент. Как видите, эффективная калорийность урана с учетом невыгоревшего топлива оказывается в сто раз меньше теоретически рассчитанной. Значит, на самом деле каждый грамм урана может дать не 20 миллионов килокалорий, а всего 200 тысяч. Но по сравнению с 7 килокалориями, которые можно получить при сжигании грамма угля, это, конечно, все еще очень много.
Низкая эффективность использования уранового топлива беспокоит нас и с другой точки зрения. Ведь запасы дешевого урана, как и других органических видов топлива, не безграничны. Поэтому повышение эффективности его использования - это важнейшая задача атомной энергетики сегодняшнего дня. Путей улучшения использования урана достаточно много: тут и уменьшение в реакторах вредного поглощения нейтронов за счет применения подходящих материалов, и снижение потерь при добыче урана, и экономия при изготовлении топлива, и многие другие.
Но основные причины ниакой эффективности еще и в потере топлива, выгружаемого после работы реактора. Совершенно очевидно, что его необходимо вторично использовать в реакторе, а для этого надо переработать, очистив от шлаков.
Принципиальных трудностей, тупиковых проблем в переработке топлива нет. А вот технических трудностей очень много. Достаточно сказать, что уран нужно очистить от химических элементов чуть ли не всей таблицы Менделеева, а также от многочисленных химических соединений. Ныне, правда, уже есть лабораторные, а в ряде случаев налажены и промышленные способы очистки ядерного горючего. Все же есть нужда в особых предприятиях, где все операции и манипуляции с топливом, по ремонту и замене оборудования могли бы осуществляться дистанционно. Ведь большая часть осколков, образующихся при делении, а также многие новые элементы, которые возникают при поглощении нейтронов, радиоактивны. Работать с ними так, как мы работаем с другими веществами, нельзя. Нужны специальные меры защиты. Надо сказать, что эти меры защиты, необходимые защитные материалы и конструкции известны. Однако объединение всего этого, в общем, принципиально известного атомного хозяйства - химических процессов, аппаратов переработки, автоматики, оборудования, защитных материалов и способов защиты - в одно целое, то есть создание такого надежно и эффективно работающего завода по переработке топлива, - это сложная научно-техническая проблема. Но нет сомнения, что она будет решена, ибо уже работают опытно-промышленные установки и даже заводы промышленного масштаба.
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.